CN101937195A - 航天器姿态控制半物理仿真系统 - Google Patents

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王峰
耿云海
曹喜滨
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航天器姿态控制半物理仿真系统，涉及一种航天器控制半物理仿真系统。它解决了现有的航天器姿态控制半物理仿真系统的通用性较差以及系统性较差的问题。它的实时仿真机的仿真信号输入或输出端与星载计算机的仿真信号输出或输入端连接；台上无线通信模块的无线信号输出或输出端与实时仿真机的无线信号输入或输出端连接；地面无线通信模块的信号输出端与数据存储模块的信号输入端连接，数据存储模块的一号数据信号输出端与飞行模拟显示模块的数据信号输入端连接；数据存储模块的二号数据信号输出端与动画及曲线显示模块的数据信号输入端连接。本发明适用于航天器姿态控制的仿真。

Description

航天器姿态控制半物理仿真系统
技术领域
本发明涉及一种航天器控制半物理仿真系统。
背景技术
航天器控制系统半物理仿真是研制航天器过程中特有的一种仿真方法，它利用气浮转台作为运动模拟器并结合部分实物搭建半物理仿真环境，进行控制系统方案和算法的仿真验证。气浮转台通过压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成气膜使台面浮于空中，从而实现气浮转台台面与台体之间近似无摩擦的相对转动，以模拟航天器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。在地面上可以利用气浮转台台面的转动模拟刚体航天器的姿态运动。
目前国内外针对航天器姿态控制半物理仿真系统进行研究的机构很多，这些研究主要是基于哈尔滨工业大学的具体项目需求开展的，着重于系统硬件、软件或者接口的设计，往往没有考虑系统的通用性和系统性。
发明内容
本发明是为了解决现有的航天器姿态控制半物理仿真系统的通用性较差以及系统性较差的问题，从而提出航天器姿态控制半物理仿真系统。
航天器姿态控制半物理仿真系统，它包括航天器气浮转台台上执行装置，所述航天器气浮转台台上执行装置包括星载计算机、光纤陀螺、星敏感器模拟器、喷气模拟器、反作用飞轮和磁力矩器，喷气模拟器的信号输入或输出端与星载计算机的一号信号输出或输入端连接，反作用飞轮的信号输入或输出端与星载计算机的二号信号输出或输入端连接，磁力矩器的信号输入或输出端与星载计算机的三号信号输出或输入端连接；它还包括实时仿真机、台上无线通信模块、地面无线通信模块、数据存储模块、飞行模拟显示模块和动画及曲线显示模块，实时仿真机、台上无线通信模块均固定在航天器气浮转台的台面上；实时仿真机的仿真信号输入或输出端与星载计算机的仿真信号输出或输入端连接；光纤陀螺的信号输出端与实时仿真机的陀螺信号输入端连接，星敏感器模拟器的信号输出或输入端与实时仿真机的信号输入或输出端连接；台上无线通信模块的无线信号输入或输出端与实时仿真机的无线信号输入或输出端连接；地面无线通信模块的信号输出端与数据存储模块的信号输入端连接，所述数据存储模块的一号数据信号输出端与飞行模拟显示模块的数据信号输入端连接；数据存储模块的二号数据信号输出端与动画及曲线显示模块的数据信号输入端连接。
本发明的具有较强通用性和较强系统性，并且本发明的可操作性、展示性均较强，并且本发明可以简便应用到现有基于气浮转台的各类航天器半物理仿真系统中，避免系统的重复设计。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是具体实施方式三的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，航天器姿态控制半物理仿真系统，它包括航天器气浮转台台上执行装置，所述航天器气浮转台台上执行装置包括星载计算机2、光纤陀螺3、星敏感器模拟器4、喷气模拟器5、反作用飞轮6和磁力矩器7，喷气模拟器5的信号输入或输出端与星载计算机2的一号信号输出或输入端连接，反作用飞轮6的信号输入或输出端与星载计算机2的二号信号输出或输入端连接，磁力矩器7的信号输入或输出端与星载计算机2的三号信号输出或输入端连接；它还包括实时仿真机1、台上无线通信模块8、地面无线通信模块9、数据存储模块10、飞行模拟显示模块11和动画及曲线显示模块12，实时仿真机1、台上无线通信模块8均固定在航天器气浮转台的台面上；实时仿真机1的仿真信号输入或输出端与星载计算机2的仿真信号输出或输入端连接；光纤陀螺3的信号输出端与实时仿真机1的陀螺信号输入端连接，星敏感器模拟器4的信号输出或输入端与实时仿真机1的信号输入或输出端连接；台上无线通信模块8的无线信号输入或输出端与实时仿真机1的无线信号输入或输出端连接；地面无线通信模块9的信号输出端与数据存储模块10的信号输入端连接，所述数据存储模块10的一号数据信号输出端与飞行模拟显示模块11的数据信号输入端连接；数据存储模块10的二号数据信号输出端与动画及曲线显示模块12的数据信号输入端连接。
工作原理：星敏感器模拟器4测量航天器姿态信息输出给实时仿真机1；实时仿真机1接收星敏感器模拟器4的测量信息，计算航天器姿态输出给星载计算机2，同时将姿态轨道数据信息发送至地面上的数据存储模块10；星载计算机2接收实时仿真机1的姿态信息和指令后，实时计算控制指令输出给航天器执行装置；航天器执行装置接收控制指令产生对应的控制力矩驱动气浮转台的转动。地面数据存储模块10接收实时仿真机1中的姿态轨道数据信息进行实时存储，并输出给动画及曲线显示模块12和飞行模拟显示模块11，实现对航天器全系统直观显示。
本实施方式中各部件的功能：
气浮转台：包括气浮转台台体和气浮转台上用电源，工作时气浮转台台面与台体之间近似无摩擦的相对转动，以模拟航天器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境；气浮转台上用电源采用蓄电池，所述蓄电池通过DC/DC模块为台面上的各设备供电。
目前常用的气浮转台主要是单轴气浮转台和三轴气浮转台，气浮转台上用电源由常规的蓄电池和DC/DC模块组成。
实时仿真机1：用于模拟航天器的轨道姿态运动学动力学和空间环境干扰；还可以模拟数字太阳敏感器、0/1太阳敏感器、星敏感器、磁强计、GPS等各类敏感器、反作用飞轮、磁力矩器、喷气等各种执行机构。
实时仿真机包括CPU模块、串行卡、CAN卡。实时仿真机通过串行卡和CAN卡采集外部各敏感器/执行机构以及模拟器的信息，经过CPU模块进行数据处理后，通过CAN卡将姿态轨道信息输出至星载计算机2，并通过气浮转台上的无线数据传输设备将姿态轨道数据信息发送至地面数据存储模块。实时仿真机1通过无线数据传输设备接收地面的控制指令，并发送至星载计算机2上。
航天器气浮转台台上执行装置：星载计算机2中运行真实的航天器上的飞行程序，其接口与真实的星载计算机一致，接口通常为CAN总线接口、RS-232接口、RS-422接口。星载计算机通常自行研制或者定制。
反作用飞轮6：接收星载计算机输出的控制指令，产生对应的控制力矩驱动气浮转台的转动。通常采用实物，可选用中国空间技术研究院502所、上海航天局812所或者深圳创新研究院的相关产品。
磁力矩器7：用于接收星载计算机输出的控制指令，产生对应的磁力矩驱动转台的转动。通常采用实物，可选用中国空间技术研究院502所、上海航天局812所或者深圳创新研究院的相关产品。
光纤陀螺3：用于采集气浮转台的转动角速度，输出给实时仿真机1，由实时仿真机1结合其它敏感器信息进行姿态确定后将最后的姿态信息传输给星载计算机2，可选用中国空间技术研究院502所、上海航天局812所或者深圳创新研究院的相关产品。
喷气模拟器5：用于接收星载计算机输出的控制指令，由喷嘴产生对应的推力驱动转台的转动。通常由喷嘴、喷气驱动控制器以及可置于气浮转台上的气罐组成。
星敏感器模拟器4：用于将对应的姿态信息输出给实时仿真机1，由实时仿真机1结合其它敏感器信息进行姿态确定后将最后的姿态信息传输给星载计算机2。
动画及曲线显示模块12，通过有线网络，由Matlab/Simulink接收地面数据库的数据包，利用Matlab与航天器仿真软件STK的外部接口，将航天器姿态轨道数据传输至STK，实现航天器姿态、空间位置以及机动过程的三维动画显示。同时利用Matlab的m函数GUI编写代码或者利用Visual C++6.0编写代码生成曲线显示界面，实现对姿态或其它关心的姿态轨道信息的实时曲线显示。
飞行模式显示系统11，通过接收地面数据库系统的数据包，将数据包中的航天器的当前飞行模式(初始入轨、对日捕获、对日稳定、对地稳定、对地稳定、对地数传模式)输出，点亮对应LED指示灯，实现对航天器飞行模式的直观显示。
本发明与数学仿真相比，更加真实有效地验证航天器姿态控制方案和算法；与全物理仿真相比，该系统成本更低、简单易行；与其它半物理仿真系统相比，该系统具有通用性和系统性。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，它还包括控制台13，所述信号控制台13的控制信号输出端与地面无线通信模块9的控制信号输入端连接。
本实施方式中，首先在地面计算机中，利用Matlab的m函数GUI编写代码或者利用Visual C++6.0编写代码生成控制界面，将在Matlab/Simulink下搭建的航天器姿态轨道系统模型编译成C代码，通过无线数据传输设备，向气浮转台上实时仿真机1下载编译生成的代码，向实时仿真机1发送启动和停止仿真命令，实时发送目标姿态指令、实时更改姿态飞行模式、实时更改航天器上的可变参数。
具体实施方式三、结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，飞行模拟显示模块11由单片机111和LED灯112组成，所述单片机111的数据信号输入端是飞行模拟显示模块11的数据信号输入端，所述单片机111的电源信号输出端与LED灯的电源信号输入端连接。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，它还包括质心自动调整装置，所述质心自动调整装置固定在航天器气浮转台的台面上。
本实施方式中，质心自动调整装置用于在气浮转台台面放置好各部件后，自动调整台面质心与其重心重合。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，它还包括CAN总线，所述实时仿真机1的仿真信号输入或输出端与星载计算机2的仿真信号输出或输入端之间、喷气模拟器5的信号输入或输出端与星载计算机2的一号信号输出或输入端之间、反作用飞轮6的信号输入或输出端与星载计算机2的二号信号输出或输入端之间、磁力矩器7的信号输入或输出端与星载计算机2的三号信号输出或输入端之间均通过CAN总结连接。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，实时防真机1的型号是dSPACE。
本实施方式中选用的实时防真机1为CPU模块是dSPACE公司的dSPACE仿真系统以及相应型号的串行卡和CAN卡；
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式五所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，实时防真机1的型号是PC104。
本实施方式中选用的实时防真机1为CPU模块是瑞士Digital-Logic公司的PC104模块，Diamond公司EMERALD-MM-8型串行卡，Softing公司CAN口系列板CAN-AC2-104CAN。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式一、二、四、六或七所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，数据存储模块10为计算机内的数据库。
在地面计算机中，采用Visual C++6.0编写地面数据库，利用与气浮转台上配套的无线通信模块接收实时仿真机1中的姿态轨道数据信息。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的航天器姿态控制半物理仿真系统的区别在于，台上无线通信模块8和地面无线通信模块9均为蓝牙无线通信模块。

Claims (9)

1.航天器姿态控制半物理仿真系统，它包括航天器气浮转台台上执行装置，所述航天器气浮转台台上执行装置包括星载计算机(2)、光纤陀螺(3)、星敏感器模拟器(4)、喷气模拟器(5)、反作用飞轮(6)和磁力矩器(7)，喷气模拟器(5)的信号输入或输出端与星载计算机(2)的一号信号输出或输入端连接，反作用飞轮(6)的信号输入或输出端与星载计算机(2)的二号信号输出或输入端连接，磁力矩器(7)的信号输入或输出端与星载计算机(2)的三号信号输出或输入端连接；其特征是：它还包括实时仿真机(1)、台上无线通信模块(8)、地面无线通信模块(9)、数据存储模块(10)、飞行模拟显示模块(11)和动画及曲线显示模块(12)，实时仿真机(1)、台上无线通信模块(8)均固定在航天器气浮转台的台面上；实时仿真机(1)的仿真信号输入或输出端与星载计算机(2)的仿真信号输出或输入端连接；光纤陀螺(3)的信号输出端与实时仿真机(1)的陀螺信号输入端连接，星敏感器模拟器(4)的信号输出或输入端与实时仿真机(1)的信号输入或输出端连接；台上无线通信模块(8)的无线信号输入或输出端与实时仿真机(1)的无线信号输入或输出端连接；地面无线通信模块(9)的信号输出端与数据存储模块(10)的信号输入端连接，所述数据存储模块(10)的一号数据信号输出端与飞行模拟显示模块(11)的数据信号输入端连接；数据存储模块(10)的二号数据信号输出端与动画及曲线显示模块(12)的数据信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于，它还包括控制台(13)，所述控制台(13)的控制信号输出端与地面无线通信模块(9)的控制信号输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于飞行模拟显示模块(11)由单片机(111)和LED灯(112)组成，所述单片机(111)的数据信号输入端是飞行模拟显示模块(11)的数据信号输入端，所述单片机(111)的电源信号输出端与LED灯(112)的电源信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于，它还包括质心自动调整装置，所述质心自动调整装置固定在航天器气浮转台的台面上。
5.根据权利要求1、2或4所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于它还包括CAN总线，所述实时仿真机(1)的仿真信号输入或输出端与星载计算机(2)的仿真信号输出或输入端之间、喷气模拟器(5)的信号输入或输出端与星载计算机(2)的一号信号输出或输入端之间、反作用飞轮(6)的信号输入或输出端与星载计算机(2)的二号信号输出或输入端之间、磁力矩器(7)的信号输入或输出端与星载计算机(2)的三号信号输出或输入端之间均通过CAN总线连接。
6.根据权利要求5所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于实时防真机(1)的型号是dSPACE。
7.根据权利要求5所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于实时防真机(1)的型号是PC104。
8.根据权利要求1、2、4、6或7所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于数据存储模块(10)为计算机内的数据库。
9.根据权利要求8所述的航天器姿态控制半物理仿真系统，其特征在于台上无线通信模块(8)和地面无线通信模块(9)均为蓝牙无线通信模块。
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