羅榮蒸 譚志云 凌瓊 矯軻 董天舒 梁健

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

姿態(tài)機(jī)動是指將衛(wèi)星從一種姿態(tài)過渡到另一種要求姿態(tài)的控制過程[1]。遙感衛(wèi)星可以利用高速的姿態(tài)機(jī)動能力，快速改變遙感器的對地指向，實(shí)現(xiàn)對地目標(biāo)快速靈活的觀測，這種高速的姿態(tài)機(jī)動能力可稱之為姿態(tài)敏捷控制。姿態(tài)敏捷控制可極大地提高衛(wèi)星使用的靈活性和觀測效率，快速高效地獲取所需的非星下點(diǎn)目標(biāo)遙感數(shù)據(jù)，是當(dāng)今世界遙感衛(wèi)星的一個發(fā)展方向[2]。近年來，面向使用效能提升的新用戶需求，促使衛(wèi)星在姿態(tài)機(jī)動敏捷性、成像模式復(fù)雜性、多星協(xié)同工作等方面的性能相對以往航天器有了大幅提高。如中型敏捷平臺以敏捷成像能力特別是拼幅成像、多角度成像和非沿跡成像為主要特征，能夠在最大姿態(tài)角和姿態(tài)機(jī)動速度的限制范圍內(nèi)實(shí)施靈活的對地觀測，從而實(shí)現(xiàn)對觀測目標(biāo)的快速響應(yīng)和多模式成像功能[3]。測試判讀是綜合測試中判斷航天器測試有效性與功能性能符合性的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和判讀方法[4-5]已不能滿足敏捷衛(wèi)星復(fù)雜機(jī)動過程的判讀需求，須針對性地開展敏捷機(jī)動數(shù)據(jù)分析與輔助判讀技術(shù)研究，從而全面有效地開展測試工作。

基于上述敏捷機(jī)動測試判讀需求，本文設(shè)計(jì)了輔助判讀系統(tǒng)并進(jìn)行了整星測試驗(yàn)證。提出一種載荷對地工作軌跡的計(jì)算方法，能夠根據(jù)航天器姿態(tài)、軌道數(shù)據(jù)計(jì)算得到載荷的對地工作軌跡、載荷對地掃描速度等衍生參數(shù)，對敏捷機(jī)動的載荷工作精確度、穩(wěn)定度進(jìn)行量化判讀；利用STK軟件提供的與Matlab軟件接口模塊，通過在Matlab軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)并給STK軟件發(fā)送命令控制STK的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)視景仿真系統(tǒng)按照Matlab軟件預(yù)先設(shè)定的程序運(yùn)行。

1 姿態(tài)機(jī)動測試判讀平臺

傳統(tǒng)整星測試多針對靜態(tài)成像方式設(shè)計(jì)，地面注入指令設(shè)定衛(wèi)星的機(jī)動角度，通過衛(wèi)星姿態(tài)遙測數(shù)據(jù)判讀來驗(yàn)證功能設(shè)計(jì)的正確性和性能指標(biāo)的符合性。應(yīng)用傳統(tǒng)的測試判讀方法進(jìn)行敏捷機(jī)動模式測試存在如下問題：

(1)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法在對衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動能力評估時，重在對機(jī)動時間和穩(wěn)定度指標(biāo)上的考核，對敏捷機(jī)動成像模式中的姿態(tài)路徑規(guī)劃、成像條帶與預(yù)期效果吻合度等系統(tǒng)效能指標(biāo)評估不足。

(2)在航天器測試過程中進(jìn)行的遙測數(shù)據(jù)靜態(tài)判讀和變化趨勢分析，無法直接顯示衛(wèi)星在空間環(huán)境中的運(yùn)行狀況，不能直觀分析復(fù)雜控制過程和故障模式狀態(tài)，不利于實(shí)時數(shù)據(jù)判讀與問題快速排查。

為解決上述問題，對敏捷機(jī)動模式測試的過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、可視化顯示等判讀需求進(jìn)行了針對性分析，利用Matlab軟件數(shù)據(jù)計(jì)算功能與STK軟件仿真演示環(huán)境[6-7]，設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的衛(wèi)星數(shù)據(jù)判讀與可視化平臺(見圖1)。

如圖1所示，判讀與可視化平臺由數(shù)據(jù)源、可視化接口及演示平臺組成，具體如下。

(1)數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源包括輸入?yún)?shù)和數(shù)據(jù)來源兩部分?；A(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)源，為三維模型、軌道信息、地面站信息、設(shè)備安裝矩陣等衛(wèi)星基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；測試數(shù)據(jù)源，為測試實(shí)時或者離線數(shù)據(jù)庫，包括GPS軌道數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、星時數(shù)據(jù)等。

(2)可視化接口模塊，同時也是人機(jī)交互界面。以Matlab軟件為基礎(chǔ)工具，訂閱接收實(shí)時測試數(shù)據(jù)、離線測試數(shù)據(jù)或仿真程序數(shù)據(jù)；經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析算法模塊等完成數(shù)據(jù)分析，計(jì)算得到載荷的對地成像工作軌跡、載荷對地掃描速度等衍生參數(shù)，并通過曲線圖進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)比對與判讀；經(jīng)過數(shù)據(jù)接口形式匹配等流程，驅(qū)動數(shù)據(jù)在演示平臺進(jìn)行可視化演示。

(3)演示平臺。以STK軟件為基礎(chǔ)平臺，通過Connect接口模塊，接收遙測數(shù)據(jù)或者處理后數(shù)據(jù)，在二維及三維場景中進(jìn)行可視化演示。通過實(shí)時動態(tài)視頻場景，顯示衛(wèi)星軌道、姿態(tài)狀態(tài)及機(jī)動成像過程，客觀逼真的再現(xiàn)航天任務(wù)執(zhí)行的全過程，輔助判讀測試過程。

圖1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)判讀與可視化平臺總體架構(gòu)Fig.1 Architecture of data interpretation and visualization platform

2 過程判讀算法設(shè)計(jì)

針對敏捷機(jī)動復(fù)雜成像模式，提出一種載荷對地成像軌跡的計(jì)算方法，能夠根據(jù)航天器姿態(tài)、軌道數(shù)據(jù)計(jì)算得到載荷的對地成像工作軌跡、載荷對地掃描速度等衍生參數(shù)，在敏捷機(jī)動模式下實(shí)現(xiàn)對地載荷工作精確度、穩(wěn)定度進(jìn)行直觀量化判讀。

程序算法實(shí)現(xiàn)如圖2所示，分4個步驟：數(shù)據(jù)選擇與匹配、成像點(diǎn)求解、條帶指標(biāo)判讀以及完整判讀報(bào)告輸出。在算法實(shí)現(xiàn)過程中，考慮到AOCC(姿態(tài)與軌道控制計(jì)算機(jī))進(jìn)行軌跡規(guī)劃時使用的是GPS定位/定軌數(shù)據(jù)，所以，默認(rèn)STK軌道仿真數(shù)據(jù)也可替代使用，且STK數(shù)據(jù)仿真周期可調(diào)，更易于與AOCC姿態(tài)遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行時間匹配。具體步驟如下：

(1)獲取測試實(shí)時遙測和衛(wèi)星基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)施遙測數(shù)據(jù)包括星下點(diǎn)經(jīng)緯度(慣性系)、姿態(tài)參數(shù)(本體系)、軌道參數(shù)(WGS84系)，衛(wèi)星基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括相機(jī)安裝矩陣等。

(2)求解慣性系下衛(wèi)星坐標(biāo)。通過轉(zhuǎn)換矩陣，由軌道信息求解慣性系下衛(wèi)星坐標(biāo)。

(3)求解慣性系下主光軸方向向量。通過衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星坐標(biāo)、衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)、相機(jī)安裝矩陣等參數(shù)，求得慣性系下主光軸方向向量。

(4)求解慣性系下成像點(diǎn)坐標(biāo)。在慣性系下，聯(lián)立主光軸方向向量與地球球面模型，求解慣性系下的成像點(diǎn)坐標(biāo)。

(5)求解地心赤道固定坐標(biāo)系下成像點(diǎn)坐標(biāo)。通過慣性系與地固系轉(zhuǎn)換矩陣，求得地固系下成像點(diǎn)坐標(biāo)。

(6)求解大地球系下成像點(diǎn)坐標(biāo)。通過轉(zhuǎn)換矩陣，求得大地球坐標(biāo)系下成像點(diǎn)坐標(biāo)，即地理經(jīng)緯度。

(7)計(jì)算成像點(diǎn)軌跡、移動速度等信息，并進(jìn)行條帶分析。

圖2 敏捷機(jī)動測試數(shù)據(jù)分析算法Fig.2 Agile attitude maneuver test data analysis process

圖3為衛(wèi)星與成像點(diǎn)位置關(guān)系及相關(guān)坐標(biāo)系示意圖。其中，地心赤道慣性坐標(biāo)系Si，簡稱慣性坐標(biāo)系，或J2000坐標(biāo)系，是一空間固定的坐標(biāo)系，原點(diǎn)在地球的質(zhì)心，xi指向J2000平均春分點(diǎn)，zi軸指向J2000的平均北天極點(diǎn)，右手定則決定yi軸。地心赤道固定坐標(biāo)系Se，簡稱地固坐標(biāo)系，隨著地區(qū)旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，原點(diǎn)在地球質(zhì)心，ze軸指向平均北極點(diǎn)，又稱國際參考北極點(diǎn)，xe軸在赤道平面內(nèi)指向格林尼治子午線(本初子午線)，右手定則決定ye軸。衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系So，原點(diǎn)在衛(wèi)星質(zhì)心，以軌道平面內(nèi)垂直于地心距矢量指向飛行前進(jìn)方向?yàn)閤o軸，zo軸指向地球質(zhì)心，右手定則決定yo軸。衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Sb，衛(wèi)星質(zhì)心為原點(diǎn)，衛(wèi)星縱軸向前為xb軸，以縱對稱平面內(nèi)垂直于縱軸向下方向?yàn)閦b軸，右手定則決定yb軸。當(dāng)衛(wèi)星處于正飛狀態(tài)時，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系重合。

圖3 衛(wèi)星與成像點(diǎn)之間的相對幾何關(guān)系Fig.3 Relative geometric relationship between satellite and imaging points

在計(jì)算成像點(diǎn)坐標(biāo)之前，需要知道衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)之間的相對位置。衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)之間的相對位置計(jì)算方法如下。

rsat表示衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下的位置矢量，rearth表示成像點(diǎn)在J2000坐標(biāo)系下的位置矢量。Δr表示衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)之間的相對位置矢量，有如下關(guān)系

Δr=rearth-rsat

(1)

即

(2)

記地心在地固系中的位置坐標(biāo)為[0 0 0]T，成像點(diǎn)位置矢量rearth的單位矢量在地固系中的分量為[lmn]T，得到地固系中該單位矢量過地心的空間直線方程，具體為

(3)

考慮地球扁率的地球橢球模型為

(4)

式中：Re為地球赤道半徑，Rp為地球極半徑。

聯(lián)立單位矢量的空間直線方程與地球橢球方程得到

(5)

求解得到的[xyz]T即為成像點(diǎn)在地固系中的位置坐標(biāo)，可利用地固系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到成像點(diǎn)的地理經(jīng)緯度。

3 可視化演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

演示系統(tǒng)借助成熟的航天領(lǐng)域仿真軟件STK作為底層演示平臺，利用STK軟件提供的與Matlab軟件的接口模塊，通過在Matlab軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)并給STK軟件發(fā)送命令控制STK軟件的運(yùn)行，從而讓視景仿真系統(tǒng)按照Matlab軟件程序預(yù)先的設(shè)定運(yùn)行，再現(xiàn)航天任務(wù)執(zhí)行的全過程。

3.1 衛(wèi)星三維模型建立

本文利用STK軟件文本建模語言，針對某遙感衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)外形，對模型庫中Satellite.mdl進(jìn)行了改良，增加了星載天線、載荷相機(jī)及其活動關(guān)節(jié)定義，對衛(wèi)星主體外形的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了豐富，使該模型的三維效果簡圖與該衛(wèi)星相似，衛(wèi)星星載天線和太陽翼展開后外觀如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星模型Fig.4 Satellite model

三維模型的活動關(guān)節(jié)在視景仿真中非常重要，通過定義仿真過程中活動關(guān)節(jié)的動作可以表征衛(wèi)星運(yùn)行過程中狀態(tài)的變化。例如，改變衛(wèi)星天線的指向來表征衛(wèi)星服務(wù)對象的改變，改變火箭尾焰的長度來表征發(fā)動機(jī)點(diǎn)火或關(guān)機(jī)等。通過定義模型的活動關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)用測試數(shù)據(jù)驅(qū)動組件的動態(tài)變化，達(dá)到逼真顯示效果。

3.2 STK與Matlab軟件接口模塊

STK與Matlab軟件的通信主要是通過STK/Connect和STK/Matlab兩個模塊實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。其中STK/Connect模塊提供了一種使用客戶機(jī)/服務(wù)器端方式連接STK軟件的快捷工作方式，給第三方的應(yīng)用程序提供了一個向STK軟件引擎發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)的通信路徑。STK/Matlab接口則在STK和Matlab軟件之間提供了一個雙向的通信路徑，使得在Matlab工作區(qū)通過Connect模塊以TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議)方式開啟STK軟件端口。利用超過150個Matlab軟件指令，如使用STK軟件支持的分析功能一樣，Matlab軟件的用戶可使用STK軟件的功能對軌道、姿態(tài)、星下點(diǎn)等進(jìn)行建模與分析。

圖5 Matlab與STK軟件連接的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Connection between Matlab and STK

3.3 姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與場景顯示控制

實(shí)現(xiàn)姿態(tài)轉(zhuǎn)換與顯示的過程如下：在每次接收到飛行器數(shù)據(jù)時，根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的衛(wèi)星時間信息和輸入的衛(wèi)星軌道參數(shù)確定該時刻的衛(wèi)星軌道位置、速度，以計(jì)算從軌道系至地心慣性系下的轉(zhuǎn)換矩陣；之后，讀取該時刻對應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，在該矩陣的坐標(biāo)變化下，可獲得姿態(tài)設(shè)置命令stkSetAttitudeCBI的輸入?yún)?shù)，從而驅(qū)動衛(wèi)星姿態(tài)實(shí)時顯示。若衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)含星體四元素姿態(tài)信息，則可直接利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動顯示。

利用姿態(tài)四元素形式設(shè)置飛行器姿態(tài)命令如下：

stkSetAttitudeCBI(objPath, ‘Earth’, Tii, quats)

仿真場景的顯示屬性，例如空間環(huán)境、傳感器和軌道以及成像點(diǎn)、視角的變換等，則可以通過STK/ Connect接口函數(shù)實(shí)時控制，主要控制的顯示屬性包括[8]以下內(nèi)容。

1)成像點(diǎn)、視角的變換

在仿真準(zhǔn)備階段和仿真運(yùn)行過程中，用戶往往需要改變成像點(diǎn)和視角，以實(shí)現(xiàn)對仿真場景整體或局部的觀察。顯示控制模塊利用STK/Connect 接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)了成像點(diǎn)和視角的變換，且不需要暫停仿真運(yùn)行。例如，使用VO3DView命令用來給一個三維窗口設(shè)定一些成像點(diǎn)觀察參數(shù)命令如下：

VO * 3dView EyeFromTo Satellite/sat

2)傳感器、太陽能帆板等細(xì)節(jié)的指向控制

通過定義傳感器的指向，表征衛(wèi)星設(shè)備之間的服務(wù)關(guān)系，例如將地面站傳感器指向某顆衛(wèi)星表征該地面站正在為該衛(wèi)星服務(wù)。通過對這些細(xì)節(jié)的控制，使仿真過程更加逼真生動。例如，使用AddArticulation命令驅(qū)動天線X軸在0 s到600 s內(nèi)從0°轉(zhuǎn)至-360°的命令如下：

VO*/Satellite/sat AddArticulation ArticulationName MainRotateBG Transformation Name rotateX Duration 600 StartValue 0 EndValue -360

3)航天器軌道及星下點(diǎn)軌跡等的顯示控制

航天器軌道的顯示，可以為用戶提供一個直觀的軌道及星下點(diǎn)運(yùn)動軌跡，特別是在航天器進(jìn)行變軌的時候，用于對比變軌前后軌道變化；星下點(diǎn)軌跡亦可以大致描述出航天器對地的覆蓋區(qū)域。顯示控制模塊提供了對軌道、星下點(diǎn)軌跡等顯示的開閉以及顏色、粗細(xì)的控制。

4 整星測試驗(yàn)證

以某敏捷遙感衛(wèi)星的布局構(gòu)形為參考，建立了衛(wèi)星三維模型，并在Matlab&STK軟件下開發(fā)了衛(wèi)星實(shí)時數(shù)據(jù)可視化判讀平臺。以某敏捷衛(wèi)星成像測試過程為應(yīng)用實(shí)例，分析目標(biāo)是對某軌6條帶拼幅成像模式下主動勻角速度姿態(tài)敏捷機(jī)動數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行判讀(0.1 s/數(shù)據(jù)點(diǎn)，置信度99.7%)。圖6～7是6個主動條帶的曲線分析結(jié)果，可以看出執(zhí)行軌跡經(jīng)緯度與計(jì)算規(guī)劃值的比對分析結(jié)果，通過曲線實(shí)時比對分析，可直觀顯示遙測數(shù)據(jù)與規(guī)劃數(shù)據(jù)的軌跡高度重合，驗(yàn)證了星上軌跡規(guī)劃算法的正確性。圖8～9是判讀分析程序計(jì)算的第3條帶攝影點(diǎn)移動速度和地心角速度，執(zhí)行結(jié)果與理論數(shù)據(jù)軌跡一致，證明在已有遙測基礎(chǔ)上，通過實(shí)時計(jì)算對復(fù)雜技術(shù)指標(biāo)的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行輔助判讀，可進(jìn)一步驗(yàn)證星上算法的合理性，增強(qiáng)判讀全面性。圖10是條帶拼幅成像過程三維可視化場景，提供了直觀判讀姿態(tài)機(jī)動過程、分析衛(wèi)星機(jī)動極性正確性的實(shí)用工具。

圖6 成像點(diǎn)經(jīng)度判讀曲線Fig.6 Longitude curve of image point

圖7 成像點(diǎn)緯度判讀曲線Fig.7 Latitude curve of image point

圖8 第3個條帶攝影點(diǎn)移動速度放大圖Fig.8 Moving speed of imaging point in the 3rd strip

圖9 第3個條帶攝影點(diǎn)地心角速度放大圖Fig.9 Geocentric angular velocity of imaging point in the 3rd strip

圖10 6條帶拼幅成像過程三維可視化效果

5 結(jié)束語

本文基于敏捷衛(wèi)星載荷成像姿態(tài)機(jī)動數(shù)據(jù)判讀需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了過程分析與可視化判讀平臺，對敏捷衛(wèi)星的測試判讀具有實(shí)用價(jià)值。該平臺能自動提取條帶數(shù)據(jù)并計(jì)算每個條帶的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行成像軌跡分析，輔助判讀姿態(tài)機(jī)動過程指標(biāo)符合性，為未來復(fù)雜敏捷機(jī)動衛(wèi)星測試判讀提供了理論參考。同時，在實(shí)時數(shù)據(jù)或離線數(shù)據(jù)驅(qū)動下利用STK軟件實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星敏捷機(jī)動成像過程的直觀、簡潔的可視化演示，為航天器飛行數(shù)據(jù)在空間環(huán)境的三維重現(xiàn)等提供了直觀實(shí)用的工具，增強(qiáng)了衛(wèi)星軌道姿態(tài)控制視景仿真的靈活性和可操作性。