CN101995825B - 卫星动力学与控制分布式仿真平台 - Google Patents
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Abstract
一种卫星动力学与控制分布式仿真平台，属于卫星控制与仿真技术领域。其特征是在各种空间环境模型、动力学模型和任务需求分析的基础上，构建了卫星动力学与控制分布式仿真平台，该平台由六个主要设备组成，分别为网络交换机、STK轨道计算机、姿态和轨道动力学计算机、控制算法计算机、曲线显示计算机和仿真管理计算机，各计算机之间通过网线连接，并按UDP或TCP/IP协议进行通信。本发明的效果和益处是该平台支持从飞行任务提出，到仿真验证结果输出，全任务周期、多学科的设计、开发与仿真验证。
Description
技术领域
本发明属于卫星控制与仿真技术领域，构建了一种卫星动力学与控制分布式仿真平台。
背景技术
随着空间军事化和商业化的迅猛发展，外层空间已成为维护国家安全和利益的战略“制高点”。由各类卫星组成的天基系统将广泛应用于遥感侦察、特种通信、电子侦察与攻防对抗等领域，成为航天军事装备的重要组成部分。我国航天军事装备的发展迫切需要各类高性能的军用卫星，但限于我们的国力，不可能走大投入、大产出的路子，必须在设计与研制手段上进行创新，以期以较少的投入，获得更大的经济和军事效益，提高功能密度和研制质量、缩短研制周期、降低研制成本，必须在航天器研制过程中进行大量的地面仿真和试验，保证航天器在轨运行的成功率。国内外航天机构的实践证明，先进的数字化设计与仿真技术是提高航天器性能、保证研制质量、降低研制成本和风险、缩短研制周期以及保障在轨可靠运行的重要途径和手段。
利用空间飞行器数学模型能够早在概念设计阶段就对航天器设计方案进行性能测试和评估，可以在数字化的运行环境中进行航天器在轨飞行任务仿真和评估，迅速分析和比较航天器的多种设计方案，优化各种设计参数，尽早发现设计缺陷，从而大幅度减少物理样机制造和试验次数，提高航天器的设计质量、缩短开发周期和降低开发费用。
空间飞行器是多学科、多系统组成的有机整体，作为对真实航天器的模拟，系统仿真要求体现其系统性和各部分的耦合关系，这是实现高置信度仿真的基本前提。目前在空间飞行器建模与仿真过程中仍局限于分系统级、单学科，很少涉及全系统的建模与仿真，更不用说多学科及学科间的耦合关系研究，很难实现系统间灵活、快速的联合建模与仿真，制约了仿真系统可信程度的进一步提高。
数字化空间飞行器的数字化设计是本项目的基础和核心内容，空间飞行器是由结构、电子、控制、软件、通信、电源等分系统构成的复杂系统，因此数字化空间飞行器设计的其中一条途径是利用统一的建模语言和环境进行空间飞行器多领域关键特性的数字化建模，采用这种方法有利于进行学科间的影响分析和全系统仿真，但迄今为止没有成熟的商用软件可以利用，且无法继承已有的研究基础。因此本发明开发一套卫星动力学与控制分布式仿真平台，为卫星动力学验证、控制器开发、设计方案的论证提供仿真验证支持。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种在各种空间环境模型、动力学模型和任务需求分析基础上，构建卫星动力学与控制仿真平台，突破建模与实时仿真的关键技术，建立卫星动力学仿真平台体系结构，开发工程实用的分布式仿真平台。为卫星动力学验证、控制器开发、设计方案的论证提供仿真验证支持。
本发明的技术方案是：仿真平台由六个主要设备组成，分别为网络交换机、STK轨道计算机、姿态和轨道动力学计算机、控制算法计算机、曲线显示计算机和仿真管理计算机，各计算机之间通过网线连接，并按UDP或TCP/IP协议进行通信，如图1所示。其中：
(1)STK轨道计算机，主要用以显示卫星当前状态，包括姿态、坐标轴和轨道等。
(2)动力学仿真计算机，主要运行卫星姿态动力学、轨道动力学和空间环境等模型，完成姿态、轨道和空间环境的仿真。
(3)控制算法计算机，主要运行卫星控制模型，完成卫星的姿态确定和控制。
(4)仿真管理计算机，主要进行仿真调度管理相关的操作，包括参数设置、参数保存、仿真开始/停止指令等。
(5)曲线显示计算机，跟踪显示仿真平台中各种参数，包括敏感器状态参数、执行机构状态参数、姿态参数和轨道参数等。
本发明的效果和益处是：能够为卫星控制系统的设计和研制提供仿真平台，为卫星相关领域的研究提供数据，如为结构动力学研究提供姿态、为控制系统提供敏感器数据参数等；仿真平台包含了各种类型、适应不同任务的模型和算法模块，根据任务的特点，可以选择不同的环境模型、不同的敏感器、执行机构模型和不同的算法，“柔性”地设计出针对不同任务的卫星控制系统。
附图说明
附图1是卫星动力学与控制仿真平台结构图。
附图2是系统运行流程图。
附图3是仿真平台的调度界面图。
附图4是动力学控制模块界面图。
附图5是控制算法模块界面图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
1、卫星动力学与控制分布式仿真平台建模与总体方案研究
(1)卫星动力学建模研究
实时仿真模型需要突破传统建模方法的限制，考虑实时环境下模型解算时间、复杂度等对实时仿真平台的影响，研究新的建模方法和数值解算算法，以适应实时性要求.
(2)分布式仿真平台总体方案研究
提出卫星动力学与控制分布式仿真平台的理论与方法，对传统非实时仿真方法进行裁减与优化，实现模型开发的快速化与实时仿真的高效化，同时兼顾系统模型的精度和实时仿真的置信度。
2、卫星动力学与控制分布式仿真平台体系结构研究
(1)软硬件体系结构研究
研究新概念飞行器动力学实时仿真平台的体系结构，针对实时仿真的特点研究平台中硬件、软件、通信协议等方案。
(2)软硬件设计与实现研究
硬件设计与实现包括平台实时仿真环境的设计，FPGA等实时环境的研制和算法硬件化，以及通信链路的设计等。软件设计与实现包括各种仿真模型、人机界面、仿真管理系统、通信协议、设备驱动程序和实时系统等的设计与实现。
3、仿真数据处理与分析方法
在分布式仿真系统，由于各种模型解算时间不同，导致各模型的积分步长和递推周期难以确定，并且随着接入模型的不断增加，大量的实时数据难以及时得以处理，容易造成仿真系统崩溃，因此需要针对这一情况，研究分布式仿真数据处理与分析方法。
4、卫星动力学与控制分布式仿真平台的构建
仿真平台由六个主要设备组成，分别为网络交换机、STK轨道计算机、姿态和轨道动力学计算机、控制算法计算机、曲线显示计算机和仿真管理计算机。
其中：(1)STK轨道计算机，主要用以显示卫星当前状态，包括姿态、坐标轴和轨道等；(2)动力学仿真计算机，主要运行卫星姿态动力学、轨道动力学和空间环境等模型，完成姿态、轨道和空间环境的仿真；(3)控制算法计算机，主要运行卫星控制模型，完成卫星的姿态确定和控制；(4)仿真管理计算机，主要进行仿真调度管理相关的操作，包括参数设置、参数保存、仿真开始/停止指令等；(5)曲线显示计算机，跟踪显示仿真平台中各种参数，包括敏感器状态参数、执行机构状态参数、姿态参数和轨道参数等。系统的数据运行流程如图2所示。
Claims (1)
1.一种卫星动力学与控制分布式仿真平台，是由网络交换机、STK轨道计算机、姿态和轨道动力学计算机、控制算法计算机、曲线显示计算机和仿真管理计算机组成，其特征是各计算机之间通过网线连接，并按UDP或TCP/IP协议进行通信；其中：(1)STK轨道计算机，用以显示卫星当前状态，包括姿态、坐标轴和轨道；(2)动力学仿真计算机，运行卫星姿态动力学、轨道动力学和空间环境等模型，完成姿态、轨道和空间环境的仿真；(3)控制算法计算机，运行卫星控制模型，完成卫星的姿态确定和控制；(4)仿真管理计算机，进行仿真调度管理相关的操作，包括参数设置、参数保存、仿真开始/停止指令；(5)曲线显示计算机，跟踪显示仿真平台中各种参数，包括敏感器状态参数、执行机构状态参数、姿态参数和轨道参数。
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