敏捷衛星姿態機動過程分析與可視化判讀平臺設計

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計部，北京 100094)

姿態機動是指將衛星從一種姿態過渡到另一種要求姿態的控制過程[1]。遙感衛星可以利用高速的姿態機動能力，快速改變遙感器的對地指向，實現對地目標快速靈活的觀測，這種高速的姿態機動能力可稱之為姿態敏捷控制。姿態敏捷控制可極大地提高衛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目標遙感數據，是當今世界遙感衛星的一個發展方向[2]。近年來，面向使用效能提升的新用戶需求，促使衛星在姿態機動敏捷性、成像模式復雜性、多星協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，能夠在最大姿態角和姿態機動速度的限制范圍內實施靈活的對地觀測，從而實現對觀測目標的快速響應和多模式成像功能[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節，傳統的數據分析和判讀方法[4-5]已不能滿足敏捷衛星復雜機動過程的判讀需求，須針對性地開展敏捷機動數據分析與輔助判讀技術研究，從而全面有效地開展測試工作。

基于上述敏捷機動測試判讀需求，本文設計了輔助判讀系統并進行了整星測試驗證。提出一種載荷對地工作軌跡的計算方法，能夠根據航天器姿態、軌道數據計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，對敏捷機動的載荷工作精確度、穩定度進行量化判讀；利用STK軟件提供的與Matlab軟件接口模塊，通過在Matlab軟件處理相關數據并給STK軟件發送命令控制STK的運行，從而實現視景仿真系統按照Matlab軟件預先設定的程序運行。

1 姿態機動測試判讀平臺

傳統整星測試多針對靜態成像方式設計，地面注入指令設定衛星的機動角度，通過衛星姿態遙測數據判讀來驗證功能設計的正確性和性能指標的符合性。應用傳統的測試判讀方法進行敏捷機動模式測試存在如下問題：

(1)傳統的數據分析方法在對衛星姿態機動能力評估時，重在對機動時間和穩定度指標上的考核，對敏捷機動成像模式中的姿態路徑規劃、成像條帶與預期效果吻合度等系統效能指標評估不足。

(2)在航天器測試過程中進行的遙測數據靜態判讀和變化趨勢分析，無法直接顯示衛星在空間環境中的運行狀況，不能直觀分析復雜控制過程和故障模式狀態，不利于實時數據判讀與問題快速排查。

為解決上述問題，對敏捷機動模式測試的過程進行數據分析、可視化顯示等判讀需求進行了針對性分析，利用Matlab軟件數據計算功能與STK軟件仿真演示環境[6-7]，設計了基于數據驅動的衛星數據判讀與可視化平臺(見圖1)。

如圖1所示，判讀與可視化平臺由數據源、可視化接口及演示平臺組成，具體如下。

(1)數據源。數據源包括輸入參數和數據來源兩部分。基礎參數數據源，為三維模型、軌道信息、地面站信息、設備安裝矩陣等衛星基礎數據；測試數據源，為測試實時或者離線數據庫，包括GPS軌道數據、姿態數據、星時數據等。

(2)可視化接口模塊，同時也是人機交互界面。以Matlab軟件為基礎工具，訂閱接收實時測試數據、離線測試數據或仿真程序數據；經過數據預處理、分析算法模塊等完成數據分析，計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，并通過曲線圖進行可視化數據比對與判讀；經過數據接口形式匹配等流程，驅動數據在演示平臺進行可視化演示。

(3)演示平臺。以STK軟件為基礎平臺，通過Connect接口模塊，接收遙測數據或者處理后數據，在二維及三維場景中進行可視化演示。通過實時動態視頻場景，顯示衛星軌道、姿態狀態及機動成像過程，客觀逼真的再現航天任務執行的全過程，輔助判讀測試過程。

圖1 衛星數據判讀與可視化平臺總體架構Fig.1 Architecture of data interpretation and visualization platform

2 過程判讀算法設計

針對敏捷機動復雜成像模式，提出一種載荷對地成像軌跡的計算方法，能夠根據航天器姿態、軌道數據計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，在敏捷機動模式下實現對地載荷工作精確度、穩定度進行直觀量化判讀。

程序算法實現如圖2所示，分4個步驟：數據選擇與匹配、成像點求解、條帶指標判讀以及完整判讀報告輸出。在算法實現過程中，考慮到AOCC(姿態與軌道控制計算機)進行軌跡規劃時使用的是GPS定位/定軌數據，所以，默認STK軌道仿真數據也可替代使用，且STK數據仿真周期可調，更易于與AOCC姿態遙測數據進行時間匹配。具體步驟如下：

(1)獲取測試實時遙測和衛星基礎數據。實施遙測數據包括星下點經緯度(慣性系)、姿態參數(本體系)、軌道參數(WGS84系)，衛星基礎數據包括相機安裝矩陣等。

(2)求解慣性系下衛星坐標。通過轉換矩陣，由軌道信息求解慣性系下衛星坐標。

(3)求解慣性系下主光軸方向向量。通過衛星本體坐標系與慣性坐標系轉換矩陣，根據衛星坐標、衛星姿態參數、相機安裝矩陣等參數，求得慣性系下主光軸方向向量。

(4)求解慣性系下成像點坐標。在慣性系下，聯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坐標。

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

(6)求解大地球系下成像點坐標。通過轉換矩陣，求得大地球坐標系下成像點坐標，即地理經緯度。

(7)計算成像點軌跡、移動速度等信息，并進行條帶分析。

圖2 敏捷機動測試數據分析算法Fig.2 Agile attitude maneuver test data analysis process

圖3為衛星與成像點位置關系及相關坐標系示意圖。其中，地心赤道慣性坐標系Si，簡稱慣性坐標系，或J2000坐標系，是一空間固定的坐標系，原點在地球的質心，xi指向J2000平均春分點，zi軸指向J2000的平均北天極點，右手定則決定yi軸。地心赤道固定坐標系Se，簡稱地固坐標系，隨著地區旋轉而旋轉，原點在地球質心，ze軸指向平均北極點，又稱國際參考北極點，xe軸在赤道平面內指向格林尼治子午線(本初子午線)，右手定則決定ye軸。衛星軌道坐標系So，原點在衛星質心，以軌道平面內垂直于地心距矢量指向飛行前進方向為xo軸，zo軸指向地球質心，右手定則決定yo軸。衛星本體坐標系Sb，衛星質心為原點，衛星縱軸向前為xb軸，以縱對稱平面內垂直于縱軸向下方向為zb軸，右手定則決定yb軸。當衛星處于正飛狀態時，衛星本體坐標系與軌道坐標系重合。

圖3 衛星與成像點之間的相對幾何關系Fig.3 Relative geometric relationship between satellite and imaging points

在計算成像點坐標之前，需要知道衛星與地面成像點之間的相對位置。衛星與地面成像點之間的相對位置計算方法如下。

rsat表示衛星在J2000坐標系下的位置矢量，rearth表示成像點在J2000坐標系下的位置矢量。Δr表示衛星與地面成像點之間的相對位置矢量，有如下關系

Δr=rearth-rsat

(1)

即

(2)

記地心在地固系中的位置坐標為[0 0 0]T，成像點位置矢量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即為成像點在地固系中的位置坐標，可利用地固系到大地坐標系的轉換關系得到成像點的地理經緯度。

3 可視化演示系統設計

演示系統借助成熟的航天領域仿真軟件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軟件處理相關數據并給STK軟件發送命令控制STK軟件的運行，從而讓視景仿真系統按照Matlab軟件程序預先的設定運行，再現航天任務執行的全過程。

3.1 衛星三維模型建立

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

圖4 衛星模型Fig.4 Satellite model

三維模型的活動關節在視景仿真中非常重要，通過定義仿真過程中活動關節的動作可以表征衛星運行過程中狀態的變化。例如，改變衛星天線的指向來表征衛星服務對象的改變，改變火箭尾焰的長度來表征發動機點火或關機等。通過定義模型的活動關節可實現用測試數據驅動組件的動態變化，達到逼真顯示效果。

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兩個模塊實現，如圖5所示。其中STK/Connect模塊提供了一種使用客戶機/服務器端方式連接STK軟件的快捷工作方式，給第三方的應用程序提供了一個向STK軟件引擎發送指令和接收數據的通信路徑。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工作區通過Connect模塊以TCP/IP(傳輸控制協議/網間協議)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、星下點等進行建模與分析。

圖5 Matlab與STK軟件連接的系統結構Fig.5 Connection between Matlab and STK

3.3 姿態數據轉換與場景顯示控制

實現姿態轉換與顯示的過程如下：在每次接收到飛行器數據時，根據數據中包含的衛星時間信息和輸入的衛星軌道參數確定該時刻的衛星軌道位置、速度，以計算從軌道系至地心慣性系下的轉換矩陣；之后，讀取該時刻對應的姿態數據，在該矩陣的坐標變化下，可獲得姿態設置命令stkSetAttitudeCBI的輸入參數，從而驅動衛星姿態實時顯示。若衛星的遙測數據含星體四元素姿態信息，則可直接利用該數據進行驅動顯示。

利用姿態四元素形式設置飛行器姿態命令如下：

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

仿真場景的顯示屬性，例如空間環境、傳感器和軌道以及成像點、視角的變換等，則可以通過STK/ Connect接口函數實時控制，主要控制的顯示屬性包括[8]以下內容。

1)成像點、視角的變換

在仿真準備階段和仿真運行過程中，用戶往往需要改變成像點和視角，以實現對仿真場景整體或局部的觀察。顯示控制模塊利用STK/Connect 接口函數實現了成像點和視角的變換，且不需要暫停仿真運行。例如，使用VO3DView命令用來給一個三維窗口設定一些成像點觀察參數命令如下：

VO * 3dView EyeFromTo Satellite/sat

2)傳感器、太陽能帆板等細節的指向控制

通過定義傳感器的指向，表征衛星設備之間的服務關系，例如將地面站傳感器指向某顆衛星表征該地面站正在為該衛星服務。通過對這些細節的控制，使仿真過程更加逼真生動。例如，使用AddArticulation命令驅動天線X軸在0 s到600 s內從0°轉至-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運動軌跡，特別是在航天器進行變軌的時候，用于對比變軌前后軌道變化；星下點軌跡亦可以大致描述出航天器對地的覆蓋區域。顯示控制模塊提供了對軌道、星下點軌跡等顯示的開閉以及顏色、粗細的控制。

4 整星測試驗證

以某敏捷遙感衛星的布局構形為參考，建立了衛星三維模型，并在Matlab&STK軟件下開發了衛星實時數據可視化判讀平臺。以某敏捷衛星成像測試過程為應用實例，分析目標是對某軌6條帶拼幅成像模式下主動勻角速度姿態敏捷機動數據結果進行判讀(0.1 s/數據點，置信度99.7%)。圖6～7是6個主動條帶的曲線分析結果，可以看出執行軌跡經緯度與計算規劃值的比對分析結果，通過曲線實時比對分析，可直觀顯示遙測數據與規劃數據的軌跡高度重合，驗證了星上軌跡規劃算法的正確性。圖8～9是判讀分析程序計算的第3條帶攝影點移動速度和地心角速度，執行結果與理論數據軌跡一致，證明在已有遙測基礎上，通過實時計算對復雜技術指標的執行結果進行輔助判讀，可進一步驗證星上算法的合理性，增強判讀全面性。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機動過程、分析衛星機動極性正確性的實用工具。

圖6 成像點經度判讀曲線Fig.6 Longitude curve of image point

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

圖8 第3個條帶攝影點移動速度放大圖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 結束語

本文基于敏捷衛星載荷成像姿態機動數據判讀需求，設計并開發了過程分析與可視化判讀平臺，對敏捷衛星的測試判讀具有實用價值。該平臺能自動提取條帶數據并計算每個條帶的技術指標，進行成像軌跡分析，輔助判讀姿態機動過程指標符合性，為未來復雜敏捷機動衛星測試判讀提供了理論參考。同時，在實時數據或離線數據驅動下利用STK軟件實現衛星敏捷機動成像過程的直觀、簡潔的可視化演示，為航天器飛行數據在空間環境的三維重現等提供了直觀實用的工具，增強了衛星軌道姿態控制視景仿真的靈活性和可操作性。