衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，屬于仿真【技術(shù)領(lǐng)域】。該驗證系統(tǒng)包括衛(wèi)星動力學(xué)模擬器、移動終端系統(tǒng)、地理影像顯示系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器和移動終端系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，移動終端系統(tǒng)和地理影像顯示系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。本發(fā)明可以為衛(wèi)星星座區(qū)域成像規(guī)劃和圖像獲取提供驗證平臺，同時亦可用于衛(wèi)星遙操作過程的演示，從而可以降低航天任務(wù)的風(fēng)險，縮短衛(wèi)星星座區(qū)域成像的響應(yīng)時間。
【專利說明】衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，屬于仿真【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]【背景技術(shù)】
最近十年內(nèi)，全球范圍的重大自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，例如:2004年12月26日發(fā)生的印度洋海嘯造成了約16萬人死亡，2008年5月12日我國汶川發(fā)生的特大地震災(zāi)害造成了約7萬人遇難。這些重大災(zāi)害給受災(zāi)國造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。重大自然災(zāi)害發(fā)生時，道路、電力和通訊等設(shè)施將基本陷入癱瘓狀態(tài)。因此，災(zāi)區(qū)災(zāi)害情報的獲取、災(zāi)難救援和災(zāi)后重建成為迫切的需要。若在自然災(zāi)害發(fā)生時，通過快速發(fā)射數(shù)十顆低成本微小衛(wèi)星，并組網(wǎng)形成星座對災(zāi)區(qū)實現(xiàn)區(qū)域連續(xù)成像，可以為救援部隊提供及時、準(zhǔn)確的信息，為救助傷員爭取寶貴的時間，從而減少彳目息滯后造成的損失。
[0003]近年來，無論從政治、經(jīng)濟還是軍事的角度出發(fā)，許多國家和地區(qū)都希望建立低成本的非同步軌道區(qū)域覆蓋衛(wèi)星系統(tǒng)。中低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)與同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)相比，具有傳播時延短、傳輸損耗小、發(fā)射成本低、可以有效提高載荷分辨率等突出優(yōu)點。衛(wèi)星星座是由多顆衛(wèi)星按照一定規(guī)律組成的衛(wèi)星群。與單顆衛(wèi)星相比，衛(wèi)星星座具有較高的覆蓋性能，且重訪時間間隔短，能夠滿足通信、導(dǎo)航、空間探測、熱點地區(qū)成像和科學(xué)實驗等多方面的應(yīng)用要求。航天任務(wù)具有成本高、風(fēng)險大等特點，因此在地面上進(jìn)行充分驗證對于在軌任務(wù)的成功實施具有很重要的意義。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明提出了一種衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
[0005]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)，包括衛(wèi)星動力學(xué)模擬器、移動終端系統(tǒng)、地理影像顯示系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器和移動終端系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，移動終端系統(tǒng)和地理影像顯示系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，其中衛(wèi)星動力學(xué)模擬器包括衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機、圖像采集相機和相機控制云臺，圖像采集相機和相機控制云臺分別與衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機連接，地理影像顯示系統(tǒng)由地理影像模擬計算機和影像投影儀順序連接而成。
[0006]衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括如下步驟:
步驟1.設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)；
步驟2.啟動移動終端系統(tǒng)，運行移動終端App軟件，添加衛(wèi)星并設(shè)置或修改各衛(wèi)星軌道參數(shù)，即半長軸、軌道傾角、偏心率、升交點赤經(jīng)、近地點幅角、平近點角以及網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，即動力學(xué)模擬器IP地址和通信端口，地理影像顯示系統(tǒng)IP地址；
步驟3.啟動衛(wèi)星動力學(xué)模擬器，運行衛(wèi)星動力學(xué)模擬軟件，設(shè)置相機控制云臺串口端口和波特率、圖像采集相機端口、衛(wèi)星動力學(xué)模擬器UDP通信端口、移動終端IP地址和通信端口，等待移動終端系統(tǒng)發(fā)送的時間和衛(wèi)星軌道參數(shù)；
步驟4.啟動實時地理影像顯示軟件，設(shè)置地理影像顯示系統(tǒng)IP地址，等待移動終端系統(tǒng)發(fā)送的時間和衛(wèi)星軌道參數(shù)；
步驟5.在移動終端App軟件上選擇需要成像的目標(biāo)區(qū)域，根據(jù)各衛(wèi)星計算得到的成像時間選擇合適的衛(wèi)星，將目標(biāo)區(qū)域經(jīng)度、緯度、當(dāng)前時間以及選中的衛(wèi)星的軌道參數(shù)發(fā)送給衛(wèi)星動力學(xué)模擬器和地理影像顯示系統(tǒng)；
步驟6.地理影像顯示系統(tǒng)接收移動終端平板系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實時更新衛(wèi)星星下點地理圖像并通過投影儀將星下點圖像投影到投影幕上；
步驟7.衛(wèi)星動力學(xué)模擬器接收移動終端系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實時進(jìn)行衛(wèi)星軌道遞推，計算成像時間和衛(wèi)星姿態(tài)需要機動的角度；
步驟8.當(dāng)衛(wèi)星即將經(jīng)過成像區(qū)域時，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)需要機動的角度發(fā)送指令給相機控制云臺，并驅(qū)動相機控制云臺的轉(zhuǎn)動，使圖像采集相機光軸指向目標(biāo)區(qū)域；
步驟9.衛(wèi)星經(jīng)過成像區(qū)域時，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器發(fā)送成像指令給圖像采集相機，圖像采集相機拍攝由投影儀投射的星下點地理圖像；
步驟10.衛(wèi)星動力學(xué)模擬器將星下點地理圖像發(fā)送給移動終端系統(tǒng)，從而實現(xiàn)衛(wèi)星星座區(qū)域成像遙操作的過程。
[0007]本發(fā)明的有益效果如下:
(I)本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
[0008](2)本發(fā)明的系統(tǒng)，集成衛(wèi)星動力學(xué)模擬、地面指令發(fā)送和接收設(shè)備以及圖像模擬設(shè)備，功能完備、演示便捷。
[0009]( 3 )本發(fā)明的方法，實現(xiàn)步驟簡單、易于操作。
[0010]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發(fā)明的硬件平臺連接示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明的移動終端各界面關(guān)系示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明的移動終端主登陸模塊接口示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明中的衛(wèi)星動力學(xué)模擬器工作流程示意圖。
[0014]圖5是本發(fā)明中的地理影像顯示軟件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖6是本發(fā)明的移動終端目標(biāo)選擇模塊示意圖。
[0016]圖7是本發(fā)明的移動終端主顯示模塊接口示意圖。
[0017]【具體實施方式】
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0018]本發(fā)明所述的一種衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)包括:衛(wèi)星動力學(xué)模擬器、地理影像顯示系統(tǒng)、移動終端系統(tǒng)以及無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如圖1所示。
[0019]衛(wèi)星動力學(xué)模擬器包括衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機、圖像采集相機、相機控制云臺和支架等構(gòu)成，圖像采集相機通過夾具安裝于相機控制云臺上，相機控制云臺與支架固定。衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機采用普通的臺式計算機；圖像采集相機采用普通的工業(yè)相機，其通過USB數(shù)據(jù)線與衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機相連，實現(xiàn)相機控制、圖像采集和傳輸以及相機供電；相機控制云臺由12V直流電供電，并通過串口 232與衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機進(jìn)行通信；衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機控制相機控制云臺以及圖像采集相機的開啟與運動等，衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機連入無線網(wǎng)絡(luò)，與圖1中的移動終端系統(tǒng)以及地理影像顯示系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。
[0020]地理影像顯示系統(tǒng)由地理影像模擬計算機和投影儀組成。地理影像模擬計算機采用普通的臺式機。為了提高星下點圖像的投影質(zhì)量，采用IOSOp高清投影儀，投影儀與地理影像模擬計算機相連。
[0021]移動終端系統(tǒng)采用移動終端平板電腦，這是由于移動終端平臺電腦計算能力強大、圖像處理速度快、屏幕適中且便于圖像顯示、體積小且便于攜帶。移動終端平板電腦通過無線網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星動力學(xué)模擬器以及地理影像顯示系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、指令發(fā)送和圖像回傳等。
[0022]本發(fā)明提出了一種衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括如下步驟: 步驟1.設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)；
步驟2.啟動移動終端系統(tǒng)，運行移動終端App軟件，添加衛(wèi)星并設(shè)置或修改各衛(wèi)星軌道參數(shù)(包括:半長軸、軌道傾角、偏心率、升交點赤經(jīng)、近地點幅角、平近點角)以及網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)(包括:動力學(xué)模擬器IP地址和通信端口，地理影像顯示系統(tǒng)IP地址)；
步驟3.啟動衛(wèi)星動力學(xué)模擬器，運行衛(wèi)星動力學(xué)模擬軟件，設(shè)置相機控制云臺串口端口和波特率、圖像采集相機端口、衛(wèi)星動力學(xué)模擬器UDP通信端口、移動終端IP地址和通信端口，等待移動終端系統(tǒng)發(fā)送的時間和衛(wèi)星軌道參數(shù)；
步驟4.啟動實時地理影像顯示軟件，設(shè)置地理影像顯示系統(tǒng)IP地址，等待移動終端系統(tǒng)發(fā)送的時間和衛(wèi)星軌道參數(shù)；
步驟5.在移動終端App軟件上選擇需要成像的目標(biāo)區(qū)域，根據(jù)各衛(wèi)星計算得到的成像時間選擇合適的衛(wèi)星，將目標(biāo)區(qū)域經(jīng)度、緯度、當(dāng)前時間以及選中的衛(wèi)星的軌道參數(shù)發(fā)送給衛(wèi)星動力學(xué)模擬器和地理影像顯示系統(tǒng)；
步驟6.地理影像顯示系統(tǒng)接收移動終端系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實時更新衛(wèi)星星下點地理圖像并通過投影儀將星下點圖像投影到投影幕上；
步驟7.衛(wèi)星動力學(xué)模擬器接收移動終端系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實時進(jìn)行衛(wèi)星軌道遞推，計算成像時間和衛(wèi)星姿態(tài)需要機動的角度；
步驟8.當(dāng)衛(wèi)星即將經(jīng)過成像區(qū)域時，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)需要機動的角度發(fā)送指令給相機控制云臺，并驅(qū)動相機控制云臺的轉(zhuǎn)動，使圖像采集相機光軸指向目標(biāo)區(qū)域；
步驟9.衛(wèi)星經(jīng)過成像區(qū)域時，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器發(fā)送成像指令給圖像采集相機，圖像采集相機拍攝由投影儀投射的星下點地理圖像；
步驟10.衛(wèi)星動力學(xué)模擬器將星下點地理圖像發(fā)送給移動終端系統(tǒng)，從而實現(xiàn)衛(wèi)星星座區(qū)域成像遙操作的過程。
[0023]所述步驟I中，設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)，為圖1中的移動終端系統(tǒng)以及地理影像顯示系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)提供通信基準(zhǔn)。
[0024]所述步驟2中，移動終端采用平板電腦實現(xiàn)，移動終端App軟件采用Android軟件開發(fā)程序進(jìn)行開發(fā)，軟件界面適配平板與手機的尺寸，軟件開發(fā)于Android 4.3的操作系統(tǒng)上，理論上向下兼容早期版本。App軟件各界面關(guān)系如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)調(diào)試與設(shè)置在主登陸模塊中實現(xiàn)，如圖3所示。
[0025]所述步驟3中，衛(wèi)星動力學(xué)模擬軟件主要采用美國國家儀器LabVIEW軟件及VC++軟件開發(fā)。LabVIEW具有良好的多線程編程能力以及強大的硬件支持能力。衛(wèi)星動力學(xué)模擬軟件包括模擬器交互界面以及模擬器程序兩大部分。模擬器交互界面分為兩部分:衛(wèi)星在軌運行情況三維軌道顯示、參數(shù)設(shè)計以及結(jié)果顯示窗口。參數(shù)設(shè)置包括串口、圖像采集相機參數(shù)配置，仿真初始參數(shù)設(shè)置。模擬器程序框圖主要包括五大部分:衛(wèi)星軌道姿態(tài)遞推和控制框圖、三維顯示框圖、云臺控制框圖、相機控制框圖以及串口控制框圖。衛(wèi)星動力學(xué)模擬軟件的工作流程如圖4所示。
[0026]所述步驟4中，地理影像顯示軟件采用微軟的C#開發(fā)，調(diào)用了 UDP通信模塊。地理影像顯示軟件接口如圖5所示。動態(tài)圖像顯示軟件調(diào)用Google Earth的API，其圖像根據(jù)衛(wèi)星的軌道六根數(shù)計算出的星下點經(jīng)緯度、高度自動推演。在移動終端未發(fā)送軌道數(shù)據(jù)時，用戶可以自行設(shè)置軌道參數(shù)，并遞推運行。軟件的顯示界面由投影儀提供給衛(wèi)星動力學(xué)模擬器圖像采集相機拍攝使用。
[0027]所述步驟5中，目標(biāo)地區(qū)經(jīng)緯度選擇由圖6移動終端目標(biāo)選擇模塊實現(xiàn)，任務(wù)及軌道參數(shù)發(fā)送由圖7中的模塊實現(xiàn)。
[0028]所述步驟6中，當(dāng)移動終端發(fā)送軌道數(shù)據(jù)后，地理影像顯示系統(tǒng)則自動以接收到的軌道參數(shù)遞推，實時計算出衛(wèi)星的星下點經(jīng)緯度和高度，調(diào)用Google Earth地圖，并將星下點圖像投影到投影幕上。[0029]所述步驟7中，當(dāng)移動終端發(fā)送軌道數(shù)據(jù)后，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器以接收到的軌道參數(shù)、軌道參數(shù)對應(yīng)的時間以及目標(biāo)地區(qū)經(jīng)緯度，實時進(jìn)行軌道遞推、衛(wèi)星經(jīng)過成像區(qū)域時間t預(yù)測、成像姿態(tài)機動角度α計算。
[0030]所述步驟8中，根據(jù)步驟7中計算得到的姿態(tài)機動角度以及衛(wèi)星機動角速度約束，估算衛(wèi)星進(jìn)行側(cè)擺機動和姿態(tài)穩(wěn)定所需時間△〖，在t_ At時刻，根據(jù)姿態(tài)機動角度α計算姿態(tài)控制力矩，對衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制。根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)角和角速度形成云臺控制指令，并發(fā)送給云臺控制器，驅(qū)動云臺轉(zhuǎn)動，使圖像采集相機光軸指向目標(biāo)區(qū)域。
[0031]所述步驟9中，經(jīng)過t時間后，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器發(fā)送程序指令給圖像采集相機，開啟相機抓取由地理影像顯示系統(tǒng)提供的星下點圖像。
[0032]所述步驟10中，星下點圖像獲取成功之后，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像傳輸給移動終端，并供用戶查看，圖像接收由圖7中的模塊實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)，其特征在于，包括衛(wèi)星動力學(xué)模擬器、移動終端系統(tǒng)、地理影像顯示系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器和移動終端系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，移動終端系統(tǒng)和地理影像顯示系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，其中衛(wèi)星動力學(xué)模擬器包括衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機、圖像采集相機和相機控制云臺，圖像采集相機和相機控制云臺分別與衛(wèi)星動力學(xué)模擬計算機連接，地理影像顯示系統(tǒng)由地理影像模擬計算機和投影儀順序連接而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星地面遙操作演示驗證系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1.設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)； 步驟2.啟動移動終端系統(tǒng)，運行移動終端App軟件，添加衛(wèi)星并設(shè)置或修改各衛(wèi)星軌道參數(shù)，即半長軸、軌道傾角、偏心率、升交點赤經(jīng)、近地點幅角、平近點角以及網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，即動力學(xué)模擬器IP地址和通信端口，地理影像顯示系統(tǒng)IP地址； 步驟3.啟動衛(wèi)星動力學(xué)模擬器，運行衛(wèi)星動力學(xué)模擬軟件，設(shè)置相機控制云臺串口端口和波特率、圖像采集相機端口、衛(wèi)星動力學(xué)模擬器UDP通信端口、移動終端IP地址和通信端口，等待移動終端系統(tǒng)發(fā)送的時間和衛(wèi)星軌道參數(shù)； 步驟4.啟動實時地理影像顯示軟件，設(shè)置地理影像顯示系統(tǒng)IP地址，等待移動終端系統(tǒng)發(fā)送的時間和衛(wèi)星軌道參數(shù)； 步驟5.在移動終端App軟件上選擇需要成像的目標(biāo)區(qū)域，根據(jù)各衛(wèi)星計算得到的成像時間選擇合適的衛(wèi)星，將目標(biāo)區(qū)域經(jīng)度、緯度、當(dāng)前時間以及選中的衛(wèi)星的軌道參數(shù)發(fā)送給衛(wèi)星動力學(xué)模擬器和地理影像顯示系統(tǒng)； 步驟6.地理影像顯示系統(tǒng)接收移動終端平板系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實時更新衛(wèi)星星下點地理圖像并通過投影儀將星下點圖像投影到投影幕上； 步驟7.衛(wèi)星動力學(xué)模擬器接收移動終端系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實時進(jìn)行衛(wèi)星軌道遞推，計算成像時間和衛(wèi)星姿態(tài)需要機動的角度； 步驟8.當(dāng)衛(wèi)星即將經(jīng)過成像區(qū)域時，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)需要機動的角度發(fā)送指令給相機控制云臺，并驅(qū)動相機控制云臺的轉(zhuǎn)動，使圖像采集相機光軸指向目標(biāo)區(qū)域； 步驟9.衛(wèi)星經(jīng)過成像區(qū)域時，衛(wèi)星動力學(xué)模擬器發(fā)送成像指令給圖像采集相機，圖像采集相機拍攝由投影儀投射的星下點地理圖像； 步驟10.衛(wèi)星動力學(xué)模擬器將星下點地理圖像發(fā)送給移動終端系統(tǒng)，從而實現(xiàn)衛(wèi)星星座區(qū)域成像遙操作的過程。
【文檔編號】G05B17/02GK103955140SQ201410163182
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】吳云華, 陳志明, 華冰, 郁豐, 康國華, 陳衛(wèi)東 申請人:南京航空航天大學(xué)