一种多航天器空间立体信息组网仿真系统及采用该系统实现的仿真方法

摘要

一种多航天器空间立体信息组网仿真系统及采用该系统实现的仿真方法，属于多航天器空间立体信息组网领域。解决了现有的多航天器仿真平台配置单一，各仿真单元运动维度受限，无法模拟复杂的多航天器信息组网的问题。本发明采用了六自由度的四轴飞行器以及基于平面二维平动和垂直于平动平面一维转动的差分驱动移动机器人作为航天器仿真单元，通过可配置的WIFI以及ZIGBEE技术作为信息交互手段，以双目视觉系统实现高精度相对位置和姿态的标定。可根据不同的仿真要求配置工作状态，从而形成多航天器空间立体信息组网的仿真系统。主要用于多航天器的组网。

说明书

技术领域

本发明属于多航天器空间立体信息组网领域。

背景技术

随着对太空资源争夺的日益激烈和军事航天技术的飞速发展，世界各主要国家均加大对空间信息系统的建设力度。空间信息网络是以空间平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。其核心是卫星通信网，是单一卫星通信系统的进一步发展，其中星间组网、路由、传输协议等正是其必须突破的关键技术。

目前，世界众多已进入在轨验证阶段或研究的航天部门均非常重视关键技术的地面验证工作，建立了全物理/半物理仿真平台，以此降低系统研制风险。由于国内空间信息网络建设处于起步阶段，同时物理仿真实验存在仿真模拟设备复杂、开发资金过高等原因，国内尚无该方面专用的物理仿真平台。类似功能的多航天器仿真平台有哈尔滨工业大学与装备指挥技术学院引进、开发和建立的两套基于五自由度微小卫星物理仿真平台，以及以气浮平台为主的分布式航天器仿真平台。虽然其对多航天器系统控制算法的定性仿真验证起到了积极的促进作用，但是普遍存在仿真平台配置固化的局限性问题，仿真航天器单元运动维度单一受限，并且缺乏灵活通变的通信设备，无法实现在运动过程中的航天器中进行信息组网的仿真功能，在很大程度上制约了其进一步应用。为此迫切需要设计和建设具有多运动自由度和高可扩展性的适应不同任务的多航天器空间立体信息组网仿真系统以满足对该研究方向进行地面实物仿真的需求。

发明内容

本发明是为了解决现有的多航天器仿真平台配置单一，各仿真单元运动维度受限，无法模拟复杂的多航天器信息组网的问题。本发明提供了一种多航天器空间立体信息组网仿真系统及采用该系统实现的仿真方法。

一种多航天器空间立体信息组网仿真系统，它包括多个航天器仿真单元、地面控制计算机、显示终端、地面数据库终端、总控终端、2号通信模块和3号双目摄像系统，所述的地面控制计算机的显示信号输出端与显示终端的显示信号输入端连接，地面控制计算机的数据信号输入/输出端与地面数据库终端的数据信号输入/输出端连接，地面控制计算机的指令信号输入/输出端与2号通信模块的指令信号输入/输出端连接，地面控制计算机的控制信号输入/输出端与总控终端的控制信号输入/输出端连接，地面控制计算机的图像信号输入/输出端与3号双目摄像系统的图像信号输入/输出端连接，

每个航天器仿真单元包括四轴飞行器、差分驱动移动机器人、两个1号通信模块、1号双目摄像系统、2号双目摄像系统、两个仿真计算机；

各个差分驱动移动机器人用于完成在二维空间平动和垂直于地面的单轴转动，

各个四轴飞行器用于完成在仿真空间内，进行六自由度的运动，

其中，一个仿真计算机、一个1号通信模块和1号双目摄像系统均固定在四轴飞行器上，且所述的一个仿真计算机的控制信号输入/输出端与四轴飞行器的控制信号输入/输出端连接，一个仿真计算机的数据信号输入/输出端与一个1号通信模块的数据信号输入/输出端连接，一个仿真计算机的控制信号输出端与1号双目摄像系统的控制信号输入端连接，一个仿真计算机的图像信号输入端与1号双目摄像系统的图像信号输出端连接，

1号双目摄像系统用于采集四轴飞行器周围的图像信息；

另一个仿真计算机、另一个1号通信模块和2号双目摄像系统均固定在差分驱动移动机器人上，且所述的另一个仿真计算机的控制信号输入/输出端与差分驱动移动机器人的控制信号输入/输出端连接，另一个仿真计算机的数据信号输入/输出端与另一个1号通信模块的数据信号输入/输出端连接，另一个仿真计算机的控制信号输出端与2号双目摄像系统的控制信号输入端连接，另一个仿真计算机的图像信号输入端与2号双目摄像系统的图像信号输出端连接，

2号双目摄像系统用于采集差分驱动移动机器人周围的图像信息；

多个航天器仿真单元之间、四轴飞行器与差分驱动移动机器人、多个航天器仿真单元与地面控制计算机之间均通过无线通信的方式进行信息交互。

所述的1号通信模块包括两个天线旋转器、WIFI通信模块、ZIGBEE通信模块、1号移相网络模块、2号移相网络模块、1号天线阵列和2号天线阵列；

WIFI通信模块、1号移相网络模块和1号天线阵列固定在一个天线旋转器上，WIFI通信模块的第一数据信号输入/输出端与1号移相网络模块的第一数据信号输入/输出端连接，1号移相网络模块的第二数据信号输入/输出端与1号天线阵列的数据信号输入/输出端连接；

ZIGBEE通信模块、2号移相网络模块和2号天线阵列固定在另一个天线旋转器上，ZIGBEE通信模块的第一数据信号输入/输出端与2号移相网络模块的第一数据信号输入/输出端连接，2号移相网络模块的第二数据信号输入/输出端与2号天线阵列的数据信号输入/输出端连接；

两个天线旋转器的数据信号输入/输出端、WIFI通信模块的第二数据信号输入/输出端、ZIGBEE通信模块的第二数据信号输入/输出端和仿真计算机的数据信号输入/输出端同时连接。

所述的1号通信模块和2号通信模块的结构完全相同。

所述的1号双目摄像系统包括6个双目摄像头和一个视觉处理计算机；

所述的6个双目摄像头均固定在四轴飞行器上，且其中一个双目摄像头固定在四轴飞行器顶部，另一个双目摄像头固定在四轴飞行器底部，剩余的4个双目摄像头分别固定在四轴飞行器的前、后、左、右，

6个双目摄像头的数据信号输入/输出端与视觉处理计算机的数据信号输入/输出端连接，视觉处理计算机的图像信号输出端与一个仿真计算机的图像信号输入端连接，视觉处理计算机的控制信号输入端与一个仿真计算机的控制信号输出端连接；

视觉处理计算机的图像信号输出端作为1号双目摄像系统的图像信号输出端；

视觉处理计算机的控制信号输入端作为1号双目摄像系统的控制信号输入端。

所述的2号双目摄像系统包括5个双目摄像头和一个视觉处理计算机；

所述的5个双目摄像头均固定在差分驱动移动机器人上，且其中一个双目摄像头固定在差分驱动移动机器人顶部，剩余的4个双目摄像头分别固定在差分驱动移动机器人的前、后、左、右，

5个双目摄像头的数据信号输入/输出端与视觉处理计算机的数据信号输入/输出端连接，视觉处理计算机的图像信号输出端与另一个仿真计算机的图像信号输入端连接，视觉处理计算机的控制信号输入端与另一个仿真计算机的控制信号输出端连接；

视觉处理计算机的图像信号输出端作为2号双目摄像系统的图像信号输出端；

视觉处理计算机的控制信号输入端作为2号双目摄像系统的控制信号输入端。

所述的2号双目摄像系统和1号双目摄像系统的结构完全相同。

所述的WIFI通信模块和ZIGBEE通信模块均具有发射功率可配置，信道码速率可配置的功能。

采用所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统实现的仿真方法，该方法的具体过程为：

步骤一、对多航天器空间立体信息组网仿真系统的通信功能进行测试，测试项包括对天线数据发射功率、天线数据传输速率、天线波束角及天线旋转器的标定，保证各个四轴飞行器、差分驱动移动机器人及地面控制计算机之间的通信链路正常工作；

步骤二、对每一个航天器仿真单元以不同颜色进行喷漆并编号，对多航天器空间立体信息组网仿真系统的双目视觉定位功能、定姿功能进行测试，确实各视觉设备正常工作；通过各航天器仿真单元中的视觉系统，对其各自航天器仿真单元中的四轴飞行器和差分驱动移动机器人进行初始位置，以及初始姿态的标定；

步骤三、依据任务需求，由地面控制计算机通过2号通信模块将控制指令分发到各航天器仿真单元中，使四轴飞行器处于飞行状态；

步骤四、由地面控制计算机发出控制指令，使各四轴飞行器、差分驱动移动机器人处于工作状态，并且按照要求进行相互之间的通信，以实现各航天器仿真单元间信息组网；

步骤五、地面控制计算机接收，并记录各航天器仿真单元发来的所有仿真数据和工作状态，并根据仿真数据进行仿真控制的修改，显示终端实时的显示各航天器仿真单元的发射功率、接收信号强度、误码率、链路通断情况、位置和姿态信息。

本发明的多航天器空间立体信息组网与协同控制仿真系统主要用于多航天器空间信息网络关键技术的地面仿真，也可以直接用于空间信息组网拓扑控制，网路路由，网络协议，网络资源管理控制与优化的演示验证。

本发明带来的有益效果是，本发明采用了六自由度的四轴飞行器以及基于平面二维平动和垂直于平动平面一维转动的差分驱动移动机器人作为航天器仿真单元，通过可配置的WIFI以及ZIGBEE技术作为信息交互手段，以双目视觉系统实现高精度相对位置和姿态的标定。可根据不同的仿真要求配置工作状态，从而形成多航天器空间立体信息组网的仿真系统。本发明可根据任务要求对各航天器仿真单元进行不同配置，建立复杂的空间立体环境，进行航天器间信息组网的相关仿真，并具有良好的实用性与扩展性。

附图说明

图1是本发明所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统的结构示意图；

图2是1号通信模块和1号双目摄像系统的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统，它包括多个航天器仿真单元、地面控制计算机3、显示终端4、地面数据库终端5、总控终端6、2号通信模块10和3号双目摄像系统11，所述的地面控制计算机3的显示信号输出端与显示终端4的显示信号输入端连接，地面控制计算机3的数据信号输入/输出端与地面数据库终端5的数据信号输入/输出端连接，地面控制计算机3的指令信号输入/输出端与2号通信模块10的指令信号输入/输出端连接，地面控制计算机3的控制信号输入/输出端与总控终端6的控制信号输入/输出端连接，地面控制计算机3的图像信号输入/输出端与3号双目摄像系统11的图像信号输入/输出端连接，

每个航天器仿真单元包括四轴飞行器1、差分驱动移动机器人2、两个1号通信模块7、1号双目摄像系统8-1、2号双目摄像系统8-2、两个仿真计算机9；

各个差分驱动移动机器人2用于完成在二维空间平动和垂直于地面的单轴转动，

各个四轴飞行器1用于完成在仿真空间内，进行六自由度的运动，

其中，一个仿真计算机9、一个1号通信模块7和1号双目摄像系统8-1均固定在四轴飞行器1上，且所述的一个仿真计算机9的控制信号输入/输出端与四轴飞行器1的控制信号输入/输出端连接，一个仿真计算机9的数据信号输入/输出端与一个1号通信模块7的数据信号输入/输出端连接，一个仿真计算机9的控制信号输出端与1号双目摄像系统8-1的控制信号输入端连接，一个仿真计算机9的图像信号输入端与1号双目摄像系统8-1的图像信号输出端连接，

1号双目摄像系统8-1用于采集四轴飞行器1周围的图像信息；

另一个仿真计算机9、另一个1号通信模块7和2号双目摄像系统8-2均固定在差分驱动移动机器人2上，且所述的另一个仿真计算机9的控制信号输入/输出端与差分驱动移动机器人2的控制信号输入/输出端连接，另一个仿真计算机9的数据信号输入/输出端与另一个1号通信模块7的数据信号输入/输出端连接，另一个仿真计算机9的控制信号输出端与2号双目摄像系统8-2的控制信号输入端连接，另一个仿真计算机9的图像信号输入端与2号双目摄像系统8-2的图像信号输出端连接，

2号双目摄像系统8-2用于采集差分驱动移动机器人2周围的图像信息；

多个航天器仿真单元之间、四轴飞行器1与差分驱动移动机器人2、多个航天器仿真单元与地面控制计算机3之间均通过无线通信的方式进行信息交互。

本实施方式，本发明所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统由四部分构成，包括：基础平台单元，无线通信系统，双目视觉定位、定姿系统，地面控制系统。

多个航天器仿真单元之间、四轴飞行器1与差分驱动移动机器人2、多个航天器仿真单元与地面控制计算机3之间均通过无线通信的方式进行信息交互，

通过无线进行各航天器仿真单元的运动状态配置，建立时变的航天器构型环境，结合通信模块的配置，实现信息组网，该组网通过网络拓扑技、路由技术、协议跨层资源调配技术实现。

航天器仿真单元中设置的1号双目摄像系统8-1和2号双目摄像系统8-2用于实现各基础单元之间的高精度相对位置确定和姿态标定；

地面数据库终端5用于存储与记录所有下载的数据与仿真结果，总控终端6用于实现下达指令。

具体实施方式二：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统的区别在于，所述的1号通信模块7包括两个天线旋转器7-1、WIFI通信模块7-2、ZIGBEE通信模块7-3、1号移相网络模块7-4、2号移相网络模块7-5、1号天线阵列7-6和2号天线阵列7-7；

WIFI通信模块7-2、1号移相网络模块7-4和1号天线阵列7-6固定在一个天线旋转器7-1上，WIFI通信模块7-2的第一数据信号输入/输出端与1号移相网络模块7-4的第一数据信号输入/输出端连接，1号移相网络模块7-4的第二数据信号输入/输出端与1号天线阵列7-6的数据信号输入/输出端连接；

ZIGBEE通信模块7-3、2号移相网络模块7-5和2号天线阵列7-7固定在另一个天线旋转器7-1上，ZIGBEE通信模块7-3的第一数据信号输入/输出端与2号移相网络模块7-5的第一数据信号输入/输出端连接，2号移相网络模块7-5的第二数据信号输入/输出端与2号天线阵列7-7的数据信号输入/输出端连接；

两个天线旋转器7-1的数据信号输入/输出端、WIFI通信模块7-2的第二数据信号输入/输出端、ZIGBEE通信模块7-3的第二数据信号输入/输出端和仿真计算机9的数据信号输入/输出端同时连接。

本实施方式，每个差分驱动移动机器人2、四轴飞行器1、地面控制计算机3均装备WIFI以及ZIGBEE通信模块，可进行航天器仿真单元的数据下传、相互之间的通信组网以及地面控制计算机3的指令上传。

WIFI通信模块7-2和ZIGBEE通信模块7-3具有天线波束角可调的特点，(a)可通过配置电机进行天线的旋转，b通过对移相网络的控制，进行天线波束角的调整。

本发明既可以通过WIFI通信模块7-2和ZIGBEE通信模块7-3对1号移相网络模块7-4，2号移相网络模块7-5的馈电相位的控制实现对天线波束角的控制，也可以通过对天线旋转器7-1的控制调整天线指向，最终达到对辐射功率的控制。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统的区别在于，所述的1号通信模块7和2号通信模块10的结构完全相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统的区别在于，所述的1号双目摄像系统8-1包括6个双目摄像头8-1-1和一个视觉处理计算机8-1-2；

所述的6个双目摄像头8-1-1均固定在四轴飞行器1上，且其中一个双目摄像头8-1-1固定在四轴飞行器1顶部，另一个双目摄像头8-1-1固定在四轴飞行器1底部，剩余的4个双目摄像头8-1-1分别固定在四轴飞行器1的前、后、左、右，

6个双目摄像头8-1-1的数据信号输入/输出端与视觉处理计算机8-1-2的数据信号输入/输出端连接，视觉处理计算机8-1-2的图像信号输出端与一个仿真计算机9的图像信号输入端连接，视觉处理计算机8-1-2的控制信号输入端与一个仿真计算机9的控制信号输出端连接；

视觉处理计算机8-1-2的图像信号输出端作为1号双目摄像系统8-1的图像信号输出端；

视觉处理计算机8-1-2的控制信号输入端作为1号双目摄像系统8-1的控制信号输入端。

本实施方式，四轴飞行器1安装的6个双目摄像头8-1-1安装方向为，其中4个分别为等分水平面向外，另外两个为垂直于水平面向上与向下，分别对四轴飞行器1的上、下、左、右、前、后6个方向图像采集。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统的区别在于，所述的2号双目摄像系统8-2包括5个双目摄像头8-1-1和一个视觉处理计算机8-1-2；

所述的5个双目摄像头8-1-1均固定在差分驱动移动机器人2上，且其中一个双目摄像头8-1-1固定在差分驱动移动机器人2顶部，剩余的4个双目摄像头8-1-1分别固定在差分驱动移动机器人2的前、后、左、右，

5个双目摄像头8-1-1的数据信号输入/输出端与视觉处理计算机8-1-2的数据信号输入/输出端连接，视觉处理计算机8-1-2的图像信号输出端与另一个仿真计算机9的图像信号输入端连接，视觉处理计算机8-1-2的控制信号输入端与另一个仿真计算机9的控制信号输出端连接；

视觉处理计算机8-1-2的图像信号输出端作为2号双目摄像系统8-2的图像信号输出端；

视觉处理计算机8-1-2的控制信号输入端作为2号双目摄像系统8-2的控制信号输入端。

本实施方式，差分驱动移动机器人2安装的5个双目摄像头8-1-1安装方向为，其中四个分别为等分运动平面向外，另外一个为垂直于运动平面向上，用于对差分驱动移动机器人2的上、前、后、左、右五个方向的图像采集。

仿真计算机9是各个航天器仿真单元的主要控制器，负责运行网络控制算法，实现对视觉处理计算机8-1-2、1号通信模块7以及各个差分驱动移动机器人2及四轴飞行器1上的运动控制计算机信息的处理与控制。

仿真计算机9通过与WIFI通信模块7-2、ZIGBEE通信模块7-3的数据交互实现与地面和其他仿真单元的信息共享，并且根据预定的算法自主配置通信模块的码速率，发射功率、时延和控制天线旋转器7-1，以创造出满足仿真要求的通信条件；也可以通过地面指令进行对通信模块和各个差分驱动移动机器人2和四轴飞行器1上的运动控制计算机下达控制指令。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统的区别在于，所述的2号双目摄像系统8-2和1号双目摄像系统8-1的结构完全相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统的区别在于，所述的WIFI通信模块7-2和ZIGBEE通信模块7-3均具有发射功率可配置，信道码速率可配置的功能。

本实施方式，所述的WIFI通信模块7-2和ZIGBEE通信模块7-3均具有发射功率可配置，信道码速率可配置的功能，可以实现模拟各航天器间的变距离造成的信号衰减以及进行相应的网络拓扑以及资源配置管理控制。

具体实施方式八：采用具体实施方式一所述的一种多航天器空间立体信息组网仿真系统实现的仿真方法，该方法的具体过程为：

步骤一、对多航天器空间立体信息组网仿真系统的通信功能进行测试，测试项包括对天线数据发射功率、天线数据传输速率、天线波束角及天线旋转器7-1的标定，保证各个四轴飞行器1、差分驱动移动机器人2及地面控制计算机3之间的通信链路正常工作；

步骤二、对每一个航天器仿真单元以不同颜色进行喷漆并编号，对多航天器空间立体信息组网仿真系统的双目视觉定位功能、定姿功能进行测试，确实各视觉设备正常工作；通过各航天器仿真单元中的视觉系统，对其各自航天器仿真单元中的四轴飞行器1和差分驱动移动机器人2进行初始位置，以及初始姿态的标定；

步骤三、依据任务需求，由地面控制计算机3通过2号通信模块10将控制指令分发到各航天器仿真单元中，使四轴飞行器1处于飞行状态；

步骤四、由地面控制计算机3发出控制指令，使各四轴飞行器1、差分驱动移动机器人2处于工作状态，并且按照要求进行相互之间的通信，以实现各航天器仿真单元间信息组网；

步骤五、地面控制计算机3接收，并记录各航天器仿真单元发来的所有仿真数据和工作状态，并根据仿真数据进行仿真控制的修改，显示终端4实时的显示各航天器仿真单元的发射功率、接收信号强度、误码率、链路通断情况、位置和姿态信息。

本实施方式中，各差分驱动移动机器人2与四轴飞行器1外表面可使用不同颜色的棋盘型喷漆达到个体识别与相对姿态确定的目的。

视觉处理计算机8-1-2，负责统一收集双目摄像头8-1-1采集的图像信息并进行计算，通过计算结果比对得出视场中其余航天器仿真单元的编号、相对位置与姿态信息，仿真计算机9将获取到的不同仿真单元相对位置和姿态信息作为输入量，结合其它控制条件得出控制指令，将控制指令送入四轴飞行器1与差分驱动移动机器人2的运动控制计算机，实现对各航天器仿真单元的动力学控制；

显示终端4接收各航天器仿真单元发来的所有仿真数据，包括遥测数据、前端设备采集数据和工作状态，提供用户良好的人机界面，可采用文本、曲线、图形等多种方式显示数据，并提供用户丰富的数据查询和分析手段，使仿真人员可以快速、全面掌握仿真过程，实现仿真数据的充分利用。

地面数据库终端5全程记录采集的仿真信息便于事后的查询、检索，并在应用层提供网页浏览服务，可以对仿真数据、仿真状态、仿真指令等进行查询，复现仿真过程。

总控终端6具有单条指令或指令序列的发送功能，对仿真过程实行集中控制，但不具备对遥测数据进行自动判读功能。