CN104199312A - 卫星控制系统地面仿真开发装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星控制系统地面仿真开发装置，包括两台无风扇工控机、两台无线路由器、数字管理计算机和三轴气浮台，三轴气浮台安装在地基上，数字管理计算机、第一无风扇工控机和第一无线路由器安装在三轴气浮台上，地面管理计算机、第二无风扇工控机和第二无线路由器安装在地基上，无线传输通道接收台下光电自准直仪、激光跟踪仪的测角信息和台上陀螺仪输出的姿态角和角速度测量信息，进行模拟卫星设备的联合定姿，随之在试验过程中根据姿态设定的目标值，按照台上第一无风扇工控机中的控制规律给出控制指令，进而驱动三轴气浮台的冷气喷气系统或飞轮系统进行模拟卫星姿态闭环控制。本发明原理简单、方便实用、降低了开发成本。

Description

卫星控制系统地面仿真开发装置

技术领域

本发明涉及仿真技术，具体涉及一种卫星控制系统地面仿真开发装置。

背景技术

卫星技术在一个国家的政治、军事、经济活动中具有无可替代的重要性，卫星技术的提高体现在各种高技术含量卫星型号的不断更新换代上，然而卫星的研制过程具有工程实现复杂、周期长、费用昂贵等特点，因此在卫星的研制过程中，需利用有效手段缩短卫星的研制周期，降低总体研制成本，这便需要卫星的仿真技术来提供支持。

目前，对卫星控制系统的仿真主要分为三类：数学仿真、半物理仿真和全物理仿真。其中可信度最高、最具有说服力的是全物理仿真试验。其核心设备是三轴气浮台，依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。仿真实践证明，基于气浮台的全物理仿真可以完全模拟卫星在外层空间运动学和动力学特性，可有效验证卫星系统的部分方案设计或整个卫星系统的正确性与可靠性，具有重要作用。

经文献检索，刘慎钊在论文“卫星控制系统仿真”(见《系统仿真学报》，1995年，第7卷2期，页码19-25)从理论上介绍了卫星控制系统仿真在卫星研制中的地位，并叙述了几种卫星地面仿真的方法、特点、作用及其基本设备，但并没有给出具体的实施开发措施，难以工程应用。

中国发明专利(申请号200910155796.7)名称“小卫星姿态控制地面仿真装置及方法”公开了一种小卫星姿态控制地面仿真装置及方法，主要用于满足多种型号卫星的半物理仿真需求，但该专利不适用与全物理仿真。

中国发明专利(申请号201310547891.8)名称“一种毫秒级卫星姿态轨道控制实时测试方法”公开了一种毫秒级卫星姿态轨道控制测试方法，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，但该方法基于Windows+RTX系统框架开发测试程序，编程技术水平要求高，开发周期长，不适合卫星控制系统的快速原型开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星控制系统地面仿真开发装置。本装置原理简单、操作方便、成本低、容易工程实现。

本发明的目的是这样实现的：一种卫星控制系统地面仿真开发装置，包括两台无风扇工控机、两台无线路由器、数字管理计算机和三轴气浮台，三轴气浮台安装在地基上，三轴气浮台的台下安装有光电自准直仪、激光跟踪仪，其台上安装有陀螺仪，数字管理计算机、第一无风扇工控机和第一无线路由器安装在三轴气浮台上，地面管理计算机、第二无风扇工控机和第二无线路由器安装在地基上，每台无风扇工控机安装有xPC启动盘、MIL-STD-1553B卡、232/422串口卡和网卡；陀螺仪、数字管理计算机、第一无风扇工控机分别与第一无线路由器连接，光电自准直仪、激光跟踪仪、地面管理计算机、第二无风扇工控机分别与第二无线路由器连接，第一无线路由器与第二无线路由器无线信号连接，第一无风扇工控机通过无线传输通道接收台下光电自准直仪和激光跟踪仪的测角信息以及台上陀螺仪输出的姿态角和角速度测量信息，进行模拟卫星设备的联合定姿，随之在试验过程中根据姿态设定的目标值，按照台上第一无风扇工控机中的控制规律给出控制指令，进而驱动三轴气浮台的冷气喷气系统或飞轮系统进行模拟卫星姿态闭环控制；台上运行数据将通过无线传输通道送至台下第二无风扇工控机，台下第二无风扇工控机完成数据保存、显示及数据处理功能。

本发明还具有如下技术特征：卫星控制系统地面仿真控制程序利用MathWorks公司提供的基于RTW体系的xPC Target实时控制系统，采用Simulink模块、Stateflow模型和M文件编写程序接收并处理台下光电自准直仪、激光跟踪仪的测角信息和台上陀螺仪输出的姿态角和角速度测量信息；编写斜开关线喷气控制算法，利用232/422串口卡读写模块发送控制指令给三轴气浮台的喷气线路盒，进行控制喷气装置完成模拟卫星姿态闭环控制。

本发明卫星控制系统地面仿真开发装置可实现基于xPC Target的系统快速控制原型开发，具有很强的灵活性；控制程序无需修改可直接下载运行，系统采用模块化设计，便于扩展；具有良好的信息管理机制，利用MIL-STD-1553B卡收集台上数管仿真数据，将打包数据通过无线中继通道传输到台下无风扇工控机存储显示。本装置原理简单、方便实用、便于工程实施，极大的缩减了卫星控制系统地面仿真装置的开发时间，降低了开发成本。

附图说明

图1为本发明卫星控制系统地面仿真开发装置控制框图；

图2为本发明卫星控制系统地面仿真开发装置硬件架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1

结合图1-图2，本发明卫星控制系统地面仿真开发装置，包括台上无风扇工控机1、台下无风扇工控机8、台上xPC启动盘2、台下xPC启动盘14、台上无线路由器3、台下无线路由器4、台上MIL-STD-1553B卡5、台下MIL-STD-1553B卡11、台上232/422串口卡7、台下232/422串口卡13、台上网卡6、台下网卡12、地面管理计算机9、台上数字管理计算机10、电缆和配套软件；三轴气浮台的台下安装有光电自准直仪、激光跟踪仪，其台上安装有陀螺仪，无风扇工控机有两组，需分别固定放置在三轴气浮台台上、台下，并与两组分别安装在三轴气浮台台上、台下的无线路由器通过网线连接；台上MIL-STD-1553B卡5、台上232/422串口卡7、台上网卡6安装在台上无风扇工控机1的PCI插槽中；台下MIL-STD-1553B卡11、台下232/422串口卡13、台下网卡12安装在台下无风扇工控机8的PCI插槽中；台上无风扇工控机1连接台上xPC启动盘2、台上无线路由器3、台上MIL-STD-1553B卡5、台上网卡6、台上232/422串口卡7、台上数字管理计算机10，台上无线路由器3无线中继连接台下无线路由器4、台下无风扇工控机8连接台下无线路由器4、地面管理计算机9、台下MIL-STD-1553B卡11、台下网卡12、台下232/422串口卡13、台下xPC启动盘14。本发明卫星控制系统地面仿真开发装置是基于xPC的快速原型开发；控制程序无需修改可直接下载运行，系统采用模块化设计，便于扩展；具有良好的信息管理机制，利用MIL-STD-1553B卡收集台上数管仿真数据，将打包数据通过无线传输通道传输到台下无风扇工控机存储显示。本装置原理简单、方便实用、便于工程实施，极大的缩减了卫星控制系统地面仿真装置的开发时间，降低了开发成本。

实施例2

运行本发明的卫星控制系统地面仿真开发装置的步骤如下：

步骤一：分别启动台上、台下无风扇工控机，台上、台下无线路由器等设备，打开三轴气浮台台上、台下指令数据无线传输通路；

步骤二：编辑卫星控制系统地面仿真控制程序，下载到台上无风扇工控机、台下无风扇工控机；

步骤三：启动卫星控制系统地面仿真控制程序，地面仿真模拟卫星控制系统，完成运行数据的存储、显示以及分析处理。

实施例3

结合图1、图2，本发明的工作原理是这样的：首先假定台上、台下无线传输通道已经打开，各单体设备、有效载荷已正确安装。台上无风扇工控机通过无线传输通道接收台下光电自准直仪、激光跟踪仪的测角信息以及台上陀螺输出的姿态角和角速度信息，进行卫星等设备的联合定姿，随之在试验过程中根据姿态设定的目标值，按照台上无风扇工控机中的控制规律给出控制指令，进而驱动冷气喷气系统或飞轮系统进行卫星姿态闭环控制。在试验过程中，台上运行数据将通过无线传输通道送至台下无风扇工控机，台下无风扇工控机可完成数据保存、显示及数据处理等功能。

实施例4

由于三轴气浮台在进行全物理仿真试验时不能用电缆连接台上、台下的设备，因此台上、台下的信息交流均需采用无线通信。结合图1、图2，打开台上、台下指令数据无线传输通路的方法：首先需按照无线路由器中继功能设置规则，将台上无线路由器设置为无线基站(AP)模式，台下无线路由器设置为无线中继模式，使得台下无线路由器在台下与台上无线路由器中继，然后用网线连接无风扇工控机与对应无线路由器的LAN口，即成功打开了台上、台下信息无线传输通道，用于仿真试验时台上、台下信息的交互；同时，台上、台下无线路由器仍具有无线路由功能，既可用于台下xPC宿主机上传注入程序指令到台上无风扇工控机、台下无风扇工控机，控制台上、台下无风扇工控机的启停等功能；也可用于其它地面管理计算机通过无线路由功能发送控制指令到台上管理设备，保证卫星地面仿真试验的顺利实施；该无线传输通路在保证台上、台下信息实时通讯的基础上，仍可根据实际任务需求任意更改数据通信协议，使得信息无线传输达到最佳性能。

实施例5

结合图1、图2，以喷气控制为例，利用MathWorks公司提供的基于RTW体系的xPC Target实时控制系统，采用Simulink模块、Stateflow模型、M文件编写程序接收并处理陀螺、光管、激光跟踪仪等测量设备的姿态角和角速度测量信息；按照图1所示控制思想，编写斜开关线喷气控制算法(实际设计时不限于此算法)，利用232/422串口卡读写模块发送控制指令给喷气线路盒，进行控制喷气装置完成卫星姿态闭环控制；利用UDP模块和Ethernet模块搭建数据无线传输子程序，将台下无风扇工控机的控制指令无线上传到台上无风扇工控机，将仿真运行过程中的台上运行数据通过无线传输通道下传到台下无风扇工控机。卫星控制系统地面仿真控制程序开发完成后，可用Real-Time Workshop和Stateflow Coder自动生成代码，下载到对应的无风扇工控机，用于完成期望的卫星控制地面仿真任务。

实施例6

程序运行过程中，台上无风扇工控机可将实时运行数据、MIL-STD-1553B卡收集的数管、有效载荷等发送的数据，通过无线传输通道下传到台下无风扇工控机，完成数据的保存、显示等功能，同时台下无风扇工控机也可通过MIL-STD-1553B卡将数据传输到地面管理计算机等其他子系统，用于后续数据处理为卫星控制系统开发提供参考依据。

Claims (2)

1.一种卫星控制系统地面仿真开发装置，包括两台无风扇工控机、两台无线路由器、数字管理计算机和三轴气浮台，三轴气浮台安装在地基上，三轴气浮台的台下安装有光电自准直仪、激光跟踪仪，其台上安装有陀螺仪，其特征在于：数字管理计算机、第一无风扇工控机和第一无线路由器安装在三轴气浮台上，地面管理计算机、第二无风扇工控机和第二无线路由器安装在地基上，每台无风扇工控机安装有xPC启动盘、MIL-STD-1553B卡、232/422串口卡和网卡；陀螺仪、数字管理计算机、第一无风扇工控机分别与第一无线路由器连接，光电自准直仪、激光跟踪仪、地面管理计算机、第二无风扇工控机分别与第二无线路由器连接，第一无线路由器与第二无线路由器无线信号连接，第一无风扇工控机通过无线传输通道接收台下光电自准直仪和激光跟踪仪的测角信息以及台上陀螺仪输出的姿态角和角速度测量信息，进行模拟卫星设备的联合定姿，随之在试验过程中根据姿态设定的目标值，按照台上第一无风扇工控机中的控制规律给出控制指令，进而驱动三轴气浮台的冷气喷气系统或飞轮系统进行模拟卫星姿态闭环控制；台上运行数据将通过无线传输通道送至台下第二无风扇工控机，台下第二无风扇工控机完成数据保存、显示及数据处理功能。

2.根据权利要求1所述的一种卫星控制系统地面仿真开发装置，其特征在于：卫星控制系统地面仿真控制程序利用MathWorks公司提供的基于RTW体系的xPC Target实时控制系统，采用Simulink模块、Stateflow模型和M文件编写程序接收并处理台下光电自准直仪、激光跟踪仪的测角信息和台上陀螺仪输出的姿态角和角速度测量信息；编写斜开关线喷气控制算法，利用232/422串口卡读写模块发送控制指令给三轴气浮台的喷气线路盒，进行控制喷气装置完成模拟卫星姿态闭环控制。