專利名稱：基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)及仿真方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及計算機仿真技術(shù)領域，具體涉及一種基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動 力學仿真系統(tǒng)及仿真方法。
背景技術(shù)：
對于衛(wèi)星的研制與設計來說，仿真是一個不可缺少的環(huán)節(jié)并貫穿整項工程的始 終。在最初的方案設計階段，采用數(shù)學仿真的方式，對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能進行驗證、比 較，以確定系統(tǒng)的方案和最優(yōu)參數(shù)。衛(wèi)星動力學仿真是衛(wèi)星數(shù)學仿真的重要組成部分，它模擬了衛(wèi)星的空間環(huán)境和衛(wèi) 星的軌道姿態(tài)運動，為衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設計提供了一個數(shù)學仿真環(huán)境。控制系統(tǒng)根據(jù)動力 學仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的衛(wèi)星姿軌信息和敏感器信息，計算出控制信息并反饋給動力學仿真系 統(tǒng)，由此驗證控制系統(tǒng)的有效性。因此，衛(wèi)星動力學仿真對衛(wèi)星仿真測試具有重要的作用和 地位。目前許多衛(wèi)星動力學仿真都是針對特定任務進行需求分析，再建立相應的動力學 仿真模型，這不僅大大加長了衛(wèi)星的設計周期，并且在不同仿真任務中可能對同一模型進 行重復建立，降低了資源的利用率，進而增加研制成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的動力學仿真系統(tǒng)需重復建立仿真模型來完成建模所導致的研制 成本高、周期長的問題，本發(fā)明提供了基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)及仿 真方法。本發(fā)明的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)，它包括
衛(wèi)星動力學模型庫，用于提供多種軌道動力學仿真模型、多種空間環(huán)境仿真模型、多種 姿態(tài)動力學仿真模型、多種敏感器測量仿真模型和多種基本算法仿真模型；模型管理系統(tǒng)， 用于根據(jù)仿真任務對衛(wèi)星動力學模型庫中各類仿真模型進行調(diào)用和控制，以實現(xiàn)衛(wèi)星動力 學仿真。所述衛(wèi)星動力學模型庫包括軌道動力學子模型庫，用于提供多種軌道動力學仿 真模型；空間環(huán)境子模型庫，用于提供多種空間環(huán)境仿真模型；姿態(tài)動力學子模型庫，用于 提供多種姿態(tài)動力學仿真模型；敏感器測量子模型庫，用于提供多種敏感器測量仿真模型； 基本算法子模型庫，用于為軌道動力學子模型庫、空間環(huán)境子模型庫、姿態(tài)動力學子模型庫和敏感器測量子模型庫提供多種基本算法仿真模型。基于上述衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)的仿真方法為
模型管理系統(tǒng)根據(jù)仿真任務從軌道動力學子模型庫中選擇軌道動力學仿真模型、從 空間環(huán)境子模型庫中選擇空間環(huán)境仿真模型、從姿態(tài)動力學子模型庫中選擇姿態(tài)動力學仿 真模型、從敏感器測量子模型庫中選擇敏感器測量仿真模型，所述軌道動力學仿真模型在 時間信息和初始條件下開始啟動，所述軌道動力學仿真模型進行軌道遞推獲得軌道遞推信 息，并將所述軌道遞推信息傳遞給空間環(huán) 境仿真模型和敏感器測量仿真模型，所述空間環(huán) 境仿真模型根據(jù)所述軌道遞推信息和啟動軌道動力學仿真模型的時間信息計算空間環(huán)境 信息，所述空間環(huán)境仿真模型將所述空間環(huán)境信息傳遞給姿態(tài)動力學仿真模型和敏感器測 量仿真模型，所述姿態(tài)動力學仿真模型根據(jù)空間環(huán)境信息和來自衛(wèi)星控制系統(tǒng)的輸出力矩 信息進行姿態(tài)遞推獲得姿態(tài)遞推信息，所述姿態(tài)動力學仿真模型將所述姿態(tài)遞推信息傳遞 給敏感器測量仿真模型，所述敏感器測量仿真模型根據(jù)軌道遞推信息、空間環(huán)境信息和姿 態(tài)遞推信息計算敏感器輸出信息，所述敏感器測量仿真模型輸出所述敏感器輸出信息，以 完成衛(wèi)星動力學仿真。本發(fā)明通過衛(wèi)星動力學模型庫，在針對不同仿真任務時，無需再重復建立仿真模 型，只需在模型庫中選擇相應的仿真模型，組合出動力學仿真系統(tǒng)，研制成本低、周期短；通 過本發(fā)明的仿真系統(tǒng)和仿真方法進行衛(wèi)星動力學仿真，無需掌握復雜的衛(wèi)星軌道動力學和 姿態(tài)動力學原理以及各種空間環(huán)境建模原理，只需在已建立完善的衛(wèi)星動力學模型庫中選 擇需要仿真的模型，配置參數(shù)后即可實現(xiàn)衛(wèi)星動力學仿真，易于使用。


圖1是本發(fā)明的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖 2是本發(fā)明的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真方法的流程圖；圖3是本發(fā)明的模 型管理系統(tǒng)2添加操作流程圖；圖4是本發(fā)明的模型管理系統(tǒng)2信息修改操作流程圖；圖5 是本發(fā)明的模型管理系統(tǒng)2刪除操作流程圖；圖6是本發(fā)明的模型管理系統(tǒng)2瀏覽操作流 程圖；圖7是本發(fā)明的模型管理系統(tǒng)2查詢操作流程圖。
具體實施例方式具體實施方式
一根據(jù)說明書附圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的本 發(fā)明的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)，它包括
衛(wèi)星動力學模型庫1，用于提供多種軌道動力學仿真模型1-11、多種空間環(huán)境仿真模 型1-21、多種姿態(tài)動力學仿真模型1-31、多種敏感器測量仿真模型1-41和多種基本算法仿 真模型1-51 ；
模型管理系統(tǒng)2，用于根據(jù)仿真任務對衛(wèi)星動力學模型庫1中各類仿真模型進行調(diào)用 和控制，以實現(xiàn)衛(wèi)星動力學仿真。
本實施方式中，衛(wèi)星動力學模型庫1建立了完善的用于衛(wèi)星動力學仿真的各類模 型，為衛(wèi)星動力學仿真提供了豐富的模型資源，提高了資源的利用率，進而縮短衛(wèi)星研制周 期，降低研制成本。
具體實施方式
二 本實施方式是對具體實施方式
一的進一步說明，具體實施方式
一中的衛(wèi)星動力學模型庫1包括
軌道動力學子模型庫，用于提供多種軌道動力學仿真模型1-11 ； 空間環(huán)境子模型庫，用于提供多種空間環(huán)境仿真模型1-21 ； 姿態(tài)動力學子模型庫，用于提供多種姿態(tài)動力學仿真模型1-31 ； 敏感器測量子模型庫，用于提供多種敏感器測量仿真模型1-41 ； 基本算法子模型庫，用于為軌道動力學子模型庫、空間環(huán)境子模型庫、姿態(tài)動力學子模 型庫和敏感器測量子模型庫提供多種基本算法仿真模型1-51。
具體實施方式
三本實施方式是對具體實施方式
一或二的進一步說明，具體實施 方式一或二中所述的多種軌道動力學仿真模型1-11包括二體軌道動力學模型、J2項地球 形狀攝動軌道動力學模型、J4項地球形狀攝動軌道動力學模型和衛(wèi)星位置速度轉(zhuǎn)換軌道根 數(shù)模型；
所述的多種空間環(huán)境仿真模型1-21包括太陽矢量模型、月球矢量模型、地心矢量模 型、大氣密度模型、氣流速度模型、地磁場模型、地影模型、太陽光壓力矩模型、氣動力矩模 型和重力梯度力矩模型；
所述的多種姿態(tài)動力學仿真模型1-31包括剛體動力學模型、偏置剛體動力學模型、 柔性動力學模型、姿態(tài)四元素運動學模型、歐拉角運動學模型和歐拉軸角運動學模型；
所述的多種敏感器測量仿真模型1-41包括數(shù)字太陽敏感器模型、01太陽敏感器模 型、地球敏感器模型、星敏感器模型、磁強計模型、加速度模型和陀螺模型；
所述的多種基本算法仿真模型1-51包括坐標系轉(zhuǎn)換模型、矩陣運算模型、矢量運算 模型、四元素運算模型、時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型、角度轉(zhuǎn)換模型、絕對值模型和符號函數(shù)模型。本實施方式中，空間環(huán)境子模型庫中各項模型計算的是衛(wèi)星運行時所處的各種天 體環(huán)境，使仿真更加逼近真實環(huán)境，提高系統(tǒng)的可靠性，所述各項模型的輸入信息為時間、 姿態(tài)四元素和衛(wèi)星的位置速度矢量，所述各項模型的輸出信息為太陽矢量、月球矢量、地心 矢量、太陽光壓力、太陽光壓力矩、氣動力、氣動力矩、地磁場強度矢量、地磁干擾力矩和重 力梯度力矩。軌道動力學子模型庫是根據(jù)軌道動力學和運動學方程建立的，其中的各項模型用 于計算衛(wèi)星的位置速度和軌道根數(shù)信息，所述各項模型的輸入信息為初始位置速度矢量和 運行時間，其輸出信息為下一時刻的衛(wèi)星位置速度矢量和瞬時軌道根數(shù)。姿態(tài)動力學子模型庫是根據(jù)姿態(tài)動力學和運動學方程建立的，其中的各項模型用 于計算衛(wèi)星的姿態(tài)四元數(shù)和姿態(tài)角速度信息，所述各項模型的輸入信息為執(zhí)行力矩、干擾 力矩、姿態(tài)四元素和姿態(tài)角速度，其輸出信息為遞推的下一時刻姿態(tài)四元素和姿態(tài)角速度。敏感器測量子模型庫中的各項模型計算的是各種敏感器的測量輸出，它是通過由 已知的空間環(huán)境和軌道姿態(tài)信息計算敏感器理論輸出來實現(xiàn)的，所述各項模型的輸入信息 有太陽矢量、地球矢量、姿態(tài)四元素、姿態(tài)角速度、地磁場強度矢量和衛(wèi)星的執(zhí)行機構(gòu)信息， 輸出信息則為各類敏感器的測量輸出。
具體實施方式
四根據(jù)說明書附圖3、4、5、6和7具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一、二或三的進一步說明，具體實施方式
一、二或三中的模型管理系統(tǒng)2 還用于對各類仿真模型進行添加、修改、刪除和查詢；
模型管理系統(tǒng)2還用于根據(jù)任務需求定義仿真模型各項參數(shù)的模型參數(shù)開發(fā)以及在 基本算法仿真模型1-51基礎上編寫新的功能仿真模型的模型開發(fā)。本實施方式中，衛(wèi)星動力學模型庫1的各項信息均存儲于所述模型庫中，所述各 項信息包括模型編號、模型名稱、模型版本號、模型類型、功能描述、模型地址路徑和模型開 發(fā)者信息。模型管理系統(tǒng)2通過管理界面，可對衛(wèi)星動力學模型庫1中的各模型進行添加、 修改信息、刪除、瀏覽和查詢操作。圖3為模型管理系統(tǒng)2添加操作流程圖，模型管理系統(tǒng)2在收到添加命令后從管 理界面獲取新增模型信息，并檢驗模型信息格式是否正確；若格式不正確將提示用戶按格 式輸入信息，格式正確則將模型信息存儲到數(shù)據(jù)庫的相應數(shù)據(jù)表中；存儲結(jié)果將以彈出窗 口的形式提示用戶成功或失敗。圖4為模型管理系統(tǒng)2信息修改操作流程圖，模型管理系統(tǒng)2在收到信息修改命 令后從管理界面獲取待修改模型信息，并嘗試打開數(shù)據(jù)庫中相應數(shù)據(jù)表；若打開成功則將 修改信息存入數(shù)據(jù)表，若打開失敗則提示用戶錯誤信息。圖5為模型管理系統(tǒng)2刪除操作流程圖，模型管理系統(tǒng)2在收到刪除命令后，從管 理界面獲取待刪除模型編號，在收到確認刪除命令后，從數(shù)據(jù)庫中相應數(shù)據(jù)表里刪除模型 信息；若刪除失敗則提示用戶并恢復數(shù)據(jù)表信息。圖6為模型庫管理系統(tǒng)瀏覽操作流程圖，模型管理系統(tǒng)2在收到瀏覽命令后，從管 理界面獲取選中模型編號以及需瀏覽的字段名稱，根據(jù)字段名稱從數(shù)據(jù)庫中相應數(shù)據(jù)表里 提取所屬信息并顯示在管理界面的顯示區(qū)。圖7為模型庫管理系統(tǒng)查詢操作流程圖，模型管理系統(tǒng)2收到查詢命令后，從管理 界面獲取查詢字段，根據(jù)字段從數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)表內(nèi)搜索相同字段，并在管理界面顯示 區(qū)顯示搜索結(jié)果。
具體實施方式
五根據(jù)說明書附圖2具體說明本實施方式，本實施方式是基于具 體實施方式二實現(xiàn)的，本實施方式所述的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真方法的 仿真過程為
模型管理系統(tǒng)2根據(jù)仿真任務從軌道動力學子模型庫中選擇軌道動力學仿真模型 1-11、從空間環(huán)境子模型庫中選擇空間環(huán)境仿真模型1-21、從姿態(tài)動力學子模型庫中選擇 姿態(tài)動力學仿真模型1-31、從敏感器測量子模型庫中選擇敏感器測量仿真模型1-41，
所述軌道動力學仿真模型1-11在時間信息和初始條件下開始啟動，所述軌道動力學 仿真模型1-11進行軌道遞推獲得軌道遞推信息，并將所述軌道遞推信息傳遞給空間環(huán)境 仿真模型1-21和敏感器測量仿真模型1-41，
所述空間環(huán)境仿真模型1-21根據(jù)所述軌道遞推信息和啟動軌道動力學仿真模型1-11 的時間信息計算空間環(huán)境信息，所述空間環(huán)境仿真模型1-21將所述空間環(huán)境信息傳遞給 姿態(tài)動力學仿真模型1-31和敏感器測量仿真模型1-41，
所述姿態(tài)動力學仿真模型1-31根據(jù)空間環(huán)境信息和來自衛(wèi)星控制系統(tǒng)的輸出力矩信 息進行姿態(tài)遞推獲得姿態(tài)遞推信息，所述姿態(tài)動力學仿真模型1-31將所述姿態(tài)遞推信息傳遞給敏感器測量仿真模型1-41，
所述敏感器測量仿真模型1-41根據(jù)軌道遞推信息、空間環(huán)境信息和姿態(tài)遞推信息計 算敏感器輸出信息，所述敏感器測量仿真模型1-41輸出所述敏感器輸出信息，以完成衛(wèi)星 動力學仿真。本實施方式中，模型管理系統(tǒng)2和衛(wèi)星動力學模型庫1共同實現(xiàn)了針對不同仿真 任務的柔性設計其一，在衛(wèi)星動力學模型庫1中，包含了各種類型、適應不同仿真任務的 模型，根據(jù)仿真任務的特點，可以從衛(wèi)星動力學模型庫 1中選擇不同的環(huán)境模型、不同的動 力學模型和不同的敏感器模型，柔性地設計出針對不同仿真任務的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)， 以滿足高、中、低等不同軌道衛(wèi)星任務的需要；其二，針對同一個仿真任務，可通過模型管理 系統(tǒng)2對仿真參數(shù)進行多種方案的配置，將多種方案的仿真結(jié)果進行比較，從中選擇最優(yōu) 方案。通過從衛(wèi)星動力學模型庫1中選擇的仿真模型和參數(shù)配置的不同組合，就可以柔性 地設計出多種仿真方案，再經(jīng)過充分的仿真分析比較，確定出適合的方案。本實施方式為衛(wèi)星控制系統(tǒng)的柔性設計、柔性仿真和柔性測試提供了測試數(shù)據(jù)和 測試環(huán)境，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)進行方案論證和比較，以支持在軌運行。
權(quán)利要求
基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)，其特征在于它包括衛(wèi)星動力學模型庫(1)，用于提供多種軌道動力學仿真模型(1-11)、多種空間環(huán)境仿真模型(1-21)、多種姿態(tài)動力學仿真模型(1-31)、多種敏感器測量仿真模型(1-41)和多種基本算法仿真模型(1-51)； 模型管理系統(tǒng)(2)，用于根據(jù)仿真任務對衛(wèi)星動力學模型庫(1)中各類仿真模型進行調(diào)用和控制，以實現(xiàn)衛(wèi)星動力學仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真建模系統(tǒng)，其特征 在于衛(wèi)星動力學模型庫(1)包括軌道動力學子模型庫，用于提供多種軌道動力學仿真模型(1-11)； 空間環(huán)境子模型庫，用于提供多種空間環(huán)境仿真模型(1-21)； 姿態(tài)動力學子模型庫，用于提供多種姿態(tài)動力學仿真模型(1-31)； 敏感器測量子模型庫，用于提供多種敏感器測量仿真模型(1-41)； 基本算法子模型庫，用于為軌道動力學子模型庫、空間環(huán)境子模型庫、姿態(tài)動力學子模 型庫和敏感器測量子模型庫提供多種基本算法仿真模型(1-51)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的多種軌道動力學仿真模型(1-11)包括二體軌道動力學模型、J2項地球形狀 攝動軌道動力學模型、J4項地球形狀攝動軌道動力學模型和衛(wèi)星位置速度轉(zhuǎn)換軌道根數(shù)模 型；所述的多種空間環(huán)境仿真模型(1-21)包括太陽矢量模型、月球矢量模型、地心矢量 模型、大氣密度模型、氣流速度模型、地磁場模型、地影模型、太陽光壓力矩模型、氣動力矩 模型和重力梯度力矩模型；所述的多種姿態(tài)動力學仿真模型(1-31)包括剛體動力學模型、偏置剛體動力學模 型、柔性動力學模型、姿態(tài)四元素運動學模型、歐拉角運動學模型和歐拉軸角運動學模型；所述的多種敏感器測量仿真模型(1-41)包括數(shù)字太陽敏感器模型、Ol太陽敏感器模 型、地球敏感器模型、星敏感器模型、磁強計模型、加速度模型和陀螺模型；所述的多種基本算法仿真模型(1-51)包括坐標系轉(zhuǎn)換模型、矩陣運算模型、矢量運 算模型、四元素運算模型、時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型、角度轉(zhuǎn)換模型、絕對值模型和符號函數(shù)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)，其特征在于模型管理系統(tǒng)(2)還用于對各類仿真模型進行添加、修改、刪除和查詢； 模型管理系統(tǒng)(2)還用于根據(jù)任務需求定義仿真模型各項參數(shù)的模型參數(shù)開發(fā)，以及 在基本算法仿真模型(1-51)基礎上編寫新的功能仿真模型的模型開發(fā)。
5.基于權(quán)利要求2所述的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)的仿真方法， 其特征在于它的仿真過程為模型管理系統(tǒng)(2)根據(jù)仿真任務，從軌道動力學子模型庫中選擇軌道動力學仿真模 型(1-11)、從空間環(huán)境子模型庫中選擇空間環(huán)境仿真模型(1-21)、從姿態(tài)動力學子模型庫 中選擇姿態(tài)動力學仿真模型(1-31)、從敏感器測量子模型庫中選擇敏感器測量仿真模型 (1-41)，所述軌道動力學仿真模型(1-11)在時間信息和初始條件下開始啟動，所述軌道動力 學仿真模型(1-11)進行軌道遞推獲得軌道遞推信息，并將所述軌道遞推信息傳遞給空間 環(huán)境仿真模型(1-21)和敏感器測量仿真模型(1-41)，所述空間環(huán)境仿真模型(1-21)根據(jù)所述軌道遞推信息和啟動軌道動力學仿真模型(1-11)的時間信息計算空間環(huán)境信息，并將所述空間環(huán)境信息傳遞給姿態(tài)動力學仿真模型 (1-31)和敏感器測量仿真模型(1-41)，所述姿態(tài)動力學仿真模型(1-31)根據(jù)空間環(huán)境信息和來自衛(wèi)星控制系統(tǒng)的輸出力矩 信息進行姿態(tài)遞推獲得姿態(tài)遞推信息，并將所述姿態(tài)遞推信息傳遞給敏感器測量仿真模型 (1-41)，所述敏感器測量仿真模型(1-41)根據(jù)軌道遞推信息、空間環(huán)境信息和姿態(tài)遞推信息 計算敏感器輸出信息，并輸出所述敏感器輸出信息，以完成衛(wèi)星動力學仿真。
全文摘要
基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)及仿真方法，它涉及計算機仿真技術(shù)領域。它解決了解決現(xiàn)有的動力學仿真系統(tǒng)需重復建立仿真模型來完成建模所導致的研制成本高、周期長的問題，本發(fā)明的基于衛(wèi)星動力學模型庫的衛(wèi)星動力學仿真系統(tǒng)包括衛(wèi)星動力學模型庫，用于提供多種軌道動力學仿真模型、多種空間環(huán)境仿真模型、多種姿態(tài)動力學仿真模型、多種敏感器測量仿真模型和多種基本算法仿真模型；模型管理系統(tǒng)，用于根據(jù)仿真任務對衛(wèi)星動力學模型庫中各類模型進行調(diào)用和控制，以實現(xiàn)衛(wèi)星動力學仿真。本發(fā)明適用于衛(wèi)星仿真。
文檔編號G06F17/50GK101814107SQ20101016440
公開日2010年8月25日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者仲惟超, 吳限德, 孫兆偉, 梁海朝, 王劍穎, 鄧泓 申請人:哈爾濱工業(yè)大學