CN103970032A - 卫星平台与机械臂协同仿真模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，包括：GNC模拟器、机械臂模拟器、动力学仿真机、星务遥测模拟器和综合接口箱。可实现卫星平台与机械臂之间的耦合仿真，可分析机械臂运动与平台控制之间的相互影响关系，所得结果较模拟器独立仿真具有更好的可信度；另外，该模拟器中卫星平台和机械臂分系统的相对独立，模拟器间的数据格式与实际卫星系统中的一致，因而可以接入真实的星上计算机，不仅可以验证系统算法的有效性，也可以验证系统设计的可靠性，具有可信度高、可扩展性好、灵活性强的优点。

Description

卫星平台与机械臂协同仿真模拟器

技术领域

本发明属于卫星仿真测试技术领域，具体涉及一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，实现卫星平台与机械臂协同仿真。

背景技术

空间机器人在未来空间任务中具有广阔的应用前景，是一种重要的空间飞行器。由于空间机器人技术复杂、工作环境特殊，地面测试验证是其系统设计中的必需环节，有效的空间机器人地面测试验证方法对于空间机器人系统至关重要。空间机器人主要由卫星平台和机械臂两部分组成，两部分之间的相互作用和影响对空间机器人的特性具有较大影响，是地面仿真测试必须考虑的因素。

目前，国内外在进行空间机器人地面测试验证时，一般有几种(1)全数字仿真方法。该方法的优点是简单、快速、成本低，但系统的接口无法与真实系统一致，无法接入真实系统样机进行仿真，系统的有效性难以充分验证；(2)独立模拟器仿真，针对卫星平台和模拟器分别开展仿真，只能从局部了解分系统的特性，无法考虑空间平台和机械臂之间的动力学耦合关系，不能反映系统的整体特性；(3)气浮台试验，虽然能较为真实的测试系统的有效性，但试验设计系统复杂，试验成本较高，且该方法适用范围较窄，仅能对特定条件下系统情况进行试验。

因此，需要一种能够模拟空间平台与机械臂相互作用影响的可信度高、容易实施和扩展、可接入真实星上计算机的地面验证测试的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器。

目前国内外文献尚未有相关报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，可实现卫星平台与机械臂之间的耦合仿真，仿真具有更好的可信度；而且不仅可以验证系统算法的有效性，也可以验证系统设计的可靠性，具有可信度高、可扩展性好、灵活性强的优点。

本发明所采用的技术方案如下：一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，包括：GNC模拟器、机械臂模拟器、动力学仿真机、星务遥测模拟器和综合接口箱；按照飞行任务流程，卫星平台设置了姿态捕获、对地定向、逼近停靠、机械臂操作和和快速稳定5个任务模式，GNC模拟器预存了每个任务模式的转入条件、姿态和轨道控制算法、每个任务模式下所使用的执行机构列表，执行机构包括飞轮、磁力矩计和推力器，同时也预存了所有执行机构的安装位置、控制力和控制力矩大小信息；

所述的GNC模拟器，用于模拟星载GNC系统的功能；GNC模拟器具体实现如下：

(1)GNC模拟器启动后，首先进入姿态捕获任务模式；在仿真过程中，GNC模拟器采用独立线程监控CAN总线，随时接收由星务遥测模拟器发送的GNC指令；收到GNC指令后，根据指令中包含的任务模式字获取预存的任务模式转入条件，并判断转入条件是否满足；如果满足转入条件，则在下一控制周期开始切换到对应的任务模式，并载入任务模式对应的姿态和轨道控制算法；如果不满足转入条件，则丢弃收到的遥控指令；

(2)GNC模拟器利用模拟器内部时间作为基准进行周期控制，等待时间达到预定控制时间时，开始一个控制周期的仿真；在GNC模拟器的每一控制周期内，首先通过CAN总线采集动力学仿真机发送的卫星状态信息，所述卫星状态信息包括姿态敏感器、交会测量敏感器、机械臂关节状态敏感器的测量信息；所述机械臂关节状态包括关节角度和角速度；

(3)根据当前控制周期的任务模式，确定姿态和轨道控制算法，以卫星状态信息为输入，进行卫星平台姿态和轨道控制计算，求解所需要的控制力和控制力矩；

(4)根据当前控制周期的任务模式，确定卫星执行机构列表，获得执行机构列表中包含的飞轮、磁力矩器和推力器的安装位置、控制力和控制力矩，进行执行机构分配求解，确定需要执行机构列表中各执行机构的开关时间及控制力和力矩大小，将步骤(3)产生的推力和力矩指令转化为飞轮、磁力矩器和推力器的开/关指令和动作电流，即形成执行机构指令，并发送至CAN总线；

(5)按照卫星遥测数据格式，生成GNC状态信息发送至CAN总线，完成本控制周期的仿真，等待内部始终到达下一控制周期预定的控制时间后，开始下一周期的仿真；

所述的机械臂模拟器，用于模拟机械臂任务规划系统的功能；按照飞行任务流程，实际系统设置了多个预先设定的机械臂关节期望动作序列，称为机械臂任务模式；机械臂模拟器预存了机械臂任务模式信息。机械臂模拟器具体实现如下：

(1)在机械臂模拟器每个控制周期，首先从任务模式列表读取下一模式开始时间和任务模式字，如果时间到达模式开始时间，则切换机械臂任务模式至对应的任务模式；

(2)然后从CAN总线接收由动力学仿真机发送的卫星平台位置和姿态、当前机械臂关节状态测量值；根据当前机械臂关节角和角速度，利用机械臂运动学关系，计算得到机械臂位于机械臂末端的手爪在卫星平台坐标系中的相对位置、姿态、速度和角速度；

(3)根据卫星平台的位置和姿态、手爪在卫星平台坐标系中的相对位置和姿态，通过坐标变换，计算当前时刻太阳、手爪以及卫星平台之间的相对位置关系，确定手爪的光照条件；然后根据安装于机械臂手爪的手眼相机的视场角范围、手爪的光照条件，基于Open Scene Graph模拟手眼相机对安装于平台上的手柄成像进行模拟，生成手眼相机模拟图像；利用图像识别算法，对所成图像进行处理，求解得到手爪相对于手柄的相对位置测量值；

(4)机械臂模拟器采用独立线程监控CAN总线，随时接收由星务遥测模拟器发送的机械臂动作指令，并记录指令中包含的任务模式字和任务开始时间，形成任务模式列表；根据当前的机械臂任务模式，从预存的机械臂关节期望动作序列读取本控制周期结束时的期望关节状态；将期望关节状态与当前机械臂的关节状态测量值作差值，得到本控制周期的机械臂关节状态的变化量；将控制周期时间内均匀取若干个时间点，从当前机械臂关节状态测量值到期望关节状态进行插值，得到各时间点的期望关节状态，形成当前控制周期的期望关节状态序列，并发送至CAN总线。

所述动力学仿真机，用于实现卫星平台与机械臂复合动力学计算，轨道动力学、姿态敏感器、交会敏感器和机械臂关节状态敏感器测量仿真，以及机械臂控制过程仿真功能；具体实现如下：

(1)动力学仿真机启动后，首先通过以太网与综合接口箱建立连接，之后开始监控以太网，接收由综合接口箱发送的数据。

(2)接收综合接口箱转发的执行机构指令后，计算飞轮、推力器和磁力矩器的输出力和力矩；

(3)接收综合接口箱转发的本周期机械臂期望关节状态序列后，利用机械臂关节角度测量结果求得误差信息，采用PD控制算法，计算机械臂各关节的控制力矩；

(4)考虑6×6阶摄动项、大气阻力摄动、光压摄动因素计算卫星所受的环境力和力矩，与执行机构输出力和力矩合成，得到卫星所受的外力和外力矩，进行卫星平台轨道动力学计算，生成卫星平台轨道参数；

(5)采用拉格朗日方法建立平台和机械臂复合动力学模型，将卫星所受的外力和外力矩及机械臂各关节控制力矩作为输入，采用8阶龙格-库塔方法进行数值积分求解。由于卫星的姿态控制周期较大，为了提高复合动力学计算的精度，对每个控制周期内分为100步作为动力学计算的积分步长，得到控制周期内各时间点的卫星平台姿态、机械臂关节角和角速度参数；

(6)将卫星平台轨道参数、卫星平台姿态、机械臂关节角和角速度参数输入至轨道动力学、姿态敏感器、交会敏感器和机械臂关节状态敏感器测量模型，计算得到卫星状态信息，按照通讯格式的要求组成数据帧并通过以太网发送至综合接口箱。

所述星务遥测模拟器，用于为仿真模拟器提供用户输入输出界面，实现地面指令的输入和发送，并完成遥测数据的打包存储；具体实现如下：

(1)星务遥测模拟器通过用户界面设置遥控指令输入，当收到新指令后，首先完成遥控指令解析，分析指令的内容和参数，并将指令按照卫星实际遥控指令格式进行打包；

(2)如果是GNC指令，则通过CAN总线发送至GNC模拟器；如果是机械臂动作指令，则通过CAN总线发送至机械臂模拟器；

(3)在仿真过程中，星务遥测模拟器通过轮询方式检测CAN总线的数据，由于CAN总线具有广播特性，因此GNC模拟器、机械臂模拟器和综合接口箱发送的信息都被星务遥测模拟器收到，包括执行机构指令、GNC状态信息、卫星状态信息和期望关节状态序列；星务遥测模拟器收到上述数据后，从中挑选构建遥测数据包需要的数据，并按照星上遥测数据格式进行重新打包，形成遥测数据包存储在星务遥测模拟器硬盘中，用于仿真后查阅；

所述综合接口箱，用于完成所述的动力学仿真机的数据格式转换；它一端连接于CAN总线，通过CAN总线与GNC模拟器、机械臂模拟器及星务遥测模拟器进行数据交换；另一端通过以太网连接于动力学仿真机；综合接口箱启动后，首先监听以太网端口，等待动力学仿真机的连接，建立连接后，通过两个线程分别监听CAN总线和以太网的数据，当收到以太网数据，则按照CAN总线协议进行打包，并发送至CAN总线；当收到CAN总线数据，则按照以太网协议进行打包，通过以太网发送至动力学仿真机。

所述仿真模拟器还包括：网络集线器，所述网络集线器用于连接所述综合接口箱和所述动力学仿真机。

所述星务遥测模拟器采用windows操作系统，具有CAN总线接口。

所述GNC模拟器、机械臂模拟器均采用实时操作系统，具有CAN总线接口。所述综合接口箱采用实时操作系统，具有CAN总线和以太网接口。所述动力学仿真机采用实时操作系统，与所述的综合接口箱之间采用以太网连接，数据符合以太网协议。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，可实现卫星平台与机械臂之间的耦合仿真，分析机械臂运动与平台控制之间的相互影响，所得结果较模拟器独立仿真具有更好的可信性；

(2)本发明该模拟器中卫星平台和机械臂分系统的相对独立性，模拟器间的数据格式又与实际卫星系统中的一致，因而可以接入真实的星上计算机，不仅可以验证系统算法的有效性，也可以验证系统设计的可靠性，具有可信度高、可扩展性好、灵活性强的优点；

(3)本发明综合利用了物理仿真和数学仿真的优点，相比气浮台试验适用范围更广，相比数字仿真可信度更高。

附图说明

图1为本发明卫星平台与机械臂协同仿真模拟器的结构示意图；

图2为本发明中GNC模拟器实现流程图；

图3为本发明中机械臂模拟器实现流程图；

图4为本发明中动力学仿真机实现流程图；

图5为本发明中星务遥测模拟器实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，包括：GNC模拟器、机械臂模拟器、动力学仿真机、星务遥测模拟器和综合接口箱。

下面详细介绍本发明各组成部分的实现过程。

1.GNC模拟器

本发明实施提供的GNC模拟器，主要用于模拟卫星平台GNC系统的功能。GNC模拟器外部接口与真实星上计算机相同，因此可以直接接入星上计算机进行仿真，则整个星上计算机硬件和软件均可以得到测试，既可以反映GNC系统的设计，又可以反映GNC系统的实现，提高了系统的有效性。

GNC模拟器软件可以以星上软件为基础，设计运行在VxWorks系统上，采用C语言进行编码，采用中断方式响应综合接口箱的通讯要求，在中断服务程序中调用CAN总线通讯中断处理函数，完成数据收发。

按照飞行任务流程，卫星平台设置了姿态捕获、对地定向、逼近停靠、机械臂操作和快速稳定5个任务模式，GNC模拟器预存了每个任务模式的转入条件、姿态和轨道控制算法、每个任务模式下所使用的执行机构列表，执行机构包括飞轮、磁力矩计、推力器3类，同时也预存了所有执行机构的安装位置、控制力和控制力矩大小信息。

姿态捕获模式用于卫星平台入轨后快速建立对地姿态。在星箭分离后自动转入姿态捕获模式，无需发送指令。此模式下采用飞轮、推力器组合对卫星平台进行姿态控制，不进行轨道控制。姿态控制算法采用PD控制方法。

对地定向模式用于实现卫星平台的对地三轴稳定控制。姿态捕获模式、快速稳定模式下、逼近停靠模式和机械臂操作模式均可自动转入对地定向模式。此模式下执行机构采用飞轮和磁力矩器组合对卫星平台进行姿态控制，不进行轨道控制。姿态控制算法采用相平面控制方法。

逼近停靠模式用于实现卫星平台对目标卫星的接近过程的轨道和姿态控制。仅当卫星平台处于对地定向模式下时，才可以转入逼近停靠模式。此模式下采用飞轮、推力器组合对卫星平台进行姿态和轨道控制，姿态控制算法采用PD控制方法，轨道控制采用C-W方法。

机械臂操作模式用于机械臂动作期间对卫星平台的姿态控制。仅当卫星平台处于对地定向模式下时，才可以转入机械臂操作模式。此模式下采用推力器对卫星平台进行姿态控制，不进行轨道控制，姿态控制算法采用PD控制方法。

快速稳定模式用于快速消除平台的姿态角和角速度偏差，回到对地定向状态。仅当卫星平台处于对地定向模式下时，才可以转入快速稳定模式。此模式下采用推力器对卫星平台进行姿态控制，不进行轨道控制，姿态控制算法采用滑模控制方法。

如图2所示，GNC模拟器具体实现如下：

(1)GNC模拟器启动后，首先进入姿态捕获任务模式；在仿真过程中，GNC模拟器采用独立线程监控CAN总线，随时接收由星务遥测模拟器发送的GNC指令；收到GNC指令后，根据指令中包含的任务模式字获取预存的任务模式转入条件，并判断转入条件是否满足；如果满足转入条件，则在下一控制周期开始切换到对应的任务模式，并载入任务模式对应的姿态和轨道控制算法；如果不满足转入条件，则丢弃收到的遥控指令；

(2)GNC模拟器利用模拟器内部时间作为基准进行周期控制，等待时间达到预定控制时间时，开始一个控制周期的仿真。在GNC模拟器的每一控制周期内，首先通过CAN总线采集动力学仿真机发送的卫星状态信息，包括姿态敏感器、交会测量敏感器、机械臂关节状态(包括关节角度和角速度)敏感器的测量信息；

(3)根据当前控制周期的任务模式，确定姿态和轨道控制算法，以卫星状态信息为输入，进行卫星平台姿态和轨道控制计算，求解所需要的控制力和控制力矩；

(4)根据当前控制周期的任务模式，确定卫星执行机构列表，获得执行机构列表中包含的飞轮、磁力矩器和推力器的安装位置、控制力和控制力矩，进行执行机构分配求解，确定需要执行机构列表中各执行机构的开关时间及控制力和力矩大小，将步骤(3)产生的推力和力矩指令转化为飞轮、磁力矩器和推力器的开/关指令和动作电流，即形成执行机构指令，并发送至CAN总线，完成本控制周期的仿真，等待内部始终到达下一控制周期预定的控制时间后，开始下一周期的仿真。

2.机械臂模拟器

所述的机械臂模拟器，用于模拟机械臂任务规划系统的功能；机械臂模拟器外部接口与真实星上计算机相同，因此可以直接接入星上计算机进行仿真，则整个星上计算机硬件和软件均可以得到测试，提高了系统的有效性。同时，在系统设计的初期，星上计算机还没有完成之前，可以构建模拟系统进行测试。随着系统设计的进展，模拟系统逐渐完善，直至替换为真实系统。在这个过程中，所有的改变仅涉及机械臂模拟器和综合接口箱，系统其它部分不需要改变，体现了系统具有较好的扩展性。

按照飞行任务流程，实际系统设置了多个预先设定的机械臂关节期望动作序列，称为机械臂任务模式；机械臂模拟器预存了机械臂任务模式信息。

如图3所示，机械臂模拟器具体实现如下：

(1)在机械臂模拟器每个控制周期，首先从任务模式列表读取下一模式开始时间和任务模式字，如果时间到达模式开始时间，则切换机械臂任务模式至对应的任务模式；

(2)然后从CAN总线接收由动力学仿真机发送的卫星平台位置和姿态、当前机械臂关节状态测量值；根据当前机械臂关节角和角速度，利用机械臂运动学关系，计算得到机械臂位于机械臂末端的手爪在卫星平台坐标系中的相对位置、姿态、速度和角速度；

(3)根据卫星平台的位置和姿态、手爪在卫星平台坐标系中的相对位置和姿态，通过坐标变换，计算当前时刻太阳、手爪以及卫星平台之间的相对位置关系，确定手爪的光照条件；然后根据安装于机械臂手爪的手眼相机的视场角范围、手爪的光照条件，基于Open Scene Graph模拟手眼相机对安装于平台上的手柄成像进行模拟，生成手眼相机模拟图像；利用图像识别算法，对所成图像进行处理，求解得到手爪相对于手柄的相对位置测量值；

(4)机械臂模拟器采用独立线程监控CAN总线，随时接收由星务遥测模拟器发送的机械臂动作指令，并记录指令中包含的任务模式字和任务开始时间，形成任务模式列表；根据当前的机械臂任务模式，从预存的机械臂关节期望动作序列读取本控制周期结束时的期望关节状态；将期望关节状态与当前机械臂的关节状态测量值作差值，得到本控制周期的机械臂关节状态的变化量；将控制周期时间内均匀取10个时间点，从当前机械臂关节状态测量值到期望关节状态进行插值，得到各时间点的期望关节状态，形成当前控制周期的期望关节状态序列，并发送至CAN总线。

3.综合接口箱

本发明实施提供的综合接口箱安装以太网卡和多个CAN总线接口卡，内部为实时工控机，系统采用VxWorks实时操作系统。其主要作用为：完成所述的动力学仿真机的数据格式转换；它一端连接于CAN总线，可通过CAN总线与GNC模拟器、机械臂模拟器及星务遥测模拟器进行数据交换；另一端通过以太网连接于动力学仿真机。综合接口箱启动后，首先监听以太网端口，等待动力学仿真机的连接。建立连接后，通过两个线程分别监听CAN总线和以太网的数据，一旦收到以太网数据，则按照CAN总线协议进行打包，并发送至CAN总线。反之一旦收到CAN总线数据，则按照以太网协议进行打包，通过以太网发送至动力学仿真机。

经过综合接口箱的转换，GNC模拟器、机械臂模拟器的接口与各自的星上计算机一致，解决了模拟器之间数据格式匹配问题，降低了模拟器之间的接口和数据耦合，提高了系统的可扩展性。

4.动力学仿真机

本发明实施提供的动力学仿真机，用于实现卫星平台与机械臂复合动力学计算，轨道动力学、姿态敏感器、交会敏感器和机械臂关节状态敏感器测量仿真，以及机械臂控制过程仿真功能。其中复合动力学模块基于多刚体动力学建模，完成卫星平台和机械臂动力学耦合计算，分析机械臂运动和平台姿态运动之间的相互干扰作用，是实现GNC模拟器与机械臂模拟器进行协同仿真的基础。

动力学仿真机设计运行在VxWorks系统上，用C/C++进行编码，实现执行机构模型计算和敏感器模型计算、卫星平台和机械臂复合动力学计算以及机械臂关节控制计算。干扰动力学计算模块建立了空间机器人的拟动力学模型，用于分析机械臂运动产生的干扰力矩。

如图4所示，动力学仿真机具体实现如下：

(1)动力学仿真机启动后，首先通过以太网与综合接口箱建立连接，之后开始监控以太网，接收由综合接口箱发送的数据；

(2)接收综合接口箱转发的执行机构指令后，计算飞轮、推力器和磁力矩器的输出力和力矩；

(3)接收综合接口箱转发的本周期机械臂期望关节状态序列后，利用机械臂关节角度测量结果求得误差信息，采用PD控制算法，计算机械臂各关节的控制力矩；

(4)考虑6×6阶摄动项、大气阻力摄动、光压摄动因素计算卫星所受的环境力和力矩，与执行机构输出力和力矩合成，得到卫星所受的外力和外力矩，进行卫星平台轨道动力学计算，生成卫星平台轨道参数；

(5)采用拉格朗日方法建立平台和机械臂复合动力学模型，将卫星所受的外力和外力矩及机械臂各关节控制力矩作为输入，采用8阶龙格-库塔方法进行数值积分求解。由于卫星的姿态控制周期较大，为了提高复合动力学计算的精度，对每个控制周期内分为100步作为动力学计算的积分步长，得到控制周期内各时间点的卫星平台姿态、机械臂关节角和角速度参数；

(6)将卫星平台轨道参数、卫星平台姿态、机械臂关节角和角速度参数输入至轨道动力学、姿态敏感器、交会敏感器和机械臂关节状态敏感器测量模型，计算得到卫星状态信息，按照通讯格式的要求组成数据帧并通过以太网发送至综合接口箱。

5.星务遥测模拟器

本发明实施提供的星务遥测模拟器的，用于为仿真模拟器提供用户输入输出界面，实现地面指令的输入和发送，并完成遥测数据的打包存储。星务遥测模拟器具有遥控指令输入界面，可以模拟地面遥控指令注入和注入参数指令，并通过CAN总线发送给GNC模拟器和机械手模拟器，控制模拟器的运行流程。

选择NI公司的Labview(Laboratory Virtual instrument Engineering)开发，运行在Windows平台。LabView是一款方便的可视化界面开发工具，其自身可提供多种图形组件，数据通讯和数据库接口，可以方便的开发模拟器监控及数据显示人机交互界面。其编译生成的可执行文件可直接在Windows环境下运行。

如图5所示，星务遥测模拟器具体实现如下：

(1)星务遥测模拟器通过用户界面设置遥控指令输入，当收到新指令后，首先完成遥控指令解析，分析指令的内容和参数，并将指令按照卫星实际遥控指令格式进行打包；

(2)如果是GNC指令，则通过CAN总线发送至GNC模拟器；如果是机械臂动作指令，则通过CAN总线发送至机械臂模拟器；

(3)在仿真过程中，星务遥测模拟器通过轮询方式检测CAN总线的数据，由于CAN总线具有广播特性，因此GNC模拟器、机械臂模拟器和综合接口箱发送的信息都可以被星务遥测模拟器收到，包括执行机构指令、卫星状态信息和期望关节状态序列星务遥测模拟器收到上述数据后，从中挑选构建遥测数据包需要的数据，并按照星上遥测数据格式进行重新打包，形成遥测数据包存储在星务遥测模拟器硬盘中，用于仿真后查阅。

由于现有实际空间机器人系统中，星上计算机是通过CAN总线进行数据通讯的，因此，本实施例提供的星上计算机输入的数据格式以符合CAN协议的数据格式为例进行说明。但需要说明的是，本发明并不局限于此，当星上实际系统间采用其他数据格式，例如：A类数据格式进行通讯时，本发明提供的执行器模拟器中，其输入的数据格式也可以进行相应的变化，凡是符合该种构想的情况均在本发明保护范围之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本发明技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，其特征在于，包括：GNC模拟器、机械臂模拟器、动力学仿真机、星务遥测模拟器和综合接口箱；按照飞行任务流程，卫星平台设置了姿态捕获、对地定向、逼近停靠、机械臂操作和快速稳定5个任务模式，GNC模拟器预存了每个任务模式的转入条件、姿态和轨道控制算法、每个任务模式下所使用的执行机构列表，执行机构包括飞轮、磁力矩计和推力器，同时也预存了所有执行机构的安装位置、控制力和控制力矩大小信息；

所述的GNC模拟器，用于模拟星载GNC系统的功能；GNC模拟器具体实现如下：

(11)GNC模拟器启动后，首先进入姿态捕获任务模式；在仿真过程中，GNC模拟器采用独立线程监控CAN总线，随时接收由星务遥测模拟器发送的GNC指令；收到GNC指令后，根据指令中包含的任务模式字获取预存的任务模式转入条件，并判断转入条件是否满足；如果满足转入条件，则在下一控制周期开始切换到对应的任务模式，并载入任务模式对应的姿态和轨道控制算法；如果不满足转入条件，则丢弃收到的遥控指令；

(12)GNC模拟器利用模拟器内部时间作为基准进行周期控制，等待时间达到预定控制时间时，开始一个控制周期的仿真；在GNC模拟器的每一控制周期内，首先通过CAN总线采集动力学仿真机发送的卫星状态信息，所述卫星状态信息包括姿态敏感器、交会测量敏感器、机械臂关节状态敏感器的测量信息；所述机械臂关节状态包括关节角度和角速度；

(13)根据当前控制周期的任务模式，确定姿态和轨道控制算法，以卫星状态信息为输入，进行卫星平台姿态和轨道控制计算，求解所需要的控制力和控制力矩；

(14)根据当前控制周期的任务模式，确定卫星执行机构列表，获得执行机构列表中包含的飞轮、磁力矩器和推力器的安装位置、控制力和控制力矩，进行执行机构分配求解，确定需要执行机构列表中各执行机构的开关时间及控制力和力矩大小，将步骤(13)产生的推力和力矩指令转化为飞轮、磁力矩器和推力器的开/关指令和动作电流，即形成执行机构指令，并发送至CAN总线；

(15)按照卫星遥测数据格式，生成GNC状态信息发送至CAN总线，完成本控制周期的仿真，等待内部始终到达下一控制周期预定的控制时间后，开始下一周期的仿真；

所述的机械臂模拟器，用于模拟机械臂任务规划系统的功能；按照飞行任务流程，实际系统设置了多个预先设定的机械臂关节期望动作序列，称为机械臂任务模式；机械臂模拟器预存了机械臂任务模式信息。机械臂模拟器具体实现如下：

(21)在机械臂模拟器每个控制周期，首先从任务模式列表读取下一模式开始时间和任务模式字，如果时间到达模式开始时间，则切换机械臂任务模式至对应的任务模式；

(22)然后从CAN总线接收由动力学仿真机发送的卫星平台位置和姿态、当前机械臂关节状态测量值；根据当前机械臂关节角和角速度，利用机械臂运动学关系，计算得到机械臂位于机械臂末端的手爪在卫星平台坐标系中的相对位置、姿态、速度和角速度；

(23)根据卫星平台的位置和姿态、手爪在卫星平台坐标系中的相对位置和姿态，通过坐标变换，计算当前时刻太阳、手爪以及卫星平台之间的相对位置关系，确定手爪的光照条件；然后根据安装于机械臂手爪的手眼相机的视场角范围、手爪的光照条件，基于Open Scene Graph模拟手眼相机对安装于平台上的手柄成像进行模拟，生成手眼相机模拟图像；利用图像识别算法，对所成图像进行处理，求解得到手爪相对于手柄的相对位置测量值；

(24)机械臂模拟器采用独立线程监控CAN总线，随时接收由星务遥测模拟器发送的机械臂动作指令，并记录指令中包含的任务模式字和任务开始时间，形成任务模式列表；根据当前的机械臂任务模式，从预存的机械臂关节期望动作序列读取本控制周期结束时的期望关节状态；将期望关节状态与当前机械臂的关节状态测量值作差值，得到本控制周期的机械臂关节状态的变化量；将控制周期时间内均匀取若干个时间点，从当前机械臂关节状态测量值到期望关节状态进行插值，得到各时间点的期望关节状态，形成当前控制周期的期望关节状态序列，并发送至CAN总线；

所述动力学仿真机，用于实现卫星平台与机械臂复合动力学计算，轨道动力学、姿态敏感器、交会敏感器和机械臂关节状态敏感器测量仿真，以及机械臂控制过程仿真功能；具体实现如下：

(31)动力学仿真机启动后，首先通过以太网与综合接口箱建立连接，之后开始监控以太网，接收由综合接口箱发送的数据；

(32)接收综合接口箱转发的执行机构指令后，计算飞轮、推力器和磁力矩器的输出力和力矩；

(33)接收综合接口箱转发的本周期机械臂期望关节状态序列后，利用机械臂关节角度测量结果求得误差信息，采用PD控制算法，计算机械臂各关节的控制力矩；

(34)考虑6×6阶摄动项、大气阻力摄动、光压摄动因素计算卫星所受的环境力和力矩，与执行机构输出力和力矩合成，得到卫星所受的外力和外力矩，进行卫星平台轨道动力学计算，生成卫星平台轨道参数；

(35)采用拉格朗日方法建立平台和机械臂复合动力学模型，将卫星所受的外力和外力矩及机械臂各关节控制力矩作为输入，采用8阶龙格-库塔方法进行数值积分求解。由于卫星的姿态控制周期较大，为了提高复合动力学计算的精度，对每个控制周期内分为100步作为动力学计算的积分步长，得到控制周期内各时间点的卫星平台姿态、机械臂关节角和角速度参数；

(36)将卫星平台轨道参数、卫星平台姿态、机械臂关节角和角速度参数输入至轨道动力学、姿态敏感器、交会敏感器和机械臂关节状态敏感器测量模型，计算得到卫星状态信息，按照通讯格式的要求组成数据帧并通过以太网发送至综合接口箱；

所述星务遥测模拟器，用于为仿真模拟器提供用户输入输出界面，实现地面指令的输入和发送，并完成遥测数据的打包存储；具体实现如下：

(41)星务遥测模拟器通过用户界面设置遥控指令输入，当收到新指令后，首先完成遥控指令解析，分析指令的内容和参数，并将指令按照卫星实际遥控指令格式进行打包；

(42)如果是GNC指令，则通过CAN总线发送至GNC模拟器；如果是机械臂动作指令，则通过CAN总线发送至机械臂模拟器；

(43)在仿真过程中，星务遥测模拟器通过轮询方式检测CAN总线的数据，由于CAN总线具有广播特性，因此GNC模拟器、机械臂模拟器和综合接口箱发送的信息都被星务遥测模拟器收到，包括执行机构指令、GNC状态信息、卫星状态信息和期望关节状态序列；星务遥测模拟器收到上述数据后，从中挑选构建遥测数据包需要的数据，并按照星上遥测数据格式进行重新打包，形成遥测数据包存储在星务遥测模拟器硬盘中，用于仿真后查阅；

所述综合接口箱，用于完成所述的动力学仿真机的数据格式转换；它一端连接于CAN总线，通过CAN总线与GNC模拟器、机械臂模拟器及星务遥测模拟器进行数据交换；另一端通过以太网连接于动力学仿真机；综合接口箱启动后，首先监听以太网端口，等待动力学仿真机的连接，建立连接后，通过两个线程分别监听CAN总线和以太网的数据，当收到以太网数据，则按照CAN总线协议进行打包，并发送至CAN总线；当收到CAN总线数据，则按照以太网协议进行打包，通过以太网发送至动力学仿真机。

2.根据权利要求1所述的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，其特征在于：所述仿真模拟器还包括：网络集线器，所述网络集线器用于连接所述综合接口箱和所述动力学仿真机。

3.根据权利要求1所述的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，其特征在于：所述星务遥测模拟器采用windows操作系统，具有CAN总线接口。

4.根据权利要求1所述的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，其特征在于：所述GNC模拟器、机械臂模拟器均采用实时操作系统，具有CAN总线接口。

5.根据权利要求1所述的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，其特征在于：所述综合接口箱采用实时操作系统，具有CAN总线和以太网接口。

6.根据权利要求1所述的卫星平台与机械臂协同仿真模拟器，其特征在于，所述动力学仿真机采用实时操作系统，与所述的综合接口箱之间采用以太网连接，数据符合以太网协议。