基于VegaPrime的分布交互式伴星成像仿真

2022-09-12

神舟七号任务中, 利用飞船载有的伴飞小卫星对飞船进行了成像试验。随着空间任务的发展, 对于伴星成像载荷的评估问题日益复杂, 成像仿真成为评估成像载荷效能的有效途径。空间任务的成像仿真涉及轨道计算、指挥控制、测控通信、视景成像和空间环境等多个单元, 传统的集中式仿真由于调试困难、扩展性差等缺点, 已不适应大系统仿真需要, 因而应用分布交互式仿真原理设计了伴飞卫星的成像仿真系统。

1 总体结构

为完成伴飞卫星成像仿真任务的的仿真需求, 依照体系仿真系统的仿真框架, 建立针对任务的仿真体系结构和仿真运行流程[1], 其总体架构如图1所示。

在基础环境和仿真环境的支持下, 构建仿真系统的功能仿真环境, 功能仿真包括空间环境仿真、飞行器轨道计算、指挥控制系统、测控通信系统、成像仿真和仿真管理等模块;在以上环境的基础上, 构建包括信息共享、综合显示、智能决策、协作研讨等, 构成可重用、易配置、具有强大人机交互及辅助决策能力的一体化仿真应用集成环境。另外在体系仿真系统的基础上, 还可以通过扩展应用来建立各项试验任务的仿真系统。

2 模块功能

指挥控制模块:主要对伴飞试验任务过程中的任务规划与指挥控制进行仿真, 包括指令生成、人机交互、任务状态显示等功能。任务规划仿真单元根据伴飞任务的方案, 生成并下达指令序列, 包括调整飞行器的状态, 控制各任务单元完成诸如探测载荷开启与关闭、飞行器位置姿态调整、载荷对目标监视跟踪等任务, 并显示各空间单元的飞行参数、指令执行状态和执行效果等信息, 为系统评估提供技术支持。

轨道计算模块:为任务单元提供伴星自身、空间目标以及空间碎片的轨道、姿态和目标特征信息。依据已知的轨道参数, 采用高精度轨道预报模型预推任务中伴星、目标飞行器以及空间碎片的轨道数据。

空间环境模块:利用空间环境模型实现对空间环境的仿真。接收轨道计算模块发布的任务飞行器和空间碎片的轨道数据, 计算空间碎片、空间电磁环境对任务飞行器及任务过程的影响。

测控通信模块:完成地面系统对任务飞行器的测控可见性的仿真。建立地面测控站对目标的可见性判断模型, 完成对任务目标的跟踪、通信、指令上传和数据下传的功能仿真, 检验测控方案对伴飞任务的支持度。

系统管理模块:主要对仿真系统进行控制和仿真数据进行记录, 包括系统运行控制单元和仿真数据记录。系统运行控制是整个仿真系统的控制中心, 主要负责管理、控制仿真系统的运行;仿真数据记录主要记录仿真系统运行过程中的对象、交互的发布情况, 用于系统的调试和仿真数据事后分析。

成像仿真模块:成像仿真模块在空间任务仿真过程中, 采用三维视景技术[2], 以全局视点、飞行器第三视点和载荷视点分别展现试验任务全过程和各分任务过程的可视化场景[3]。成像仿真模块需要从轨道计算模块获取任务飞行器的位置、姿态, 从指挥控制模块获取各种载荷状态、轨控/姿控信息, 完成对场景中三维实体的驱动, 并对场景中的各种实体动作特效进行模拟。

3 技术实现

根据任务过程的特点, 其三维可视化系统应满足既要表现整个宏观任务过程, 又要表现出微观操作细节的要求。采用VegaPrime实现视景仿真成员的开发, 利用其三维立体显示效果表现微观操作细节。

3.1 视景建模

三维实体建模:利用MultiGen Creator的基本建模环境模块CreatorPro, 建立视景仿真系统中各种物体的三维模型。建模中, 还要设定具体的星历模型以及观察者的位置和状态, 设定物体的纹理、材料物理特性。

视景仿真的画面是在仿真推演过程中实时渲染生成的, 这就要求三维仿真模型不仅仅要具有完整的几何外观, 更重要的是仿真模型数据库还必须具有能够满足实时应用的性质, 如模型数据的构造要尽可能简单, 并且模型数据库的结构要便于快速读取、遍历等。为此, Multigen Creator提出了用于描述三维虚拟场景中的层次化数据结构—OpenFlight数据结构, 它采用一种节点式的分层结构, 可以快速方便地对场景内的任意元素进行直接地编辑和控制。

特效建模:在制作发动机尾焰与飞行烟雾轨迹等特效时, 采用了基于BillBoardi ng纹理映射技术制作的小四边形作为基本粒子, 这类粒子可以根据视点位置的变换进行旋转, 使粒子面始终保持面对视点。随着时间的变化, 粒子系统内的每个粒子都要经过“产生”、“运动”和“消亡”这三个具有随机性的阶段, 且在任意时刻, 粒子的位置、颜色、透明度、运动方向和运动速度等属性都具有随机性。

场景实现:场景建模就是利用各种建模素材, 根据实际场景的需要, 用场景建模工具采用人机交互建模的方法构建三维视景数据库[4];场景驱动是利用视景仿真程序, 结合所建立的场景模型、鼠标键盘等输入设备的输入以及系统其它部分的状态参数来生成实时视景。系统的实现框架如图2所示。

3.2 成像仿真的流程

成像仿真的流程如图3所示, 在仿真控制模块的统一协调下仿真逐步推进[5]。当指挥控制模块计算确认目标进入载荷成像的范围内, 就可以根据需要向成像仿真模块下达载荷开启的指令。工作指令送达后, 成像仿真模块根据此时设置的载荷参数如视场角、载荷指向等以及目标的位置、姿态信息利用几何原理对目标进行成像, 成像过程一直持续到载荷停止工作的指令到达。

4 仿真结果

成像仿真模块的运行情况见图4。本例中仿真的是卫星伴飞过程中对目标星进行成像。场景主体表现的是双星飞行的状态, 当开启成像载荷后, 以分画幅的形式在主窗口的左下角表现成像载荷所得的图像。为满足成像仿真对回放性的要求, 还可以采用仿真中同步记录数据再经过数据驱动的方式, 重现任务过程。仿真结果显示, 分布交互式成像仿真系统成像准确, 通过更改各个模块的功能就可实现系统的扩展与任务的转换, 较好的解决了星载成像载荷的仿真问题。

摘要：针对逐渐发展的卫星伴飞成像试验, 本文介绍了运用实时视景仿真软件VegaPrime建立分布交互式成像仿真系统的方法, 并根据伴飞试验的特点, 优化了仿真系统的结构。

关键词：伴飞卫星,成像仿真,分布交互