面向激光互联卫星的数字孪生技术研究

作     者：刘金磊 

作者单位：上海大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李正璇

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：激光互联 数字孪生 时空一致性 星间可见性 振动监测 

摘      要：星间激光通信已经成为现如今的发展热潮,其通信速率高、保密性强,具有十分广阔的发展前景。然而星间链路易受到外界环境或卫星本体的振动影响,致使通信质量受损。在卫星的轨道建模以及可视化仿真领域,传统方案极少引入卫星平台振动对链路的影响,无法满足未来星网仿真的需求。本文通过对激光互联卫星进行数字孪生技术的研究,实现高保真的卫星孪生体的构建。通过在孪生体中搭载振动-链路表征组件,模拟卫星平台振动进而表征星间链路状态,提供更加真实可靠的孪生卫星。本文以Unity3D作为孪生平台开发引擎,开展卫星轨道运行与振动模拟监测方法的研究,利用数字孪生技术实现了高保真的激光互联卫星孪生仿真平台。在卫星轨道运行仿真方法的研究中,本文提出了适用于数字孪生机理层的轨道时空一致性同步方法,解决了星历轨道预测、时间对准以及空间维度转换问题。本文通过构建自定义时间系统,统一完成时间对齐操作,以此为基础借助SGP4模型完成实时预测每颗卫星的轨道空间位置的功能。再针对物理卫星与孪生卫星的空间维度映射问题,采用空间一致性模型进行转换。实验结果表明,上述方法具有较高的精度表现,与目前商用软件的卫星运行预测精度保持一致,能够满足卫星数字孪生计算的工作需要。在振动-链路表征组件研究中,本文提出了基于星间可见性的振动模拟监测方法,并构建了星间激光链路状态数学模型。针对星间可见问题,本文通过对地心角、激光功率、方位角以及俯仰角等重要参数进行研究,获得星间可见结果以及激光发射朝向。为保证振动信号的可靠性,本文通过功率谱密度对比,模拟仿真出高保真的卫星平台振动信号,实际中亦可导入卫星在轨真实数据。实验结果表明,所提方法具备计算准确性和功能有效性,基本满足振动监测仿真工作。基于以上两个方面,本文设计实现了面向激光互联卫星的高保真孪生仿真平台,通过构建卫星数字孪生体,完成系统架构分层,最终提供卫星轨道运行、星间可见测试、振动模拟监测等功能,为卫星平台振动信号相关研究提供仿真环境,对未来航天领域的数字孪生研究提供了新的思路。