本發(fā)明屬于動中通天線系統(tǒng)對星半實物仿真領(lǐng)域，具體涉及一種衛(wèi)星船載動中通對星半實物仿真方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、船載動中通可以在遠海區(qū)域幫助船舶借助衛(wèi)星實現(xiàn)通信，然而動中通系統(tǒng)涉及到多個模塊，生產(chǎn)完成后需要進行大量海上數(shù)據(jù)采集與測量。但海面天氣、海況復雜多變，測試數(shù)據(jù)受海況影響較大且難以預測，使得測試質(zhì)量難以保證；衛(wèi)星資源稀缺，測試時需提前協(xié)調(diào)通信衛(wèi)星，價格高昂；動中通內(nèi)包含多個傳感器，測試需購買不同精度傳感器，既加大了測試難度，又提高了測試成本，因此，海上實物測試難度大，成本高。當前衛(wèi)星端、海面端、傳感器端分別存在一些仿真平臺，但存在一些不足：衛(wèi)星端仿真系統(tǒng)可以仿真已有衛(wèi)星數(shù)據(jù)的運動軌跡，但不支持自定義衛(wèi)星型號和運動特性；存在一些海洋仿真平臺，可以根據(jù)風暴、潮汐數(shù)據(jù)生成海浪模型，但沒有考慮近、遠海的不同海浪特性；一些傳感器仿真平臺可以利用虛擬組件進行傳感器數(shù)據(jù)的輸出，但無法實現(xiàn)多元傳感器數(shù)據(jù)的融合，以及傳感器誤差值擬合，也不支持進行半實物的仿真。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種衛(wèi)星船載動中通對星半實物仿真方法及系統(tǒng)，為衛(wèi)星端、海面端、地面?zhèn)鞲衅鞫司峁╈`活可靠的仿真數(shù)據(jù)，同時支持自定義輸入衛(wèi)星與傳感器數(shù)據(jù)進行半實物仿真，輔助進行動中通系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。

2、
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所述的一種衛(wèi)星船載動中通對星半實物仿真方法，包括以下步驟：

3、(1)基于satellite工具箱與自定義多元的兩行報表tle數(shù)據(jù)的衛(wèi)星星歷解算與衛(wèi)星軌跡預測，為動中通對星過程生成目標衛(wèi)星；

4、(2)基于海域特征修正的海浪功率譜經(jīng)驗函數(shù)，進行船舶顛簸模擬，模擬潮汐、風暴潮與海浪之間的相互作用，提高風暴潮及海浪模擬的精度，模擬船舶在海中受波浪影響的顛簸情況，為動中通對星添加擾動；

5、(3)基于艾倫方差的實測慣導數(shù)據(jù)誤差模型與漂移模型的仿真擬合，支持自定義鍵入陀螺儀、加速度計的類型、數(shù)據(jù)精度、工作頻率和漂移誤差，以及導入實測數(shù)據(jù)進行半實物仿真，實時反饋動中通天線系統(tǒng)三軸角度；

6、(4)基于傳感器誤差模型與漂移模型修正插值系數(shù)的三次樣條插值、外推算法的多傳感器同步，進行仿真步長精度設(shè)置，以及不同精度傳感器數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中進行插值擬合同步化，提高仿真真實性與數(shù)據(jù)可靠性。

7、進一步地，所述步驟(1)實現(xiàn)過程如下：

8、通過satellitescenario創(chuàng)建衛(wèi)星場景對象，并設(shè)置總仿真時間t與頻率f；

9、通過按鈕導入多個衛(wèi)星軌跡tle星歷數(shù)據(jù)，活按照提供的星歷范圍自定義輸入tle數(shù)據(jù)，真實tle數(shù)據(jù)與自定義tle數(shù)據(jù)結(jié)合，形成半實物仿真；

10、提取所需數(shù)據(jù)后將重新建立目標衛(wèi)星的兩行報表數(shù)據(jù)文件；同時利用satellite工具箱創(chuàng)建衛(wèi)星模型sat，結(jié)合tle星歷數(shù)據(jù)與衛(wèi)星模型進行衛(wèi)星軌跡的快速預測，求解衛(wèi)星軌跡；

11、利用前一天的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)與前一天的預測誤差作為最大閾值，當本日的tle數(shù)據(jù)對應的軌跡誤差大于該閾值時，修正軌道根數(shù)重新迭代循環(huán)計算，直到該數(shù)據(jù)小于閾值，輸出最終平均tle數(shù)據(jù)，進行軌道預測；

12、將衛(wèi)星的地心地固坐標ecef，通過牛頓迭代法求解每一時刻的經(jīng)緯度正切值，直到結(jié)果收斂，輸出衛(wèi)星地理坐標系經(jīng)緯度信息(lat,lon)；利用赤道半徑a，地球扁率f，第二偏心率平方e2計算衛(wèi)星高度h，衛(wèi)星軌跡數(shù)據(jù)隨仿真時間t變化；半實物仿真平臺輸出衛(wèi)星軌跡關(guān)于時間變化數(shù)組(t,lat,lon,h)，并生成衛(wèi)星軌跡可視化圖表。

13、進一步地，所述衛(wèi)星誤差數(shù)據(jù)為：

14、

15、其中，vi為前一天的衛(wèi)星實際速度，vpi為前一天根據(jù)星歷數(shù)據(jù)預測的衛(wèi)星速度。

16、進一步地，所述步驟(2)實現(xiàn)過程如下：

17、在經(jīng)典雙峰浪的基礎(chǔ)上融入風暴模型用于計算海洋環(huán)流以及極少部分極端海況，在深海區(qū)降低分辨率的同時考慮極端海況的影響；考慮極端海況的影響，得到混合因素影響下的雙峰譜密度函數(shù)s′(ω)＝sl′(ω)+sh′(ω)；同時為提高計算效率，在受地形影響較小的深海區(qū)降低了雙峰譜分辨率，當水深depth>depthth時對雙峰譜進行簡化，只保留主要的頻譜特征，保留主要峰值，通過分辨率調(diào)整因子r(ω)進行頻譜簡化，水深depth越大，r(ω)影響效果越強，修正后的海浪譜密度s”(ω)＝s′(ω)×r(ω)；

18、半實物仿真平臺中自定義輸入風速vwind，水深depth，船舶特征數(shù)組(length,broad,d,zg)，計算后將輸出海浪有效波高hwave，海浪周期twave，波速vwave，將波浪作為船舶擾動；

19、將多個方向海浪作矢量疊加，多重海浪譜對船舶擾動產(chǎn)生疊加效果；

20、利用海浪數(shù)據(jù)、船舶數(shù)據(jù)與風暴數(shù)據(jù)擬合海洋與海浪數(shù)據(jù)對船舶擾動情況的影響，生成若干帶衰減的正弦波動疊加下的綜合角度變化。

21、進一步地，所述將多個方向海浪作矢量疊加實現(xiàn)過程如下：

22、將輸入m個海浪功率譜進行合成：

23、

24、其中，j為波數(shù)，e-αt代表海浪的衰減因子，α是海浪的阻尼系數(shù)，決定了擺動衰減的速度，與船舶特征數(shù)組(length,broad,d,zg)，以及海浪初始振幅有；在波浪的影響下，船舶做同周期的類正弦運動，振幅與擺動周期成反比。

25、進一步地，所述步驟(3)實現(xiàn)過程如下：

26、自定義輸入陀螺儀、加速度計的仿真起始值grystart、accstart，采集精度precgry、precacc，工作頻率fgry、facc，零偏穩(wěn)定性biasgry、biasacc，隨機游走randgry、randacc，通過傳感器模型計算輸出慣導器件三軸數(shù)據(jù)隨時間變化的數(shù)組(t,gryx,gryy,gryz)、(t,accx,accy,accz)；

27、結(jié)合慣導實物數(shù)據(jù)進行半實物仿真，導入實測數(shù)據(jù)；

28、導入工作數(shù)據(jù)，同時導入天線工作前慣導靜置一段時間的器件數(shù)據(jù)，利用艾倫方差模型擬合傳感器噪聲特性，輸出艾倫方差曲線，根據(jù)方差曲線讀出該傳感器零偏穩(wěn)定性biasgry、biasacc，隨機游走randgry、randacc，完成傳感器誤差模型和漂移模型的搭建。

29、進一步地，所述導入實測數(shù)據(jù)實現(xiàn)過程如下：

30、通過天線運行時安裝在天線底部的慣導模塊實時獲取三軸數(shù)據(jù)，通過rs232串口將數(shù)據(jù)實時傳入半實物仿真平臺進行計算；

31、或者運行中保存數(shù)據(jù)表格文件，通過導入方式將實測數(shù)據(jù)表格傳入半實物仿真平臺中計算。

32、進一步地，所述步驟(4)實現(xiàn)過程如下：

33、對多項傳感器數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)進行同步，轉(zhuǎn)化為相同維度的數(shù)據(jù)數(shù)組，根據(jù)仿真時間和精度，對數(shù)據(jù)進行進一步外推或內(nèi)插，輸出符合仿真維度要求的數(shù)組；

34、在需要插值的兩個數(shù)據(jù)點x1和x2中，通過插值多項式s(x)＝a0+a1(x-x0)+a2(x-x0)2+a3(x-x0)3進行插值，其中a0,a1,a2,a3為插值系數(shù)，尋找平滑連接點；

35、通過艾倫方差模型構(gòu)建的各傳感器誤差模型，對插值系數(shù)做出實時修正，同時預留部分數(shù)據(jù)作為驗證，當內(nèi)插數(shù)據(jù)誤差小于閾值τ時，保存該插值系數(shù)；同時利用該修正系數(shù)后的插值函數(shù)對數(shù)據(jù)進行預測。

36、本發(fā)明所述的一種衛(wèi)星船載動中通對星半實物仿真系統(tǒng)，包括物理模型、傳感器模型、算法模型和電機控制模型；其中：

37、物理模型：包括衛(wèi)星軌跡模型和船舶姿態(tài)模型；衛(wèi)星軌跡模型模擬衛(wèi)星的真實運動軌跡，作為動中通對星過程的衛(wèi)星位置輸入信息；船舶姿態(tài)模型模擬海洋風浪的實時變化情況，對船舶姿態(tài)角產(chǎn)生近似正弦運動的周期性影響；

38、傳感器模型：生成動中通中慣導模塊的各個傳感器數(shù)據(jù)輸出，構(gòu)建傳感器誤差模型，實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的插值或外推，同時支持導入實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)半實物仿真；

39、算法模型：進行對星算法的計算，輸出兩軸的目標角度，并將其送入電機控制模型；

40、電機控制模型：利用閉環(huán)控制，驅(qū)動天線轉(zhuǎn)向目標角度，并將輸出誤差角重新返回物理模型作為輸入，進行下一循環(huán)的計算。

41、進一步地，所述傳感器模型包括陀螺儀、加速度計、gnss模型、接收端信號強度模型、星歷模型與軸角模型。

42、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明填補了船載動中通半實物仿真領(lǐng)域的空白，通過可靠的全鏈條仿真，還原了船載動中通的海域?qū)崪y過程；相比于傳統(tǒng)的仿真平臺，為衛(wèi)星端、海面端、傳感器端均提供半實物的數(shù)據(jù)接口，極大提升了測試的靈敏性和可靠性，并將這些多元數(shù)據(jù)放入同一平臺進行計算，進行數(shù)據(jù)輸出；本發(fā)明提出的半實物仿真平臺可以實時監(jiān)測仿真過程中的各部分數(shù)據(jù)變化情況，監(jiān)測異常情況；在衛(wèi)星端，可以自定義輸入衛(wèi)星數(shù)據(jù)，生成衛(wèi)星運動軌跡；在海面端，結(jié)合潮汐、風暴潮與離岸距離，生成波浪譜；在傳感器端，可以自定義輸入傳感器誤差指標，也支持導入實測數(shù)據(jù)進行計算。