一种卫星轨道仿真方法及装置与流程

本发明涉及卫星轨道仿真领域，尤其涉及一种卫星轨道仿真方法及装置。
背景技术：
：随着卫星应用越来越广，在各种工程应用场合，为了实时掌握卫星运行状况，需要对卫星轨道进行仿真计算。例如在研究对地观测小卫星的区域覆盖性能时，需要对卫星的轨道解算过程进行仿真，以验证所设计的卫星轨道是否满足区域覆盖要求；又如，在研究星载传感器系统如合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，简称SAR)仿真系统时，由于卫星是在特定的轨道上飞行，也需要对卫星轨道进行建模仿真，以便为星载SAR仿真系统提供载体运行激励数据；再如，在研究多颗卫星编队飞行以共同完成一项任务或者一颗卫星围绕另一颗卫星绕飞以完成对绕飞目标的观测时，需要同时对多颗卫星进行运行轨道仿真计算，以考察各颗卫星的运行轨道是否满足要求。目前使用最多的仿真工具包是卫星工具包(SatelliteToolKit，简称STK)。STK能够针对不同的应用场合，根据卫星轨道动力学原理，建立很精确的卫星轨道动力学模型，设定卫星轨道参数，对卫星轨道进行仿真计算。STK工具包可以在一定程度上满足人们进行单颗卫星轨道仿真计算以及多颗卫星之间的相对轨道计算要求，但是，该工具包存在封闭性(源码不开放)，不方便嵌入轨道控制算法程序，且单颗卫星轨道仿真工具包只能进行单颗卫星轨道仿真，多颗卫星轨道仿真工具包只能进行多颗卫星轨道仿真，对于不同的仿真应用需要分别建立不同的仿真程序才可以完成。技术实现要素：针对现存的卫星轨道仿真工具和方法中的不足，本发明提出一种卫星轨道仿真方法及装置，能够同时满足单颗卫星轨道仿真、多颗卫星轨道仿真及卫星变轨控制仿真要求。本发明提供一种卫星轨道仿真方法，包括：获取卫星轨道仿真需要的总体仿真参数，所述总体仿真参数包括：卫星颗数、各颗卫星质量和总仿真时间；依据所述总体仿真参数，获取各卫星在惯性系下的轨道参数，所述轨道参数包括：卫星在当前所处轨道的位置和速度分量；判断是否存在变轨控制要求；如果是，则以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述各颗卫星质量和所述变轨控制要求作为轨道优化的输入，调用轨道优化程序，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量，并将每次变轨时的速度增量分别变换为对卫星轨道动力学模型的变轨加速度；如果否，则将卫星轨道动力学模型的变轨加速度设置为0；计算得到外部加速度，所述外部加速度为所述卫星在当前所处轨道位置上所受的环境因素所产生的加速度；将变轨时的速度增量变换得到的变轨加速度和所述外部加速度进行求和，获得总体加速度；以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述总体加速度、所述总仿真时间作为输入，调用轨道动力学解算程序计算获得所述卫星的轨道解算数据。进一步地，所述依据所述总体仿真参数，获取各卫星在惯性系下的轨道参数，包括：判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；如果是多颗卫星轨道仿真，则选择一颗卫星作为参考卫星并获取其在惯性系下的轨道参数，再获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星在惯性系下的轨道参数。如果是单颗卫星轨道仿真，则获取所述单颗卫星在惯性系下的轨道参数；进一步地，所述依据所述总体仿真参数，获取各卫星在惯性系下的轨道参数，包括：判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；如果是多颗卫星轨道仿真，则选择一颗卫星作为参考卫星并获取其六要素轨道参数，并将所述参考卫星的六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数，再获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星在惯性系下的轨道参数。如果是单颗卫星轨道仿真，则获取所述单颗卫星的六要素轨道参数，并将所述六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数；进一步地，所述以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述各颗卫星质量和所述变轨控制要求作为轨道优化的输入，调用轨道优化程序，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量，包括：由所述轨道优化的输入提取程序输入参数；利用所述程序输入参数构造优化模型，所述优化模型包括决策变量、目标函数和约束函数；利用优化算法计算得到所述优化模型中的决策变量；将所述决策变量转换为变轨控制参数并输出，得到变轨次数以及每次变轨时的速度增量。进一步地，所述以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述总体加速度、所述总仿真时间作为输入，调用轨道动力学解算程序计算获得所述卫星的轨道解算数据，包括：由所述总仿真时间确定仿真步长和当前仿真时间；利用所述总体加速度构造轨道动力学方程；根据卫星在惯性系下的轨道参数、所述仿真步长和当前仿真时间，利用微分方程解算算法对所述轨道动力学方程进行解算，获得所述卫星的轨道解算数据。本发明提供一种卫星轨道仿真装置，包括：总体仿真参数获取单元，用于获取卫星轨道仿真需要的总体仿真参数，所述总体仿真参数包括：卫星颗数、各颗卫星质量和总仿真时间；轨道参数获取单元，用于依据所述总体仿真参数，获取各卫星在惯性系下的轨道参数，所述轨道参数包括：卫星在当前所处轨道的位置和速度分量；变轨判断单元，用于判断是否存在变轨控制要求；调用计算单元，用于所述变轨判断单元判断存在变轨控制要求时，以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述各颗卫星质量和所述变轨控制要求作为轨道优化的输入，调用轨道优化程序，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量；变换单元，用于将每次变轨时的速度增量分别变换为对卫星轨道动力学模型的变轨加速度；置零单元，用于所述变轨判断单元判断不存在变轨控制要求时，将卫星轨道动力学模型的变轨加速度设置为0；外部加速度计算单元，用于计算得到外部加速度，所述外部加速度为所述卫星在当前所处轨道位置上所受的环境因素所产生的加速度；加速度求和单元，用于将变轨时的速度增量变换得到的变轨加速度和所述外部加速度进行求和，获得总体加速度；轨道解算单元，用于以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述总体加速度、所述总仿真时间作为输入，调用轨道动力学解算程序计算获得所述卫星的轨道解算数据。进一步地，所述轨道参数获取单元，包括：第一判断单元，用于判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；第一多颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第一判断单元判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真时，选择一颗卫星作为参考卫星并获取其在惯性系下的轨道参数，获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星在惯性系下的轨道参数。第一单颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第一判断单元判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真时，获取所述单颗卫星的惯性系下的轨道参数；进一步地，所述轨道参数获取单元，包括：第二判断单元，用于判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；第二多颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第二判断单元判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真时，选择一颗卫星作为参考卫星并获取其六要素轨道参数，并将所述参考卫星的六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数，再获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星的惯性系下的轨道参数。第二单颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第二判断单元判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真时，获取所述单颗卫星的六要素轨道参数，并将所述六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数；进一步地，所述调用计算单元，包括：输入参数提取单元，用于由所述轨道优化的输入提取程序输入参数；优化模型构造单元，用于利用所述程序输入参数构造优化模型，所述优化模型包括决策变量、目标函数和约束函数；计算单元，用于利用优化算法计算得到所述优化模型中的决策变量；输出转换单元，用于将所述决策变量转换为变轨控制参数并输出，得到变轨次数以及每次变轨时的速度增量。进一步地，所述轨道解算单元，包括：参数提取单元，用于由所述总仿真时间确定仿真步长和当前仿真时间；方程构造单元，用于利用所述总体加速度构造轨道动力学方程；方程解算单元，用于根据卫星在惯性系下的轨道参数、所述仿真步长和当前仿真时间，利用微分方程解算算法对所述轨道动力学方程进行解算，获得所述卫星的轨道解算数据。本发明采用上述的方法及装置，所取得的有益效果在于：本发明提出的卫星轨道仿真方法及装置，根据总体仿真参数，获取待仿真卫星的轨道参数，调用轨道动力学解算程序，实现对卫星的轨道仿真。对于不同的卫星颗数，本发明的仿真方法能够分别获取卫星轨道参数，实现仿真，满足了不同用途的轨道仿真。本发明的方案，通过调用轨道优化程序，满足了卫星轨道变轨控制要求，打破了传统仿真工具的码源封闭性。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1是本发明实施例公开的一种卫星轨道仿真方法的流程示意图；图2是变轨控制程序计算流程示意图；图3是轨道解算程序计算流程示意图；图4是本发明实施例公开的一种卫星轨道仿真装置的结构示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例公开了一种卫星轨道仿真方法，参见图1，该方法包括：S101、获取卫星轨道仿真需要的总体仿真参数，所述总体仿真参数包括：卫星颗数、各颗卫星质量和总仿真时间；从卫星颗数可以看出仿真需求是进行单颗卫星轨道仿真还是多颗卫星轨道仿真，方便下一步针对不同情况作出不同处理；对于不同的卫星，其质量不同，则在相同的外力作用下其加速度不同，从而其运动速度也会有差别，因此针对不同的卫星需要明确其质量大小；对于卫星轨道仿真，需要设置起始仿真时间和结束时间，以“年-月-日-时-分-秒”的形式表示，仿真程序会自动将时间转换为以秒表示的总仿真时间。S102、依据所述总体仿真参数，获取各卫星在惯性系下的轨道参数，所述轨道参数包括：卫星在当前所处轨道的位置和速度分量；根据卫星轨道动力学基本原理，若要实现卫星轨道变轨控制要求，则需要改变其速度，因此以位置和速度分量来描述卫星轨道参数，是直观合理的模型描述方法。在卫星轨道仿真中只要卫星轨道参数确定了，在不考虑外界扰动的情况下，其轨道形状、运行周期也就确定了，因此，根据获取的卫星惯性系下的轨道参数，就能对卫星运行轨道进行仿真。S103、判断是否存在变轨控制要求；如果是，则执行步骤S104、以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述各颗卫星质量和所述变轨控制要求作为轨道优化的输入，调用轨道优化程序，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量；具体的，调用所述轨道优化程序，利用所述轨道优化程序处理所述轨道优化的输入，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量。S105、将每次变轨时的速度增量分别变换为对卫星轨道动力学模型的变轨加速度；需要说明的是，调用轨道优化程序处理所述轨道优化的输入，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量的过程，实际上就是利用程序输入参数构造具有约束条件的优化模型并求解优化模型得到所需决策变量的过程。这里所述的所需决策变量，就是优化模型中的控制量。如果否，则执行步骤S106、将卫星轨道动力学模型的变轨加速度设置为0；卫星轨道动力学基本原理为牛顿运动定律，即力是产生加速度的原因。要改变卫星的运行轨道，必须改变卫星的运动速度，因此需要对卫星施加外力，产生加速度，从而改变速度，实现卫星变轨控制。还需要说明的是，本发明实施例对所述轨道优化程序没有严格约束，设计人员可以根据需求任意编写合理的轨道优化程序，只需输出满足轨道变轨控制要求的加速度值即可。S107、计算得到外部加速度，所述外部加速度为所述卫星在当前所处轨道的位置上所受的环境因素所产生的加速度；具体的，卫星在运行过程中，会受到大气阻力、其他星球对其摄动力等外力作用，这些由卫星所处的环境产生的外力都会对卫星产生一个加速度，从而对卫星的运行速度带来影响，计算这些外部作用力产生的加速度，利于全面分析卫星运行状况，使轨道仿真更加精确。S108、将变轨时的速度增量变换得到的变轨加速度和所述外部加速度进行求和，获得总体加速度；在三维立体空间中，所有加速度都包含三个方向的分量，将卫星受到的所有加速度都进行求和运算，得到一个三维的加速度值，即是卫星的总体加速度值。S109、以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述总体加速度、所述总仿真时间作为输入，调用轨道动力学解算程序计算获得所述卫星的轨道解算数据。轨道解算程序的执行过程是利用前一步所解算得到的加速度，构造轨道运动学方程，再调用常用微分方程解算算法进行轨道参数解算。本发明将卫星轨道动力学仿真模型进行通用化处理，其输入仅包括卫星在惯性系下的轨道参数、总体加速度、总仿真时间，从而具有较好的通用性，是本发明得以实现的基础之一；本发明不对轨道解算程序进行严格约束，设计人员可以根据需要如解算精度、解算效率等，任意编写轨道解算程序。本发明提出的卫星轨道仿真方法，根据总体仿真参数，获取待仿真卫星的轨道参数，调用轨道动力学解算程序，实现对卫星的轨道仿真。对于不同的卫星颗数，本发明的仿真方法能够分别获取卫星轨道参数，实现仿真，满足了不同用途的轨道仿真。本发明的方案，通过调用轨道优化程序，满足了卫星轨道变轨控制要求，打破了传统仿真工具的码源封闭性。可选的，在本发明的另一个实施例中，所述依据所述总体仿真参数，获取各卫星在惯性系下的轨道参数，包括：1)判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；具体的，根据所述的卫星颗数判断是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真，如果颗数为1，则属于单颗卫星轨道仿真；如果是大于1的正整数，则属于多颗卫星轨道仿真。2)如果是多颗卫星轨道仿真，则选择一颗卫星作为参考卫星并获取其在惯性系下的轨道参数，获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星的惯性系下的轨道参数。在多颗卫星轨道仿真中，存在多颗卫星协同飞行的情况下，以相对运动学来描述多颗卫星之间的相对运动是最直观、方便的方法，因此，在此处建立相对坐标系，获取其他卫星在相对坐标系中相对参考卫星的位置和速度分量，简便且直观，充分利用了相对运动学的优势。为了方便下一步调用通用轨道解算程序，完成卫星轨道仿真解算，需要将卫星在相对系下的坐标变换到惯性系。以上，将绝对惯性系坐标和相对坐标系坐标进行转换，综合利用绝对运动模型和相对运动模型的各自优势，同时满足单颗卫星轨道动力学仿真和多颗卫星轨道动力学仿真要求。3)如果是单颗卫星轨道仿真，则获取所述单颗卫星在惯性系下的轨道参数；所述惯性系下的轨道参数包括：卫星在惯性系下的三个方向的位置分量和三个方向的速度分量。还需要说明的是，在另一实施例中，若判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真，获取卫星在惯性系下的轨道参数，还可以包括：选择所述卫星作为参考卫星，并获取该卫星在惯性系下的轨道参数；获取所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述卫星在惯性系下的轨道参数。具体的，若对单颗卫星进行轨道仿真，可以将待仿真的单颗卫星设置为对两颗同样的卫星进行仿真，一颗卫星作为另一颗卫星的参考卫星，再获取所述参考卫星在惯性系下的轨道参数，以及，所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述卫星在惯性系下的轨道参数。可选的，在本发明的另一个实施例中，所述依据所述总体仿真参数，获取卫星在惯性系下的轨道参数，包括：1)判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；同样，根据所述的卫星颗数判断是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真，如果颗数为1，则属于单颗卫星轨道仿真；如果是大于1的正整数，则属于多颗卫星轨道仿真。2)如果是多颗卫星轨道仿真，则选择一颗卫星作为参考卫星并获取其六要素轨道参数，并将所述参考卫星的六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数，再获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星的惯性系下的轨道参数。其中，所述六要素轨道参数，可简称为卫星轨道六要素，轨道六要素包括：a长半轴i轨道倾角W升交点地理经度w近地点幅角e偏心率M平近点角轨道六要素是经典的表示卫星轨道的方法，其对卫星轨道的描述全面具体。而在存在变轨控制的卫星轨道仿真中，需要改变卫星轨道速度，用卫星的速度和位置分量表示卫星的轨道参数更加直接合理，因此，此处根据卫星轨道六要素，利用数学运算，将所述素轨道六要参数转换为惯性系下的轨道参数，即卫星位置和速度分量。假设将所述素轨道六要参数转换为惯性系下的轨道参数即卫星位置和速度分量所调用函数为[RV]＝El2RV(a,i,W,w,e,M)其中，a为长半轴；i为轨道倾角；W为升交点地理经度；w为近地点幅角；e为偏心率；M为平近点角；R为矢量，存放3个位位置分量；V为矢量，存放3个速度分量。将所述素轨道六要参数转换为惯性系下的轨道参数即卫星位置和速度分量的计算过程中，需要用到常值变量mu，mu＝G*M＝3.98600436e5，其中G为引力常数，M为地球质量。计算过程如下：第一步：根据平近点角M，计算偏近点角E，再根据偏近点角E，计算真近点角f，计算过程如下：根据E＝M+e*sin(E)，采用迭代计算方法，计算得到偏近点角E，再根据公式tan(f/2)＝(sqrt((1+e)/(1-e)))*tan(E/2)计算得到真近点角f。第二步：根据a和e，计算中间变量p当e不等于1时，p＝a*(1-e)*(1+e)当e等于1时，p＝a*(1+e)第三步：根据真近点角f，计算三角函数cf＝cos(f)sf＝sin(f)第四步：计算轨道坐标系下的位置分量和速度分量R＝p/(1+e*cf)*[cf；sf；0]V＝sqrt(mu/p)*[-sf；e+cf；0]第五步：利用矩阵运算，将轨道坐标系下的位置和速度分量，变换为惯性系统下的位置和速度分量。上述公式中，sqrt表示开方计算，sin表示正弦运算，cos表示余弦运算，tan表示正切运算。3)如果是单颗卫星轨道仿真，则获取所述单颗卫星的素轨道六要参数，并将所述素轨道六要参数转换为惯性系下的轨道参数；同样，还需要说明的是，在另一实施例中，若判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真，获取卫星的惯性系下的轨道参数，还可以包括：选择所述卫星作为参考卫星，获取该卫星的六要素轨道参数，并转化为惯性系下的轨道参数；获取所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述卫星的惯性系下的轨道参数。具体的，若对单颗卫星进行轨道仿真，可以将待仿真的单颗卫星设置为对两颗同样的卫星进行仿真，一颗卫星作为另一颗卫星的参考卫星，再获取所述参考卫星的六要素轨道参数，并转换为惯性系下的轨道参数，进而获取所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述卫星在惯性系下的轨道参数。还需要说明的是，在上述实施例中，步骤S104中，需要采用轨道优化程序完成卫星轨道仿真中的变轨控制，在需要对至少两个卫星进行卫星轨道仿真，或者对单颗卫星进行卫星轨道仿真，且采用的是自己作为自己的参考卫星的方式这两种情况中，变轨控制的思想是：利用优化算法，计算出作用在待变轨卫星本体上的加速度值，使得待变轨卫星向参考卫星靠近，并与参考卫星维持相对位置，以保持相对运动(以相对运动方程表示)，从而保持相对运动队形。若需要采用轨道优化程序对单颗卫星进行卫星轨道仿真，变轨控制的思想为：利用优化算法，计算出作用在待变轨卫星本体上的加速度值，使得待变轨卫星向最终轨道参数对应的轨道靠近。基于此，本发明另一实施例中，所述以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述各颗卫星质量和所述变轨控制要求作为轨道优化的输入，调用轨道优化程序，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量，参见图2，包括：S201、由所述轨道优化的输入提取程序输入参数；具体的，执行所述轨道优化程序，从所述轨道优化的输入中提取得到程序输入参数，其中，由所述卫星在惯性系下的轨道参数提取待变轨卫星当前的状态(包括位置和速度)；由所述变轨控制要求提取待变轨卫星最终要达到的状态(包括位置和速度)、变轨的开始时间、结束时间及变轨过程的约束条件等信息。进一步地，为便于程序调用，将待变轨卫星当前的状态(包括位置和速度)和待变轨卫星最终要达到的状态(包括位置和速度)放在一起用参数state表示；将变轨的开始时间、结束时间等信息放在一起用参数goals表示；将变轨过程的约束条件，例如每次推力值最大不能超过多少(对应到相应加速度值最大不能超过多少)、总的加速度值不能超过多少等信息归结到一起用参数parameters表示。S202、利用所述程序输入参数构造优化模型，所述优化模型包括决策变量、目标函数和约束函数；具体的，根据程序输入参数中state和goals，按照优化模型公式(2)构造矩阵A；根据程序输入参数中的parameters，按照优化模型公式(2)构造约束向量b。其中，公式(2)为具体的，上述公式(2)采用以下方法计算得到：在相对坐标系中，假设待变轨星与参考卫星受到的加速度总和之差表示为加速度只包含3个分量，分别为沿x、y、z三个坐标系方向，则两者相对运动方程为：x··-2nz·=Δfx]]>y··+n2y=Δfy]]>z··+2nx·-3n2z=Δfz]]>其中，两星的相对位置以x、y、z表示，速度分别以一阶导数表示，加速度分别以二阶导数表示，n表示参考卫星运动角速度。以上述相对运动方程改写成如下形式：x·y·z·x··y··z··=000100000010000001000002n0-n20000003n2-2n00xyzx·y·z·+000000000100010001ΔfxΔfyΔfz]]>简化写成其中，A为状态转移矩阵。对上式进行离散化后得到假设k从0开始，也就是开始变轨时间从0开始，则上式(1)表示第1个离散周期的状态转换过程，对于第2个离散周期，状态方程表示为对于第3个离散周期，状态方程表示为依此类推，对于第n个离散周期，状态方程表示为：其中，是所有控制量即变轨所需加速度所组成的列向量。这里的n，是根据程序输入参数goals变轨结束时间来确定的。假设理想终态用表示，即并令则有这里的理想终态就是根据程序输入参数states中存放的待变轨卫星最终要达到的状态(包括位置和速度)来确定的。要保证经过控制后，终态满足理想终态的要求，令其中error表示终态控制所允许的误差。不等式关系式变为：在优化过程中，待优化参数是大于0的数，而控制量加速度可正可负，因此，可以引入两个变量，设为则因此不等式约束变为这里的约束条件b1和b11，就是根据程序输入参数parameters中存放的变轨过程的约束条件来确定的。假设进行n次变轨控制，第1次控制为6个分量，即u(1),u(2),u(3),u(4),u(5),u(6)，其中u(1),u(2),u(3)分别对应upx,upy,upz，u(4),u(5),u(6)分别对应umx,umy,umz，则进行n次控制所需要的控制量总数为6×n个。所要进行优化的是6×n个控制量的值，因此可以建立优化模型如下：S203、利用优化算法计算得到所述优化模型中的决策变量；其中，所述控制量u是一个列向量，是所述优化模型(2)中的决策变量，列向量的每一维都表示一个控制量，每一个控制量对应着实际变轨控制中的每一次速度增量；可以利用任意一种适用的优化算法求解所述控制量u，只要能求解出想要的控制量即可，例如单纯形法、对偶单纯形法等。S204、将所述决策变量转换为变轨控制参数并输出，得到变轨次数以及每次变轨时的速度增量；将优化计算得到的控制量u转换为变轨控制参数，存放在mvr数据结构中；所述变轨控制参数的向量维数表示需要的变轨次数，每一维数值大小表示对应各次变轨速度增量值。可选的，在本发明的另一个实施例中，所述以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述总体加速度、所述总仿真时间作为输入，调用轨道动力学解算程序计算获得所述卫星的轨道解算数据，如图3所示，包括：S301、由所述总仿真时间确定仿真步长和当前仿真时间；将总仿真时间根据实际情况分成若干个区间，每一区间表示一个仿真步长，当前仿真区间的开始时间表示当前仿真时间。假设总仿真时间为SimTime，并假设希望经过N次循环仿真就完成轨道仿真过程，则每次仿真步长为dTSim＝SimTime/N假设当前已经经过第k次仿真，则当前仿真时间为t＝k*dTSimS302、利用所述总体加速度构造轨道动力学方程；在实际运用中，以ForbTest函数代表用于构造轨道动力学方程的过程，以总体加速度作为ForbTest函数的输入，根据运动学原理构造轨道动力学方程，其构成过程说明如下：假设卫星在轨道上运动时不受摄动作用，沿Kepler(开普勒)轨道运动，其运动方程为：假设卫星受到控制力为相应的控制加速度为其运动方程变为：经过前一步所解算得到的加速度，包括变轨控制所需要的加速度、卫星在轨道上运动所受到的环境和摄动力所引起的加速等，利用公式(3)就可以构造轨道动力学方程。公式(3)中的等式右端就是所述总体加速度，因此将计算得到的总体加速度赋值到公式(3)中的右端变量就实现了轨道动力学方程的构造过程。S303、根据卫星在惯性系下的轨道参数、所述仿真步长和当前仿真时间，利用微分方程解算算法对轨道动力学方程进行解算，获得所述卫星的轨道解算数据。可以利用任意一种常用的微分方程解算算法，如龙格库塔法等，具体利用那种算法，可以根据仿真步长、仿真精度及仿真效率要求来综合考虑。为了更好说明本发明实施例的方案，下面通过具体举例说明本发明实施例公开的技术方案。假设要进行两颗星变轨计算，变轨要求是：两颗星各自有各自的初始位置，经过变轨，让其中一颗星向另一颗星靠近(另一颗星称为参考卫星)，则计算程序框架如下：(1)设置总体仿真参数；具体的，设置仿真卫星颗数为2，且设置第1颗卫星为参考卫星，第2颗卫星为待变轨卫星；分别设置两颗卫星的轨道六要素；设置总仿真时间为100000s；另外还可以设置变轨控制约束条件，如在该例中设置解算位置误差及解算速度误差分别为5e-3，一次施加变轨最小推力值为0.0005kN，每次变轨推力持续时间为10s。(2)将两颗卫星的轨道六要素分别转换为在惯性坐标系下的位置分量和速度分量，以及在参考卫星相对坐标系下的位置分量和速度分量；(3)设置变轨控制的参数；具体的，由于第2颗卫星的变轨目的是靠近第1颗卫星，因此以第1颗卫星在惯性系下的轨道参数(即在惯性系下的位置分量和速度分量)作为第2颗卫星的最终状态；以第2颗卫星在相对坐标系下的轨道参数作为变轨控制的初始轨道参数；提取第2颗卫星的质量数据；设置开始变轨时间为1000s，结束变轨时间为10000s。(4)调用变轨控制程序计算变轨所需速度增量；具体的，以第2颗卫星的变轨控制初始轨道参数、变轨最终状态、变轨开始时间、变轨结束时间、变轨控制约束条件为变轨控制程序的输入，计算变轨所需的速度增量，并由所得的速度增量计算实现该速度增量所需的变轨加速度(参考卫星相对坐标系下的加速度)。另外，由于第1颗卫星不需要进行变轨控制，因此将第1颗卫星的变轨加速度值设置为0。(5)对两颗卫星分别计算由大气阻力引起的加速度；(6)将两颗卫星在参考卫星相对坐标系下的变轨加速度变换到惯性坐标系下；(7)将由大气阻力引起的加速度和惯性系下的变轨加速度进行求和，得到第2颗卫星的总体加速度值；对于第1颗卫星，由于其不需要进行变轨控制，因此第1颗卫星所受的总体加速度值即为受到的大气阻力引起的加速度值；(8)对于两颗卫星，分别以当前惯性系下的轨道参数(即在惯性系下的位置分量和速度分量)、总体加速度值、总仿真时间作为输入，调用轨道动力学解算程序计算卫星轨道解算数据。本发明实施例公开了一种卫星轨道仿真装置，参见图4，该装置包括：总体仿真参数获取单元201，用于获取卫星轨道仿真需要的总体仿真参数，所述总体仿真参数包括：卫星颗数、各颗卫星质量和总仿真时间；从卫星颗数可以看出仿真需求是进行单颗卫星轨道仿真还是多颗卫星轨道仿真，方便下一步针对不同情况作出不同处理；对于不同的卫星，其质量不同，则在相同的外力作用下其加速度不同，从而其运动速度也会有差别，因此针对不同的卫星需要明确其质量大小；对于卫星轨道仿真，需要设置起始仿真时间和结束时间，以“年-月-日-时-分-秒”的形式表示，仿真程序会自动将时间转换为以秒表示的总仿真时间。轨道参数获取单元202，用于依据所述总体仿真参数，获取各卫星在惯性系下的轨道参数，所述轨道参数包括：卫星在当前所处轨道的位置和速度分量；根据卫星轨道动力学基本原理，若要实现卫星轨道变轨控制要求，则需要改变其速度，因此以位置和速度分量来描述卫星轨道参数，是直观合理的模型描述方法。在卫星轨道仿真中只要卫星轨道参数确定了，在不考虑外界扰动的情况下，其轨道形状、运行周期也就确定了，因此，根据获取的卫星惯性系下的轨道参数，就能对卫星运行轨道进行仿真。变轨判断单元203，用于判断是否存在变轨控制要求；调用计算单元204，用于所述变轨判断单元203判断存在变轨控制要求时，以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述各颗卫星质量和所述变轨控制要求作为轨道优化的输入，调用轨道优化程序，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量；具体的，调用计算单元204调用所述轨道优化程序，利用所述轨道优化程序处理所述轨道优化的输入，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量。变换单元205，用于将每次变轨时的速度增量分别变换为对卫星轨道动力学模型的变轨加速度；需要说明的是，调用计算单元204调用轨道优化程序处理所述轨道优化的输入，计算得到从所述惯性系下的轨道参数变化到最终轨道参数所需要的变轨次数以及每次变轨时的速度增量的过程，实际上就是利用程序输入参数构造具有约束条件的优化模型并求解优化模型得到所需决策变量的过程。这里所述的所需决策变量，就是优化模型中的控制量。置零单元206，用于所述变轨判断单元203判断不存在变轨控制要求时，将卫星轨道动力学模型的变轨加速度设置为0；卫星轨道动力学基本原理为牛顿运动定律，即力是产生加速度的原因。要改变卫星的运行轨道，必须改变卫星的运动速度，因此需要对卫星施加外力，产生加速度，从而改变速度，实现卫星变轨控制。还需要说明的是，调用计算单元204不对所述轨道优化程序做严格约束，设计人员可以根据需求任意编写合理的轨道优化程序，只需输出满足轨道变轨控制要求的加速度值即可。外部加速度计算单元207，用于计算得到外部加速度，所述外部加速度为所述卫星在当前所处轨道的位置上所受的环境因素所产生的加速度；具体的，卫星在运行过程中，会受到大气阻力、其他星球对其摄动力等外力作用，这些由卫星所处的环境产生的外力都会对卫星产生一个加速度，从而对卫星的运行速度带来影响，外部加速度计算单元207计算这些外部作用力产生的加速度，利于全面分析卫星运行状况，使轨道仿真更加精确。加速度求和单元208，用于将变轨时的速度增量变换得到的变轨加速度和所述外部加速度进行求和，获得总体加速度；在三维立体空间中，所有加速度都包含三个方向的分量，加速度求和单元208将卫星受到的所有加速度都进行求和运算，得到一个三维的加速度值，即是卫星的总体加速度值。轨道解算单元209，用于以所述卫星在惯性系下的轨道参数、所述总体加速度、所述总仿真时间作为输入，调用轨道动力学解算程序计算获得所述卫星的轨道解算数据。轨道解算单元209的工作过程是利用前一步所解算得到的加速度，构造轨道运动学方程，再调用常用微分方程解算算法进行轨道参数解算。本发明将卫星轨道动力学仿真模型进行通用化处理，其输入仅包括卫星在惯性系下的轨道参数、总体加速度、总仿真时间，从而具有较好的通用性，是本发明得以实现的基础之一；轨道解算单元209不对轨道解算程序进行严格约束，设计人员可以根据需要如解算精度、解算效率等编写轨道解算程序。本发明提出的卫星轨道仿真装置，根据总体仿真参数，获取待仿真卫星的轨道参数，调用轨道动力学解算程序，实现对卫星的轨道仿真。对于不同的卫星颗数，本发明的轨道参数获取单元202能够分别获取卫星轨道参数，实现仿真，满足了不同用途的轨道仿真。本发明的方案，通过调用计算单元204调用轨道优化程序，满足了卫星轨道变轨控制要求，打破了传统仿真工具的码源封闭性。可选的，在本发明的另一个实施例中，所述轨道参数获取单元202，包括：第一判断单元，用于判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；具体的，第一判断单元根据所述的卫星颗数判断是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真，如果颗数为1，则属于单颗卫星轨道仿真；如果是大于1的正整数，则属于多颗卫星轨道仿真。第一多颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第一判断单元判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真时，选择一颗卫星作为参考卫星并获取其在惯性系下的轨道参数，获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星的惯性系下的轨道参数。所述惯性系下的轨道参数包括：卫星在惯性系下的三个方向的位置分量和三个方向的速度分量。在多颗卫星轨道仿真中，存在多颗卫星协同飞行的情况下，以相对运动学来描述多颗卫星之间的相对运动是最直观、方便的方法，因此，多颗卫星轨道参数获取单元建立相对坐标系，获取其他卫星在相对坐标系中相对参考卫星的位置和速度分量，简便且直观，充分利用了相对运动学的优势。为了方便下一步调用通用轨道解算程序，完成卫星轨道仿真解算，需要将卫星在相对系下的坐标变换到惯性系。以上，多颗卫星轨道参数获取单元将绝对惯性系坐标和相对坐标系坐标进行转换，综合利用绝对运动模型和相对运动模型的各自优势，同时满足单颗卫星轨道动力学仿真和多颗卫星轨道动力学仿真参数设置要求。第一单颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第一判断单元判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真时，获取所述单颗卫星在惯性系下的轨道参数；还需要说明的是，在另一实施例中，若第一判断单元判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真时，还可以利用第一多颗卫星轨道参数获取单元获取单颗卫星的惯性系下的轨道参数，具体包括：第一多颗卫星轨道参数获取单元选择所述单颗卫星作为参考卫星，并获取该单颗卫星在惯性系下的轨道参数；获取所述单颗卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述单颗卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述单颗卫星的惯性系下的轨道参数。具体的，若对单颗卫星进行轨道仿真，可以将待仿真的单颗卫星设置为对两颗同样的卫星进行仿真，一颗卫星作为另一颗卫星的参考卫星，再获取所述参考卫星在惯性系下的轨道参数，以及，所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述卫星在惯性系下的轨道参数。可选的，在本发明的另一个实施例中，所述轨道参数获取单元202，包括：第二判断单元，用于判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真；同样，第二判断单元根据所述的卫星颗数判断是多颗卫星轨道仿真还是单颗卫星轨道仿真，如果颗数为1，则属于单颗卫星轨道仿真；如果是大于1的正整数，则属于多颗卫星轨道仿真。第二多颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第二判断单元判断所述卫星轨道仿真是多颗卫星轨道仿真时，选择一颗卫星作为参考卫星并获取其六要素轨道参数，并将所述参考卫星的六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数，再获取其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，依据所述其他卫星在参考卫星相对坐标系中相对参考卫星的位置和速度分量，计算得到其他卫星的惯性系下的轨道参数。第二单颗卫星轨道参数获取单元，用于所述第二判断单元判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真时，获取所述单颗卫星的六要素轨道参数，并将所述六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数。具体的，本实施例中各个单元的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。同样，还需要说明的是，在另一实施例中，若第二判断单元判断所述卫星轨道仿真是单颗卫星轨道仿真，还可以利用第二多颗卫星轨道参数获取单元获取单颗卫星的惯性系下的轨道参数，具体包括：第二多颗卫星轨道参数获取单元选择所述单颗卫星作为参考卫星，获取该单颗卫星的六要素轨道参数，并转化为惯性系下的轨道参数；获取所述单颗卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，并依据所述单颗卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述单颗卫星的惯性系下的轨道参数。具体的，若对单颗卫星进行轨道仿真，可以将待仿真的单颗卫星设置为对两颗同样的卫星进行仿真，一颗卫星作为另一颗卫星的参考卫星，获取所述参考卫星的六要素轨道参数，以及所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，再将所述参考卫星的六要素轨道参数转化为惯性系下的轨道参数，并依据所述卫星在参考卫星相对坐标系中相对所述参考卫星的位置和速度分量，计算得到所述卫星在惯性系下的轨道参数。还需要说明的是，在上述实施例中，若存在变轨控制要求，可以采用轨道优化程序完成卫星轨道仿真中的变轨控制，在需要对至少两个卫星进行卫星轨道仿真，或者对单颗卫星进行卫星轨道仿真，且采用的是自己作为自己的参考卫星的方式这两种情况中，变轨控制的思想是：利用优化算法，计算出作用在待变轨卫星本体上的加速度值，使得待变轨卫星向参考卫星靠近，并与参考卫星维持相对位置，以保持相对运动(以相对运动方程表示)，从而保持相对运动队形。若需要采用轨道优化程序对单颗卫星进行变轨控制，变轨控制的思想为：利用优化算法，计算出作用在待变轨卫星本体上的加速度值，使得待变轨卫星向最终轨道参数对应的轨道靠近。可选的，在本发明的另一个实施例中，所述调用计算单元204，包括：输入参数提取单元，用于由所述轨道优化的输入提取程序输入参数；优化模型构造单元，用于利用所述程序输入参数构造优化模型；计算单元，用于利用优化算法计算得到所述优化模型中的决策变量；输出转换单元，用于将所述决策变量转换为变轨控制参数并输出，得到变轨次数以及每次变轨时的速度增量。具体的，本实施例中各个单元的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。可选的，在本发明的另一个实施例中，所述轨道解算单元209，包括：参数提取单元，用于由所述总仿真时间确定仿真步长和当前仿真时间；方程构造单元，用于利用所述总体加速度构造轨道动力学方程；方程解算单元，用于根据卫星在惯性系下的轨道参数、所述仿真步长和当前仿真时间，利用微分方程解算算法对轨道动力学方程进行解算，获得所述卫星的轨道解算数据。具体的，本实施例中各个单元的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页1 2 3