CN101503116B - 一种分布式航天器地面仿真系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式航天器地面仿真系统及其实现方法，属于航天航空领域。本发明的目的是解决现有的分布式航天器仿真平台配置固化，可扩展性差的问题。本发明采用基于平面两维平动和垂直于平动平面一维转动的基础气浮平台。通过配置冷气推力器和反作用飞轮作为执行机构，高精度的光纤陀螺、X轴加速度计和Y轴加速度计作为敏感部件，以高精度局域GPS定位系统实现高精度相对位置确定和初始姿态的标定，可依据任务不同配置其它硬件系统，从而形成多航天器地面仿真系统。本发明可根据航天器任务、通过配置不同的实物硬件或模拟器实现地面模拟多航天器系统，因而具有很强的扩展能力和适用性。

Description

一种分布式航天器地面仿真系统及其实现方法 

技术领域

本发明涉及分布式航天器系统仿真技术，尤其涉及一种多航天器应用的，可根据航天器任务、通过配置不同的实物硬件或模拟器实现地面模拟多航天器系统及其实现方法，属于航天航空领域。 

背景技术

从各国分布式航天器系统发展来看，在众多已进入在轨试验验证阶段或研究中的分布式航天器系统均非常重视关键技术的地面验证工作，特别是系统的地面物理仿真系统的开发，建立了不同形式、不同仿真目的的全物理/半物理仿真系统，广泛用于分布式航天器系统相对轨道和相对姿态控制策略和算法以及控制硬件验证和相关软件的开发，以降低系统研制风险和研制成本，如斯坦福大学的FFTB等。 

由于国内分布式航天器系统的研究尚处于起步阶段，同时物理仿真实验存在仿真模拟设备复杂、开发资金过高等原因，国内分布式航天器系统仿真关键技术验证大都采用数学仿真或半物理仿真方式进行(譬如哈尔滨工业大学在“十五”末期建立了基于“微型核”信息电子系统的分布式航天器系统半物理仿真系统)，在开发建立分布式航天器系统物理仿真系统方面所作的工作较少。目前仅哈尔滨工业大学与装备指挥技术学院引进、开发和建立了两套基于五自由度微小卫星物理仿真平台(MicroSim仿真平台)，对分布式航天器系统控制算法的定性仿真验证起到了积极的促进作用。然而，由于MicroSim仿真平台配置固化存在的局限性在一定程度上制约了其进一步应用(如高精度相对状态确定、高精度相对控制等定量分析)，为此需要设计和建设具有开放性和可扩展性的适应不同任务的分布式航天器系统地面物理仿真实验系统。 

发明内容

本发明的目的是解决现有的分布式航天器仿真平台配置固化，可扩展性差的问题，提供了一种分布式航天器地面仿真系统及其实现方法。 

本发明一种分布式航天器地面仿真系统由以下几部分组成： 

基础平台单元，包括抛光铸铁平台和n个气浮航天器仿真平台，n个气浮航天器仿真平台接收地面控制单元的控制指令后自主进行控制策略规划，并在抛光铸铁平台上完成两维平动和垂直于台面单轴转动，n个气浮航天器仿真平台进行航天器间信息交互、航天器间姿态协同控制、分布式航天器系统空间构形的维持控制以及自主碰撞规避控制的验证，n≥2； 

局域GPS定位系统，包括每个气浮航天器仿真平台上安装两个局域GPS敏感器和配置于地面的m个局域GPS发射装置，用于实现各气浮航天器仿真平台的高精度相对位置确定和初始姿态标定，m≥2； 

地面控制单元，包括地面控制计算机和地面数据库，用于完成对n个气浮航天器仿真平台下达指令以及从n个气浮航天器仿真平台下载数据的功能，地面数据库用于存储所述下载数据。 

基于上述一种分布式航天器地面仿真系统的实现方法包括以下步骤： 

步骤一、进行仿真系统通讯的测试，确保n个气浮航天器仿真平台之间通讯链路及每个气浮航天器仿真平台与地面控制单元之间的星地链路的正常运行；对局域GPS定位系统进行测试，确保其运行在正常状态； 

步骤二、确认系统各部分功能正常后，利用局域GPS定位系统对n个气浮航天器仿真平台的初始位置和初始姿态进行标定； 

步骤三、依据任务需求，通过地面控制单元将控制程序传送到各气浮航天器仿真平台中，同时使各气浮航天器仿真平台处于气浮状态； 

步骤四、由地面控制单元的地面控制计算机发出控制指令，各气浮航天器仿真平台实现航天器间信息交互、航天器间姿态协同控制、分布式航天器系统空间构形的维持控制以及自主碰撞规避控制的验证； 

步骤五、进行地面曲线显示和地面动态显示： 

地面曲线显示，由曲线显示模块完成仿真系统在试验过程中的状态变量的监测、仿真结果的显示，包括：指令的上/下行、各气浮航天器仿真平台的姿态、位置以及n个气浮航天器仿真平台间实时的相对姿态、相对位置以及系统各种设备的工作状态； 

地面动态显示，由动态显示模块完成仿真系统传输至地面数据库的实时动态姿态、相对姿态、位置及相对位置的动态三维显示以及误差特性的等效空间环境显示。 

本发明的优点是：本发明采用气浮平台技术实现了分布式航天器地面仿真系统，可对多航天器系统关键技术的进行地面演示验证。系统具备良好的可配置能力和扩展性。既保证了系统算法和功能性的可展示度，也可在采用实物配置的情况下进行系统功能的指标考核，使得系统兼具了教学和科研的不同需求。 

附图说明

图1是本发明结构示意图，图2是气浮航天器仿真平台的结构示意图，图3是实施方式四的结构示意图，图4是本发明实现方法的流程图。 

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式由以下几部分组成： 

基础平台单元，包括抛光铸铁平台1和n个气浮航天器仿真平台2，n个气浮航天器仿真平台2接收地面控制单元的控制指令后自主进行控制策略规划，并在抛光铸铁平台1上完成两维平动和垂直于台面单轴转动，n个气浮航天器仿真平台2进行航天器间信息交互、航天器间姿态协同控制、分布式航天器系统空间构形的维持控制以及自主碰撞规避控制的验证，n≥2； 

局域GPS定位系统，包括每个气浮航天器仿真平台2上安装两个局域GPS敏感器8和配置于地面的m个局域GPS发射装置7，用于实现各气浮航天器仿真平台2的高精度相对位置确定和初始姿态标定，m≥2； 

地面控制单元，包括地面控制计算机3和地面数据库4，用于完成对n个 气浮航天器仿真平台2下达指令以及从n个气浮航天器仿真平台2下载数据的功能，地面数据库4用于存储所述下载数据。 

本发明的分布式航天器地面仿真系统主要用于分布式/分散式航天器系统关键技术的地面仿真，亦可改造后用于交会对接、在轨服务等技术的演示验证。主要由三部分构成：基础平台单元、局域GPS定位系统以及地面控制单元。 

本实施方式抛光铸铁平台1选用6m×6m，保证气浮航天器仿真平台2在6m×6m的范围内实现模拟零重力运动；设定n＝3，即选用3个气浮航天器仿真平台2；相应的局域GPS定位系统包括：地面配置四台局域GPS发射装置7，即m＝4，每个气浮航天器仿真平台2配置两个局域GPS敏感器8，共计六个局域GPS敏感器8，3个气浮航天器仿真平台2运行于抛光铸铁平台1上，可提供平面的两自由度平动与垂直于平面的单自由度转动的微扰环境。 

高精度的局域GPS定位系统：用于完成在规定范围之内，各气浮航天器仿真平台2的初始姿态角的标定和在运动过程中实时的位置和相对位置的高精度确定，为系统的关键设备之一。位置测量精度为0.25mm，姿态测量精度为3radsec。本实施方式中采用四台局域GPS发射装置7可以覆盖35m×35m的平面范围。每台气浮航天器仿真平台过台面中心安装两台局域GPS敏感器8，接收四台局域GPS发射装置7发射的信号。经过处理，每台局域GPS敏感器8均可确定一个位置，以此为基础确定气浮航天器仿真平台2台面中心的位置为其在动态仿真中的实时位置；因两台局域GPS敏感器8在过同一点的平面内，两台局域GPS敏感器8所处的两点成一直线，定义两点测量中X轴或Y轴坐标相同为系统零位状态，通过任意时刻两点测量值与系统零位状态作比，以此实现对初始时刻气浮航天器仿真平台2的角度标定，在此基础上融合其它测量信息，以mN级的冷气推力器2-3实现编队的控制。 

地面控制计算机3：实现对气浮航天器仿真平台2的星载计算机2-9的数据下载和状态监测、以及整个仿真过程中对系统的控制指令上/下行和系统的状态监测。 

地面数据库4：主要用于存储在整个仿真试验过程中系统产生的指令，从气浮航天器仿真平台2下载的状态监测以及测量、控制效果等产生的数据，用于事后分析或实时的动态显示。 

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，气浮航天器仿真平台2包括敏感器：X轴加速度计2-1、Y轴加速度计2-2和光纤陀螺2-8；执行机构：冷气推力器2-3和反作用飞轮2-7；控制器：PC104仿真计算机2-10；和n个蓝牙模块2-11， 

X轴加速度计2-1、Y轴加速度计2-2、冷气推力器2-3、反作用飞轮2-7、光纤陀螺2-8和PC104仿真计算机2-10均与CAN总线相连，通过CAN总线实现数据采集和控制命令的传送，n个蓝牙模块2-11分别与PC104仿真计算机2-10相连，n个蓝牙模块2-11分别实现与其它n-1个气浮航天器仿真平台2及地面控制单元的信息交互，n≥2，其它组成及连接方式与实施方式一相同。 

基础平台单元是分布式航天器地面仿真系统的核心部分，台上配置有高精度光纤陀螺2-8、X轴加速度计2-1和Y轴加速度计2-2测量敏感器；反作用飞轮2-7以及mN级冷气推力器2-3等执行机构；所述星载计算机2-9可实现全系统过程管理、控制策略规划、控制指令传输、相互间信息交互以及与地面控制台的信息交互。光纤陀螺2-8用于测量气浮航天器仿真平台2的旋转角速度。 

冷气推力器2-3工作，喷出冷气产生推力，使得气浮航天器仿真平台2在抛光铸铁平台1上发生两维平动或垂直于台面单轴转动，大角度机动时，反作用飞轮2-7与冷气推力器2-3配合使用，由反作用飞轮2-7实现连续控制，提高了气浮航天器仿真平台2进行两维平动或垂直于台面单轴转动的控制精度。 

分布式航天器地面仿真系统基于气浮平台实现了多航天器系统关键技术的地面演示验证。由于系统良好的承载能力和标准的CAN接口形式，使得系统具备了良好的可配置能力和扩展性。既保证了系统算法和功能性的可展示度，有可在采用实物配置的情况下进行系统功能的指标考核，使得系统兼具 了教学和科研的不同需求。 

具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的不同之处在于，气浮航天器仿真平台2还包括激光测距仪2-4、视觉相机2-5和视觉处理计算机2-6，激光测距仪2-4和视觉处理计算机2-6分别与CAN总线相连，视觉相机2-5与视觉处理计算机2-6相连，其它组成及连接方式与实施方式二相同。 

亦可配置视觉相机2-5和激光测距仪2-4实现气浮航天器间的相对位置的确定，进行空间交会对接技术的地面仿真验证等。这样配置使得确定相对位置的精度增加。 

具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，气浮航天器仿真平台2包括敏感器：X轴加速度计2-1、Y轴加速度计2-2和光纤陀螺2-8；执行机构：冷气推力器2-3和反作用飞轮2-7；控制器：星载计算机2-9、PC104仿真计算机2-10；和蓝牙模块2-11， 

X轴加速度计2-1、Y轴加速度计2-2、冷气推力器2-3、反作用飞轮2-7、光纤陀螺2-8和星载计算机2-9均与CAN总线相连，通过CAN总线实现数据采集和控制命令的传送，蓝牙模块2-11与星载计算机2-9相连，蓝牙模块2-11实现与地面控制单元的信息交互，PC104仿真计算机2-10的输入输出端与星载计算机2-9的输入输出端相连，n≥2，其它组成及连接方式与实施方式一相同。 

图2和图3为单个气浮航天器仿真平台的系统配置图。依据图2和图3所示，PC104仿真计算机2-10、n个蓝牙模块2-11以及两个局域GPS敏感器8为基本设备。由于单个气浮航天器仿真平台2的承载能力达到了100kg，其余设备均可按照所完成关键技术地面验证的不同进行配置，且不局限于功能性产品的配置，在必要情况下可以采用航天器实物设备替代仿真平台中相应的功能模块。譬如：在航天器间信息交互地面验证中，采用具有航天器间信息交互能力的星载计算机2-9代替一般仿真中实现信息交互的n-1个蓝牙模块2-11，只保留与地面控制单元通讯的蓝牙模块2-11；依据不同的航天器等效缩比，配置不同型号的反作用飞轮2-7。亦可配置视觉相机2-5和激光测距 仪2-4实现气浮航天器间的相对位置的确定，进行空间交会对接技术的地面仿真验证等。可扩展性非常强。 

具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同之处在于，气浮航天器仿真平台2还包括激光测距仪2-4、视觉相机2-5和视觉处理计算机2-6，激光测距仪2-4和视觉处理计算机2-6分别与CAN总线相连，视觉相机2-5与视觉处理计算机2-6相连，其它组成及连接方式与实施方式四相同。 

具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，地面控制单元还包括曲线显示模块5和动态显示模块6，地面控制计算机3的第一输出端与曲线显示模块5的输入端相连，地面控制计算机3的第二输出端与动态显示模块6的输入端相连，其它组成及连接方式与实施方式一相同。 

地面曲线显示，由曲线显示模块5完成仿真系统在试验过程中的状态变量的监测、仿真结果的显示，包括：控制指令的上/下行、各气浮航天器仿真平台2的姿态、位置以及n个气浮航天器仿真平台2间实时的相对姿态、相对位置以及系统各种设备的工作状态； 

地面动态显示，由动态显示模块6完成仿真系统传输至地面数据库4的实时动态姿态、相对姿态、位置及相对位置的动态三维显示以及误差特性的等效空间环境显示。 

曲线显示模块5和动态显示模块6可以采用单独的计算机来实现功能，灵活性高，扩展性强。 

具体实施方式七：下面结合图4说明本实施方式，基于实施方式一所述的一种分布式航天器地面仿真系统的实现方法，该方法包括以下步骤： 

步骤一、进行仿真验证平台系统通讯的测试，确保n个气浮航天器仿真平台2之间通讯链路及每个气浮航天器仿真平台2与地面控制单元之间的星地链路的正常运行；对局域GPS定位系统进行测试，确保其运行在正常状态； 

步骤二、确认系统各部分功能正常后，利用局域GPS定位系统对n个气浮航天器仿真平台2的初始位置和初始姿态进行标定； 

步骤三、依据任务需求，通过地面控制单元将控制程序传送到各气浮航 天器仿真平台2中，同时使各气浮航天器仿真平台2处于气浮状态； 

步骤四、由地面控制单元的地面控制计算机3发出控制指令，各气浮航天器仿真平台2实现航天器间信息交互、航天器间姿态协同控制、分布式航天器系统空间构形的维持控制以及自主碰撞规避控制的验证； 

步骤五、进行地面曲线显示和地面动态显示： 

地面曲线显示，由曲线显示模块5完成仿真系统在试验过程中的状态变量的监测、仿真结果的显示，包括：控制指令的上/下行、各气浮航天器仿真平台2的姿态、位置以及n个气浮航天器仿真平台2间实时的相对姿态、相对位置以及系统各种设备的工作状态； 

地面动态显示，由动态显示模块6完成仿真系统传输至地面数据库4的实时动态姿态、相对姿态、位置及相对位置的动态三维显示以及误差特性的等效空间环境显示。 

Claims (7)

1.一种分布式航天器地面仿真系统，其特征在于它由以下几部分组成：

基础平台单元，包括抛光铸铁平台(1)和n个气浮航天器仿真平台(2)，n个气浮航天器仿真平台(2)接收地面控制单元的控制指令后自主进行控制策略规划，并在抛光铸铁平台(1)上完成两维平动和垂直于台面单轴转动，n个气浮航天器仿真平台(2)进行航天器间信息交互、航天器间姿态协同控制、分布式航天器系统空间构形的维持控制以及自主碰撞规避控制的验证，n≥2；

局域GPS定位系统，包括每个气浮航天器仿真平台(2)上安装两个局域GPS敏感器(8)和配置于地面的m个局域GPS发射装置(7)，用于实现各气浮航天器仿真平台(2)的高精度相对位置确定和初始姿态标定，m≥2；

地面控制单元，包括地面控制计算机(3)和地面数据库(4)，用于完成对n个气浮航天器仿真平台(2)下达指令以及从n个气浮航天器仿真平台(2)下载数据的功能，地面数据库(4)用于存储所述下载数据。

2.根据权利要求1所述的一种分布式航天器地面仿真系统，其特征在于，气浮航天器仿真平台(2)包括敏感器：X轴加速度计(2-1)、Y轴加速度计(2-2)和光纤陀螺(2-8)；执行机构：冷气推力器(2-3)和反作用飞轮(2-7)；控制器：PC104仿真计算机(2-10)；和n个蓝牙模块(2-11)，

X轴加速度计(2-1)、Y轴加速度计(2-2)、冷气推力器(2-3)、反作用飞轮(2-7)、光纤陀螺(2-8)和PC104仿真计算机(2-10)均与CAN总线相连，通过CAN总线实现数据采集和控制命令的传送，n个蓝牙模块(2-11)分别与PC104仿真计算机(2-10)相连，n个蓝牙模块(2-11)分别实现与其它n-1个气浮航天器仿真平台(2)及地面控制单元的信息交互，n≥2。

3.根据权利要求2所述的一种分布式航天器地面仿真系统，其特征在于：气浮航天器仿真平台(2)还包括激光测距仪(2-4)、视觉相机(2-5)和视觉处理计算机(2-6)，激光测距仪(2-4)和视觉处理计算机(2-6)分别与CAN总线相连，视觉相机(2-5)与视觉处理计算机(2-6)相连。

4.根据权利要求1所述的一种分布式航天器地面仿真系统，其特征在于， 气浮航天器仿真平台(2)包括敏感器：X轴加速度计(2-1)、Y轴加速度计(2-2)和光纤陀螺(2-8)；执行机构：冷气推力器(2-3)和反作用飞轮(2-7)；控制器：星载计算机(2-9)、PC104仿真计算机(2-10)；和蓝牙模块(2-11)，

X轴加速度计(2-1)、Y轴加速度计(2-2)、冷气推力器(2-3)、反作用飞轮(2-7)、光纤陀螺(2-8)和星载计算机(2-9)均与CAN总线相连，通过CAN总线实现数据采集和控制指令的传送，蓝牙模块(2-11)与星载计算机(2-9)相连，蓝牙模块(2-11)实现与地面控制单元的信息交互，PC104仿真计算机(2-10)的输入输出端与星载计算机(2-9)的输入输出端相连，n≥2。

5.根据权利要求4所述的一种分布式航天器地面仿真系统，其特征在于：气浮航天器仿真平台(2)还包括激光测距仪(2-4)、视觉相机(2-5)和视觉处理计算机(2-6)，激光测距仪(2-4)和视觉处理计算机(2-6)分别与CAN总线相连，视觉相机(2-5)与视觉处理计算机(2-6)相连。

6.根据权利要求1所述的一种分布式航天器地面仿真系统，其特征在于：地面控制单元还包括曲线显示模块(5)和动态显示模块(6)，地面控制计算机(3)的第一输出端与曲线显示模块(5)的输入端相连，地面控制计算机(3)的第二输出端与动态显示模块(6)的输入端相连。

7.基于权利要求1所述的一种分布式航天器地面仿真系统的实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、进行仿真系统通讯的测试，确保n个气浮航天器仿真平台(2)之间通讯链路及每个气浮航天器仿真平台(2)与地面控制单元之间的星地链路的正常运行；对局域GPS定位系统进行测试，确保其运行在正常状态；

步骤二、确认系统各部分功能正常后，利用局域GPS定位系统对n个气浮航天器仿真平台(2)的初始位置和初始姿态进行标定；

步骤三、依据任务需求，通过地面控制单元将控制程序传送到各气浮航天器仿真平台(2)中，同时使各气浮航天器仿真平台(2)处于气浮状态；

步骤四、由地面控制单元的地面控制计算机(3)发出控制指令，各气浮航 天器仿真平台(2)实现航天器间信息交互、航天器间姿态协同控制、分布式航天器系统空间构形的维持控制以及自主碰撞规避控制的验证；

步骤五、进行地面曲线显示和地面动态显示：

地面曲线显示，由曲线显示模块(5)完成仿真系统在试验过程中的状态变量的监测、仿真结果的显示，包括：指令的上/下行、各气浮航天器仿真平台(2)的姿态、位置以及n个气浮航天器仿真平台(2)间实时的相对姿态、相对位置以及系统各种设备的工作状态；

地面动态显示，由动态显示模块(6)完成仿真系统传输至地面数据库(4)的实时动态姿态、相对姿态、位置及相对位置的动态三维显示以及误差特性的等效空间环境显示。 

Images