CN103235157B - 一种两种类型陀螺信息融合地面验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两种类型陀螺信息融合地面验证系统，包括：转台测试系统和闭环测试系统，所述转台测试系统包括高精度转台和转台计算机，所述高精度转台用于对安装于其上的陀螺施加转台输入角速度；所述转台计算机用于采集转台输入角速度和所述陀螺输出的角速度测量值，从而获得不同类型陀螺的动态响应模型；所述闭环测试系统包括敏感器、控制器、执行机构、动力学模拟器和测试判读单元。本发明的系统能够模拟在轨时陀螺真实测量性能，实现了对不同类型陀螺信息融合的地面验证。

Description

一种两种类型陀螺信息融合地面验证系统

技术领域

本发明涉及一种两种类型陀螺信息融合地面验证系统。

背景技术

目前，航天器根据任务的高可靠性和长寿命的需要，控制系统多选用不同类型的陀螺进行组合，不同类型的陀螺在空间应用时一般采用相同种类的陀螺为一组，另一相同种类的陀螺为另一组，形成“3+3”或是“3+6”等组合安装方式，互为备份。

如果每组同类型的陀螺能够参与姿态角速度测量的数量少于三个时，将无法求解航天器的姿态角速度，此时，需要使用不同类型的陀螺联合求解航天器姿态角速度；星上进行自主陀螺故障诊断时，也需要使用不同类型的陀螺联合求解平衡方程选择适合的陀螺定姿。

由于不同类型陀螺测量原理的差异，其动态性能不一致，有时甚至相差很大，现有地面闭环试验技术直接利用陀螺地检接口（电流、串口）发送动力学方程计算得出的陀螺激励，未考虑不同类型陀螺的动态响应差异，无法模拟在轨时陀螺真实测量性能，不能充分地验证不同类型陀螺联合定姿和故障诊断算法的正确性、有效性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种两种类型陀螺信息融合地面验证系统，能够模拟在轨时陀螺真实测量性能，实现了对不同类型陀螺信息融合的地面验证。

本发明的技术解决方案是：

一种两种类型陀螺信息融合地面验证系统，包括：转台测试系统和闭环测试系统，

所述转台测试系统用于获得两种类型陀螺的动态响应模型；所述转台测试系统包括转台和转台计算机，所述转台用于对安装于其上的陀螺施加输入角速度；所述转台计算机用于采集转台输入角速度和所述陀螺输出的角速度测量值，从而获得两种类型陀螺的动态响应模型；

所述闭环测试系统包括敏感器、控制器、执行机构、动力学模拟器和测试判读单元；所述敏感器包括两种类型陀螺；所述转台测试系统将获得的两种类型陀螺的动态响应模型存入所述闭环测试系统的动力学模拟器；

所述动力学模拟器用于模拟星体在空间的动力学和运动学特性，所述动力学模拟器根据执行机构输出的控制力矩计算星体的模拟角速度，然后根据两种类型陀螺的动态响应模型对所述星体的模拟角速度进行动态响应补偿获得两种类型陀螺的激励；所述两种类型陀螺根据各自类型陀螺的激励分别输出敏感信号，所述控制器根据所述敏感信号产生控制所述执行机构的执行指令；所述执行机构根据所述执行指令输出控制力矩；所述测试判读单元用于进行测试判读。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明首次在系统级使用转台对各类型陀螺进行多频带的角速度测试，拟合出陀螺的幅频和相频曲线，利用测试的各个频率点的幅度衰减和相位延迟得出每个类型陀螺产品的动态响应模型。在地面动力学与星上控制软件联合闭环测试中，需要将动力学计算得出的陀螺理论测量值经地检接口激励陀螺，现有方法直接将理论测量值发送给陀螺，本验证系统在各类型陀螺激励送出前通过动力学模拟器增加动态响应补偿，引入经实测建立的陀螺动态模型。实现了对陀螺在轨姿态测量状态的真实模拟。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为陀螺的幅频和相频响应曲线。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，本发明的两种类型陀螺信息融合地面验证系统，包括：转台测试系统和闭环测试系统，所述转台测试系统用于获得两种类型陀螺的动态响应模型；所述转台测试系统包括转台和转台计算机，所述转台用于对安装于其上的陀螺施加输入角速度；所述转台计算机用于采集转台输入角速度和所述陀螺输出的角速度测量值，从而获得两种类型陀螺的动态响应模型；

所述闭环测试系统包括敏感器、控制器、执行机构、动力学模拟器和测试判读单元；所述敏感器包括两种类型陀螺；所述转台测试系统将获得的两种类型陀螺的动态响应模型存入所述闭环测试系统的动力学模拟器；

所述动力学模拟器用于模拟星体在空间的动力学和运动学特性，所述动力学模拟器根据执行机构输出的控制力矩计算星体的模拟角速度，然后根据两种类型陀螺的动态响应模型对所述星体的模拟角速度进行动态响应补偿获得两种类型陀螺的激励；所述两种类型陀螺根据各自类型陀螺的激励分别输出敏感信号，所述控制器根据所述敏感信号产生控制所述执行机构的执行指令；所述执行机构根据所述执行指令输出控制力矩；所述测试判读单元根据控制器输出的姿态测量估计数据和动力学模拟器输出的被控对象动力学数据对星体姿态测量和控制的有效性进行判读。

采用本发明两种类型陀螺信息融合地面验证系统对陀螺信息融合进行地面验证，需要分为三个阶段。在第一个阶段中，首先搭建试验平台；在第二个阶段中，利用搭建的试验平台获取并建立每个陀螺的动态模型；在第三个阶段中，将建立的不同类型陀螺的动态模型进行闭环测试，完成地面验证。

为实现上述三个阶段，本发明两种类型陀螺信息融合地面验证系统包括高精度转台系统和闭环测试系统。

在第一阶段，需要分别搭建该高精度转台系统和闭环测试系统。其中，高精度转台系统包括高精度转台和转台控制计算机，该系统主要用于陀螺性能测试和动态响应模型的建立。闭环测试系统由控制器、各类敏感器（含陀螺）、执行机构、动力学模拟器、测试判读单元等组成，主要用于试验陀螺动态响应对GNC系统的影响。

在第二阶段，利用上述搭建的高精度转台系统获取并建立不同类型陀螺的动态模型。

陀螺的动态响应模型可以简化为一阶线性系统：

$G\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{Ts}+1}$

其中，1/T为陀螺动态响应频率。

依次将每个陀螺用工装固定在高精度转台上，陀螺输入轴与转台转轴重合，在全频带内对陀螺的动态响应进行测试。转台输入角速度信号采样正弦信号：

x=A sinωt

其中，A为输入信号幅值，ω为输入信号频率。

通过转台计算机采集转台角速度和陀螺输出的角速度测量值，可以得出陀螺对于此正弦信号的动态响应为：

$y=\frac{A}{\sqrt{1+T^2{\mathrm{\ω}}^2}}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{arctg\ωT})$

其中，为幅频特性，arctgωT为相频特性。

通过给转台输入多种不同频率正弦信号，拟合出陀螺的幅频曲线和相频曲线，A类型陀螺的特性曲线如图2所示，从而建立每个类型陀螺的动态响应模型，经上述方法确定A类型陀螺响应频率在100Hz左右，B类型陀螺响应频率在10Hz左右。

第三步将动态模型引入闭环测试系统获得陀螺激励，并实现地面验证。

现有的地面动力学与星上控制软件联合闭环测试中，需要将动力学计算得出的陀螺理论测量值经地检接口激励陀螺，本发明的地面验证系统在陀螺激励送出前通过动力学模拟器增加动态响应补偿，具体公式如下：

$g=\frac{1}{\mathrm{Ts}+1}{V}_g\widehat{\mathrm{\ω}}$

其中，g为陀螺激励，V_g为陀螺安装向量，为星体的模拟角速度，由动力学模拟器根据执行机构输出的控制力矩计算。

通过动态响应特性的引入，更加真实模拟陀螺在轨状态，进一步分析陀螺动态特性对GNC系统故障诊断、控制精度和稳定度等的影响。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种两种类型陀螺信息融合地面验证系统，其特征在于，包括转台测试系统和闭环测试系统，

所述转台测试系统用于获得两种类型陀螺的动态响应模型；所述转台测试系统包括转台和转台计算机，所述转台用于对安装于其上的陀螺施加输入角速度；所述转台计算机用于采集转台输入角速度和所述陀螺输出的角速度测量值，从而获得两种类型陀螺的动态响应模型；

所述闭环测试系统包括敏感器、控制器、执行机构、动力学模拟器和测试判读单元；所述敏感器包括两种类型陀螺；所述转台测试系统将获得的两种类型陀螺的动态响应模型存入所述闭环测试系统的动力学模拟器；

所述动力学模拟器用于模拟星体在空间的动力学和运动学特性，所述动力学模拟器根据执行机构输出的控制力矩计算星体的模拟角速度，然后根据两种类型陀螺的动态响应模型对所述星体的模拟角速度进行动态响应补偿获得两种类型陀螺的激励；所述两种类型陀螺根据各自类型陀螺的激励分别输出敏感信号，所述控制器根据所述敏感信号产生控制所述执行机构的执行指令；所述执行机构根据所述执行指令输出控制力矩；所述测试判读单元根据控制器输出的姿态测量估计数据和动力学模拟器输出的被控对象动力学数据对星体姿态测量和控制的有效性进行判读。