卫星仿真工具箱（通用3篇）
卫星仿真工具箱 篇1
0 引言
高分辨对地观测技术主要在地球资源和侦查两类应用卫星中运用得比较多。由于国家安全和国防建设的需求,高分辨对地观测技术的研发得到世界大多数发达国家前所未有的支持力度,从两类卫星的发展速度可见一斑。我国在高分辨对地观测领域也投入了大量的人力和物力,期待能够建立一套自己的对地观测系统,实现全天候、高时间和高空间分辨率全球观测的使命,紧随发达国家的科技发展道路上前行。
高分辨对地观测从以往的几十米地面分辨距离,已发展到如今能够拍摄得到地面分辨距离1 m内的图像。但是制约高分辨对地观测能力的因素有很多,大致可以归类为光学系统、卫星平台、空间环境、以及电子电路系统等四方面。根据国内外的颤振资料显示,卫星上的颤振已经成为影响卫星光学成像质量的重要因素之一[1,2,3]。在姿态调整动量轮、调姿推力器以及外界扰动等因素下,地面目标在成像器件上位置发生了变化,这种变化在不同的成像方式下,对图像质量造成的影响不同[4]。因此,本文针对高分辨对地观测中,不同的光学成像模式下,卫星颤振对成像质量的影响展开研究,建立卫星颤振光学成像模型,并编制仿真软件SIBSIV1.0用于辅助卫星高分辨对地成像像质预测研究。
1 卫星颤振光学成像模型
以高分辨对地观测为主要目标的两类应用卫星:地球资源卫星和侦查卫星主要分布在太阳同步轨道、地球静止轨道、中高轨道以及甚低轨道等四类成像轨道上。卫星上装载的用于可见光成像的有效载荷,以面阵型相机和TDI相机(Time Delay and Integration,TDI)为主。在颤振影响下,在星载相机设定的曝光时间内,额外的颤振会导致地面目标在成像器件上位置发生了变化。此时,若采用面阵凝视成像,传感器像面的同一位置会接受物面不同点的亮度信息,导致图像分辨率降低;若采用TDI相机[5,6,7,8,9],像在像面的运动速度会与TDI相机预先设定的电荷转移速度失配,像面出现倾斜错乱并模糊的现象。
本文以模块化的思路,将卫星颤振的光学成像退化模型分成像模式模块和颤振模块进行研究,构建颤振影响下的物像之间的关系,具体细节如下。
1.1 面阵凝视成像退化模型
在面阵凝视成像模式中,当目标与成像器件在曝光期间存在颤振时,忽略成像过程中引入的噪声,曝光成像的过程可以理解为探测器接受物面光强信息的一个积分过程[10]。在这个曝光积分周期里目标与成像器件的相对位置发生改变,使得像面同一位置接受到物面不同点的信息,这些信息经过积分和平均处理,就使得出来的图像变得模糊。因此,颤振模糊物像关系表达如下:
式中:(x0,y0)表示成像平面坐标,te表示曝光时间,g和f分别表示像函数和物函数,x(t),y(t)为颤振函数。再将式(1)做傅里叶变换得物像频谱关系为
式中:(u,v)表示频谱坐标,G和F表示像面和物面的频谱分布。由上式提取得颤振相关的关键函数为
Fmot(u,v)就是仿真颤振成像的关键函数,即颤振引起的光学传递函数(Optical transfer function,OTF)。建立面阵凝视颤振成像模型的关键是建立颤振信息函数x(t)、y(t)和因颤振造成的光学传递函数Fmot(u,v)的关系,从而仿真模拟出在当前条件下的像输出情况。
1.2 TDI扫描成像退化模型
根据TDI特殊的工作机制,TDI相机扫描成像的模型通过一个临时矩阵A来建立物像之间的关系。临时矩阵A描述的是当前TDI面阵中各像素所包含的信息。每经过一个行周期,即电荷转移周期,重新计算矩阵A所包含的内容。当矩阵A最后输出行存在数据时,则为输出像的一行信息。这个计算过程正好模拟了TDI相机以面阵的结构,延迟积分成像的工作过程。矩阵A的计算方式如下:
上式表达的是,当前矩阵A的信息gi(k,m)和上一行周期矩阵A的信息gi-1(k,m-)1。(k,m)表示矩阵中各个像素坐标,f(x,y)表示落在TDI像面上的像信息,x(t)和y(t)分别表示在当前周期内像在水平和垂直方向上由颤振引入的移动量;T为TDI相机的行周期。
1.3 颤振模型
在颤振模块中,本文主要考虑三方面的颤振来源:平台颤振、卫星绕转以及地球自转[11]。颤振模块将这三种来源的颤振归结到像面上进行考虑。以像面的运动类型进行归纳分类,如表1所示,包括匀速运动、正弦颤振、随机运动以及它们的随意组合。
在实际成像过程,若是存在运动,往往不是一个简单的简谐振动或者线性振动,极有可能是由多个运动组合而成的。本文以组合颤振为例,研究复杂运动形态下的光学传递函数。以函数集{si(t)}来表示多个运动函数,并且{ϕi}是它们分别对应的运动方向。将每一个运动在x方向和y方向上进行分解,得:
式中:x(t)total和y(t)total就是在空间坐标下,沿着x方向和y方向的总位移量,那么由式(3),即可计算复杂运动的OTF,如下:
对上述情况采用坐标系旋转的方法进行处理。通过坐标旋转,每一种运动函数在新坐标系下,可用{xi′(t),yi′(t)}和{ϕi}来表示;那么对应的在频域空间就可以用{ui′,vi′}和{ϕi}来表示。新旧坐标系下的坐标关系就为
式(6)中的Fmot(u,v)变为
即,若复杂运动是由n种不同方向不同频率的运动构成的话,就需要n次的旋转运动来计算OTF。若在不同时间段存在不同类型的运动时,可采用以上方法,以分段函数积分的方式,实现OTF的计算。
2 仿真结果与分析
基于以上退化模型,本文对具有典型意义的运行在地球静止轨道下的卫星进行仿真成像。分析在既定的地面分辨率下,成像系统对低频和高频的卫星颤振的敏感程度。
地球静止轨道参数如表2所示,根据现有卫星运行情况,地球静止轨道上采用的成像器件通常为面阵凝视型相机,故仿真采用的相机参数如表3所示。
设定卫星光学系统焦距,可以在同一轨道上得到不同的理想地面分辨距离。根据卫星颤振的情况,拟定如表4颤振参数范围。
在以上0∼100 Hz频率的颤振范围内,对清晰卫星图像做仿真成像,得到各个频率分量上的颤振临界值,即当某个频率的卫星颤振幅度小于这个临界值时,获得的图像可以达到当前设定的地面分辨距离;反之,图像的模糊较为严重,到了不可忽视的程度。经过多次仿真实验,由上述参数分别测得以下临界状态。临界结果以结构相似性指数(Structural Similarity Index,SSIM)约为0.7以及主观对比为条件。
由图1的曲线分布可观察得到以下结论:首先,图中点划线(地面分辨距离50 m)最高,短横线(地面分辨距离40 m)次之,最后是实线(地面分辨距离20 m)。即,当卫星运行在静地轨道上对地观测,当地面分辨率越高时,成像系统的抗颤振能力越差,对卫星稳像装置的要求性也就越高。其次,将图1中的(a)与(b)比较发现,对成像质量的影响较为严重的颤振在低频区的幅度明显高于高频区,也就是说真正影响成像质量的颤振多集中在大幅度的低频区和小幅度的高频区。
3 验证实验
本文搭建了一套模拟遥感成像的地面半物理仿真实验系统。利用图像调制传递函数(MTF)为像质评价标准,验证了仿真模型的正确性和有效性。实验系统由成像标板、压电平移台、平行光管、成像镜头、成像相机等部分组成。实验原理框图如图2(a)所示,实物图如图2(b)所示。
成像标板放置于压电平移台上,由环形排列的LED光源均匀照明,用以模拟地物。压电平移台可按照给定振动条件进行二维振动。地物发出光线经过平行光管准直后进入成像镜头成像。具体实验步骤如下:
1)保持成像标版静止,获得静止状态下标版像,利用刃边法获取其MTF静态[12];
2)控制压电平移台运动(运动参数可由传感器实时精确测出),得到标版在特定颤振条件下退化像,并利用刃边法获取其MTF退化;
4)利用理论仿真模型计算相应运动参数造成的MTF下降;
5)比较两个MTF下降值。
对实验系统加载如表5所示颤振参数,可以分别得到标版的静态像与退化像如图3(a)、(b)所示。分别对图3的两幅像取MTF值,并利用上一节分析的仿真模型计算相应运动条件下MTF下降值,得到MTF曲线图如图4所示。
MTFA为MTF所覆盖区域面积,近年来较常用于图像像质评价中,以衡量图像整体对比度情况。本文参考0.1到0.5归一化频率处MTF值以及MTFA对所得MTF曲线变化趋势做出比较,结果如表6所示。
从表中可以看出,实验所得MTF曲线在趋势和数值上基本和理论仿真模型计算值一致,波动范围较小,因此可以认为在误差范围内实验结果与理论计算相吻合,较好地验证了理论仿真模型的有效性与可靠性。
4 结论
研究了卫星颤振光学成像退化的模型,围绕高分辨对地观测中光学成像所采用的不同的光学成像模式,建立了基于传感器模块和颤振模块的卫星颤振光学成像退化模型。基于模型对静地轨道上卫星光学成像系统对颤振的敏感程度进行了分析。仿真实验结果证明,地面分辨率越高时,成像系统的抗颤振能力越差。当颤振幅值高于某一临界值时,该颤振对成像质量的影响就不可忽略了。搭建了一套模拟遥感成像的地面半物理仿真实验系统,利用图像调制传递函数(MTF)为像质评价标准,验证了仿真模型的正确性和有效性。本文对卫星颤振成像进行理论推导和仿真设计,可用于卫星遥感稳像系统的指导设计,也为进一步研究卫星颤振带来的成像退化的补偿技术奠定了基础。
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卫星仿真工具箱 篇2
微分方程是近代数学的一个十分重要的分支,无论在工程技术上、自动控制理论、物理等自然科学领域,还是在经济、金融、保险等社会科学领域中,都有着广泛的应用。随着互联网和计算机技术的迅速发展,数学也需要与时俱进,特别是把计算机技术应用到微分方程体系中,是微分方程发展的一个新方向。
微分方程方向场是微分方程的一个重要概念,它给出了微分方程解的一种几何解释。因为绝大多数的微分方程是不能用初等积分法求解的,所以由这些几何解释,可以从微分方程本身的特性了解到它的任一解所应具有的某些几何特征,无疑在理论研究和实际应用中,都有着重要的意义。
MATLAB是当前最流行的、功能强大的高效率的数值计算的可视化科技应用软件和编程语言之一。尽管MATLAB具有很强大的计算功能,但是,MATLAB里仍然没有微分方程方向场方面的函数和工具箱,考虑到MATLAB具有许多现成的求解微分方程及其他数学运算的函数及其解释性语言的特点,结合考虑微分方程方向场的自身特点,利用MATLAB开发微分方程方向场仿真工具箱能够发挥二者各自的优势,它比用VC++等其他计算机语言具有事半功倍的效果。微分方程方向场的工具软件国内尚不多见,国外有DFIELD等,但在国内并不普及。为了促进微分方程理论更广泛地应用到具体实践中,利用现有的算法,开发一个成功的微分方程方向场系统具有重大实际意义。
1 微分方程方向场简介
定义1:对于一阶显方程y'=f(x,y)的右端函数f(x,y)在区域G内有定义,即对G内任意一点(x,y),都存在确定值f(x,y),以点(x,y)为中点,作一单位线段,使其斜率恰为k=f(x,y),称为在点(x,y)的线素。于是在G内每一点都有一个线素,称为方程在区域G上确定了一个线素场或方向场。
定理1:若曲线L为方程y'=f(x,y)的积分曲线的充要条件是:在L上任一点,L的切线方向与方程y'=f(x,y)所确定的方向场在该点的线素方向重合,亦即L在每点均与方向场的线素相切。
通过上述定义与定理表明这样一个事实:方程y'=f(x,y)的积分曲线在其上每一点都与方向场的线素相切,或者直观地说成积分曲线是始终“顺着”方向场的线素方向行进的曲线。
形式上很简单的里卡蒂方程y'=x2+y2都不能用初等积分法求解,这与代数学中,五次和五次以上的代数方程的根没有根式公式的结论有相似的理论意义。微分方程方向场可以给出微分方程解的几何解释,由这些几何解释,可以从微分方程本身的特性了解到它的任一解所应具有的某些几何特征,或者近似的描绘出微分方程解的积分曲线,这就是微分方程方向场的应用所在。
2 M DFI EL D系统实现
微分方程方向场主要是借助一种简单的几何方法来研究已知的微分方程y'=f(x,y)的解,直观上给出了微分方程解曲线的一般形状,通过每一点解曲线的切线方向都与方向场中的线段接近平行,从初始点(x,y)开始,可以通过方向场画出近似的解曲线与可见的斜率线段尽可能平行,主要函数如下。
2.1 M ATL AB微分方程求解函数介绍
MATLAB的70余个工具箱覆盖面极广,包括丰富的数值分析、矩阵运算、图形绘制、数据处理、信号处理、图像处理、小波分析、鲁棒控制、系统辨别、非线性控制、模糊逻辑、神经网络、优化理论、统计分析等。由于它的功能强大且应用越来越广泛,加之不断开发出来的大量的应用于不同学科的工具箱,使MATLAB越来越受到人们的重视,成为国际控制界广泛使用的语言之一。下面对本开发平台中所使用和涉及的主要的函数或指令的含义进行描述,如表1所示。
2.2 主要M ATL AB程序
实际应用问题通过数学建模所归纳而得到的方程,绝大多数都是微分方程,真正能得到代数方程的机会很少。另一方面,能够求解的微分方程也是十分有限的,特别是高阶方程和偏微分方程(组)。这就要求我们必须研究微分方程(组)的解法,既要研究微分方程(组)的解析解法(精确解),更要研究微分方程(组)的数值解法(近似解)。MATLAB强大的数据分析和高级可视化软件使其成为许多科研与应用开发的首选平台,本文对常微分方程向量场理论利用MATLAB的函数实现其功能仿真,下面介绍主要MATLAB程序。
(1)函数Dfield(x,y,z)求方程y'=f(x,y)方向场函数,其中x,y为自变量和函数值向量,z=f(x,y)为线素方向函数,程序如下:
(2)函数Icurve(f,x0,y0,x1,x2,y1,y2)求柯西问题的初值解函数,其中x0,y0为初始值,x1,x2,y1,y2为初值曲线在x轴,y轴的取值范围,程序如下:
3 图形用户界面
利用MATLAB程序特点进行微分方程方向场仿真大大减少了编程工作量,对于一个成功的软件来说,其内容和基本功能固然应该是第一位的,但除此之外,图形界面的优劣往往也决定着软件的档次,MATLAB图形用户界面的优势使得系统工具箱形象直观,容易对输入输出、函数方程、取值范围进行修改,也可以通过存储在workspace或文本文件上的数据进行分析和处理。界面结构的设计利用MATLAB的GUIDE功能。
MDFIELD系统应用平台的界面程序主要内容就是每个控件的回调函数,利用回调函数,把编制的功能分散的微分方程向量场函数整合在如图1的主界面中,下面以控件Proceed为例,给出回调函数Callback的语句。
在MATLAB提示符下键入idfield命令则启动如图1所示的仿真工具箱界面,用户可以在The differentia equation窗口中输入微分方程,在The display window窗口中输入变量的取值范围,然后单击proceed按钮即可得到相应的方向场图形,如图2所示。在windows菜单中点击初值曲线按钮,即可调出求解方程初值问题的界面窗口,其输入方法与方向场界面相似,在此不在赘述。
4 结论
本文介绍了如何利用MATLAB的微分方程函数及图形用户界面开发和设计微分方程方向场仿真工具箱的方法和步骤。将MATLAB和微分方程理论有机结合起来,实现了复杂微分方程应用问题系统的设计和高效仿真及图形输出,对普及微分方程向量场理论,推广微分方程在实际中应用和进一步提高教学效果都具有明显的促进作用。
摘要：围绕微分方程方向场这个核心概念,利用MATLAB求解微分方程的优势,得到了求解微分方程初值解、微分方程方向场等各种算法的程序实现,实现了MATLAB仿真工具箱设计,利用图形用户界面(GUI)方法,设计了良好的人-机交互系统的主界面,最后给出了实际例子的程序运行结果,对推动微分方程在具体实践中的应用和普及,具有实际意义。
关键词：微分方程,方向场,MATLAB,仿真,工具箱
参考文献
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基于HLA的卫星测控仿真系统 篇3
1 高层体系结构简介
高层体系结构HLA(High Level Architecture)是在美国国防部(DoD)建模仿真办公室指导下提出的新一代仿真规范。用于产生计算机仿真系统的通用技术框架。其主要目的是解决各类仿真应用之间的互操作和仿真部件的可重用，其显著特点是通过运行支撑环境RTI(Run-Time Infrastructure)，提供通用的、相对独立的支撑服务程序。它考虑如何构建联邦，即如何设计联邦成员间的交互以达到仿真的目的。HLA的基本思想就是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统的对象模型(OM,Object Model)，以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用。HLA结构规范定义由三部分组成，分别为：
1)规则(Rules);
2)对象模型模板(OMT:objectModelTemplate);
3)接口规范说明(Interfacesspecification);
在HLA中，对象模型是描述客观事物的一组对象的集合，在对象模型中描述了这些对象的属性、联系与交互。对象模型在HLA中分为两类：一类是联邦对象FOM(Federation object Model)，描述了在联邦执行过程中所有成员可共享的信息;另一类是成员对象模型SOM(SimulationobjectModel)，用于说明成员在参与联邦时能提供的信息。RTI是HLA框架的核心，它实现接口规范中定义的联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时钟管理、数据分发管理等6类服务，目的是将仿真应用与底层通信及基本功能相分离，提供底层的通信和基本功能支持。
2 系统建模
2.1 系统业务描述
我国航天测控网是一个可为各类卫星和载人航天任务提供服务的测控系统。通常由中心测控系统和若干测控站组成，主要包括北京中心、西安中心、地面测控站、海上测控船和指挥显示中心等测控显示系统。
该测控仿真系统的构建是用作空间理论研究与测控模拟的仿真演示系统，包含以下基本元素：
1)测控中心站，情报处理和决策中心，其负责对卫星控制做出决策，判断，通过测控站向卫星发布相关指令;
2)地面测控站，指令中转中心和测控中心，其负责对卫星转发中心站的相关指令，回复中心指令，并完成对卫星的测控等工作。
3)海上测量船，指令中转中心和测控中心，其测量结果除了同陆基雷达一样，其跟踪精度还受到船摇干扰的影响。在大海中运动有六个自由度，三个线位移(进退、横荡、升沉)及三个角位移(偏航、横摇和纵摇)。
4)卫星，接受指令完成相关的空间机动，并对所处状态发出报告(轨道根数)，反馈给测控站。
中心站成员负责卫星控制指令的生成，它的主要任务是完成空间信息的收集、决策，以指令的形式发给测控站成员，再由测控站把指令转发给执行任务的空间卫星，另外中心站成员负责星下点的绘制以及各成员的位置描述，并显示在二维地球展开图上。地面和海上测控站作为联邦执行的一个重要成员，是联系卫星成员和中心站成员的一个中枢纽带，卫星的全部信息需经由测控站转发给中心站成员，而中心站的指令也是通过测控站发布给卫星的。测控成员除负责变轨卫星的测量和控制外，还肩负对下一测控站发布状态信息任务。测量结果以信息方式传给中心站，控制以指令方式发给卫星成员。
2.2 系统建模
根据上面的过程描述，我们可以对海上测量船测控模拟系统中各成员建模如下：
中心站成员：生产中心站对象，并对各测控站进行控制。发布测控船、站位置信息，通过测控船站间接发送控制指令，订购卫星轨道根数。
地面测控站成员：生产地面测控站对象，发出测控指令，捕捉目标，建立相关的链接，发布下一测控船站测控任务。订购卫星的属性和位置姿态反馈信息，发布任务交互和链接交互。
海上测量船成员：生产海上测量船对象。发布测量船状态，包括在大海中运动的六个自由度，三个线位移(进退、横荡、升沉)及三个角位移(偏航、横摇和纵摇)，订购卫星姿态，地面站测控状态，订购链接交互。
指挥所成员：生产指挥所，控制指挥所对象。发布卫星测控链路交互，订购卫星链路交互。
星下点显示成员：显示卫星飞行轨迹。发布卫星显示交互，订购卫星、中心站、测控站，测量船对象。
模拟控制成员：向系统中各成员发送模拟想定，控制模拟的进度等。订购测控站、测量船、卫星对象，发布模拟想定。
3 联邦成员设计
3.1 OMT交互对象描述
联邦对象是由OMT规范语言对现实世界通俗描述的元素，RTI通过联邦对象文档建立仿真平台。对于基于HLA的仿真系统来讲，包含两种数据，一种是连续存在的属性数据，标识实体的状态，如名称、句柄以及位置信息等，OMT用对象类(objectclass)及其属性(attributes)来描述它们;另一种是实体瞬间事件的数据，如指令和测量结果等，OMT用交互类(interaction class)及其参数(parameter)来描述它们。
3.2 建立FOM/SOM关系
中心站需要发布一个统一时统PTime，各成员以此为基础进行仿真推进。列出对象类SOM关系如表2所示。
由任务要求知道，中心站成员需要得到卫星信息，都是通过测控站的测量得到，将测量结果(measuringResult)归为交互类(interaction class)。首先是由中心站对测控站进行问询(ASK)：卫星是否处于测控站测控范围以内，收到测控船站的回答，中心站发出指令(command),测控站收到指令后，即回复测量结果，并由中心站对相应测量结果发送一个回执(receipt)，以免信息丢失。由于中心站也肩负着绘制星下点轨迹的任务，所以当卫星处于测控区时，中心站可以得到由测控站传来的卫星的位置，当不在测控区时则中心站需要通过积分计算得到卫星的位置、速度信息。中心站将对卫星发布变轨指令，指令将包括的内容是指令时间和指令速度以及目标星的编号。测量指令和变轨指令共存在指令类(command)中，只需在其参数中对类型进行标识。由此，建立联邦成员SOM交互类如表2所示。
4 建立仿真推进过程
4.1 仿真开发过程
基于HLA仿真系统的对象类及交互类建立模型后,即可进行成员的仿真开发。由于显示各星下点轨迹,以及指令输入等,中心站成员支持多线程,人机交互界面控制占用一个线程,仿真主循环开启一个线程,其它与网络交互相关的线程由pRT11516自动处理。仿真主循环逻辑如图2所示。
4.2 人机交互具体实现
人机交互，包括输入测量指令、变轨指令，输入项包括变轨时间、变轨速度等。输入指令后，由界面线程判断全局变量是否空闲，将此值赋予全局变量，同样在HLA线程中也需要对全局变量状态进行判断。输出项包括星下点轨迹显示和地面站、测量船方位、状态输出，另外，在客户区显示二维地球展开图，经过由经纬度到屏幕坐标系的坐标转换，实时输出星下点地位置，需要强调的是，在各成员全部推进到同步点之后，请求时间推进，仿真继续进行。
5 结束语
仿真结果表明，此基于HLA的测控网仿真系统，计算精确，仿真显示符合预期结果。其核心是该系统考虑到各类仿真应用间的互操作和仿真部件的可重用性，便于系统扩展，为大型仿真的实现提供了基础。本文叙述的仿真系统对测控系统交互方面的研究只是初步性的，有待于更加深入和全面的研究和探讨。
摘要：研究基于HLA/RTI的卫星测控仿真系统。根据模拟测控系统环境,设计基于HLA的测控系统仿真架构,介绍各成员的功能交互,设计了FOM/SOM表,将HLA思想很好应用于整个卫星测控系统,以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用,初步达到交互仿真效果。
关键词：卫星测控,高层体系架构(HLA),RTI,OMT,FOM,SOM
参考文献
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