高 遠(yuǎn), 陸志灃, 周金鵬, 賴 鵬, 從光濤
(上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)
近年來,敏捷成像衛(wèi)星技術(shù)迅猛發(fā)展,因其衛(wèi)星平臺(tái)的靈巧性及成像載荷的工作模式多樣性,能夠更為快速地獲取高質(zhì)量圖像信息,因而越來越多地應(yīng)用于各國(guó)軍事領(lǐng)域,服務(wù)于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)視及重點(diǎn)目標(biāo)偵察任務(wù)[1-3]。敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)由空間段的敏捷成像衛(wèi)星以及地面段的接收遙測(cè)系統(tǒng)與任務(wù)系統(tǒng)組成。敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)工作的一般過程為:地面任務(wù)系統(tǒng)通過處理成像任務(wù)生成衛(wèi)星任務(wù)方案;以任務(wù)指令的形式控制衛(wèi)星在過頂時(shí)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)地成像;將成像結(jié)果傳回地面;最終由地面任務(wù)系統(tǒng)處理結(jié)果數(shù)據(jù),獲得戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)[4-5]。
隨著衛(wèi)星技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用,衛(wèi)星支援下的體系化作戰(zhàn)已逐漸成為一種新型的作戰(zhàn)模式[6-10]。在此背景下,如何開展敏捷成像衛(wèi)星作戰(zhàn)運(yùn)用下的體系對(duì)抗仿真、研究這一新式作戰(zhàn)模式成為該領(lǐng)域新興研究熱點(diǎn)。但實(shí)際成像衛(wèi)星系統(tǒng)功能組成及運(yùn)作機(jī)理復(fù)雜,據(jù)此建立的細(xì)粒度數(shù)字衛(wèi)星模型往往重視分系統(tǒng)細(xì)節(jié),并未考慮與作戰(zhàn)系統(tǒng)的互聯(lián)接口,導(dǎo)致所建立的衛(wèi)星仿真系統(tǒng)要素欠缺、靈活性與拓展性差,無法與其他體系仿真要素直接集成,難以支撐體系級(jí)作戰(zhàn)仿真。因此,建立適用于體系仿真的敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)仿真模型具有現(xiàn)實(shí)意義[11-16]。
敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)由空間段的敏捷成像衛(wèi)星以及地面段的接收遙測(cè)與任務(wù)系統(tǒng)組成。成像衛(wèi)星主要包括平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、電荷耦合器件、光學(xué)載荷傳感器、通信設(shè)備等組件模塊,負(fù)責(zé)空間軌道保持、成像任務(wù)執(zhí)行及態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)回傳任務(wù);遙測(cè)系統(tǒng)主要指地面站系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)模塊,主要用于數(shù)據(jù)接收及指令上行;任務(wù)系統(tǒng)主要包括成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃模塊及回傳數(shù)據(jù)處理模塊,負(fù)責(zé)衛(wèi)星任務(wù)的生成及控制、情報(bào)信息接收處理。
敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)支援下的典型作戰(zhàn)工作流程如圖1所示。
圖1 敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)支援下的典型作戰(zhàn)工作流程Fig.1 Typical operation workflow supported by agile imaging satellite systems
典型作戰(zhàn)工作流程可分為以下幾個(gè)階段。(1)作戰(zhàn)任務(wù)獲取與成像任務(wù)生成階段:地面任務(wù)系統(tǒng)接收作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務(wù)信息,通過目標(biāo)區(qū)域分解、任務(wù)規(guī)劃等生成衛(wèi)星任務(wù)序列,并對(duì)應(yīng)產(chǎn)生指向轉(zhuǎn)移等控制指令序列;(2)指令上傳階段:地面任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃后的衛(wèi)星成像任務(wù)時(shí)序,通過地面站系統(tǒng)向敏捷成像衛(wèi)星傳遞指向控制指令序列;(3)對(duì)地成像階段:敏捷成像衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)系統(tǒng)上傳的指令信息擺動(dòng)傳感器,執(zhí)行對(duì)地成像任務(wù);(4)成像數(shù)據(jù)下傳階段:敏捷成像衛(wèi)星通過通信設(shè)備將成像數(shù)據(jù)下傳至地面站,再由地面站將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面任務(wù)系統(tǒng);(5)成像數(shù)據(jù)處理階段:地面任務(wù)系統(tǒng)從接收的成像數(shù)據(jù)中處理獲取目標(biāo)信息,將目標(biāo)信息報(bào)送作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。
通過建模對(duì)象分析,將敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)建模轉(zhuǎn)化為對(duì)敏捷成像衛(wèi)星與地面系統(tǒng)的建模,基于組件化建模方法及敏捷成像衛(wèi)星支援下的作戰(zhàn)活動(dòng)流程分析完成系統(tǒng)集成構(gòu)建。敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)建模總體設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)建模總體設(shè)計(jì)Fig.2 Overall design of modeling for agile imaging satellite systems
基于組件化建模方法,將敏捷成像衛(wèi)星模型拆分成衛(wèi)星平臺(tái)模型、衛(wèi)星機(jī)動(dòng)組件模型、光學(xué)成像傳感器組件模型、通信設(shè)備組件模型,各組件通過參數(shù)化配置實(shí)現(xiàn)模型快速生成,經(jīng)接口組裝即可配置成敏捷成像衛(wèi)星模型。按功能組成將地面系統(tǒng)模型分為地面站模型與任務(wù)系統(tǒng)模型,模擬地面系統(tǒng)的系統(tǒng)功能及工作流程。
2.2.1 衛(wèi)星平臺(tái)建模
衛(wèi)星平臺(tái)模型主要實(shí)現(xiàn)整星姿態(tài)轉(zhuǎn)移、電量及存儲(chǔ)容量管理等功能,計(jì)算輸出衛(wèi)星當(dāng)前指向姿態(tài)、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及電量等平臺(tái)信息。
(1)姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。當(dāng)點(diǎn)到點(diǎn)機(jī)動(dòng)時(shí),衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)速度如表1所示,表1中機(jī)動(dòng)角度及機(jī)動(dòng)并穩(wěn)定時(shí)間為輸入?yún)?shù)。
表1 衛(wèi)星點(diǎn)到點(diǎn)機(jī)動(dòng)速度Tab.1 Satellite point-to-point maneuvering speed
擺動(dòng)成像的機(jī)動(dòng)角度φ由歐拉軸/角參數(shù)式求取,對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)并穩(wěn)定時(shí)間t可通過表1利用線性插值獲得。
(2)電量維護(hù)。假設(shè)電池單位時(shí)間充電量為Pc,光學(xué)載荷工作單位時(shí)間耗電量為Ph,滿電容量為Pmax,設(shè)仿真過程的實(shí)時(shí)電量為P(t),且P(t) 式(1)中Δt為仿真周期;xt為非地影標(biāo)志,xt= 0表示衛(wèi)星當(dāng)前在地影內(nèi),xt= 1 表示衛(wèi)星當(dāng)前不在地影內(nèi);yt表示衛(wèi)星當(dāng)前工作狀態(tài),yt= 0 表示衛(wèi)星當(dāng)前未成像,yt= 1表示衛(wèi)星當(dāng)前正在成像。 (3)存儲(chǔ)維護(hù)。假設(shè)光學(xué)載荷工作單位時(shí)間數(shù)據(jù)產(chǎn)生量為Ds,回傳速率為Dc,固存滿載容量為Dmax,設(shè)仿真過程的實(shí)時(shí)可用存儲(chǔ)為D(t),且D(t) 式(2)中zt為回傳標(biāo)志,zt= 1 表示衛(wèi)星當(dāng)前已回傳,zt= 0表示衛(wèi)星當(dāng)前未回傳。 2.2.2 衛(wèi)星機(jī)動(dòng)組件建模 衛(wèi)星機(jī)動(dòng)組件模型主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)的模擬。為滿足體系對(duì)抗仿真需求,保證一定的推算精度,基于J2攝動(dòng)模型,利用經(jīng)典軌道六根數(shù)(a,e,ω,i,Ω,f)與衛(wèi)星地心慣性系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,在輸入六根數(shù)的情況下,積分推算衛(wèi)星軌道參數(shù),六根數(shù)中a為軌道半長(zhǎng)軸、e為軌道偏心率、ω為近地點(diǎn)輻角、i為軌道傾角、Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)、f為真近點(diǎn)角??紤]地球形狀J2攝動(dòng)的軌道動(dòng)力學(xué)微分方程見式(3)。 式(3)中,vSi=[vx vy vz]T、rSi=[x y z]T為衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)系下的速度與位置矢量,Re為地球半徑,μ為地心引力常數(shù)。 采用RK4 的方法,即可在仿真驅(qū)動(dòng)下完成軌道積分推算,輸出衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)信息。 2.2.3 光學(xué)成像傳感器組件建模 光學(xué)成像傳感器組件模型主要模擬電荷耦合器件相機(jī)的成像過程及成像能力。為適應(yīng)體系仿真需求,將成像輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換成目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果,模型的解算方法流程見算法1。 其中,利用星地幾何求取目標(biāo)的視線角度,即目標(biāo)指向與本體系z(mì)軸的夾角αT。若目標(biāo)在傳感器的視場(chǎng)內(nèi),需滿足 式(4)中,α(t)為光學(xué)傳感器視軸當(dāng)前指向角,β為光學(xué)傳感器視場(chǎng)角。 衛(wèi)星擺動(dòng)成像圖像分辨率計(jì)算公式為 |rSe算法1 光學(xué)成像傳感器組件模型解算方法輸入:rTe、rSe:目標(biāo)、衛(wèi)星在地心系下的位置矢量opT:目標(biāo)的光學(xué)特性信息poS:光學(xué)成像傳感器指向矢量輸出:od:光學(xué)成像傳感器探測(cè)結(jié)果1 初始算法參數(shù)2 求目標(biāo)視線角αT ←a cos[rTe ?rSe/|rTe|×]|)3 求傳感器擺角α(t)←a cos[]poS×rSe/()||poS×| |rSe 4 if |αT - α(t)|< β/2 then 5 判定目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)od1 ←1 6 求成像分辨率od2 ←ω ←(δ2 - δ1)?r 7 求目標(biāo)位置信息od3 ←rTe + σ 8 if od2 ≤ωmin then 9 判定目標(biāo)可被檢出od4 ←1 10 else 11 判定目標(biāo)不可被檢出od4 ←0 12 end if 13 od ←(od1 od2 od3 od4)14 else 15 od ←(0 0 0 0)16 end if 17 return od 式(5)中,r為光學(xué)傳感器星下分辨率,RS為衛(wèi)星地心距。 在視場(chǎng)檢查的基礎(chǔ)上,由成像圖像分辨率與最小可檢測(cè)分辨率ωmin的相對(duì)大小即可判斷目標(biāo)可否被探測(cè)到,再通過定位準(zhǔn)確度σ疊加探測(cè)誤差獲取定位結(jié)果,最終輸出探測(cè)結(jié)果信息od,包括目標(biāo)是否在傳感器視場(chǎng)內(nèi)od1、成像分辨率od2、目標(biāo)位置od3、是否可檢出od4。 2.2.4 衛(wèi)星通信組件建模 通信設(shè)備組件模型主要模擬衛(wèi)星通信過程,將光學(xué)傳感器的探測(cè)信息傳送至地面系統(tǒng),并接收來自地面系統(tǒng)的指令信息,針對(duì)體系仿真的需求,只模擬通信數(shù)據(jù)收發(fā)過程及通信延遲效果。 2.3.1 地面站建模 地面站模型主要模擬地面站系統(tǒng)的通信過程,接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)上傳,并上傳指令信息,針對(duì)體系仿真的需求,只模擬地面站通信數(shù)據(jù)收發(fā)過程及通信延遲效果。 2.3.2 任務(wù)系統(tǒng)建模 任務(wù)系統(tǒng)模型主要模擬成像任務(wù)生成、任務(wù)規(guī)劃等工作過程。 (1)成像任務(wù)生成。針對(duì)指揮系統(tǒng)模型下達(dá)的點(diǎn)目標(biāo)偵察、區(qū)域目標(biāo)搜索等作戰(zhàn)任務(wù),將其中的區(qū)域目標(biāo)通過區(qū)域分解等方法將作戰(zhàn)任務(wù)區(qū)域劃分為光學(xué)載荷能夠單幅成像覆蓋的成像任務(wù),利用光學(xué)載荷的點(diǎn)成像模式、推掃成像模式完成成像任務(wù)。 圖3 為等幅寬區(qū)域任務(wù)分解及推掃過程示意圖。d為星下幅寬,可利用式(6)計(jì)算得到。 圖3 區(qū)域任務(wù)分解及推掃過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of regional task decomposition and push-broom process (2)成像任務(wù)規(guī)劃。體系仿真過程中作戰(zhàn)任務(wù)具有在線分配的動(dòng)態(tài)性,同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃過程的高效自動(dòng)化解算?;诖耍枰诳紤]成像約束條件的前提下,根據(jù)衛(wèi)星的任務(wù)狀態(tài)以及新晉任務(wù)的屬性特征完成敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)規(guī)劃。基于動(dòng)態(tài)插入的成像任務(wù)規(guī)劃算法的運(yùn)行流程見算法2。 算法2 基于動(dòng)態(tài)插入的成像任務(wù)規(guī)劃算法輸入:[wst,wet]:作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)段rTe:目標(biāo)在地心系下的位置矢量rSe、vSe:衛(wèi)星在地心系下的位置、速度矢量m ={m1,m2,…,mn}:待進(jìn)行規(guī)劃的成像任務(wù)集合Q={[Qst1,Qet1],[Qst2,Qet2],…,[Qstu,Qetu]}:已排時(shí)段輸出: 算法2 中,輸入的待規(guī)劃成像任務(wù)集為m={m1,m2,…,mn},作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)段為[wst,wet],已經(jīng)安排的任務(wù)M={M1,M2,…,Mu},Q=為對(duì)應(yīng)的成像任務(wù)時(shí)序,表示已安排任務(wù)Mj的開始成像時(shí)間與結(jié)束成像時(shí)間,1 ≤j≤u。在每個(gè)仿真周期內(nèi),當(dāng)經(jīng)新晉任務(wù)不為空時(shí),按照以下步驟進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃: step1:按優(yōu)先級(jí)先后從m中取待規(guī)劃成像任務(wù)mi,0 step2:根據(jù)mi的任務(wù)區(qū)域長(zhǎng)度Li及傳感器對(duì)地成像掃描速度v計(jì)算成像任務(wù)用時(shí)cti,cti=Li/v。若成像任務(wù)為點(diǎn)成像任務(wù),則Li=d; step3:在[lsti,leti]內(nèi),確定成像任務(wù)插入點(diǎn),選取成像時(shí)段[sti,eti]。 若[lsti,leti]內(nèi)已排成像任務(wù)占用時(shí)間為Q′=對(duì)應(yīng)可用時(shí)間為在Q″內(nèi),按照由前向后的順序,判斷各時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度是否大于cti+pt,pt為成像準(zhǔn)備時(shí)間,若某時(shí)段Q″j=的時(shí)間長(zhǎng)度大于cti+pt,則進(jìn)行成像約束檢查,成像約束包括以下幾種。 (1)擺動(dòng)約束:成像過程的傳感器擺動(dòng)角度應(yīng)在機(jī)械擺動(dòng)限幅內(nèi),即 其中,αi為執(zhí)行任務(wù)mi時(shí)傳感器的擺角,αmax為機(jī)械擺動(dòng)限幅。 (2)電量及存儲(chǔ)約束:插入任務(wù)mi后的任務(wù)序列對(duì)衛(wèi)星電量及存儲(chǔ)的消耗需要滿足閾值限制,即 其中,Ptmax表示傳感器的單軌最大成像時(shí)長(zhǎng),Dtmax表示最大允許存儲(chǔ)量。 (3)太陽(yáng)高度角約束:光學(xué)任務(wù)指定成像的太陽(yáng)高度角的范圍,以保證圖像質(zhì)量,即 其中,γi為執(zhí)行任務(wù)mi時(shí)的太陽(yáng)高度角,γmin為保證一定圖像質(zhì)量的最低太陽(yáng)高度角。 在Q″內(nèi),若某時(shí)段Q″j的時(shí)間長(zhǎng)度小于cti+pt,則按上述過程繼續(xù)下一時(shí)段元素Q″j+1的判斷,直至尾元素,輸出計(jì)算結(jié)果。 在構(gòu)建敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)總體設(shè)計(jì),集成敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)仿真系統(tǒng),基于仿真系統(tǒng)開展仿真驗(yàn)證試驗(yàn),檢驗(yàn)所建立模型的準(zhǔn)確性以及在作戰(zhàn)體系仿真中的實(shí)用性。 仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。 表2 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.2 Simulation parameters setting (1)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)組件模型驗(yàn)證。采用STK軟件對(duì)比試驗(yàn)對(duì)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)組件模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。仿真衛(wèi)星軌位與STK運(yùn)行結(jié)果的對(duì)比如圖4所示,圖4中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為位置相對(duì)誤差,從圖4中可以看出,各方向的相對(duì)位置誤差均低于0.01%,能夠滿足體系仿真需求。 圖4 衛(wèi)星仿真位置對(duì)比誤差Fig.4 Position comparison error of satellite simulation (2)其他模型驗(yàn)證。仿真參數(shù)設(shè)置同表2,選取同軌多點(diǎn)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行模型仿真試驗(yàn),主要驗(yàn)證敏捷成像衛(wèi)星模型與地面系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)合理性與準(zhǔn)確性。仿真目標(biāo)設(shè)置如表3所示。 表3 衛(wèi)星成像任務(wù)設(shè)置Tab.3 Imaging task of satellite 仿真過程中,系統(tǒng)經(jīng)任務(wù)規(guī)劃仿真得到的任務(wù)序列為:“艦艇1→目標(biāo)點(diǎn)2→目標(biāo)點(diǎn)3→目標(biāo)點(diǎn)7→目標(biāo)點(diǎn)1→目標(biāo)點(diǎn)5→目標(biāo)點(diǎn)9→目標(biāo)點(diǎn)4→目標(biāo)點(diǎn)6→目標(biāo)點(diǎn)8”。仿真結(jié)果顯示,衛(wèi)星依次沿上述任務(wù)序列進(jìn)行過境成像,仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期相符,表明成像任務(wù)規(guī)劃方法以及任務(wù)系統(tǒng)模型準(zhǔn)確有效,仿真過程成像路徑如圖5所示。 圖5 多點(diǎn)目標(biāo)場(chǎng)景仿真成像路徑Fig.5 Simulation imaging path of multi-point target scene 仿真成像過程中,衛(wèi)星傳感器指向角變化過程如圖6-7 所示。圖中覆色區(qū)域?yàn)閭鞲衅髯藨B(tài)轉(zhuǎn)移限幅范圍,從中可以看出,傳感器能夠根據(jù)任務(wù)序列對(duì)每個(gè)任務(wù)進(jìn)行擺動(dòng)成像,傳感器指向轉(zhuǎn)移過程滿足姿態(tài)幅度限制以及機(jī)動(dòng)能力約束,設(shè)計(jì)結(jié)果合理,各模型可滿足體系仿真對(duì)敏捷成像衛(wèi)星的應(yīng)用需求。 圖6 傳感器指向俯仰角變化曲線Fig.6 Change curve of sensor pointing pitch 圖7 傳感器指向方位角變化曲線Fig.7 Change curve of sensor pointing azimuth 仿真參數(shù)設(shè)置同表2,衛(wèi)星成像任務(wù)設(shè)置如表4所示,仿真過程活動(dòng)事件記錄如表5所示。 表4 衛(wèi)星成像任務(wù)設(shè)置Tab.4 Imaging task of satellite 表5 仿真過程信息Tab.5 Information of Simulation process 從表5 中可以看出,所構(gòu)建的敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)模型可功能模擬衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)、載荷探測(cè)、通信傳輸、作戰(zhàn)支持等工作活動(dòng)。在仿真場(chǎng)景中,目標(biāo)2 作為新增任務(wù),被排入成像任務(wù)隊(duì)列,衛(wèi)星以“點(diǎn)目標(biāo)-目標(biāo)1->點(diǎn)目標(biāo)-目標(biāo)2->區(qū)域目標(biāo)-目標(biāo)3”的順序依次完成成像任務(wù),并最終以目標(biāo)2 作為打擊目標(biāo)實(shí)施作戰(zhàn)。仿真過程及結(jié)果表明,所構(gòu)建的敏捷成像衛(wèi)星仿真系統(tǒng)可有效支撐天基信息支援作戰(zhàn)體系仿真。敏捷成像衛(wèi)星仿真過程如圖8所示。 圖8 敏捷成像衛(wèi)星仿真過程Fig.8 Simulation process of agile imaging satellite system 基于體系對(duì)抗的仿真應(yīng)用背景,本研究采用組件化建模方法構(gòu)建了敏捷成像衛(wèi)星平臺(tái)模型、衛(wèi)星機(jī)動(dòng)組件模型、光學(xué)成像傳感器組件模型、通信設(shè)備組件模型,設(shè)計(jì)構(gòu)建了衛(wèi)星地面站模型以及基于任務(wù)動(dòng)態(tài)插入的敏捷成像衛(wèi)星地面任務(wù)系統(tǒng)模型,在集成敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所構(gòu)建的敏捷成像衛(wèi)星系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化成像任務(wù)編排,模擬敏捷成像偵察過程,滿足衛(wèi)星作戰(zhàn)運(yùn)用背景下的體系對(duì)抗仿真需求。2.3 地面系統(tǒng)建模
3 仿真試驗(yàn)
3.1 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證
3.2 體系仿真應(yīng)用
4 結(jié) 論