一种阵列望远镜全链条端到端仿真系统、方法与流程

本发明属于阵列望远镜系统仿真，涉及一种阵列望远镜全链条端到端仿真系统、方法。

背景技术：

1、阵列望远镜是指由数个(乃至更多)分布式望远镜单元综合而成的观测系统。它以各单元之间的间隔，提供各种基线长度，对探测目标的频谱进行尽可能宽的覆盖。阵列望远镜可以是地基的，也可以是天基的，本发明主要涉及天基阵列望远镜。阵列望远镜由于从若干分布式望远镜单元建立而成，天然具备分布式特征。空间的阵列望远镜，在这个基础上，为了达到光学干涉观测的目的，还必须对指向、光程等元素进行更为精细的控制。其中存在姿轨耦合、力光耦合、力热耦合等多种耦合作用，涉及多物理效应程度深、范围大。加之空间环境具有一定变化性，其任务仿真系统必须精确、高效地描述系统行为，天然具有复杂性。

2、现有的阵列望远镜任务仿真系统，往往针对某一环节，依靠人工根据总体设计文档创建仿真代码，端到端仿真是较为稀少的，国外的obsim、darwinsim等仿真系统也只限于理想状态，缺乏动力学模型等实际因素和方案映射等复杂航天系统元素。而总体设计方案的建模仿真，即使借助基于模型的系统功能(mbse)方法，也在从模型到仿真代码之间的工程阶段，仍然涉及大量的、重复性的编码活动。这种依赖人力的编码活动，难以直接、自动、可验证地保证设计意图转化的正确性，必须辅以其他管理的、项目的、人工测试的等手段，客观上对仿真能力的发展形成了一种制约。同时，目前常用的magicdraw等mbse建模工具，存在着开发环境硬件要求高、文件专属格式不易读写、编辑工具单一、图形界面输入效能差、动作仿真性能不理想等问题，限制了它的进一步推广应用。同时，即使magicdraw等工具具有一定的代码生成能力，使用它建模的复杂实现动作代码，仍需另外编写，而不能有效融合到代码库中。

3、因而，需要一种面向科学用户和工程技术人员的，且可以在保证总体设计意图被完善转化这一前提下的数字孪生系统及其设计方法、工具，使得仿真系统的开发效率和运行效率得到提高与支撑。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种阵列望远镜全链条端到端仿真系统、方法，解决阵列望远镜功能仿真、误差传递、科学观测效果模拟等问题。

2、本发明解决技术的方案是：

3、一种阵列望远镜全链条端到端仿真系统，仿真系统所模拟的阵列望远镜由多个分布式望远镜单元组成；所述仿真系统包括脚本生成模块、观测模拟器、空间环境模拟器、合束探测器模拟器、模块间通信中间件、用户交互单元，每个分布式望远镜单元包括各自的阵列望远镜系统模拟器、集光探测器模拟器；

4、所述脚本生成模块，用于解析系统方案文件，从系统方案文件中提取出每个分布式望远镜单元的各组件类型、组件参数以及组件动作行为提供给所述阵列望远镜系统模拟器和集光探测器模拟器；

5、所述观测模拟器，一方面用于根据观测对象的物理特征生成光谱流强数据；另一方面用于根据已知的阵列望远镜观测构型，求解阵列望远镜的编队保持能力、重构能力、控制系统开销、成像光子通量、uv覆盖情况；

6、所述空间环境模拟器，用于模拟阵列望远镜系统中各组件的动力学参数随时间的变化；模拟阵列望远镜系统中各组件的热环境；模拟阵列望远镜系统作为光学系统的干涉情况；模拟阵列望远镜任务进行时的空间辐射环境；

7、阵列望远镜系统模拟器，用于对卫星平台控制策略进行仿真与评估；模拟光学元件受应力、温度改变造成的形状变化；模拟主动光学元件的行为；模拟各集光器所收集天文目标辐射光到合束器的辐射；集成光学系统条纹跟踪自调节功能；

8、集光探测器模拟器，用于模拟集光探测器平台和集光探测器有效载荷的状态及变化，以及受到外部控制指令的行为；

9、合束探测器模拟器，用于模拟合束探测器平台和合束探测器有效载荷的状态及变化，以及受到外部控制指令的行为；

10、模块间通信中间件，用于接受各模拟器产生的数据并存储，进行模拟器之间的信息传递，接受用户交互单元的请求并向用户交互单元反馈请求的数据；

11、用户交互单元，以预设的刷新时间间隔从模块间通信中间件拉取数据，实现数据可视化；并根据用户操作，向模块间通信中间件发送数据请求指令。

12、进一步的，所述观测模拟器包括目标源模拟器、观测构型模拟器；

13、目标源模拟器，根据恒星辐射特征与恒星活动性，生成恒星辐射谱的时变数据，根据行星轨道、行星大气、行星表面白度，生成行星反射谱的时变数据；根据恒星辐射谱时变数据、行星反射谱时变数据，生成光谱流强数据输出；

14、观测构型模拟器，用于以阵列望远镜观测构型为输入，利用编队动力学模型反推得到编队保持能力、重构能力；用于根据控制阵列望远镜所需的燃料成本和时间成本确定控制系统开销；用于根据阵列望远镜观测构型进行观测仿真得到成像光子通量、uv覆盖情况。

15、进一步的，所述空间环境模拟器包括动力学模拟器、热环境模拟器、光学模拟器、空间辐射环境模拟器；

16、动力学模拟器，用于模拟阵列望远镜中各探测器、探测器中各平台、载荷、光学元件的位置、姿态动力学参数的时间演化，控制方程为刚体动力学方程或刚柔耦合模型所指定的方程；

17、热环境模拟器，用于模拟阵列望远镜系统中各探测器的热环境；热环境模拟器输入包括热源的功率及空间分布、光辐射吸热及其空间分布、散热及其空间分布，热环境模拟器输出包括阵列望远镜系统中各探测器的温度空间分布；

18、光学模拟器，用于模拟阵列望远镜系统作为光学系统的干涉情况；光学模拟器输入包括光源、各光学元件的位置与姿态，根据输入数据计算阵列望远镜系统各集光器所收集天文目标辐射光的干涉效应，光学模拟器的输出为成像面上的干涉条纹，具有强度与相位信息；

19、空间辐射环境模拟器，用于模拟阵列望远镜任务进行时的空间辐射环境，衡量阵列望远镜任务中所涉及的空间辐射强度；空间辐射环境模拟器的输入包括太阳活动性水平、行星际磁场分布，输出为阵列望远镜轨道所占空间的空间辐射强度。

20、进一步的，所述动力学模拟器的输入包括控制系统作动器的输入、天体引力摄动、航天器间引力摄动、各航天器内的扰动项，动力学模拟器的处理是由牛顿定律推导出的时变控制方程更新动力学参数，包括位置、速度、加速度、姿态、角动量，动力学模拟器的输出为下一时间步的动力学参数；其中控制方程时间演化的步进格式选为辛的，对于短期在线决策，使用龙格-库塔法进行控制方程的演化求解。

21、进一步的，所述阵列望远镜系统模拟器包括平台控制模拟器、力热耦合有限元模拟器、主动光学控制模拟器、干涉过程光学模拟器、条纹跟踪控制模拟器；

22、平台控制模拟器，用于以卫星平台控制指令和卫星平台自有的位置、姿态测量功能模拟数据为输入，模拟卫星平台的控制算法及其作动结果；

23、力热耦合有限元模拟器，用于模拟光学元件受应力、温度改变造成的形状变化，包括：以光学元件的连接情况及受力情况建立边界条件，根据边界条件求解出光学元件表面的形状；

24、主动光学控制模拟器，用于模拟光学器件的主动调节与控制功能；

25、干涉过程光学模拟器，用于模拟光干涉过程，包括：以恒星辐射光作为光源输入，以阵列望远镜模拟中的各镜位置与姿态作为元件参数输入，调用所述光学模拟器计算光干涉条纹及相位信息；

26、条纹跟踪控制模拟器，用于以干涉过程光学模拟器仿真所得到的干涉条纹为输入，运行跟踪算法并进行反解，得到补偿条纹变化的控制指令作为输出。

27、进一步的，所述集光探测器模拟器包括集光探测器平台模拟器、集光探测器有效载荷模拟器；

28、集光探测器平台模拟器，用于模拟集光探测器平台的行为；输入为各作动器给出的状态调整，以及集光探测器平台控制指令，输出为集光探测器平台的状态变化；

29、集光探测器有效载荷模拟器，用于模拟集光探测器载荷的行为，集成集光相关载荷功能，并转发控制指令；输入为外部注入的对集光相关载荷的控制指令，输出为转发给相应载荷模拟器的控制指令。

30、进一步的，所述合束探测器模拟器包括合束探测器平台模拟器、合束探测器有效载荷模拟器；

31、合束探测器平台模拟器，用于模拟合束探测器平台的行为；输入为各作动器给出的状态调整，以及合束探测器平台控制指令，输出为合束探测器平台的状态变化。

32、合束探测器有效载荷模拟器，用于模拟合束探测器载荷的行为，集成合束相关载荷功能，并转发控制指令；输入为外部注入的对合束相关载荷的控制指令，输出为转发给相应载荷模拟器的控制指令。

33、进一步的，所述模块间通信中间件进行模拟器之间的信息传递，包括：

34、各模拟器使用同一套协议进行数据传输，使用socket作为各模拟器之间的连接形式；所述模块间通信中间件将各个模拟器产生的数据按照数据来源进行存储，各个模拟器按照协议向模块间通信中间件发送数据请求指令，模块间通信中间件接受到数据请求指令后向对应的模拟器反馈请求的数据。

35、进一步的，所述用户交互单元支持实时演示模式和高精度渲染模式。

36、一种阵列望远镜全链条端到端仿真方法，包括以下流程：

37、根据阵列望远镜的系统方案，生成系统脚本；

38、根据阵列望远镜的观测对象特征，定制观测模拟器；

39、根据阵列望远镜系统方案中所涉及的空间环境，定制空间环境模拟器；

40、根据阵列望远镜的系统构成，定制阵列望远镜系统模拟器；

41、根据阵列望远镜的集光探测器设计方案，定制集光探测器模拟器；

42、根据阵列望远镜的合束探测器设计方案，定制合束探测器模拟器；

43、根据用户需求定制用户交互单元，建立模拟器与模拟器之间、模拟器与用户交互单元之间的通信；

44、将模拟数据接入定制的用户交互单元，显示与系统方案对应的运行状态，并接收系统动作指令。

45、本发明与现有技术相比的有益效果是：

46、(1)本发明实施例通过采用分布式架构，构造了一种全新的阵列望远镜全链条端到端仿真系统，可实现一个程序实例与一个望远镜对应，实现功能层面的映射；

47、(2)本发明实施例通过使用socket中间件模拟各航天器及各载荷间的通信及状态变化，实现实时状态更新与各望远镜单元信息交换。