名称

紫丁香卫星对地观测任务虚拟仿真实验

实验目的

1.卫星虚拟仿真实验的必要性

     随着人类探索太空的步伐不断加快，众多孕育而生的空间科学任务使得我们对卫星等航天器的设计开发周期有了更多、更新和更高的要求。为了提高空间科学卫星在工程设计、测试和运行等各个阶段完成的质量和效率，世界各航天机构都采用建模和仿真技术作为空间科学任务的辅助手段。空间科学探测任务的仿真属于大型复杂系统仿真，涉及复杂的学科领域和专业子系统、众多的协作单位和复杂的集成关系。因此，需要一个能够为虚拟卫星仿真服务的、高效的、可快速配置的仿真引擎，开展任务和系统级仿真。 哈尔滨工业大学作为我国航天领域的重点高校，是国内最早开展卫星技术研究的高等院校，在小卫星、载人航天、深空探测等航天领域处于国际领先水平，取得了小卫星发射八战八捷的优异战绩。由学生自主设计、研制和管控的“紫丁香一号和二号微纳卫星”相继发射成功，开创了我国高校学生自主研发卫星的先河。学校依托卫星领域学术与工程优势，率先开发研制了“卫星虚拟仿真集成实验系统（SatSim）”，为我国卫星虚拟仿真技术发展做出了重要贡献。2014年起，将SatSim系统应用于“航天器总体设计”课程教学实验环节（已有5批次约200余名学生参与该实验项目），学生团队基于该平台成功开展了“紫丁香一号和二号微纳卫星”的虚拟仿真实验，为卫星工程研制奠定了技术验证基础。

2.实验目的

     本项目实验目的在于以紫丁香微纳卫星为研究对象，通过运用SatSim系统开展低轨道卫星对地观测轨道控制、姿态控制、载荷（天线）控制等虚拟仿真实验：

① 使学生了解紫丁香微纳卫星的轨道、姿态、载荷（天线）等详细设计过程； 

② 掌握对地观测卫星的轨道动力学与运动学模型、轨道任务设计方法；姿态动力学与控制模型、姿态控制设计方法；对地观测卫星载荷（天线）指向及覆盖范围分析与设计； 

③ 结合对固定和运动两类目标的跟踪任务实验，具备卫星对地观测任务的设计和分析能力。

实验原理（或对应的知识点）

     本实验项目基于自主开发的卫星虚拟仿真集成实验系统，让学生开展卫星轨道、姿态运动过程的分析，姿态及轨道控制系统的设计，以及对地观测任务的设计与分析，通过三维可视化直观的掌握卫星运行仿真及对地观测任务设计等基本知识。

知识点数量：（8个）

     本实验项目主要包含三部分实验模型及原理：卫星轨道动力学与运动学模型、卫星姿态动力学与控制、卫星天线指向及覆盖分析与设计。学生通过实验可以熟练掌握以下8个知识点：

（1）熟悉卫星的基本参数设计与分析原理；

（2）掌握SGP4/SDP4轨道解析模型建模原理，学会无时间积分计算并能实现实时仿真；

（3）掌握HPOP轨道动力学模型建模原理，学会高精度轨道积分计算；

（4）掌握刚性/柔性卫星姿态动力学模型建模原理，学会分析姿态特性；

（5）掌握卫星姿态控制基本方法，熟知星敏感器、地球红外敏感器、陀螺等敏感器工作原理及仿真模型，学会典型卫星姿态控制算法设计；

（6）掌握卫星天线指向计算原理，学会多波束天线运动仿真、各频段天线方向图生成、地球目标对卫星天线指向的解算；

（7）掌握卫星天线覆盖计算原理，学会天线覆盖区计算、地理位置的增益查询；

（8）掌握卫星天线指向及口径估计原理，学会根据地面增益覆盖范围，估算天线方向图及口径。

实验仪器设备（装置或软件等）

     本项目开展需基于SatSim卫星虚拟仿真集成实验系统，该系统能够基于三维可视化实现卫星运行状态的仿真及对地观测任务的设计与实践。

实验材料（或预设参数等）

     本实验共设定两个任务场景：紫丁香卫星对地观测固定目标、对地观测运动目标。针对这两个任务，需要预设主要标准参数如下：

（1）预设参数：

     时间步长：1024秒;                        仿真时间：100×真实时间。

（2）轨道预设参数：

     轨道半长轴：42163km                      轨道倾角：3度；

     轨道偏心率：0；                          升交点赤经：80度；

     近地点角距：330度；                      平近点角：30度。

（3）姿态预设参数：

     X方向偏差设为1°；                       Y方向偏差设为1°；

     Z方向偏差设为1°；                       预设“调整波束时补偿姿态偏差”功能。

（4）天线码盘预设参数：

     天线码盘零位位置：A轴转0.2°，B轴转0°；

     天线码盘初始位置：A轴-1°，B轴-2°；

     天线码盘定向位置：A轴转-1°，B轴转-2°；

     定向地理位置：经度100°，纬度20°；

     天线波束特性：预设波束增益特性，增益圈分别为1dB、3dB、10dB，预设指向可达区显示和波束覆盖圈轨迹功能。

（5）固定目标预设参数：

     预设三个目标A、B、C，其经纬度分别为：经度35°、纬度12°；经度 25°、纬度20°；经度 45°、纬度20°；权值都为1；

     预设固定目标提醒功能，选择增益下降报警方式，报警范围设为3dB。

（6）运动目标预设参数：

     加载“运动目标轨迹文件TarTrack.txt”预设运动目标运动特性。

实验教学方法

1.教学方法及使用目的

     哈工大作为我国航天领域的重点高校，肩负着培养航天后备人才的重要使命。以全面提升航天专业大学生素质与能力为培养目标，将航天工程组织管理与研制模式有机融入人才培养体系，科教深度融合、德才培育并举、教与学双向激励建立了适应航天人才快速成长的培养模式，创立了国内首个完全由学生充当主角的航天工程研制机构“学生微纳卫星创新工场”并进行了成功实践。 本实验项目在教学过程中依托“哈工大大学生微纳卫星创新工场”，将“预约组建任务团队、跨专业教师团队全程指导、建立并行互动平台、自主进阶式任务想定、协作式探究”等教学模式和方法引入到实验过程中，全面提高学生自主实践创新能力。预约组建任务团队的方法可通过网站预约组建任务团队，根据专业需要团队成员可从全国各高校选择，可大大提高跨学校、跨专业学生之间的学习交流；跨专业教师团队全程指导将为学生提供专业门类齐全的指导教师团队，可通过网站、微信群等多种交互方式向学生开展知识预习、答疑解惑、任务探讨、任务点评等，可及时的、全面的、互动的辅导实验团队学生；并行协同互动平台将通过与虚拟仿真实验平台并行在线运行的交互工具（如微信、QQ等群交互工具）促进团队教师和学生在线研究和探讨实验问题等；自主进阶式任务想定模式允许学生在完成既定基本预设任务后，通过团队任务想定探讨，自主生成全新任务，并基于实验平台功能自主设计进阶任务，可大大提高实验系统的利用率，促进学生创新实践能力提升；协作式探究可使学生通过并行交互途径围绕工程任务、基础理论知识、实验现象、全新任务等开展深入的协作探讨。

2.实施过程

（1）实验系统设计 

本项目的实验系统为“卫星虚拟仿真集成实验系统（SatSim）”平台。

Satsim系统主要针对卫星轨道计算及载荷功能，设计开放性系统仿真架构，支持数学仿真、半实物仿真和虚拟仿真；支持卫星轨道设计论证仿真计算功能，具有专业的仿真分析技术，并可以加入专业的定制技术。具体功能如下：

① 设计论证仿真计算 

（a）卫星轨道设计分析：卫星轨道设计采用SGP4及HPOP轨道计算模型，并采用GPU并行运算的计算框架，实现了准确切高速的卫星轨道计算功能。

（b）卫星星座设计分析：软甲你可以实现添加多颗卫星，并实现卫星的组网功能。每颗卫星为一个独立的设计单元，用户可以根据仿真需求，自主设置卫星的姿轨状态及载荷参数，实现了卫星星座组网功能。

（c）通信链路设计分析：软件可以对卫星的通信链路进行仿真，并分析包括误码率，带宽占用率，信道繁忙度等链路性能指标，实现了通信链路的仿真与性能分析功能。 

（d）空间目标状态测量分析：软件可以实现对空间目标的在轨观测、识别、轨道确定及姿态确定。可以实时显示相机观测到的图像信息，并根据获取的图像信息进行目标提取，进而实现空间目标的定姿定轨功能。

（e）天基观测设计分析：软件可以实现卫星相机载荷仿真功能，支持用户自定义一组天基观测卫星，组成天基观测网，并支持用户设定观测目标，实现观测状态的实时显示及对目标态势分析功能。

② 专业仿真分析技术

（a）轨道机动控制仿真：软件可以实现卫星轨道机动仿真，采用lambert变轨算法，可以实现高精度的变轨过程仿真，接近目标时，可以实现连续推力抵近运动的仿真。 

（b）高精度轨道预报：软件采用SGP4和HPOP高精度轨道计算模型，可以实现24小时以上的高精度轨道预报。

（c）链路规划仿真分析：软件采用基于带宽约束的最短路径路由算法和基于竞价的域间和域内路由负载均衡方法，实现了链路规划与仿真分析功能。 

（d）卫星覆盖计算分析：软件可以实现卫星天线圆覆盖计算以及GRD图覆盖计算，计算精度高，并可以在三维场景及二维地图中实时显示天线覆盖区域，精确且直观的实现了卫星覆盖计算分析功能。

（e）天基观测目标识别分析：软件采用最大类间方差改进法和基于形态学的空间目标条纹端点提取方法，可以精确的提取目标特征点和目标识别工作。

（f）天基观测高精度定姿定轨分析：软件可以实现短弧数据下的空间目标的初轨确定并采用基于容积卡尔曼滤波的空间目标轨道改进方法，实现了高精度的定轨功能。

 SatSim系统建立统一控制仿真平台，采用具有真实航天器细节的三维模型，利用空间环境仿真系统生成不同姿态的的近场空间目标虚拟仿真图像，综合卫星有效载荷的仿真信息，实现多任务综合地面集成仿真与三维虚拟仿真。

 SatSim系统组成及运行流程图如下：

图1 SatSim系统组成

图2 SatSim系统运行流程

（2）实验过程实施

实验过程分为实验前期准备、实验过程执行、实验点评等环节。

① 实验前期准备

学生可通过登录网站，预约实验，可选择“任务团队”和“独立实验”两种模式。

选择“团队模式”后，将由相关老师协助组建“团队任务交互群”，布置知识预习、任务研讨等工作；

选择“独立实验”后，则由学生自助登录网站，根据提示完成知识预习，并与相关老师进行答疑交互。

② 实验过程执行

选择“团队模式”：由团队成员共同完成任务设定后，按照基本任务的操作步骤在线执行虚拟仿真过程，同时通过并行运行的交互平台即时交流仿真过程中遇到的问题；一次仿真结束后，在线进行仿真结果分析；调整参数后，可进行下一轮迭代实验；团队完成基本任务后，可与指导教师探讨自主进阶仿真任务的设计，设定实验条件和参数，制定实验步骤，并操作完成实验，分析仿真实验结果；

选择“独立实验”后，则由学生自助登录网站，根据基本任务的操作步骤和要求，自助完成相关实验，并进行结果分析。

③ 实验点评

教师团队依据实验结果给出每个实验的点评，并与学生进行交互探讨。

（3）实验项目设计

基于“卫星虚拟仿真集成实验系统（SatSim）”平台共设计了三类实验项目：

① 卫星认知实验

利用三维交互式虚拟功能，开展在线卫星认知实验，使学生直观了解紫丁香微纳卫星的系统组成、设计参数、相关技术原理等，了解紫丁香文化，感受紫丁香卫星创新工场学习氛围。

② 对地观测任务虚拟仿真实验项目

利用卫星轨道设计、姿态控制设计、天线指向分析等虚拟仿真功能，开展对地面固定目标和运动目标的跟踪观测虚拟仿真任务。本项目为基本实验项目，学生只需按实验步骤完成即可。

③ 自主进阶式实验项目

完成基本任务的学生，可根据兴趣向教师申请自主进阶式实验项目，与指导教师探讨设计各种平台功能允许的实验项目，设置实验参数，制定实验步骤，探讨实验结果，迭代优化实验过程。

3.实施效果

     本项目最大的实施效果就是让学生自主设计卫星虚拟仿真实验，吸引其自主创新，在工程研制过程中发现问题，动手查找资料、通过团队协同攻关或者请教导师团队中相关学科教师解决问题；可以将自己的创新想法、创新成果通过工程化实现用于卫星的设计、实验和研制中；从工程模式中充分享受创新的乐趣，激励其自主创新实践内生机制的形成。

    2014年起，哈工大将SatSim系统应用于“航天器总体设计”课程教学实验环节，截止目前已有5批次、约200余名学生参与该实验项目，使学生生动而真实的了解和掌握的卫星总体设计相关知识，加深了对虚拟仿真技术的了解，实现了理论与仿真实践相结合的良好教学效果。同时，依托“紫丁香学生微纳卫星创新工场”，吸引了国际国内约100余名大学生加入学生微纳卫星设计团队，并基于该平台成功开展了“紫丁香一号和二号微纳卫星”的虚拟仿真验证实验，目前正在开展中俄工科大学联盟“阿斯图小卫星”的虚拟仿真国际联合实验，取得了非常好的社会效益。

实验方法与步骤要求

1.实验方法描述：

     实验项目共3学时，分为三个实验内容：紫丁香卫星认知实验（1学时）、卫星对地面固定目标观测虚拟仿真实验（1学时）、卫星对地面运动目标观测虚拟仿真实验（1学时）。紫丁香卫星认知实验采用网页交互浏览、视频浏览等方式开展实验；对地观测虚拟仿真实验采用网页交互、操作SatSim卫星虚拟仿真集成实验系统、数据分析等实验方法开展实验。

2.学生交互性操作步骤说明：

（1）紫丁香卫星认知实验

通过鼠标、键盘等工具，在网页上浏览紫丁香卫星三维虚拟模型及相关技术资料；通过点击网络实验按钮，开始紫丁香卫星认知视频的在线观看。

（2）对地面固定目标的观测虚拟仿真实验操作步骤

第一步，运行软件双击satsim.exe 图标，运行虚拟仿真系统软件。

图3 虚拟仿真系统软件窗口

第二步，【时间设置】点击主菜单，设置—预设时间设置。

第三步，【轨道设置】点击主菜单，设置—预设轨道参数设置。

第四步，【姿态设置】点击主菜单，设置—姿态偏差设置，出现如所示的姿态偏差设置窗口，本例中我们将X方向偏差设为1°，Y方向偏差设为1°，Z方向偏差设为1°勾选调整波束时补偿姿态偏差项，点击确定按钮。

第五步，【码盘设置】码盘设置包括码盘零位设置及码盘初始位置设置，点击主菜单：设置—码盘零位设置，设置—码盘初始位置设置，将出现码盘零位设置窗口及码盘初始位置设置窗口。

本实验中设置零位位置：A轴转0.2° B轴转0°，码盘初始位置设置为A轴 -1° B轴 -2°，点击确定。

第六步，【定向码盘位置设置】点击主菜单：设置—定向码盘位置设置，将出现码盘零位设置窗口及码盘初始位置设置窗口，本实验中设置A轴转 -1°，B轴转 -2°。点击确定。将出现如图4所示的跟踪模式设置窗口，在下拉菜单中选取运动模式为0.01°/s，点击确定，将出现码盘动作确认窗口，点击确定，将出现指令发送确认窗口做最终确认，点击确定。则码盘定向至设置位置。

图4 跟踪模式设置窗口

第七步，【定向地理位置设置】点击主菜单：设置—定向位置设置，将出定向地理位置设置窗口，设置定位至 经度100° 纬度20°。点击确定，同定向码盘位置设置一样，也将出现跟踪模式设置窗口，码盘动作确认窗口，指令发送确认窗口，同定向码盘位置设置并分别点击确定，则码盘定位至设置地理位置。

第八步，【波束特性设置】点击主菜单：设置—波束特性设置，将出现波束特性设置窗口，如图5所示，本实验中使用波束增益的特性，设置增益圈分别为1dB、3dB、10dB，并勾选指向可达区显示，波束覆盖圈轨迹，点击确定。

图5 波束特性设置窗口

第九步，【跟踪固定目标设置】点击主菜单：设置—跟踪固定目标设置，将出现目标位置特性设置窗口，如图6所示，本实验中设置三个目标A、B、C，其经纬度分别为：经度 35°，纬度 12°，经度 25°，纬度20°，经度 45°，纬度20°权值都为1。勾选固定目标提醒设置，选择增益下降报警方式，报警范围设为3dB。选择交互指令提示方式，点击确定。

图6 目标位置特性设置窗口

第十步，【运行虚拟仿真实验】完成了上述设置后，点击主菜单：运行—开始，或是点击工具栏： 按钮，开始运行目标跟踪模式下天线平台。

第十一步，【波束调整】仿真开始后，当目标点并不在当前波束增益圈范围之内时，将出现预警警报窗口，需要调整波束。点击确定，出现定向地理位置窗口，点击确定。

点击确定后，将依次出现前面提到的跟踪模式设置窗口，码盘动作确认和指令发送确认用于指导用户控制天线跟踪固定目标。分别点击确定，得到目标跟踪状态图。

图7 目标跟踪状态图

图8 指向点轨迹

第十二步，【调整波束指向】当目标指向点脱离了设置的3dB的阀值域时刻，会弹出提示窗口，提示目标即将超出波束范围，是否调整波束指向，需要调整的情况下，点击确定。点击确定后将依次出现前面提到的地理位置设置窗口，跟踪模式设置窗口，码盘动作确认窗口，指令发送确认窗口用于指导用户控制天线跟踪固定目标。

图9 预警警报窗口

图10 定向地理位置设置窗口

图11 跟踪模式窗口

分别点击确定后，则得到新的目标跟踪状态图。

图12 目标跟踪状态图

第十三步，【设置增益圈轨迹】增益圈轨迹可通过修改波束特性设置窗口中波束覆盖轨迹勾选项清除，使其不再显示。也可以通过点击主菜单：查看—显示历史轨迹选项使轨迹曲线不显示。或是通过点击主菜单：查看—清除历史轨迹选项使已有轨迹曲线不显示。但是这种设置下新出现的轨迹依然会存在。

第十四步，【数据输出】点击主菜单中数据输出选项，选择输出相关仿真实验数据。

（3）对地面运动目标的观测虚拟仿真实验操作步骤

第一步，【运行软件】软件运行过程与固定目标定位跟踪操作步骤相同。

第二步，【时间设置】时间设置与固定目标定位跟踪操作步骤相同。

第三步，【轨道设置】在本实验中将轨道倾角修改为3°，及轨道存在3°的轨道倾角，其他使用默认设置。点击确定按钮。

第四步，【姿态设置】姿态设置与固定目标定位跟踪操作步骤相同。

第五步，【码盘设置】码盘设置与固定目标定位跟踪操作步骤相同。

第六步，【定向码盘位置设置】定向码盘位置设置与固定目标定位跟踪操作步骤相同。

第七步，【定向地理位置设置】定向地理位置设置与固定目标定位跟踪操作步骤相同。

第八步，【波束特性设置】波束特性设置与固定目标定位跟踪操作步骤相同。

第九步，【跟踪运动目标设置】点击主菜单：设置—跟踪固定目标设置，将出目标位置特性设置窗口（图13）。因为本实验将跟踪运动目标，故与固定目标设置无关，保存目标特性设置默认值不变，勾选运动目标轨迹加载项，将弹出如图14的窗口，选择config文件夹下轨迹文件TarTrack.txt,点击打开，加载运动目标轨迹到平台中去。勾选运动目标提醒设置，选择增益下降报警方式，报警范围设为3dB。如选择交互指令提示方式，则当运动目标脱离天线指向点阀值域的瞬时，将依次出现例一中提到的预警警报窗口、地理位置设置窗口、跟踪模式设置窗口、码盘动作确认窗口、指令发送确认窗口用于指导用户控制天线跟踪固定目标。鉴于上例我们选择了交互式指令提示方式，本实验中就先以自动指令模式为例，选择自动指令模式，点击确定。

图13 目标位置特性设置窗口

图14 轨迹文件加载窗口

如在加载轨迹文件时出现如图15所示的对话框，是因为轨迹文件TarTrack.txt中设置的时间在当前运行时刻之前，需要打开轨迹文件从新设置时间或是重置平台时间。

图15 轨迹文件时刻报警窗口

第十步，【运行虚拟仿真实验】完成了上述设置后，虚拟地图界面加载了如图16所示的绿色轨迹，且此时运动目标轨迹起点并不在天线指向点增益圈内。点击点击主菜单：查看—运行—开始，或是点击工具栏：按钮，开始运行目标跟踪模式下天线平台。

运行开始后，程序自动执行，首先，天线指向点定位到运行目标轨迹起始点，并保持跟踪起点，如图17图所示，而后，当运行到轨迹文件中设定其实时间后，天线指向点随运动目标沿轨迹一起运动，当目标即将脱离天线指向点阀值域时，并不需要人工交互，程序自动调整天线指向点使得在新的天线指向点位置，运动目标在天线指向点阀值域中（在运动目标即将脱离阀值域时刻，天线指向点瞬时调整到运动目标点），如图18所示，并持续保持调整，直至运动目标完成运动轨迹，如图19所示。

图16 加载轨迹后的虚拟地图视图

图17 运动目标跟踪起始时刻状态

图18 运动目标跟踪自动调整时刻状态

图19 运动目标跟踪终了时刻状态

以上自动调整过程中发送的指令都保存成txt格式的：“__年__月__日天线调整策略.txt”文件生成于运行目录中save文件夹中。

第十一步，【数据输出】点击主菜单中数据输出选项，选择输出相关仿真实验数据。

实验结果与结论要求

（1）是否记录每步实验结果：是

（2）实验结果与结论要求：完成实验报告、交流心得体会；其中，所完成实验报告包含卫星设计的核心部分，使得学生对卫星有较深刻的认识和了解。

（3）其他描述：

本实验要求学生借助鼠标、键盘等操作工具，了解紫丁香微纳卫星的设计方案、总体参数及关键技术等内容，掌握卫星轨道动力学、姿态控制、载荷（天线）指向分析等知识点，通过实验分析和交互研讨，撰写实验报告，交流实验心得体会。针对感兴趣的同学，可基于虚拟仿真平台自主设计仿真实验项目，进一步拓展卫星等航天器总体设计相关知识的实践环节。

考核要求

     学生按操作步骤和要求完整完成卫星认知实验、卫星对地观测任务虚拟仿真实验，根据实验数据和结果分析，撰写实验报告（重点阐述对知识点的掌握和理解），与教师交互实验心得体会，由教师给出实验点评；自主进阶式实验任务不设固定考核要求，可由学生与教师协商确定。

面向学生要求

（1）专业与年级要求 

主要面向飞行器设计与工程专业本科三年级、四年级学生开放；同时可供力学、控制科学与工程、通信等专业本科高年级学生选择。 

（2）基本知识和能力要求等 

需要预先修习航天器总体设计、卫星轨道动力学与运动学、卫星姿态动力学与控制、卫星载荷（天线）技术等相关专业基础知识；同时要求具备熟练的计算机操作能力、初步的虚拟仿真系统操作能力和顺畅的协调沟通能力。

实验项目应用情况

（1）上线时间 ：2014年3月

（2）开放时间 ：可预约每周一至周五工作时间开展实验

（3）已服务过的学生人数：322

（4）是否面向社会提供服务：是。

本项目依托紫丁香学生创新工场平台，可面向全国范围提供服务，也可作为卫星科普实验项目供初、高中学生学习；同时可为相关高等院校和科研生产单位提供卫星相关技术培训和验证实验服务。