衛星地面遙操作演示驗證系統及其實現方法
【專利摘要】本發明涉及一種衛星地面遙操作演示驗證系統及其實現方法，屬于仿真【技術領域】。該驗證系統包括衛星動力學模擬器、移動終端系統、地理影像顯示系統和無線網絡，衛星動力學模擬器和移動終端系統通過無線網絡連接，移動終端系統和地理影像顯示系統通過無線網絡連接。本發明可以為衛星星座區域成像規劃和圖像獲取提供驗證平臺，同時亦可用于衛星遙操作過程的演示，從而可以降低航天任務的風險，縮短衛星星座區域成像的響應時間。
【專利說明】衛星地面遙操作演示驗證系統及其實現方法
[0001]【技術領域】
本發明涉及一種衛星地面遙操作演示驗證系統及其實現方法，屬于仿真【技術領域】。
[0002]【背景技術】
最近十年內，全球范圍的重大自然災害頻繁發生，例如:2004年12月26日發生的印度洋海嘯造成了約16萬人死亡，2008年5月12日我國汶川發生的特大地震災害造成了約7萬人遇難。這些重大災害給受災國造成了巨大的人員傷亡和財產損失。重大自然災害發生時，道路、電力和通訊等設施將基本陷入癱瘓狀態。因此，災區災害情報的獲取、災難救援和災后重建成為迫切的需要。若在自然災害發生時，通過快速發射數十顆低成本微小衛星，并組網形成星座對災區實現區域連續成像，可以為救援部隊提供及時、準確的信息，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、經濟還是軍事的角度出發，許多國家和地區都希望建立低成本的非同步軌道區域覆蓋衛星系統。中低軌道衛星系統與同步軌道衛星系統相比，具有傳播時延短、傳輸損耗小、發射成本低、可以有效提高載荷分辨率等突出優點。衛星星座是由多顆衛星按照一定規律組成的衛星群。與單顆衛星相比，衛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、導航、空間探測、熱點地區成像和科學實驗等多方面的應用要求。航天任務具有成本高、風險大等特點，因此在地面上進行充分驗證對于在軌任務的成功實施具有很重要的意義。
[0004]
【發明內容】
本發明提出了一種衛星地面遙操作演示驗證系統及其實現方法。
[0005]本發明為了解決上述技術問題采用以下技術方案:
一種衛星地面遙操作演示驗證系統，包括衛星動力學模擬器、移動終端系統、地理影像顯示系統和無線網絡，衛星動力學模擬器和移動終端系統通過無線網絡連接，移動終端系統和地理影像顯示系統通過無線網絡連接，其中衛星動力學模擬器包括衛星動力學模擬計算機、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星動力學模擬計算機連接，地理影像顯示系統由地理影像模擬計算機和影像投影儀順序連接而成。
[0006]衛星地面遙操作演示驗證系統的實現方法，包括如下步驟:
步驟1.設置無線網絡環境參數，包括IP地址、子網掩碼和默認網關；
步驟2.啟動移動終端系統，運行移動終端App軟件，添加衛星并設置或修改各衛星軌道參數，即半長軸、軌道傾角、偏心率、升交點赤經、近地點幅角、平近點角以及網絡通信參數，即動力學模擬器IP地址和通信端口，地理影像顯示系統IP地址；
步驟3.啟動衛星動力學模擬器，運行衛星動力學模擬軟件，設置相機控制云臺串口端口和波特率、圖像采集相機端口、衛星動力學模擬器UDP通信端口、移動終端IP地址和通信端口，等待移動終端系統發送的時間和衛星軌道參數；
步驟4.啟動實時地理影像顯示軟件，設置地理影像顯示系統IP地址，等待移動終端系統發送的時間和衛星軌道參數；
步驟5.在移動終端App軟件上選擇需要成像的目標區域，根據各衛星計算得到的成像時間選擇合適的衛星，將目標區域經度、緯度、當前時間以及選中的衛星的軌道參數發送給衛星動力學模擬器和地理影像顯示系統；
步驟6.地理影像顯示系統接收移動終端平板系統發送來的數據，實時更新衛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.衛星動力學模擬器接收移動終端系統發送來的數據，實時進行衛星軌道遞推，計算成像時間和衛星姿態需要機動的角度；
步驟8.當衛星即將經過成像區域時，衛星動力學模擬器根據衛星姿態需要機動的角度發送指令給相機控制云臺，并驅動相機控制云臺的轉動，使圖像采集相機光軸指向目標區域；
步驟9.衛星經過成像區域時，衛星動力學模擬器發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.衛星動力學模擬器將星下點地理圖像發送給移動終端系統，從而實現衛星星座區域成像遙操作的過程。
[0007]本發明的有益效果如下:
(I)本發明的系統結構簡單、成本低。
[0008](2)本發明的系統，集成衛星動力學模擬、地面指令發送和接收設備以及圖像模擬設備，功能完備、演示便捷。
[0009]( 3 )本發明的方法，實現步驟簡單、易于操作。
[0010]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1是本發明的硬件平臺連接示意圖。
[0011]圖2是本發明的移動終端各界面關系示意圖。
[0012]圖3是本發明的移動終端主登陸模塊接口示意圖。
[0013]圖4是本發明中的衛星動力學模擬器工作流程示意圖。
[0014]圖5是本發明中的地理影像顯示軟件結構示意圖。
[0015]圖6是本發明的移動終端目標選擇模塊示意圖。
[0016]圖7是本發明的移動終端主顯示模塊接口示意圖。
[0017]【具體實施方式】
下面結合附圖對本發明創造作進一步詳細的說明。
[0018]本發明所述的一種衛星地面遙操作演示驗證系統包括:衛星動力學模擬器、地理影像顯示系統、移動終端系統以及無線網絡環境，如圖1所示。
[0019]衛星動力學模擬器包括衛星動力學模擬計算機、圖像采集相機、相機控制云臺和支架等構成，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。衛星動力學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相機，其通過USB數據線與衛星動力學模擬計算機相連，實現相機控制、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與衛星動力學模擬計算機進行通信；衛星動力學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，衛星動力學模擬計算機連入無線網絡，與圖1中的移動終端系統以及地理影像顯示系統聯網。
[0020]地理影像顯示系統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絡與衛星動力學模擬器以及地理影像顯示系統進行數據傳輸、指令發送和圖像回傳等。
[0022]本發明提出了一種衛星地面遙操作演示驗證系統的實現方法，包括如下步驟: 步驟1.設置無線網絡環境參數，包括IP地址、子網掩碼和默認網關；
步驟2.啟動移動終端系統，運行移動終端App軟件，添加衛星并設置或修改各衛星軌道參數(包括:半長軸、軌道傾角、偏心率、升交點赤經、近地點幅角、平近點角)以及網絡通信參數(包括:動力學模擬器IP地址和通信端口，地理影像顯示系統IP地址)；
步驟3.啟動衛星動力學模擬器，運行衛星動力學模擬軟件，設置相機控制云臺串口端口和波特率、圖像采集相機端口、衛星動力學模擬器UDP通信端口、移動終端IP地址和通信端口，等待移動終端系統發送的時間和衛星軌道參數；
步驟4.啟動實時地理影像顯示軟件，設置地理影像顯示系統IP地址，等待移動終端系統發送的時間和衛星軌道參數；
步驟5.在移動終端App軟件上選擇需要成像的目標區域，根據各衛星計算得到的成像時間選擇合適的衛星，將目標區域經度、緯度、當前時間以及選中的衛星的軌道參數發送給衛星動力學模擬器和地理影像顯示系統；
步驟6.地理影像顯示系統接收移動終端系統發送來的數據，實時更新衛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.衛星動力學模擬器接收移動終端系統發送來的數據，實時進行衛星軌道遞推，計算成像時間和衛星姿態需要機動的角度；
步驟8.當衛星即將經過成像區域時，衛星動力學模擬器根據衛星姿態需要機動的角度發送指令給相機控制云臺，并驅動相機控制云臺的轉動，使圖像采集相機光軸指向目標區域；
步驟9.衛星經過成像區域時，衛星動力學模擬器發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.衛星動力學模擬器將星下點地理圖像發送給移動終端系統，從而實現衛星星座區域成像遙操作的過程。
[0023]所述步驟I中，設置無線網絡環境參數，為圖1中的移動終端系統以及地理影像顯示系統的聯網提供通信基準。
[0024]所述步驟2中，移動終端采用平板電腦實現，移動終端App軟件采用Android軟件開發程序進行開發，軟件界面適配平板與手機的尺寸，軟件開發于Android 4.3的操作系統上，理論上向下兼容早期版本。App軟件各界面關系如圖2所示，網絡通信參數調試與設置在主登陸模塊中實現，如圖3所示。
[0025]所述步驟3中，衛星動力學模擬軟件主要采用美國國家儀器LabVIEW軟件及VC++軟件開發。LabVIEW具有良好的多線程編程能力以及強大的硬件支持能力。衛星動力學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:衛星在軌運行情況三維軌道顯示、參數設計以及結果顯示窗口。參數設置包括串口、圖像采集相機參數配置，仿真初始參數設置。模擬器程序框圖主要包括五大部分:衛星軌道姿態遞推和控制框圖、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。衛星動力學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，調用了 UDP通信模塊。地理影像顯示軟件接口如圖5所示。動態圖像顯示軟件調用Google Earth的API，其圖像根據衛星的軌道六根數計算出的星下點經緯度、高度自動推演。在移動終端未發送軌道數據時，用戶可以自行設置軌道參數，并遞推運行。軟件的顯示界面由投影儀提供給衛星動力學模擬器圖像采集相機拍攝使用。
[0027]所述步驟5中，目標地區經緯度選擇由圖6移動終端目標選擇模塊實現，任務及軌道參數發送由圖7中的模塊實現。
[0028]所述步驟6中，當移動終端發送軌道數據后，地理影像顯示系統則自動以接收到的軌道參數遞推，實時計算出衛星的星下點經緯度和高度，調用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，當移動終端發送軌道數據后，衛星動力學模擬器以接收到的軌道參數、軌道參數對應的時間以及目標地區經緯度，實時進行軌道遞推、衛星經過成像區域時間t預測、成像姿態機動角度α計算。
[0030]所述步驟8中，根據步驟7中計算得到的姿態機動角度以及衛星機動角速度約束，估算衛星進行側擺機動和姿態穩定所需時間△〖，在t_ At時刻，根據姿態機動角度α計算姿態控制力矩，對衛星姿態進行控制。根據衛星姿態角和角速度形成云臺控制指令，并發送給云臺控制器，驅動云臺轉動，使圖像采集相機光軸指向目標區域。
[0031]所述步驟9中，經過t時間后，衛星動力學模擬器發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，衛星動力學模擬器通過無線網絡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。
【權利要求】
1.一種衛星地面遙操作演示驗證系統，其特征在于，包括衛星動力學模擬器、移動終端系統、地理影像顯示系統和無線網絡，衛星動力學模擬器和移動終端系統通過無線網絡連接，移動終端系統和地理影像顯示系統通過無線網絡連接，其中衛星動力學模擬器包括衛星動力學模擬計算機、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星動力學模擬計算機連接，地理影像顯示系統由地理影像模擬計算機和投影儀順序連接而成。
2.根據權利要求1所述的衛星地面遙操作演示驗證系統的實現方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1.設置無線網絡環境參數，包括IP地址、子網掩碼和默認網關； 步驟2.啟動移動終端系統，運行移動終端App軟件，添加衛星并設置或修改各衛星軌道參數，即半長軸、軌道傾角、偏心率、升交點赤經、近地點幅角、平近點角以及網絡通信參數，即動力學模擬器IP地址和通信端口，地理影像顯示系統IP地址； 步驟3.啟動衛星動力學模擬器，運行衛星動力學模擬軟件，設置相機控制云臺串口端口和波特率、圖像采集相機端口、衛星動力學模擬器UDP通信端口、移動終端IP地址和通信端口，等待移動終端系統發送的時間和衛星軌道參數； 步驟4.啟動實時地理影像顯示軟件，設置地理影像顯示系統IP地址，等待移動終端系統發送的時間和衛星軌道參數； 步驟5.在移動終端App軟件上選擇需要成像的目標區域，根據各衛星計算得到的成像時間選擇合適的衛星，將目標區域經度、緯度、當前時間以及選中的衛星的軌道參數發送給衛星動力學模擬器和地理影像顯示系統； 步驟6.地理影像顯示系統接收移動終端平板系統發送來的數據，實時更新衛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.衛星動力學模擬器接收移動終端系統發送來的數據，實時進行衛星軌道遞推，計算成像時間和衛星姿態需要機動的角度； 步驟8.當衛星即將經過成像區域時，衛星動力學模擬器根據衛星姿態需要機動的角度發送指令給相機控制云臺，并驅動相機控制云臺的轉動，使圖像采集相機光軸指向目標區域； 步驟9.衛星經過成像區域時，衛星動力學模擬器發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.衛星動力學模擬器將星下點地理圖像發送給移動終端系統，從而實現衛星星座區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 優先權日:2014年4月23日
【發明者】吳云華, 陳志明, 華冰, 郁豐, 康國華, 陳衛東 申請人:南京航空航天大學