本發(fā)明涉及航天器模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于增強現(xiàn)實的航天器地面模擬仿真方法。
背景技術(shù)：
以下對本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)背景進行說明，但這些說明并不一定構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
空間飛行器一旦發(fā)射將難以維修，其特殊的運行環(huán)境使其地面仿真試驗顯得尤為重要，目前對于空間飛行器地面仿真主要分為三類：(1)數(shù)學/計算機軟件仿真；(2)半物理仿真；(3)全物理仿真。其中最有效、最有說服力的是全物理仿真試驗。其核心設備室三軸氣浮臺，依靠壓縮空氣在氣浮軸承與軸承座之間形成的氣膜，使模擬臺體浮起，從而實現(xiàn)近似無摩擦的相對運動條件，以模擬衛(wèi)星等空間飛行器在外層空間所受干擾力矩很小的力學環(huán)境。實踐證明，基于氣浮臺的全物理仿真試驗能夠顯著提高飛行器的效費比，降低風險，縮短研發(fā)周期，是空間飛行器研制過程中的重要手段和方法。
經(jīng)文獻檢索，李季蘇、牟小剛等在論文“大型衛(wèi)星三軸氣浮臺全物理仿真系統(tǒng)”(見《控制工程》，2001年，第3期，頁碼22-26)中介紹了一種大型衛(wèi)星三軸氣浮臺全物理仿真系統(tǒng)的組成、技術(shù)指標和用途等，該系統(tǒng)屬于本地控制范疇，沒有基于分布式網(wǎng)絡化仿真的思想構(gòu)建。
厲明，紀勇，賈宏光，續(xù)志軍等在論文“基于快速仿真原型的飛行器半物理仿真系統(tǒng)”(見《光學精密工程》，2008年，第16卷第10期，頁碼1949-1955)中設計了基于快速仿真原型技術(shù)的大閉環(huán)半物理飛行實時仿真系統(tǒng)，通過光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡實現(xiàn)高速互聯(lián)，但該系統(tǒng)仍然屬于本地仿真范疇，并且屬于半物理仿真，不適用于分布式網(wǎng)絡化全物理仿真的設計。
中國發(fā)明專利(申請?zhí)?01010544722.5)名稱“衛(wèi)星動力學與控制分布式仿真平臺”中構(gòu)建一種衛(wèi)星動力學與控制分布式數(shù)字仿真平臺，實現(xiàn)不同任務衛(wèi)星控制系統(tǒng)的“柔性”設計，但該專利不適用于全物理仿真，不能用于分布式全物理仿真平臺的構(gòu)建。
此外，現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)學仿真的偏重于算法的分析，物理仿真偏重于設備功能的驗證，前者是純數(shù)學公式的計算，沒有任何實物介入系統(tǒng)仿真，缺少說服力；后者必須依賴實物，有時因為某些組件無法再地面工作而采用等效模擬的方法，并且必須全部參試實物都具備了才能開展試驗測試。上述方法都有個最大的問題是測試仿真很抽象，但從數(shù)據(jù)或現(xiàn)場不能直觀的看到航天器的運行場景。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種基于增強現(xiàn)實的航天器地面模擬仿真方法，能夠在仿真的同時能夠看到航天器實際運動的場景，并且實現(xiàn)分布式全物理仿真，提高撓性的模擬程度，擴大所模擬的振型的范圍，提高所模擬的頻率的范圍。
本發(fā)明基于增強現(xiàn)實的航天器地面模擬仿真方法，包括如下步驟：
S1、按照時間順序?qū)崟r將地面全物理模擬系統(tǒng)發(fā)送的地面航天器位姿信息存儲至AR設備的存儲單元；
S2、實時向所述存儲單元發(fā)送攜帶時間信息的數(shù)據(jù)請求，獲取與該時間信息對應的地面航天器位姿信息作為待顯示位姿信息；
S3、基于待顯示位姿信息調(diào)整AR設備顯示界面的虛擬模擬系統(tǒng)中所有虛擬器件的虛擬位姿；
其中，時間信息是指：當前時刻，或者用戶輸入的操作請求中攜帶的時間指令；AR設備的虛擬模擬系統(tǒng)與地面全物理模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同；地面全物理模擬系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)。
優(yōu)選地，地面全物理模擬系統(tǒng)包括：
三軸氣浮臺，以及設置在三軸氣浮臺上的星載計算機、敏感器、執(zhí)行器和撓性模擬器。
優(yōu)選地，撓性模擬器的數(shù)量為一個、兩個或更多個。
優(yōu)選地，虛擬模擬系統(tǒng)進一步包括：虛擬地球；步驟S3進一步包括：
基于待顯示位姿信息調(diào)整虛擬模擬系統(tǒng)中所有虛擬器件相對于所述虛擬地球的相對位置。
優(yōu)選地，虛擬模擬系統(tǒng)進一步包括：虛擬銀河系；步驟S3進一步包括：
基于待顯示位姿信息調(diào)整虛擬模擬系統(tǒng)在銀河系的相對位置。
優(yōu)選地，虛擬銀河系包括：虛擬星空，以及航天器周圍的虛擬衛(wèi)星、虛擬行星、虛擬恒星。
優(yōu)選地，步驟S3之前、或者S3的同時、或者步驟S3之后進一步包括：
基于待顯示位姿信息確定航天器的撓性變形量；
當撓性變形量超過預設的上限值時，縮小虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例；
當撓性變形量低于預設的下限值時，放大虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例。
優(yōu)選地，當撓性變形量超過預設的上限值時，虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例為：
X＝X0+Δx1，其中，
式中，X為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例，單位為％；X0為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的最佳顯示比例，單位為％；ω為撓性變形量，ω1為撓性變形量的上限值，ω2為撓性變形量的下限值，三者的單位相同。
優(yōu)選地，當撓性變形量低于預設的下限值時，虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例為：
X＝X0+Δx2，其中，
式中，X為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例，單位為％；X0為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的最佳顯示比例，單位為％；ω為撓性變形量，ω1為撓性變形量的上限值，ω2為撓性變形量的下限值，三者的單位相同。
優(yōu)選地，步驟S2包括：
按照時間順序，每隔預設的抽樣間隔從存儲單元中連續(xù)抽取至少兩個地面航天器位姿信息作為一組；
對于每組地面航天器位姿信息，以每組地面航天器位姿信息中的第一個地面航天器位姿信息、中值、以及最后一個地面航天器位姿信息作為待顯示位姿信息。
本發(fā)明通過AR設備展示航天器的運行場景，仿真結(jié)構(gòu)更直觀可見，并且能夠疊加各種撓性模擬器，模擬更寬范圍的撓性振型和頻率；通過地面全物理模擬系統(tǒng)發(fā)送的地面航天器位姿信息驅(qū)動AR設備，使得仿真數(shù)據(jù)準確性更高；通過采用分布式地面全物理模擬系統(tǒng)，可以突破地域因素對航天模擬系統(tǒng)的限制，增加本發(fā)明模擬仿真方法的實用性。
附圖說明
通過以下參照附圖而提供的具體實施方式部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將變得更加容易理解，在附圖中：
圖1是本發(fā)明基于增強現(xiàn)實的航天器地面模擬仿真方法的流程圖。
具體實施方式
下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進行詳細描述。對示例性實施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應用或用法的限制。
如圖1所示，本發(fā)明基于增強現(xiàn)實的航天器地面模擬仿真方法，包括如下步驟：
S1、按照時間順序?qū)崟r將地面全物理模擬系統(tǒng)發(fā)送的地面航天器位姿信息存儲至AR設備的存儲單元；
S2、實時向存儲單元發(fā)送攜帶時間信息的數(shù)據(jù)請求，獲取與該時間信息對應的地面航天器位姿信息作為待顯示位姿信息；
S3、基于待顯示位姿信息調(diào)整AR設備顯示界面的虛擬模擬系統(tǒng)中所有虛擬器件的虛擬位姿。
現(xiàn)有技術(shù)在描述衛(wèi)星的撓性時，往往在航天器中使用撓性模擬器模擬衛(wèi)星帆板等撓性結(jié)構(gòu)的撓性。模擬的時候有兩種方式：一種是飛輪等效模擬器，另一種是簡化撓性體，主要實現(xiàn)頻率和振型的模擬，但是這兩種模擬器都不是真正的帆板，無法真實展示帆板的運動。同時，當撓性力矩較小時，撓性模擬器的變形很小，肉眼無法直觀了解其受力情況和大小，展示度低。本發(fā)明中AR設備的虛擬模擬系統(tǒng)與地面全物理模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，根據(jù)地面全物理模擬系統(tǒng)發(fā)送的地面航天器位姿信息驅(qū)動AR設備中的虛擬模擬系統(tǒng)，由虛擬模擬系統(tǒng)展示航天器的運行場景，通過和全物理模擬系統(tǒng)疊加能夠更真實地模擬衛(wèi)星的運動狀態(tài)信息，包括帆板受力情況等，使仿真結(jié)構(gòu)更直觀可見。
航天器模擬系統(tǒng)的理論上可以根據(jù)實際需要在航天模擬器系統(tǒng)中疊加多個撓性模擬器，但是實際模擬過程中，由于儀表臺的安裝空間有限，難以同時使用多個撓性模擬器。本發(fā)明采用AR設備展示地面航天器的運行場景，可以不受儀表臺安裝空間的限制，通過疊加各種撓性模擬器還能模擬更寬范圍的撓性振型和頻率，并且數(shù)據(jù)準確性更高。
航天器地面模擬過程中，航天器的運行數(shù)據(jù)受到各種因素的影響，模擬環(huán)境、模擬設備的運動誤差等因素均會對航天器的位姿信息產(chǎn)生影響，而數(shù)字仿真的位姿信息難以精確表達上述各種誤差因素產(chǎn)生的影響，因此，與直接采用數(shù)字仿真的位姿信息驅(qū)動虛擬模擬系統(tǒng)相比，本發(fā)明采用地面全物理模擬系統(tǒng)實時發(fā)送的地面航天器位姿信息，仿真結(jié)果更準確，精確度更高。
現(xiàn)有技術(shù)的航天器模擬系統(tǒng)包括多個設備，這些設備必須在同一地方，否則無法正常模擬行星運動。本發(fā)明中地面全物理模擬系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，可以不受地域的限制，即使各個設備分布在不同地方，仍然可以進行衛(wèi)星運行的模擬。
本發(fā)明中的時間信息是指當前時刻，通過獲取當前時刻航天器的位姿信息，能夠?qū)崟r展示航天器的運行場景。當然，本發(fā)明的時間信息也可以是用戶輸入的操作請求中攜帶的時間指令，例如，當用戶輸入時刻A時，AR設備可以展示從時刻A開始航天器的運行場景。
在一些實施例中，地面全物理模擬系統(tǒng)包括：三軸氣浮臺，以及設置在三軸氣浮臺上的星載計算機、敏感器、執(zhí)行器和撓性模擬器。撓性模擬器的數(shù)量可以是一個，也可以是兩個或更多個。本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，除了星載計算機、敏感器、執(zhí)行器和撓性模擬器以外，三軸氣浮臺上也可以設置其他星上載荷。
為了更直觀地了解衛(wèi)星相對地球的運行場景，虛擬模擬系統(tǒng)可以進一步包括：虛擬地球；步驟S3進一步包括：基于待顯示位姿信息調(diào)整虛擬模擬系統(tǒng)中所有虛擬器件相對于虛擬地球的相對位置。
為了便于從整個星空的角度了解衛(wèi)星相對地球的運行場景，虛擬模擬系統(tǒng)可以進一步包括：虛擬銀河系；步驟S3進一步包括：基于待顯示位姿信息調(diào)整虛擬模擬系統(tǒng)在銀河系的相對位置。優(yōu)選地，虛擬銀河系包括：虛擬星空，以及航天器周圍的虛擬衛(wèi)星、虛擬行星、虛擬恒星，其中，虛擬衛(wèi)星用于模擬當前所模擬的衛(wèi)星周圍的衛(wèi)星，虛擬行星用于模擬當前所模擬的衛(wèi)星周圍的行星，虛擬恒星用于模擬當前所模擬的衛(wèi)星周圍的恒星。
若當前時刻航天器的撓性變形量較小，AR設備的顯示界面中無法直觀觀察到該形變；若當前時刻航天器的撓性變形量較大，AR設備的顯示界面無法完整顯示出該形變。為了，在本發(fā)明的一些實施例中，步驟S3之前、或者S3的同時、或者步驟S3之后進一步包括：
基于待顯示位姿信息確定航天器的撓性變形量；
當撓性變形量超過預設的上限值時，縮小虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例；
當撓性變形量低于預設的下限值時，放大虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際需要確定合適的上限值和下限值，本發(fā)明對此不作具體限定。
當撓性變形量超過預設的上限值時，虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例可以按照公式1確定。通過這種方式，能夠自動根據(jù)撓性變形量確定虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例，保證整個虛擬模擬系統(tǒng)始終能夠全部顯示在顯示界面中。
X＝X0+Δx1，其中，
式中，X為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例，單位為％；X0為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的最佳顯示比例，單位為％；ω為撓性變形量，ω1為撓性變形量的上限值，ω2為撓性變形量的下限值，三者的單位相同。
當撓性變形量低于預設的下限值時，虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例可以按照公式2確定。通過這種方式，能夠自動根據(jù)撓性變形量確定虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例，保證整個虛擬模擬系統(tǒng)始終能夠全部顯示在顯示界面中。
X＝X0+Δx2，其中，
式中，X為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的顯示比例，單位為％；X0為虛擬模擬系統(tǒng)在顯示界面的最佳顯示比例，單位為％；ω為撓性變形量，ω1為撓性變形量的上限值，ω2為撓性變形量的下限值，三者的單位相同。
由于地面航天器位姿信息實時向AR設備的存儲單元發(fā)送位姿信息，因此存儲單元中的數(shù)據(jù)量較大，若將每一個位姿信息都展示在AR設備中，數(shù)據(jù)出庫量較大，容易出現(xiàn)設備卡死現(xiàn)象。而在有些情況下，及時僅獲取部分位姿信息仍然可以直觀從AR設備中直觀了解到航天器的運行場景，例如加快播放該運行場景時。為了盡量減少數(shù)據(jù)出庫壓力，步驟S2可以包括：
按照時間順序，每隔預設的抽樣間隔從存儲單元中連續(xù)抽取至少兩個地面航天器位姿信息作為一組；
對于每組地面航天器位姿信息，以每組地面航天器位姿信息中的第一個地面航天器位姿信息、中值、以及最后一個地面航天器位姿信息作為待顯示位姿信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠直觀展示航天器運行場景，模擬更寬范圍的撓性振型和頻率，并且數(shù)據(jù)準確性更高。
雖然參照示例性實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是應當理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細描述和示出的具體實施方式，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述示例性實施方式做出各種改變。