CN101093387B - 基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统及测试方法，包括部件级仿真测试、系统级数字仿真测试和系统级半物理仿真测试，其中部件级仿真测试和系统级数字仿真测试是为系统级半物理仿真测试提供物理数据基础。以上所有的测试均是通过星上网进行的，测试前，先将星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件分别通过总线接口接入星上网，通过星上网进行信息交换和控制。测试时，可以先进行部件级仿真测试，再进行系统级数字仿真测试；或先进行系统级数字仿真测试，再进行部件级仿真测试；或系统级数字仿真测试和部件级仿真测试同时进行；最后再进行系统级半物理仿真测试。本发明简化了卫星姿态控制系统地面仿真的复杂性，提高了卫星姿态和轨道控制的仿真的实时性、安全性和仿真质量，降低了卫星开发成本。

Description

基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种卫星姿态控制地面仿真测试系统及其测试方法，特别是一种基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统及其测试方法。

背景技术

卫星姿态控制地面仿真测试是卫星研制中的重要环节，其主要目的是发现系统缺陷，验证系统设计和检验产品性能。通过地面仿真测试，可以检验卫星姿态控制设计在方案和技术实现方面的可行性和合理性，进一步调整系统参数和完善部件的数学模型。

目前，卫星姿态控制地面仿真测试大多需要的测试设备有：模拟卫星姿态运动和敏感器与目标相对运动的三轴转台、目标模拟器(太阳模拟器、地球模拟器等模拟器的总称)、以及地面测试计算机、激励各种敏感器线路和模拟各类状态指令的电信号源、数据采集处理设备及接口装置等。其实现半物理仿真方法是卫星动力学用数字模型代替，控制系统部件部分或全部接入试验回路。通常，姿态敏感器装在三轴转台上，用目标模拟器激励相应的光学敏感器，地面测试计算机采集执行机构的工作信息，并进行卫星姿态动力学的实时仿真计算，为三轴转台提供卫星角速度和姿态角。该测试系统虽能够进行卫星姿控半物理仿真，但是成本较高，而且信息流复杂，仿真的可靠性和安全性质量难以保证。另外该仿真系统完全脱离了各个部件的测试，部件测试结果没有很好的应用，增加了测试周期。

发明内容

本发明的技术解决问题：提供了一种基于星上网的卫星姿态控制系统地面仿真测试方法，避免了在系统级中利用复杂的大型的三轴转台等大量测试设备，基于部件级小型的转台数据建立数据库，支撑系统级半物理仿真，简化了卫星姿态控制系统地面仿真的复杂性，降低了卫星姿态控制系统地面仿真的难度，提高了卫星姿态和轨道控制的仿真的实时性、安全性和仿真质量，降低了卫星开发成本。

本发明的技术解决方案：一种基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：为系统级半物理仿真测试系统，包括星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件、星上网组成，星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件均与星上网相连，通过星上网进行信息交换和控制；测量部件获得动力学的姿态信息，通过测量部件在其事先的部件级测量时建立的内部数据库的姿态信息比对，获得姿态测量部件实际的测量信息，根据星上控制设备发出的调令将此真实的姿态信息发送到星上网；星上控制设备获得姿态信息后，进行轨道和控制计算，然后发送控制信息给执行部件；执行部件获得星上控制设备发来的控制信息后，根据执行部件在其事先的部件级测量时建立的内部数据库的数据进行比对，获得执行部件实际的执行信息；执行部件将此实际的执行信息传送给地面动力学仿真设备；地面动力学仿真设备获得执行部件的实际执行信息后，通过动力学计算得出卫星的姿态信息，将该姿态信息发送给姿态测量部件，如此循环，完成半物理仿真测试。

在进行系统级半物理仿真测试前进行系统级数字仿真测试，系统级数字仿真测试系统，所述的系统级数字仿真测试系统包括星上控制设备、地面动力学仿真设备、星上网，星上控制设备通过调令，获得地面动力学仿真设备的姿态数据，然后星上控制设备经过控制，发送控制命令给地面动力学仿真设备，地面动力学仿真设备根据控制命令进行动力学仿真，获得卫星的姿态信息和轨道信息。

系统级半物理仿真测试系统或系统级数字仿真测试还包括与星上网连接的地面监控设备，通过星上网获得卫星半物理仿真和数字仿真信息进行实时监控。

所述的星上网为完全独立的双冗余网络总线，这样在物理上保证一条总线故障时另一条总线仍可进行通讯。

所述的测量部件的部件级测量装置包括地面控制设备、地面监控设备、测量部件、基准轴和运动平台，被测对象放置到基准轴上，测量部件的头部放置在运动平台上，地面控制设备控制运动平台转动，同时发送转台转动信息到地面监控设备，测量部件头部测量到被测对象的测量信号，通过测量部件的信号接口处理部分将其发送到地面监控设备，地面监控设备对测量部件的输出信号和通过运动平台获得的被测对象的信号进行比对，并将比对的数据作为内部数据库保存到测量部件的存储器中，既标定了测量部件，又为系统测试提供实际的物理数据，即用部件级小型转台测试仿真建立数据库，支撑系统级半物理仿真。

所述的执行部件的部件级测量装置包括地面监控设备、执行机构、作用平台，执行部件的执行机构放置在作用平台上，地面监控设备发送给执行部件执行命令，同时地面监控设备保存好该命令，作用平台受到执行部件的作用产生作用信息，并将作用信息发送至地面监控设备，地面监控设备对动作到作用平台的数据和执行部件执行数据进行比对，将对比数据保存到执行部件的存储器中作为内部数据库，既标定了执行部件，又为系统测试提供实际的物理数据，即用部件级小型转台测试仿真建立数据库，支撑系统级半物理仿真。

一种基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试方法，其特点在于包括以下步骤：

(1)将星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件分别通过总线接口接入星上网，通过星上网相连，并通过星上网进行信息交换和控制；

(2)进行测量部件和执行部件的部分级仿真测试，然后进行系统级数字仿真测试；或进行系统级数字仿真测试，然后进行测量部件和执行部件的部分级仿真测试；或测量部件和执行部件的部件级仿真测试和系统级数字仿真测试同时进行；

(3)进行系统级半实物仿真测试

其步骤为：测试测量部件获得动力学的姿态信息，通过测量部件在部件级测量时建立的内部数据库的姿态信息比对，获得姿态测量部件实际的测量信息，根据星上控制设备发出的调令将此真实的姿态信息发送到星上网；星上控制设备获得姿态信息后，进行轨道和控制计算，然后发送控制信息给执行部件；执行部件获得星上控制设备发来的控制信息后，根据执行部件在部件级测量时建立的内部数据库的数据进行比对，获得执行部件实际的执行信息；执行部件将此实际的执行信息传送给地面动力学仿真设备；地面动力学仿真设备获得执行部件的实际执行信息后，通过动力学计算得出卫星的姿态信息，将该姿态信息发送给姿态测量部件，如此循环，完成系统能半物理仿真测试。

所述的测量部件的部件级测试方法为：将被测对象放置到基准轴，测量部件放置在运动平台上，通过转动运动平台，测量部件可以获得被测对象的信息，通过测量部件的输出信号和通过运动平台获得的被测对象的信号进行比对，既可标定测量部件，同时又将测量的信号保存到测量部件的存储器中作为内部数据库，为系统测试提供实际的物理数据，支撑系统的半物理仿真。

所述的执行部件的部件级测试方法为：将执行部件放置在作用平台上，控制执行部件动作，将执行部件动作到作用平台的数据和执行部件执行数据进行比对，既可标定测量部件，同时又将比对后数据保存到执行部件的存储器中作为内部数据库，为系统测试提供实际的物理数据。

所述的数字仿真测试的步骤为：星上控制设备通过调令，获得地面动力学仿真设备的姿态数据，然后星上控制设备经过控制，发送控制命令给地面动力学仿真设备，地面动力学仿真设备根据控制命令进行动力学仿真，获得卫星的姿态信息和轨道信息。

本发明与现有技术相比具有如下优点：传统的卫星姿控仿真过程中需要使用大型的三轴转台，本发明省去大型的三轴转台设备，采用单轴小转台进行部件的单机测试就可以了，同时星上网络通过调令方式获得卫星的姿态信息和控制信息，因此简化了卫星姿态控制系统地面仿真的复杂性，降低了卫星姿态控制系统地面仿真的难度，提高了卫星姿态和轨道控制的仿真的实时性和安全性，降低卫星开发成本，提高了姿控地面测试和仿真的质量，真实性。

附图说明

图1为传统卫星姿态控制地面仿真闭环试验框图；

图2为本发明的测试仿真系统组成示意图；

图3为本发明系统级数字仿真测试框图；

图4为本发明系统级数字仿真动力学仿真设备流程图；

图5为本发明的部件级测试示意图；

图6为本发明测量部件的部件级测试组成框图；

图7为本发明测量部件的部件级测试流程图；

图8为本发明执行部件的部件级测试组成框图；

图9为本发明执行部件的部件级测试流程图；

图10为本发明的动力学仿真测试流程图；

图11为本发明系统级半物理仿真测试框图；

图12为本发明系统级半物理仿真星上控制设备流程图；

图13为本发明系统级半物理仿真测量部件流程图；

图14为本发明系统级半物理仿真执行部件流程图；

图15为本发明系统级半物理仿真地面动力学仿真设备流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括部件级仿真测试、系统级数字仿真测试和系统级半物理仿真测试三个部分，其中部件级仿真测试和系统级数字仿真测试是为系统级半物理仿真测试提供物理数据基础，系统级半物理仿真有效的利用部件级仿真测试的数据库及系统能数字仿真的测试结果进行半物理仿真。

以上所有的测试均是通过星上网进行的，测试前，先将星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件等分别通过总线接口接入星上网，通过星上网相连，并通过星上网进行信息交换和控制。星上网为完全独立的双冗余网络总线，可以为CAN总线或1553B接口总线，这样在物理上保证一条总线故障时另一条总线仍可进行通讯，总线接口为总线接口芯片，如82C250等。

测试时，可以先进行部件级仿真测试，再进行系统级数字仿真测试；或先进行系统级数字仿真测试，再进行部件级仿真测试；或系统级数字仿真测试和部件级仿真测试同时进行；部分级仿真测试和系统级数字仿真测试完毕后，再进行系统级半物理仿真测试。

部件级仿真测试包括测量部件的仿真测试和执行部件的仿真测试，测量部件主要包括光纤陀螺、太阳敏感器、地球敏感器、星敏感器等，测量部件包括测量部件的头部分和测量部件的接口及信号处理部分，如果被测对象为太阳，测量部件的头部则为太阳敏感头等；执行部件主要包括磁力矩器、气源和动量轮等，执行部件包括执行部件的作用部分和执行部件的接口及信号处理部分。

如图3、4所示，系统级数字仿真测试包括：星上控制设备、地面动力学仿真设备、星上网和地面监控设备，星上控制设备通过调令，获得地面动力学仿真设备的姿态数据，然后星上控制设备经过控制，发送控制命令给地面动力学仿真设备，地面动力学仿真设备根据控制命令进行动力学仿真，获得卫星的姿态信息和轨道信息，同时地面监控设备通过星上网获得数字仿真信息进行实时监控。

如图2、11、12所示，系统级半物理仿真测试包括星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件(根据情况可以为多个)、执行部件(根据情况可以为多个)、星上网组成，星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件均与星上网相连，通过星上网进行信息交换和控制；测量部件获得动力学的姿态信息，通过测量部件在其事先的部件级测量时建立的内部数据库的姿态信息比对，获得姿态测量部件实际的测量信息，根据星上控制设备发出的调令将此真实的姿态信息发送到星上网；星上控制设备获得姿态信息后，进行轨道和控制计算，然后发送控制信息给执行部件；执行部件获得星上控制设备发来的控制信息后，根据执行部件在其事先的部件级测量时建立的内部数据库的数据进行比对，获得执行部件实际的执行信息；执行部件将此实际的执行信息传送给地面动力学仿真设备；地面动力学仿真设备获得执行部件的实际执行信息后，通过动力学计算得出卫星的姿态信息，将该姿态信息发送给姿态测量部件，如此循环，完成半物理仿真测试；此外，还可以包括地面监控设备，地面监控设备通过星上网获得卫星半物理仿真信息进行实时监控。

如图5所示，部件级仿真测试由被测部件(测量部件的头部和信号接口处理部分、执行部件的执行作用部分和信号接口处理部分)，运动平台或作用平台及被测对象、基准轴、地面监控设备和地面控制设备等设备组成，被测部件、监控设备、控制设备通过星上网络相连。监控设备通过网络获取被测部件的数据和运动平台或作用平台的数据，通过该两数据比对，既可以标定该部件，又可以将该标定数据作为实际数据存到部件的信号接口处理部分的存储器中，作为数据库供系统仿真应用。

如图6所示，测量部件的部件级仿真是将测量部件的头部放置在运动平台上，被测对象放置在基准轴上，通过地面控制设备控制运动平台运动。

如图7所示，测量部件根据头部获得被测对象信息进行信号处理，将测量信号发送到星上网上，地面监控设备通过星上网获得测量部件的测量信号和运动平台的转动信号，将该两个数据比对，就可以标定测量部件，同时可将标定数据存储到测量部件的信号接口处理部分的存储器中，建立测量部件的数据库。

如图8所示，执行部件的部件级仿真是将执行部件的执行作用部分放置到作用平台。通过作用平台的数据与执行部件控制信号进行比对。

如图9所示，地面监控设备通过星上网获得执行部件的执行数据和作用平台的作用数据，将该两数据进行比对，就可以标定执行部件，同时可以将标定数据存储到执行部件的信号接口处理部分的存储器中，建立执行部件的数据库。

如图13所示，系统级半物理测试测量部件获得动力学的姿态信息，通过根据姿态测量部件的内部数据库(在部件级测试时建立的数据库)比对，获得姿态测量部件真实的测量信息；根据调令将姿态信息发送到星上网。

如图14所示，系统级半物理测试执行部件获得星上控制信息，通过根据姿态执行部件的内部数据库(在部件级测试时建立的数据库)比对，获得执行部件真实的执行信息；将真实执行信息传送给地面动力学仿真设备。

如图15所示，系统级半物理测试地面动力学仿真设备获得执行部件的执行信息，通过动力学计算得出卫星的姿态信息，将该姿态信息发送给姿态测量部件，如此周而复始地完成闭环半实物仿真测试。

Claims (10)

1.一种基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：为系统级半物理仿真测试系统，包括星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件、星上网组成，星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件均与星上网相连，通过星上网进行信息交换和控制；测量部件获得动力学的姿态信息，通过测量部件在事先的部件级测量时建立的内部数据库的姿态信息比对，获得测量部件实际的测量信息，根据星上控制设备发出的调令将此真实的姿态信息发送到星上网；星上控制设备获得姿态信息后，进行轨道和控制计算，然后发送控制信息给执行部件；执行部件获得星上控制设备发来的控制信息后，根据执行部件在事先的部件级测量时建立的内部数据库的数据进行比对，获得执行部件实际的执行信息；执行部件将此实际的执行信息传送给地面动力学仿真设备；地面动力学仿真设备获得执行部件的实际执行信息后，通过动力学计算得出卫星的姿态信息，将该姿态信息发送给姿态测量部件，如此循环，完成半物理仿真测试。

2.根据权利要求1所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：在进行系统级半物理仿真测试前进行系统级数字仿真测试，系统级数字仿真测试系统包括星上控制设备、地面动力学仿真设备、星上网，星上控制设备通过调令，获得地面动力学仿真设备的姿态数据，然后星上控制设备经过控制，发送控制命令给地面动力学仿真设备，地面动力学仿真设备根据控制命令进行动力学仿真，获得卫星的姿态信息和轨道信息。

3.根据权利要求2所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：还包括与星上网连接的地面监控设备，通过星上网获得卫星半物理仿真和数字仿真信息进行实时监控。

4.根据权利要求1或2所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述的星上网为完全独立的双冗余网络总线，在物理上保证一条总线故障时另一条总线仍可进行通讯。

5.根据权利要求1所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述的测量部件的部件级测量装置包括地面控制设备、地面监控设备、测量部件、基准轴和运动平台，被测对象放置到基准轴上，测量部件的头部放置在运动平台上，地面控制设备控制运动平台转动，同时发送运动平台转动信息到地面监控设备，测量部件头部测量到被测对象的测量信号，通过测量部件的信号接口处理部分将测量部件的输出信号发送到地面监控设备，地面监控设备对测量部件的输出信号和通过运动平台获得的被测对象的信号进行比对，并将该标定数据作为实际数据存储到测量部件的存储器中，既标定了测量部件，又为系统测试提供实际的物理数据。

6.根据权利要求1或2所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述的执行部件的部件级测量装置包括地面监控设备、执行机构、作用平台，执行部件的执行机构放置在作用平台上，地面监控设备发送给执行部件执行命令，同时地面监控设备保存好该命令，作用平台受到执行部件的作用产生作用信息，并将作用信息发送至地面监控设备，地面监控设备对作用平台的数据和执行部件执行数据进行比对，将该标定数据作为实际数据保存到执行部件的存储器中作为内部数据库，既标定了执行部件，又为系统测试提供实际的物理数据。

7.基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件分别通过总线接口接入星上网，通过星上网相连，并通过星上网进行信息交换和控制；

(2)进行测量部件和执行部件的部件级仿真测试，然后进行系统级数字仿真测试；或进行系统级数字仿真测试，然后进行测量部件和执行部件的部分级仿真测试；或测量部件和执行部件的部件级仿真测试和系统级数字仿真测试同时进行；

(3)进行系统级半物理仿真测试

其步骤为：测试测量部件获得动力学的姿态信息，通过测量部件在部件级测量时建立的内部数据库的姿态信息比对，获得姿态测量部件实际的测量信息，根据星上控制设备发出的调令将此真实的姿态信息发送到星上网；星上控制设备获得姿态信息后，进行轨道和控制计算，然后发送控制信息给执行部件；执行部件获得星上控制设备发来的控制信息后，根据执行部件在部件级测量时建立的内部数据库的数据进行比对，获得执行部件实际的执行信息；执行部件将此实际的执行信息传送给地面动力学仿真设备；地面动力学仿真设备获得执行部件的实际执行信息后，通过动力学计算得出卫星的姿态信息，将该姿态信息发送给测量部件，如此循环，完成系统级半物理仿真测试。

8.根据权利要求7所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试方法，其特征在于：所述的测量部件的部件级测试方法为：将被测对象放置到基准轴，测量部件放置在运动平台上，通过转动运动平台，测量部件可以获得被测对象的信息，通过测量部件的输出信号和通过运动平台获得的被测对象的信号进行比对，既可标定测量部件，同时又将该标定数据作为实际数据存储到测量部件的存储器中作为内部数据库，为系统测试提供实际的物理数据。

9.根据权利要求7所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试方法，其特征在于：所述的执行部件的部件级测试方法为：将执行部件放置在作用平台上，控制执行部件动作，将执行部件动作到作用平台的数据和执行部件执行数据进行比对，既可标定测量部件，同时又将该标定数据作为实际数据存储到执行部件的存储器中作为内部数据库，为系统测试提供实际的物理数据。

10.根据权利要求7所述的基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试方法，其特征在于：所述的数字仿真测试的步骤为：星上控制设备通过调令，获得地面动力学仿真设备的姿态数据，然后星上控制设备经过控制，发送控制命令给地面动力学仿真设备，地面动力学仿真设备根据控制命令进行动力学仿真，获得卫星的姿态信息和轨道信息。

Images