GNC 姿态仿真平台

基于 Vite + TypeScript + Three.js + ECharts 的卫星姿态确定与控制系统（GNC/ADCS）仿真平台。采用**完整 6 维误差状态扩展卡尔曼滤波（EKF）**融合星敏感器、陀螺仪、太阳敏感器与磁强计测量，实时估计卫星三轴姿态与陀螺零偏，并内置 PD 姿态控制闭环、轨道动力学、故障注入告警与蒙特卡洛统计分析。

界面采用航天任务控制中心设计语言：三栏任务控制台布局（顶栏全局状态 + 左侧 Tab 控制面板 + 中央 3D 可视化 + 右侧遥测告警 + 底部图表矩阵），Modern Dark 玻璃拟态主题，支持 1920×1080 单屏无滚动监控。

✨ 功能特性

姿态确定（EKF 滤波）

姿态运动学仿真：Z-Y-X 欧拉角 → 四元数，RK4 四元数积分，支持任意初始姿态与三轴恒定角速度
星敏感器测量仿真：在真实姿态四元数上叠加高斯小角度噪声，噪声强度可配置
陀螺仪测量仿真：真实角速度 + 固定零偏 + 高斯噪声，零偏可在滤波中被在线估计
6 维误差状态 EKF：状态量 = 3 姿态误差 + 3 陀螺零偏
- 预测步：完整状态转移矩阵 F（含姿态误差动力学与零偏耦合），协方差传播 P = F·P·Fᵀ + Q
- 更新步：星敏四元观测误差角作为量测，标准卡尔曼增益与 P = (I−K·H)·P 修正，含协方差对称化保护

多传感器融合与故障注入

太阳敏感器模型：粗太阳敏 + 精太阳敏，本体系太阳方向矢量量测，含半视场角（FOV）限制与噪声可配置
磁强计模型：三轴磁强计，简化地磁场偶极子模型（IGRF 近似），量测本体系磁场矢量
多传感器融合 EKF：在星敏 + 陀螺基础上扩展太阳敏/磁强计矢量观测，支持任意传感器组合参与滤波
传感器故障注入：
- 星敏：失效 / 卡死（指定姿态角）/ 跳变（指定幅度）
- 陀螺：漂移增大（指定倍数）/ 失效
- 太阳敏 / 磁强计：失效
执行器故障注入：反作用轮停转 / 力矩偏差（输出 = (1−e)·τ，e 可配）
故障告警系统：基于量测新息模值超阈值的新息检测，实时状态灯（正常/警告/严重）与滚动告警列表

姿态控制闭环

PD 姿态控制器：基于四元数误差的 PD 控制律 τ = −Kp·q_vec − Kd·ω_err，Kp / Kd 可配置
三种控制模式：
- 三轴稳定：将卫星稳定到指定目标 Roll / Pitch / Yaw
- 机动模式：支持目标姿态动态跟踪的大角度机动
- 对日定向：使本体系 +X 轴指向太阳方向
反作用轮模型：三轴反作用轮，含力矩饱和、转速饱和与转速积分（动量管理），支持轮最大力矩/转速配置
磁力矩器模型：简化地磁场偶极子模型与磁控制律 m = (b×τ)/|b|²，支持磁卸载
刚体姿态动力学：完整惯量矩阵 I·ω̇ + ω×(I·ω) = τ，RK4 角速度积分，惯性张量可配置
执行器分配：反作用轮 / 磁力矩器 / 理想执行器选择与力矩矢量叠加

轨道动力学与高级分析（阶段4）

轨道传播：开普勒轨道根数（半长轴 / 偏心率 / 倾角 / 升交点赤经 / 近地点幅角 / 真近点角）初始化，数值积分传播轨道
轨道可视化：独立 3D 轨道视图（地球 + 轨道面 + 卫星运动），顶栏一键切换姿态/轨道视图
蒙特卡洛分析：批量随机种子运行（1~500 次），统计收敛概率与平均 RMSE Roll，结果自动下载 CSV
敏感性分析：对星敏噪声 / 陀螺噪声 / 陀螺零偏 / 太阳敏噪声 / 磁强计噪声做 0.5×~2× 因子扫描
数据回放：加载 CSV / JSON 历史数据，0.05s 步进逐点回放时序曲线，无需重新仿真
多场景对比：基准 / 低噪声(0.5×) / 高噪声(2×) 三场景并行运行，RMSE 汇总对比

可视化与数据

实时 3D 姿态可视化：Three.js 卫星模型（本体 + 太阳能板 + 星敏 + 本体系坐标轴）+ 深空星空粒子背景，支持鼠标拖拽旋转、滚轮缩放
7 路实时曲线：ECharts 深色主题时序图（数据窗口长度可配置，默认 1000 点）
- RPY 姿态时序：实线真实 / 虚线星敏 / 橙色 EKF 滤波
- 滤波误差曲线（真实 − EKF，°）
- 角速度时序（rad/s）：真实 / 陀螺测量 / EKF 估计
- EKF 协方差 P 对角元（log 坐标，方差）
- 控制力矩时序（N·m）：PD 控制器三轴输出
- 反作用轮转速（rad/s）
- 姿态控制误差角（°）
18 项实时统计指标：姿态误差 RMSE、陀螺零偏估计误差、EKF 收敛状态与收敛时间、P 对角元、控制误差角、控制力矩幅值、轮饱和状态与转速利用率等（蓝/琥珀/绿三组配色区分）
场景保存/加载：完整仿真状态（参数 + 全部历史数据 + 告警）序列化为 JSON（v3），一键保存/恢复复现实验
CSV 数据导出：46 字段完整数据（姿态、误差、角速度、协方差、控制力矩、轮转速、误差角、目标姿态、轨道状态），可直接用于 MATLAB/Python 离线分析
中英文界面切换：顶栏一键切换，全部界面文本与状态实时翻译
键盘快捷键：Space 启停、R 重置、E 导出 CSV、O 切换姿态/轨道视图

🚀 快速开始

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bash
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# 安装依赖
npm install

# 启动开发服务器
npm run dev

# 生产构建（多页：主控制台 + 使用手册）
npm run build

# 预览生产构建
npm run preview

浏览器访问 Vite 输出的本地地址（默认 http://localhost:5173）即可打开平台；系统使用手册位于 /manual.html，也可点击顶栏"使用手册"按钮在新窗口打开。

🎮 使用说明

界面为三栏任务控制台布局，自上而下分为六个区域：

区域	位置	职责
顶栏	顶部	视图切换（姿态/轨道）、开始/停止/重置、系统状态灯、告警指示灯、中英文切换、使用手册入口
控制面板	左栏	四个 Tab：仿真参数 / 控制闭环 / 传感器故障 / 轨道分析；底部为 CSV 导出与场景保存/加载
可视化区	中栏上部	3D 姿态/轨道视图，右上角 HUD 显示当前视图类型
统计面板	中栏下部	18 项实时统计指标
遥测与告警	右栏	真实姿态 / 星敏量测 / EKF 估计遥测值、轨道高度与速度、告警列表与计数
图表矩阵	底部	7 张实时曲线图

仿真参数（Tab 1）

初始 Roll / Pitch / Yaw（°）：卫星初始姿态角（默认 15°/10°/20°）
角速度 ωx / ωy / ωz（°/s）：三轴真实角速度（默认 0/0/2）
星敏噪声 σ（°）、陀螺噪声 σ（°/s）、陀螺零偏 bx/by/bz（°/s）
仿真步长（s）：数值积分步长（默认 0.01）
数据窗口长度：图表保留点数（100~10000，默认 1000）

参数在重置后生效：修改参数 → 点击顶栏"重置"（或按 R）。

控制闭环（Tab 2）

启用姿态控制：PD 闭环总开关（默认关闭）
反作用轮 / 磁力矩器：执行机构使能
控制模式：三轴稳定 / 机动模式 / 对日定向
PD 增益：Kp=0.5、Kd=1.5（振荡时减小 Kp / 增大 Kd）
目标姿态（°）、惯量矩阵 Ix/Iy/Iz（kg·m²）、轮最大力矩（N·m）、轮最大转速（rad/s）

传感器与故障注入（Tab 3）

传感器配置：太阳敏/磁强计使能、入 EKF 开关、噪声与视场角、告警阈值（新息，默认 0.05）
故障注入：星敏（失效/卡死/跳变）、陀螺（漂移增大/失效）、太阳敏/磁强计（失效）、反作用轮（停转/力矩偏差）

轨道与分析（Tab 4）

轨道动力学：启用轨道传播 + 六根数配置（默认 500 km 近地轨道）
高级分析：运行蒙特卡洛 / 敏感性分析 / 加载回放数据 / 多场景对比，结果自动下载 CSV

默认仿真条件

项目	默认值
仿真步长	0.01 s
初始姿态	Roll 15° / Pitch 10° / Yaw 20°
角速度	ωx=0 / ωy=0 / ωz=2 °/s（偏航可见）
星敏噪声 σ	0.05°
陀螺噪声 σ	0.008 °/s
陀螺真零偏	0.01 °/s（三轴）
数据窗口	1000 点
EKF 初值	姿态=真实姿态，零偏=0，P=0.001，Q 姿态 1e-7 / 零偏 1e-9
姿态控制	默认关闭
控制模式	三轴稳定
PD 增益	Kp=0.5，Kd=1.5
目标姿态	0° / 0° / 0°
惯量矩阵	Ix=5 / Iy=4 / Iz=3 kg·m²
反作用轮	最大力矩 0.1 N·m，最大转速 300 rad/s，默认启用
磁力矩器	默认关闭（最大磁矩 10 A·m²，磁卸载开启）
太阳敏感器	默认启用，噪声 0.5°，半视场角 60°
磁强计	默认启用，噪声 1e-7 T
传感器入 EKF	太阳敏 / 磁强计均默认启用
故障注入	全部默认关闭
告警阈值	新息 0.05
轨道	默认关闭传播，a=6878 km / e=0.001 / i=97.5°
蒙特卡洛	50 次 / 30s

📊 CSV 导出字段

分组	字段
时间	`time(s)`
真实姿态 (°)	`trueRoll, truePitch, trueYaw`
星敏测量 (°)	`starRoll, starPitch, starYaw`
EKF 估计 (°)	`ekfRoll, ekfPitch, ekfYaw`
滤波误差 (°)	`errRoll, errPitch, errYaw`
角速度 (rad/s)	`omegaTrue/Gyro/Efk` × `X/Y/Z`
协方差 (rad²)	`P_dthetaX/Y/Z`（姿态误差方差）
协方差 (rad²/s²)	`P_bx/by/bz`（陀螺零偏方差）
控制力矩 (N·m)	`tauX, tauY, tauZ`（PD 控制器三轴输出）
反作用轮 (rad/s)	`wheelSpeedX/Y/Z`（三轴轮转速）
控制误差角 (rad)	`errorAngle`（姿态误差角）
目标姿态 (°)	`targetRoll, targetPitch, targetYaw`
轨道位置 (m)	`orbitX, orbitY, orbitZ`
轨道速度 (m/s)	`orbitVx, orbitVy, orbitVz`
轨道状态	`orbitAlt(m), orbitSpeed(m/s)`

🏗️ 项目结构

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text
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├── index.html          # 主控制台页面（三栏任务控制台布局）
├── manual.html         # 系统使用手册页面（独立文档页）
├── vite.config.ts      # Vite 多页构建配置（index + manual）
├── src/
│   ├── main.ts         # 入口装配：仿真循环、事件绑定、快捷键、Tab 切换、i18n
│   ├── core/
│   │   ├── types.ts    # 共享类型定义（SimConfig / SimState / SimStats / SceneData）
│   │   ├── math.ts     # 四元数 / 欧拉角 / 矩阵 / RK4 积分工具
│   │   ├── noise.ts    # Box-Muller 高斯噪声生成
│   │   ├── orbit.ts    # 轨道动力学（开普勒根数 / 数值积分）
│   │   └── sim.ts      # 仿真核心：状态创建 / 重置 / 步进 / CSV 导出
│   ├── sensors/
│   │   ├── starTracker.ts  # 星敏感器模型
│   │   ├── gyro.ts         # 陀螺仪模型
│   │   ├── sunSensor.ts    # 太阳敏感器模型（矢量量测 + FOV）
│   │   ├── magnetometer.ts # 磁强计模型（简化地磁场 + 矢量量测）
│   │   └── fault.ts        # 传感器/执行器故障注入
│   ├── ekf/
│   │   └── attitudeEKF.ts  # 6 维误差状态 EKF（预测 / 更新 / 多传感器融合）
│   ├── control/
│   │   ├── pdController.ts  # PD 姿态控制器（三种控制模式）
│   │   ├── reactionWheel.ts # 反作用轮模型（饱和 / 动量管理）
│   │   ├── magnetorquer.ts  # 磁力矩器模型（磁控 / 磁卸载）
│   │   ├── dynamics.ts      # 刚体姿态动力学（RK4 积分）
│   │   └── controlManager.ts# 控制管理器（模式切换 / 执行器分配）
│   ├── analysis/          # 阶段4：高级分析
│   │   ├── monteCarlo.ts  # 蒙特卡洛（收敛概率 / 平均 RMSE）
│   │   ├── sensitivity.ts # 参数敏感性扫描
│   │   ├── comparison.ts  # 多场景对比
│   │   └── replay.ts      # CSV / JSON 数据回放
│   ├── visual/
│   │   ├── threeView.ts    # Three.js 3D 姿态可视化（星空粒子）
│   │   ├── orbitView.ts    # 3D 轨道视图
│   │   └── charts.ts       # ECharts 实时曲线（7 图）
│   ├── i18n/
│   │   └── index.ts        # 中英文界面切换
│   ├── ui/
│   │   ├── panel.ts        # 控制面板 DOM 绑定与参数读写
│   │   ├── stats.ts        # 实时统计指标（18 项）
│   │   ├── scene.ts        # 场景保存 / 加载（JSON v3）
│   │   └── alerts.ts       # 故障告警系统（新息检测 + 状态灯 + 列表）
│   └── css/
│       ├── style.css   # 设计令牌与组件基础样式（玻璃拟态）
│       ├── main.css    # 主控制台布局（三栏 + 图表矩阵）
│       └── manual.css  # 使用手册页样式
├── public/             # 静态资源（favicon 等）
└── package.json

🛠️ 技术栈

技术	用途
Vite + TypeScript	工程化与类型安全（多页构建）
Three.js	三维姿态/轨道可视化（WebGL + OrbitControls）
ECharts	实时时序曲线与协方差监控
gl-matrix	四元数运算与矩阵数学

🎨 设计主题

采用 Modern Dark（星空白 + 发射蓝） 航天任务控制中心风格，玻璃拟态面板 + 霓虹辉光 + JetBrains Mono 等宽数字仪表，深色固定主题与 3D 视图背景统一：

令牌	值	用途
背景	`#0B0B10`	页面底色（深空黑）
玻璃	`rgba(20,22,31,0.72)`	面板玻璃拟态背景（12px 圆角 + 内高光）
主色	`#3B82F6`	按钮、焦点、分段控制器、辉光
强调	`#F59E0B`	EKF 曲线、告警、导出按钮
弱化	`#94A3B8`	标签、次级文字
等宽	JetBrains Mono	遥测数值、统计指标、kbd

📖 使用手册

系统内置完整使用手册（/manual.html，顶栏按钮新窗口打开），覆盖快速上手、界面导览、全部参数说明、故障注入模式、高级分析工具、告警系统解读与常见问题。

开源地址

项目地址：https://gitee.com/zd_g/gnc-sim-enhanced

欢迎 Star、Fork、Issue 反馈！

⚠️ 说明

本项目为教学/演示用途的姿态确定与控制仿真，阶段1（架构模块化）、阶段2（姿态控制闭环）、阶段3（多传感器融合 + 故障注入 + 告警）、阶段4（轨道动力学 + 蒙特卡洛 + 敏感性 + 回放 + 对比）均已完成
太阳敏感器采用简化模型（假设安装在 +Z 轴，主轴 +Z 指向太阳），未建模真实视场遮挡与太阳方向随时间变化
磁强计与地磁场为简化偶极子模型，磁场方向随时间绕 Z 轴进动（90 分钟轨道周期），非真实 IGRF
故障检测基于量测新息模值超阈值（阈值可配置），属简化方案；真实系统常用残差平方加权（CUSUM / χ² 检验）
图表保留点数由「数据窗口长度」参数控制（默认 1000 点），CSV 导出包含全部历史数据
蒙特卡洛 / 敏感性分析为计算密集型任务，期间界面可能短暂卡顿，属正常现象
场景文件含版本号（v3）且加载时严格校验，请使用同一平台版本保存与加载
建议在 1920×1080 及以上分辨率全屏使用，以获得最佳单屏监控体验（窗口小于 1100px 或高度小于 860px 时自动降级为滚动布局）