CN104102216B - 一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统及其方法在配置上具有相当程度柔性，能根据小卫星设计研制不同阶段的需求调整系统结构，为多种不同侧重点的应用提供适合其需求的配置和组成。一方面可利用仿真技术构建测试对象，形成支持控制测试系统开发的模拟验证环境，构建支持关键技术原理样机测试和性能评估的试验验证环境，可在星上部分设备没有到位的情况下，提供相应的模拟设备来完成其他部件的测试工作，提高小卫星研制过程的并行程度；另一方面也能促进仿真技术在小卫星研制过程中更加系统化的应用，将仿真应用的成果在各研制阶段实现共享，提升小卫星的研制设计水平，改进现有小卫星研制的系统工程过程，提高研制效率、缩短周期。

Description

一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统及其方法，属于卫星测试技术领域。

背景技术

测试技术和仿真技术作为小卫星研制系统工程中不可或缺的检查、验证和辅助设计手段，在小卫星的研制过程中发挥着重要的作用。同任何工程项目一样，小卫星在研制过程中自始至终离不开大量的测试工作，为了验证小卫星的各项性能和功能是否满足设计要求，为了在试验中获取定性、定量数据并进行处理和评估，均需进行测试，测试所得的数据和分析结果是研究和改进设计的依据。仿真技术同样是支持小卫星研制的一个重要手段，利用仿真所具有的可控性、安全性、无破坏性、不受环境条件限制并可多次重复进行等特点，能够验证小卫星的设计方案、评价设计性能，仿真结果同样可以作为改进设计的参考依据。

由于仿真技术本身具备验证的功能，因此与现有的测试技术具备相当程度的可交融性，这就为仿真与测试一体化技术的应用提供了内在需求。一是在卫星各组成部件尚未研制出来、还不可能提供测试前，利用仿真模拟设备同测试设备相连，以便事先验证地面测试系统的功能是否正确；二是在小卫星整星综合测试期间，由于某些部件未到位，提供对这些部件的仿真模拟，从而配合对整星的测试。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统及其方法，一方面可以利用仿真技术构建测试对象，形成支持控制测试系统开发的模拟验证环境，构建支持关键技术原理样机测试和性能评估的试验验证环境，能够在星上部分设备没有到位的情况下，提供相应的模拟设备，实现部分设备“有无”状态不定的情况下仍能完成其他部件的测试工作，提高小卫星研制过程的并行程度，及早发现问题，协调相关方面尽早解决，从而提高研制效率、有效缩短卫星研制周期；另一方面，也能够改善目前仿真技术在小卫星研制过程中缺乏系统性应用的现状，最终提升小卫星的研制和设计水平，改进和提高现有小卫星研制的系统工程过程。

本发明的技术解决方案是：一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统，包括执行机构模拟器、敏感器模拟器、卫星动力学仿真模型、第一传输层、第二传输层、执行机构信号调理和采集模块、敏感器信号源、输入接口、输出接口、人机交互接口模块、星地接口适配器；

小卫星被测控制系统包括被测控制器、被测执行机构、被测敏感器；

人机交互接口模块，选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态，供选择的运行状态包括系统正常状态和系统部件故障仿真状态；当选择的运行状态为系统正常状态时，执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器，人机交互接口模块设置卫星初始姿态信息和轨道信息、被测敏感器特征参数、仿真运行时间；当选择的运行状态为系统部件故障仿真状态时，要进行故障仿真的执行机构只能使用执行机构模拟器，要进行故障仿真的敏感器只能使用敏感器模拟器，不进行故障仿真的执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，不进行故障仿真的敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器，人机交互接口模块设置卫星初始姿态信息和轨道信息、被测敏感器特征参数、仿真运行时间、要进行故障仿真执行机构的执行机构工作信息数据、要进行故障仿真敏感器的敏感器测量数据；

卫星动力学仿真模型，接收人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息，并发送给第二传输层和输出接口，卫星动力学仿真模型根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，进行轨道计算、地磁场计算和运动学计算，计算得到执行机构作用在卫星上的力和力矩以及在这些力和力矩作用下卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

第二传输层，当运行状态为系统正常状态时，根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息进行仿真计算，输出敏感器模拟器能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；当运行状态为系统部件故障仿真状态时，第二传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真敏感器的敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；

输出接口，根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息进行仿真计算，输出敏感器信号源能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器信号源；

敏感器模拟器，接收第二传输层送来的敏感器测量数据，转换成敏感器测量信号，该测量信号的物理电性信号形式与小卫星上被测敏感器相同；

敏感器信号源，接收输出接口送来的敏感器测量数据，转换成被测敏感器的激励信号；

星地接口适配器，当敏感器使用敏感器模拟器时，把敏感器测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，被测控制器根据敏感器测量信号进行卫星姿态确定和控制律计算，输出执行机构控制指令信号；当敏感器使用被测敏感器时，把被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测敏感器，被测敏感器的激励信号激励被测敏感器的处理线路以产生姿态数据，被测控制器接收被测敏感器处理线路送来的姿态数据并根据该姿态数据进行卫星姿态确定和控制律计算，输出执行机构控制指令信号；当执行机构使用执行机构模拟器时，把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构根据被测控制器输出的执行机构控制指令信号进行工作并产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块；执行机构模拟器，根据预存的执行机构数学模型以及执行机构控制指令信号进行仿真计算并产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层；

第一传输层，当运行状态为系统正常状态时，将执行机构模拟器输出的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；当运行状态为系统部件故障仿真状态时：第一传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真执行机构的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；

执行机构信号调理和采集模块，将执行机构工作信息进行光电隔离、电平转换后进行采集，并将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口；

输入接口，将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型。

一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化方法，步骤如下：

当运行状态为系统正常状态时：

(1)卫星动力学仿真模型将人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

(2)第二传输层根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息输出敏感器模拟器能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；输出接口输出敏感器信号源能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器信号源；

(3)敏感器模拟器接收第二传输层送来的敏感器测量数据，并转换成敏感器测量信号；敏感器信号源接收输出接口送来的敏感器测量数据，并转换成被测敏感器的激励信号；

(4)当敏感器使用敏感器模拟器时，星地接口适配器把敏感器测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，被测控制器根据敏感器测量信号输出执行机构控制指令信号；当敏感器使用被测敏感器时，星地接口适配器把被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测敏感器，被测敏感器的激励信号激励被测敏感器处理线路产生姿态数据，被测控制器接收被测敏感器处理线路送来的姿态数据并根据该姿态数据输出执行机构控制指令信号；

(5)当执行机构使用执行机构模拟器时，星地接口适配器把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器，执行机构模拟器产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块，执行机构信号调理和采集模块将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口；

(6)第一传输层和输入接口将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；

(7)卫星动力学仿真模型根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，算出卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

(8)返回步骤(2)，直到达到人机交互接口模块设置的仿真运行时间。

当运行状态为系统部件故障仿真状态时：

(1)卫星动力学仿真模型将人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

(2)第二传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真敏感器的敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；输出接口输出敏感器信号源能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器信号源；

(3)敏感器模拟器接收第二传输层送来的敏感器测量数据，并转换成敏感器测量信号；敏感器信号源接收输出接口送来的敏感器测量数据，并转换成被测敏感器的激励信号；

(4)当敏感器使用敏感器模拟器时，星地接口适配器把敏感器测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，被测控制器根据敏感器测量信号输出执行机构控制指令信号；当敏感器使用被测敏感器时，星地接口适配器把被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测敏感器，被测敏感器的激励信号激励被测敏感器处理线路产生姿态数据，被测控制器接收被测敏感器处理线路送来的姿态数据并根据该姿态数据输出执行机构控制指令信号；

(5)当执行机构使用执行机构模拟器时，星地接口适配器把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器，执行机构模拟器产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块，执行机构信号调理和采集模块将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口；

(6)第一传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真执行机构的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；输入接口将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；

(7)卫星动力学仿真模型根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，算出卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口。

(8)返回步骤(2)，直到达到人机交互接口模块设置的仿真运行时间。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明设计的仿真与测试一体化系统在配置上具有相当程度的柔性，能根据小卫星设计研制不同阶段的需求调整系统结构，为多种不同侧重点的应用提供适合其需求的不同配置和组成，使小卫星控制系统的仿真和测试环境具备一个通用、可扩展、灵活的体系架构，提高了研制和设计效率，降低了系统开发和维护成本。

(2)通过传输层、输入接口、输出接口的设计，使一体化系统更加模块化，便于系统维护和修改，只需更改软件模块便可适应不同小卫星平台控制系统的测试需求，有利于测试系统的通用，且利用传输层的设计简单方便地实现了部件故障仿真功能；通过执行机构信号调理和采集模块的设计，实现星地信号的隔离和电平转换功能，既保证了星上设备的安全，又统一了信号接口形式。

(3)构建小卫星控制系统仿真与测试一体化系统，可以利用仿真技术构建测试对象，形成支持控制测试系统开发的模拟验证环境，构建支持关键技术原理样机测试和性能评估的试验验证环境，能够在星上部分设备没有到位的情况下，提供相应的模拟设备，实现部分设备“有无”状态不定的情况下仍能完成其他部件的测试工作，提高小卫星研制过程的并行程度，及早发现问题，协调相关方面尽早解决，从而提高研制效率、有效缩短卫星研制周期。

(4)构建小卫星控制系统仿真与测试一体化系统，能够促进仿真技术在小卫星研制过程中更加系统化的应用，将仿真应用的成果在各研制阶段实现共享，提升小卫星的研制和设计水平，改进现有小卫星研制的系统工程过程，为形成批量小卫星生产能力提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述：

如图1所示，本发明一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统按照功能模块划分可分为执行机构模拟器、敏感器模拟器、卫星动力学仿真模型、第一传输层、第二传输层、执行机构信号调理和采集模块、敏感器信号源、输入接口、输出接口、人机交互接口模块、星地接口适配器。

小卫星被测控制系统包括被测控制器、被测执行机构、被测敏感器。小卫星配置的执行机构一般包括飞轮、帆板驱动装置、磁力矩器、推进子系统；小卫星配置的敏感器一般包括陀螺、红外地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器。

人机交互接口模块选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态，供选择的运行状态包括系统正常状态和系统部件故障仿真状态。当选择的运行状态为系统正常状态时，执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器，人机交互接口模块设置卫星初始姿态信息和轨道信息、被测敏感器特征参数、仿真运行时间；当选择的运行状态为系统部件故障仿真状态时，要进行故障仿真的执行机构只能使用执行机构模拟器，要进行故障仿真的敏感器只能使用敏感器模拟器，不进行故障仿真的执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，不进行故障仿真的敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器，人机交互接口模块设置卫星初始姿态信息和轨道信息、被测敏感器特征参数、仿真运行时间、要进行故障仿真的执行机构的执行机构工作信息数据、要进行故障仿真的敏感器的敏感器测量数据。

卫星动力学仿真模型接收人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息，并发送给第二传输层和输出接口；根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，进行轨道计算、地磁场计算和运动学计算，算出执行机构作用在卫星上的力和力矩以及在这些力和力矩作用下卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口。

当运行状态为系统正常状态时：第二传输层根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息进行仿真计算，输出敏感器模拟器能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；当运行状态为系统部件故障仿真状态时：第二传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真的敏感器的敏感器测量数据发送给敏感器模拟器。

输出接口根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息进行仿真计算，输出敏感器信号源能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器信号源。

敏感器模拟器接收第二传输层送来的敏感器测量数据，转换成敏感器测量信号，该测量信号的物理电性信号形式与小卫星上被测敏感器相同。

敏感器信号源接收输出接口送来的敏感器测量数据，转换成被测敏感器的激励信号。

当敏感器使用敏感器模拟器时，星地接口适配器把敏感器测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，被测控制器根据敏感器测量信号进行卫星姿态确定和控制律计算，输出执行机构控制指令信号；当敏感器使用被测敏感器时，星地接口适配器把被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测敏感器，被测敏感器的激励信号激励被测敏感器的处理线路以产生姿态数据，被测控制器接收被测敏感器处理线路送来的姿态数据并根据该姿态数据进行卫星姿态确定和控制律计算，输出执行机构控制指令信号。

当执行机构使用执行机构模拟器时，星地接口适配器把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构根据被测控制器输出的执行机构控制指令信号进行工作并产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块。

执行机构模拟器根据预存的执行机构数学模型以及执行机构控制指令信号进行仿真计算并产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层。

当运行状态为系统正常状态时：第一传输层将执行机构模拟器输出的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；当运行状态为系统部件故障仿真状态时：第一传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真的执行机构的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型。

执行机构信号调理和采集模块将执行机构工作信息进行光电隔离、电平转换后进行采集，并将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口。

输入接口将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型。

小卫星控制系统仿真与测试一体化系统在小卫星研制过程中的作用如下所述。

1)方案设计阶段。

通过人机交互接口模块选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态为系统正常状态，执行机构使用执行机构模拟器，敏感器使用敏感器模拟器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器。执行机构模拟器、敏感器模拟器提供和小卫星控制系统中的被测执行机构、被测敏感器一致的物理电性信号形式，构建支持关键技术原理样机测试和性能评估的试验验证环境，支持对小卫星控制系统方案的选择和设计性能评估。

2)分系统研制阶段。

a.通过人机交互接口模块选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态为系统正常状态，执行机构使用执行机构模拟器，敏感器使用敏感器模拟器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器。利用执行机构模拟器、敏感器模拟器来模拟被测控制系统部件，为地面控制测试系统的研制提供虚拟的被测对象，从而为地面控制测试系统的开发和调试提供验证环境，这样不但能够完成对地面测试系统软硬件的调试，而且能够完成在轨测试软件的正确性和可操作性验证工作，避免了使用星上设备所可能造成的损害。

b.通过人机交互接口模块选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态为系统正常状态，部分到位的执行机构使用被测执行机构，部分未到位的执行机构使用执行机构模拟器，部分到位的敏感器使用被测敏感器，部分未到位的敏感器使用敏感器模拟器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器。能够在部分设备没有到位的情况下，提供相应的模拟设备，实现部分设备“有无”状态不定的情况下仍能完成其他部件的分系统测试工作。

c.通过人机交互接口模块选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态为系统部件故障仿真状态，要进行故障仿真的执行机构使用执行机构模拟器，要进行故障仿真的敏感器使用敏感器模拟器，不进行故障仿真的执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，不进行故障仿真的敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器。通过模拟仿真小卫星控制系统中的执行机构、敏感器可能出现的故障状态，具体故障类型按小卫星平台飞控预案中的故障进行模拟，能够对故障处理对策的有效性和正确性进行研究和评估。

3)整星电测阶段。

通过人机交互接口模块选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态为系统正常状态，部分完成总装的执行机构使用被测执行机构，部分未完成总装的执行机构使用执行机构模拟器，部分完成总装的敏感器使用被测敏感器，部分未完成总装的敏感器使用敏感器模拟器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器。这样，一体化系统即可以支持对小卫星控制系统的渐进式测试，也即在控制系统仅有部分设备完成总装的情况下，通过执行机构模拟器或敏感器模拟器对其他空缺设备的模拟，能够与已有的星上设备协同运行，仿真出控制系统的正常工作状态，构造出一个“完整”的被测控制系统，这样就可以及早开始综合测试。在测试过程中，随着设备的研制进展，随时可以在设备研制出来后，替换相应的仿真模拟器，增加星上设备的参与，构成渐进式的测试过程，直至全部设备到位，完成对控制系统的全部综合测试工作。

下面挑选其中应用于小卫星控制系统陀螺部件故障仿真的典型应用配置情况进行介绍。

通过人机交互接口模块选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态为系统部件故障仿真状态，要进行故障仿真的陀螺部件使用陀螺模拟器，不进行故障仿真的执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，不进行故障仿真的敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器。

通过人机交互接口模块设置卫星初始姿态信息和轨道信息，此信息按照卫星与火箭分离入轨后的初始值进行设置。

通过人机交互接口模块设置仿真运行时间，此处设置记为N。

通过人机交互接口模块设置陀螺敏感器的特征参数，特征参数包括陀螺输入轴在卫星上的安装向量、陀螺的角速度脉冲当量。例如，某卫星配置六个单自由度速率积分陀螺，每个陀螺输入轴在卫星上的安装向量即为其输入轴与卫星本体三轴夹角的方向余弦，六个陀螺的安装向量即为一个6*3的安装矩阵，陀螺的角速度脉冲当量根据具体使用的陀螺技术指标进行设置。

通过人机交互接口模块设置要进行故障仿真的敏感器测量数据。陀螺模拟器接收的陀螺测量数据可以按照故障仿真的具体类型进行设置，故障仿真的类型包括输出数据为常值故障、输出数据跳动故障、输出含漂移故障。当卫星处于在轨自由飞行中时，陀螺处于失重状态，这时与运动加速度有关的漂移系数对陀螺的输出不产生任何影响，单自由度速率积分陀螺的测量模型可简化为：

ω_g＝ω_I+D_F+ε

式中，ω_g为陀螺输出的角速度；

ω_I为卫星相对于惯性空间的角速度沿陀螺输入轴的分量；

D_F为陀螺的常值漂移；

ε为陀螺的随机漂移；

输出数据为常值故障可设置ω_I为常值，输出数据跳动故障可设置ω_I为随机值，输出含常值漂移故障可设置D_F的数值，输出含随机漂移故障可设置ε的数值，使得陀螺输出的角速度含常值漂移和随机漂移。

通过星地接口适配器设置陀螺模拟器输出的敏感器测量信号与被测控制系统中的被测控制器连接；不进行故障仿真的敏感器按照使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，通过星地接口适配器设置敏感器测量信号或被测敏感器的激励信号与被测控制器或被测敏感器连接；不进行故障仿真的执行机构按照使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，通过星地接口适配器设置被测控制器输出的执行机构控制指令信号或被测执行机构输出的执行机构工作信息与执行机构模拟器或执行机构信号调理和采集模块连接。

设置和连接完毕之后，仿真与测试一体化系统开始运行。

(1)卫星动力学仿真模型将人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口。

(2)当运行状态为系统正常状态时，第二传输层根据被测敏感器特征参数(此处即为陀螺输入轴在卫星上的安装向量、陀螺的角速度脉冲当量)、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息(此处即为卫星相对于惯性空间的角速度)、预存的敏感器测量模型(此处即为陀螺的测量模型)进行仿真计算，将卫星相对于惯性空间的角速度根据陀螺的安装矩阵分解到每个陀螺上，得出卫星相对于惯性空间的角速度沿每个陀螺输入轴的分量(ω_I)，不加入陀螺漂移的情况下，即为每个陀螺输出的角速度(ω_g)，除以陀螺的角速度脉冲当量后即得出每个陀螺的单一周期的正负脉冲增量，第二传输层将每个陀螺的单一周期的正负脉冲增量作为陀螺测量数据发送给陀螺模拟器。由于运行状态选择为系统部件故障仿真状态，第二传输层不再进行上述计算，直接将人机交互接口模块设置的陀螺测量数据发送给陀螺模拟器。第二传输层和输出接口对不进行故障仿真的敏感器执行正常仿真计算操作和敏感器测量数据发送操作。

(3)陀螺模拟器接收第二传输层送来的陀螺测量数据，转换成陀螺测量信号，将陀螺的单一周期的正负脉冲增量通过硬件实现为两路脉冲信号。如模拟6个陀螺，则需要12路角速率积分脉冲信号，输出的脉冲信号在仿真周期内均匀分布，物理电性信号形式与小卫星上被测敏感器相同：脉冲信号输出阻抗≤10KΩ，脉宽8～16μs，高电平9.5V～12V，低电平小于1V，另外还需通过硬件模拟陀螺油温、马达电流等模拟量信息。不进行故障仿真的敏感器由敏感器模拟器或敏感器信号源将敏感器测量数据转换成敏感器测量信号或被测敏感器的激励信号。

(4)星地接口适配器把陀螺加减速脉冲、陀螺油温、马达电流等陀螺测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，星地接口适配器把不进行故障仿真的敏感器测量信号或被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测控制器或被测敏感器；被测控制器根据陀螺加减速脉冲以及不进行故障仿真的敏感器测量信号或被测敏感器处理线路送来的姿态数据进行卫星姿态确定和控制律计算并输出执行机构控制指令信号。

(5)当执行机构使用执行机构模拟器时，星地接口适配器把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器，执行机构模拟器产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块，执行机构信号调理和采集模块将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口。

(6)第一传输层和输入接口将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型。

(7)卫星动力学仿真模型根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，算出卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口。

(8)返回步骤(2)，直到达到人机交互接口模块设置的仿真运行时间N。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化系统，其特征在于：包括执行机构模拟器、敏感器模拟器、卫星动力学仿真模型、第一传输层、第二传输层、执行机构信号调理和采集模块、敏感器信号源、输入接口、输出接口、人机交互接口模块、星地接口适配器；

小卫星被测控制系统包括被测控制器、被测执行机构、被测敏感器；

人机交互接口模块，选择小卫星控制系统仿真与测试一体化系统的运行状态，供选择的运行状态包括系统正常状态和系统部件故障仿真状态；当选择的运行状态为系统正常状态时，执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器，人机交互接口模块设置卫星初始姿态信息和轨道信息、被测敏感器特征参数、仿真运行时间；当选择的运行状态为系统部件故障仿真状态时，要进行故障仿真的执行机构只能使用执行机构模拟器，要进行故障仿真的敏感器只能使用敏感器模拟器，不进行故障仿真的执行机构使用执行机构模拟器或小卫星被测控制系统中的被测执行机构，不进行故障仿真的敏感器使用敏感器模拟器或小卫星被测控制系统中的被测敏感器，控制器使用小卫星被测控制系统中的被测控制器，人机交互接口模块设置卫星初始姿态信息和轨道信息、被测敏感器特征参数、仿真运行时间、要进行故障仿真执行机构的执行机构工作信息数据、要进行故障仿真敏感器的敏感器测量数据；

卫星动力学仿真模型，接收人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息，并发送给第二传输层和输出接口，卫星动力学仿真模型根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，进行轨道计算、地磁场计算和运动学计算，计算得到执行机构作用在卫星上的力和力矩以及在这些力和力矩作用下卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

第二传输层，当运行状态为系统正常状态时，根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息进行仿真计算，输出敏感器模拟器能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；当运行状态为系统部件故障仿真状态时，第二传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真敏感器的敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；

输出接口，根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息进行仿真计算，输出敏感器信号源能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器信号源；

敏感器模拟器，接收第二传输层送来的敏感器测量数据，转换成敏感器测量信号，该测量信号的物理电性信号形式与小卫星上被测敏感器相同；

敏感器信号源，接收输出接口送来的敏感器测量数据，转换成被测敏感器的激励信号；

星地接口适配器，当敏感器使用敏感器模拟器时，把敏感器测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，被测控制器根据敏感器测量信号进行卫星姿态确定和控制律计算，输出执行机构控制指令信号；当敏感器使用被测敏感器时，把被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测敏感器，被测敏感器的激励信号激励被测敏感器的处理线路以产生姿态数据，被测控制器接收被测敏感器处理线路送来的姿态数据并根据该姿态数据进行卫星姿态确定和控制律计算，输出执行机构控制指令信号；当执行机构使用执行机构模拟器时，把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构根据被测控制器输出的执行机构控制指令信号进行工作并产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块；执行机构模拟器，根据预存的执行机构数学模型以及执行机构控制指令信号进行仿真计算并产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层；

第一传输层，当运行状态为系统正常状态时，将执行机构模拟器输出的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；当运行状态为系统部件故障仿真状态时：第一传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真执行机构的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；

执行机构信号调理和采集模块，将执行机构工作信息进行光电隔离、电平转换后进行采集，并将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口；

输入接口，将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型。

2.一种基于过程的小卫星控制系统仿真与测试一体化方法，其特征在于步骤如下：

当运行状态为系统正常状态时：

(1)卫星动力学仿真模型将人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

(2)第二传输层根据预存的敏感器测量模型以及人机交互接口模块设置的被测敏感器特征参数、卫星动力学仿真模型输出的卫星姿态信息和轨道信息输出敏感器模拟器能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；输出接口输出敏感器信号源能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器信号源；

(3)敏感器模拟器接收第二传输层送来的敏感器测量数据，并转换成敏感器测量信号；敏感器信号源接收输出接口送来的敏感器测量数据，并转换成被测敏感器的激励信号；

(4)当敏感器使用敏感器模拟器时，星地接口适配器把敏感器测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，被测控制器根据敏感器测量信号输出执行机构控制指令信号；当敏感器使用被测敏感器时，星地接口适配器把被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测敏感器，被测敏感器的激励信号激励被测敏感器处理线路产生姿态数据，被测控制器接收被测敏感器处理线路送来的姿态数据并根据该姿态数据输出执行机构控制指令信号；

(5)当执行机构使用执行机构模拟器时，星地接口适配器把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器，执行机构模拟器产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块，执行机构信号调理和采集模块将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口；

(6)第一传输层和输入接口将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；

(7)卫星动力学仿真模型根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，算出卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

(8)返回步骤(2)，直到达到人机交互接口模块设置的仿真运行时间；

当运行状态为系统部件故障仿真状态时：

(a)卫星动力学仿真模型将人机交互接口模块设置的卫星初始姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

(b)第二传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真敏感器的敏感器测量数据发送给敏感器模拟器；输出接口输出敏感器信号源能识别的敏感器测量数据，并将敏感器测量数据发送给敏感器信号源；

(c)敏感器模拟器接收第二传输层送来的敏感器测量数据，并转换成敏感器测量信号；敏感器信号源接收输出接口送来的敏感器测量数据，并转换成被测敏感器的激励信号；

(d)当敏感器使用敏感器模拟器时，星地接口适配器把敏感器测量信号送至被测控制系统中的被测控制器，被测控制器根据敏感器测量信号输出执行机构控制指令信号；当敏感器使用被测敏感器时，星地接口适配器把被测敏感器的激励信号送至被测控制系统中的被测敏感器，被测敏感器的激励信号激励被测敏感器处理线路产生姿态数据，被测控制器接收被测敏感器处理线路送来的姿态数据并根据该姿态数据输出执行机构控制指令信号；

(e)当执行机构使用执行机构模拟器时，星地接口适配器把执行机构控制指令信号发送给执行机构模拟器，执行机构模拟器产生执行机构工作信息数据，并将执行机构工作信息数据发送给第一传输层；当执行机构使用被测执行机构时，被测执行机构产生执行机构工作信息，星地接口适配器把执行机构工作信息发送给执行机构信号调理和采集模块，执行机构信号调理和采集模块将采集到的执行机构工作信息数据发送给输入接口；

(f)第一传输层将人机交互接口模块设置的要进行故障仿真执行机构的执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；输入接口将执行机构工作信息数据发送给卫星动力学仿真模型；

(g)卫星动力学仿真模型根据第一传输层和输入接口送来的执行机构工作信息数据，算出卫星新的姿态信息和轨道信息，再将得到的卫星新的姿态信息和轨道信息发送给第二传输层和输出接口；

(h)返回步骤(b)，直到达到人机交互接口模块设置的仿真运行时间。