CN103616884A - 一种毫秒级卫星姿态轨道控制实时测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种毫秒级卫星姿态轨道控制实时测试方法，首先创建Windows+RTX的系统框架，建立Windows与RTX信息交互的共享内存；其次，采用PCI设备板卡的实时性驱动程序，实现执行机构控制量信息的毫秒级采集；然后，实时迭代获得姿轨控动力学运动学；最后，在RTX环境下，通过PCI设备板卡的实时性驱动，将敏感器信号实时发送到星上的相应敏感器设备上，并利用同步事件机制，使Windows进行界面更新。本方法提升了地面测试设备信号流的实时性操作问题，解决了高性能姿轨控制系统卫星对地面测试设备的实时性需求问题。

Description

一种毫秒级卫星姿态轨道控制实时测试方法

技术领域

本发明属于航空航天控制领域，涉及测试设备的实时控制信号流操作问题。 

背景技术

中法海洋卫星（CFOSAT-1）、地磁电测卫星ZH-1星采用CAST2000平台方案。CAST2000现有的测试系统的执行周期为0.25甚至1秒，显然不能提供实时性的运行环境，直接导致系统中，控制系统方案的指标不能在测试中实现。这既降低了方案设计的可靠性，也降低了方案设计的可信度，即不能在技术总体这一环节拿出有效的数据来证实、验证方案设计。此外，众多研新型号任务星上控制系统实时性的改善，对测试系统同样提出了实时性改进的要求。为完成新型号任务的测试工作，也提高测试系统的实时性。地面测试系统的非实时性问题已成为制约平台测试工作、提升性能的瓶颈。 

现有的卫星姿态轨道控制实时测试系统，是基于嵌入式VxWorks系统实现的。这种实现方式的本质是传统的上下位机的设计构架：下位机负责实时操作，上位机负责人机交互，并通过上下位机的通讯机制，实现系统设计。嵌入式的实时测试系统设计，避免不了复杂的信息通讯交互机制，同时，下位机需要专门的操作和人员维护，培训、学习及运作的投入比较大，而且，上、下两台计算机设计中涉及的复杂的、分布式的应用程序、可靠性及平均故障率等一系列问题，都亟待解决。 

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种毫秒级卫星姿态轨道控制实时测试方法，解决了RTX系统下，PCI设备板卡的最底层信号流的实时交互问题，使系统实时性能得以显著提升，进而保证了Windows+RTX的姿轨控地面测试设备的毫秒级实现。 

本发明的技术解决方案是：一种毫秒级卫星姿态轨道控制实时测试方法，步骤如下： 

1）建立Windows非实时人机交互界面及RTX实时操作环境，同时创建用于Windows与RTX间信息交互的共享内存空间； 

2）在Windows非实时人机交互界面下，设置姿态轨道控制地面测试系统的仿真初值，并将仿真初值通过共享内存传至RTX实时系统环境下； 

3）在RTX实时系统环境下，对PCI设备卡的进行初始化操作； 

4）在RTX实时系统环境下，建立基于毫秒级实时定时器的周期性执行操作；在每个周期性执行操作中，接收并判断星箭分离信号，如果判断星箭分离信号无效，则结束本定时周期内的执行操作，如果判断星箭分离信号有效，则进入步骤5）； 

5）在RTX实时系统环境下，利用PCI设备板卡的实时性驱动程序，对卫星上推力器脉宽、动量轮转速信息进行毫秒级采集，并获取卫星控制力与控制力矩； 

6）在RTX实时系统环境下，根据步骤5）获得的卫星控制力与控制力矩，进行姿态轨道控制的动力学与运动学的迭代，并获得卫星姿态测量敏感器、卫星角速度测量敏感器的实时信息； 

7）在RTX实时系统环境下，利用PCI设备板卡的实时性驱动程序，将步骤6）获得的卫星姿态测量敏感器、卫星角速度测量敏感器的实时信息发送至卫星上的姿态轨道控制计算机； 

8）在RTX实时系统环境下，将步骤6）获得的卫星姿态测量敏感器、卫星角速度测量敏感器的实时信息写入Windows与RTX的共享内存空间，同时判断本周期是否是事件触发周期：如果本周期不是事件触发周期，RTX结束本毫秒周期的仿真任务，并等待下个实时周期；如果本周期是事件触发周期，RTX实时系统利用同步事件机制，使Windows进行界面更新；所述的事件触发周期根据Windows界面更新所占用的时间确定。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

1.利用RTX提供的一系列输入输出函数，直接实现对I/O端口与内存的操作，这种避开Windows的影响而采用直接访问的形式，极大地提升了卫星姿轨控测试设备对PCI板卡的利用效率，大大降低访问周期。 

2.RTX通过调用自主封装的底层函数，即可实现对PCI设备卡的访问： 

即解决了RTX系统下，PCI设备板卡的最底层信号流的实时交互问题，使得Windows+RTX的姿轨控地面测试设备毫秒级设计实现成为可能。 

3.由于PCI设备卡的驱动与PCI卡一一对应，因此，本发明设计的实时性驱动程序，具有良好的通用特性，很容易推广至采用同种硬件配置构建下的其他卫星测试设备的实时性研发设计中。 

4.采用Windows+RTX的毫秒级姿轨控地面测试设备，具有与一般工业控制实现相似的信号流操作，因此，很容易推广至配备相同PCI设备板卡的一般工控设备的实时性研发工作中。 

5.以PCI设备卡的驱动为技术基础的Windows+RTX高实时性地面测试方法，摒弃了基于Vxworks等一系列传统的上下位机形式的实时系统旧框架，具有低成本、高可靠性、易维护性等优势。 

6.基于Windows+RTX高实时性地面测试方法的星地闭环测试，大幅提升了控制系统的控制精度，使得控制方案涉及的精度指标，能够在控制分系统级测试中得以实现。 

附图说明

图1为RTX环境下PCI设备基地址获取原理； 

图2为Windows2000+RTX的姿轨控实时测试流程原理框图。 

具体实施方式

如图2所示，为本发明卫星姿轨控（姿态轨道控制）实时测试流程原理框图。首先，启动测试系统主程序，建立Windows非实时人机交互界面及RTX实时操作环境，其中所述的RTX实时操作环境为美国Ardence公司开发的实时子 系统，解决了基于Windows的操作系统的硬实时扩展问题。创建用于Windows与RTX间信息交互的共享内存空间；在Windows下，设置系统仿真初值，并将其通过共享内存传至RTX实时系统环境下；在RTX环境下，完成包括PCI设备卡在内的相关系统硬件的初始化工作；RTX设定并启动毫秒级实时定时器，并创建周期性执行函数，等待星箭分离信号：如果判断星箭分离信号无效，则结束本定时周期内周期性函数的执行操作，并在下一个定时周期重新查询星箭分离信号；如果判断星箭分离信号有效，实时系统则利用RTX环境下自主研发的几类PCI设备板卡的实时性驱动程序，进行执行机构控制量信息的毫秒级采集，并完成控制力、控制力矩的计算；然后在RTX环境下实时进行姿轨控动力学运动学的迭代运算，并计算各测量敏感器的实时信息；最后利用RTX环境下自主研发的几类PCI设备板卡的实时性驱动程序，完成实时系统对敏感器数据的毫秒级发送。 

本发明的具体实现过程可通过下述的执行步骤说明。 

1.采用Windows与RTX共同支持的开发环境VC++，建立Windows非实时环境下的人机交互界面以及RTX下的实时操作环境，并利用VC++开辟一块共享内存空间，用于完成Windows非实时环境与RTX实时环境间的信息交互。 

2.在Windows非实时人机交互界面下，设置系统的仿真初值（初始姿态角、初始姿态角速度）与测试系统硬件配置，并将初始设定初值信息通过Windows与RTX间的共享内存传至RTX实时系统环境下。 

3.在RTX实时系统环境下，完成对PCI设备卡的初始化操作工作，具体包括板卡的各种工作模式设定与初始值的设置。 

4.RTX实时系统环境创建基于毫秒级实时定时器的周期性执行操作，并在每个周期性执行操作中，查询星箭分离信号，当星箭分离信号有效时，执行下面的操作。 

5.由于PCI设备板卡厂商提供的接口驱动不支持RTX实时系统，因此，需要 自主开发RTX实时系统环境下于PCI设备板卡的对外接口操作，即实时性驱动程序。其开发过程一般为： 

1）利用图1的步骤在RTX环境下通过扫描计算机总线寻找PCI设备卡的配置空间信息； 

2）根据配置空间信息明确基地址和端口映射方式等信息。 

3）利用RTX实时系统提供的端口操作函数，结合PCI设备卡说明书提供的板卡详细信息明确PCI卡板载各芯片的地址偏移信息与实际作用，进而实现对板卡硬件信号流的输入、输出操作。 

利用PCI设备板卡的实时性驱动程序，RTX实时系统环境可实现对卫星上喷气推力器脉宽、动量轮转速信息的毫秒级采集，经由理论力学原理，可以获得卫星的控制力及控制力矩。 

6.在RTX实时系统环境下，根据步骤5获得的卫星控制力与控制力矩，根据航天器的姿态轨道理论特性，完成姿态轨道控制的动力学与运动学的迭代运算，并根据卫星姿态测量敏感器、卫星角速度测量敏感器的设计原理，计算出各测量敏感器的实时信息。 

7.在RTX实时系统环境下，利用PCI设备板卡的实时性驱动程序，将步骤6计算得到的卫星各测量敏感器的实时信息发送至卫星星上的姿态轨道控制计算机，实现星上控制计算机对测量信息的获取，进而实现姿态轨道控制量的计算。 

8.在RTX实时系统环境下，将步骤6获得的卫星各测量敏感器的实时信息写入Windows与RTX的共享内存空间，同时判断本周期是否是事件触发周期：如果本周期不是事件触发周期，RTX结束本毫秒周期的仿真任务，并等待下个实时周期；如果本周期是事件触发周期，RTX实时系统利用同步事件机制，使Windows进行界面更新；所述的事件触发周期根据Windows界面更新所占用的时间确定。 

图2所示的以PCI设备卡的驱动为技术基础的Windows2000+RTX的姿轨 控实时测试系统的执行操作流程如下： 

1）Windows非实时环境下的操作界面提供了良好的人机交互接口，能实现系统初始星箭分离姿态角、角速度的设定与系统状态（硬件构成）的设置；建立具有Window与RTX信息共享特性的内存空间； 

2）将系统初始条件通过共享内存空间，传递至RTX实时环境下； 

3）RTX实时环境下完成系统仿真初始设置和硬件初始设置操作； 

4）RTX实时环境下，建立以1ms为执行周期的定时器，并在定时器内部，建立以星箭分离信号为标志的周期性循环操作函数，实现每ms对星箭分离信号的查询：如果星箭分离信号有效，则继续执行下述操作，否则，退出周期性循环操作函数，等待下一ms的到来； 

5）RTX实时环境下，利用采集的喷气脉宽和动量轮转速信息，计算卫星的轨道控制力与姿态控制力矩； 

6）在RTX实时系统环境下，根据步骤5）获得的控制力与控制力矩，完成姿态轨道控制的动力学与运动学的迭代运算，即得到卫星当前的姿态角信息与姿态角速度信息，并卫星各测量敏感器的设计原理，结合其在卫星本体的安装特性，获得各测量敏感器的实时信息。 

7）在RTX实时系统环境下，将步骤6）得到的卫星各测量敏感器的实时信息发送至卫星星上的姿态轨道控制计算机。 

8）在RTX实时系统环境下，将步骤6）获得的卫星各测量敏感器的实时信息写入共享内存空间，同时对当前计数器进行判断：如果当前计数器说明为特定的时间点时，将通过事件机制通知Windows从共享内存中都会中间数据，并完成非实时的界面显示更新与数据库的入库操作，如果本周期不是特定的时间点，退出本周期的RTX循环操作。 

9）RTX实时系统环境下以ms为周期的执行操作如此循环，直至测试退出条件成立。 

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。 

Claims (1)

1.一种毫秒级卫星姿态轨道控制实时测试方法，其特征在于步骤如下：

1）建立Windows非实时人机交互界面及RTX实时操作环境，同时创建用于Windows与RTX间信息交互的共享内存空间；

2）在Windows非实时人机交互界面下，设置姿态轨道控制地面测试系统的仿真初值，并将仿真初值通过共享内存传至RTX实时系统环境下；

3）在RTX实时系统环境下，对PCI设备卡的进行初始化操作；

4）在RTX实时系统环境下，建立基于毫秒级实时定时器的周期性执行操作；在每个周期性执行操作中，接收并判断星箭分离信号，如果判断星箭分离信号无效，则结束本定时周期内的执行操作，如果判断星箭分离信号有效，则进入步骤5）；

5）在RTX实时系统环境下，利用PCI设备板卡的实时性驱动程序，对卫星上推力器脉宽、动量轮转速信息进行毫秒级采集，并获取卫星控制力与控制力矩；

6）在RTX实时系统环境下，根据步骤5）获得的卫星控制力与控制力矩，进行姿态轨道控制的动力学与运动学的迭代，并获得卫星姿态测量敏感器、卫星角速度测量敏感器的实时信息；

7）在RTX实时系统环境下，利用PCI设备板卡的实时性驱动程序，将步骤6）获得的卫星姿态测量敏感器、卫星角速度测量敏感器的实时信息发送至卫星上的姿态轨道控制计算机；

8）在RTX实时系统环境下，将步骤6）获得的卫星姿态测量敏感器、卫星角速度测量敏感器的实时信息写入Windows与RTX的共享内存空间，同时判断本周期是否是事件触发周期：如果本周期不是事件触发周期，RTX结束本毫秒周期的仿真任务，并等待下个实时周期；如果本周期是事件触发周期，RTX实时系统利用同步事件机制，使Windows进行界面更新；所述的事件触发周期根据Windows界面更新所占用的时间确定。

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