CN105159144A - 空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统 - Google Patents

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王常虹
李莉
夏红伟
马广程
马长波
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Abstract

本发明提供一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统，包括飞行器动力学/飞行器运动学/飞行器控制系统/飞行器载荷/空间目标模拟装置、综合监控装置，飞行器动力学模拟装置根据飞行器状态信息计算得到飞行器当前位姿数据，并将数据发送给飞行器运动学模拟装置和空间目标模拟装置，飞行器运动学模拟装置按照接收到的指令控制运动模拟机构实现相应位姿的控制，空间目标模拟装置按照接收到的指令实现空间目标的状态复现控制，飞行器载荷模拟装置测量空间目标模拟装置的数据信息并传送给飞行器控制系统模拟装置，飞行器控制系统模拟装置根据测量数据和控制逻辑算法计算控制量并发送给飞行器动力学模拟装置。本发明原理简单、操作方便。

Description

空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统
技术领域
本发明涉及仿真测试技术，具体涉及一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统。
背景技术
空间飞行器一旦发射将难以维修，其特殊的运行环境使其地面仿真试验显得尤为重要，在地面仿真系统的研究中，如何提高其快速响应特性是一个重要的研究问题，如何形成一套通用的开发装置和方法具有重要的研究价值。
经文献检索，厉明、纪勇、贾宏光、续志军等在论文“基于快速仿真原型的飞行器半物理仿真系统”(见《光学精密工程》，2008年，第16卷第10期，页码1949-1955)中设计了基于快速仿真原型技术的大闭环半物理飞行实时仿真系统，通过光纤反射内存网络实现高速互联。
李季苏、牟小刚等在论文“大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统”(见《控制工程》，2001年，第3期，页码22-26)中介绍了一种大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统的组成、技术指标和用途等。
本发明将公开一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发方法及装置，适用于空间飞行器导航制导与控制系统地面仿真系统的设计开发，基于模块化设计思想实现，具有原理简单、便于工程实现等优点。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统，原理简单、响应速度快、容易工程实现。
本发明的目的是这样实现的：一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统，包括飞行器动力学模拟装置(1)、飞行器运动学模拟装置(2)、飞行器控制系统模拟装置(3)、飞行器载荷模拟装置(4)、空间目标模拟装置(5)、综合监控装置(6)，飞行器动力学模拟装置(1)和飞行器运动学模拟装置(2)、飞行器控制系统模拟装置(3)、空间目标模拟装置(5)通过电缆连接，飞行器载荷模拟装置(4)通过电缆与飞行器控制系统模拟装置(3)连接，综合监控装置(6)和飞行器控制系统模拟装置(3)、地面综合监控装置(6)通过电缆进行连接；试验中，飞行器动力学模拟装置(1)根据飞行器的状态信息计算得到飞行器当前应该处于的位姿数据，并将这些数据发送给飞行器运动学模拟装置(2)和空间目标模拟装置(5)，飞行器运动学模拟装置(2)按照接收到的指令控制运动模拟机构实现相应位姿的控制，空间目标模拟装置(5)按照接收到的指令实现空间目标的状态复现控制，飞行器载荷模拟装置(4)测量空间目标模拟装置(5)的数据信息并传送给飞行器控制系统模拟装置(3)，飞行器控制系统模拟装置(3)根据这些测量数据和事先注入的控制逻辑算法计算控制量并发送给飞行器动力学模拟装置(1)，综合监控装置(6)接收其他装置的数据信息进行显示、存储等任务。
本发明还具有以下技术特征：所述的飞行器运动学模拟装置(2)和空间目标模拟装置(5)的控制模块直接采用嵌入式控制模块，直接安装在飞行器运动学模拟装置(2)和空间目标模拟装置(5)的机械平台上，其与飞行器动力学模拟装置(1)、综合监控装置(6)之间通过光纤网络进行信息传输，构建全光纤快速网络，能够满足高动态特性中对快速数据通讯和大批变量传输的需求。
本发明具有原理简单、响应速度快、便于工程实现等优点，该装置方法不仅适用于半物理仿真也适用于全物理仿真。
附图说明
图1为仿真装置原理示意图；
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1，一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发方法及装置，它是由飞行器动力学模拟装置(1)、飞行器运动学模拟装置(2)、飞行器控制系统模拟装置(3)、飞行器载荷模拟装置(4)、空间目标模拟装置(5)、综合监控装置(6)等组成。其中，飞行器动力学模拟装置(1)和飞行器运动学模拟装置(2)、飞行器控制系统模拟装置(3)、空间目标模拟装置(5)通过电缆连接，飞行器载荷模拟装置(4)通过电缆与飞行器控制系统模拟装置(3)连接，综合监控装置(6)和飞行器控制系统模拟装置(3)、地面综合监控装置(6)通过电缆进行连接。
其中，飞行器动力学模拟装置(1)负责实时输出飞行器的动力学数据，对于半物理仿真，飞行器动力学模拟装置(1)由一台计算机实时运算，既可以采用基于xPC的快速原型仿真开发方式，也可以采用飞行器实际使用的机/星载计算机的全物理模拟方式。而在全物理仿真中，飞行器动力学模拟装置(1)可以由气浮台系统实现。
飞行器运动学模拟装置(2)负责实现飞行器的运动学特性，在运动学模拟装置(2)上往往安装飞行器载荷模拟装置(4)，以便实现飞行器载荷模拟装置(4)在空间的运动情况模拟。对于半物理仿真，常常基于多自由度运动模拟系统构建，对于全物理仿真，则常常基于气浮台系统构建。
飞行器控制系统模拟装置(3)根据接收到的系统指令和反馈数据，依据既定的飞行器控制算法计算控制指令。它往往由一台计算机实现。
飞行器载荷模拟装置(4)则是飞行器实际载荷的地面仿真替代品，因为实际载荷可能不适宜于在地面参与试验。
空间目标模拟装置(5)则是在试验中起到模拟飞行器在空间中运行时的一些目标特性，比如热、磁、恒星等，甚至是另一颗飞行器。
综合监控装置(6)就是一个由多台计算机构成的网络，负责接收数据，发送人机交互指令，实现试验数据信息的管理。
实施例2，结合图1，所述的飞行器动力学模拟装置(1)、飞行器运动学模拟装置(2)、飞行器控制系统模拟装置(3)、飞行器载荷模拟装置(4)、空间目标模拟装置(5)、综合监控装置(6)之间通过光纤网络进行信息传输，构建全光纤快速网络，解决系统中的通讯瓶颈问题。
所述的飞行器运动学模拟装置(2)、空间目标模拟装置(5)的控制模块直接采用“嵌入式与背负式”架构，嵌入式控制模块直接就近安装在运动模拟装置的机械平台上，其与飞行器动力学模拟装置(1)、综合监控装置(6)之间通过光纤网络进行信息传输，构建全光纤快速网络，能够满足高动态特性中对快速数据通讯和大批变量传输的需求，解决以往普通架构的信息延迟问题。
试验中，飞行器动力学模拟装置(1)根据飞行器的状态信息计算得到飞行器当前应该处于的位姿数据(如位姿、速度、加速度等)，并将这些数据发送给飞行器运动学模拟装置(2)和空间目标模拟装置(5)，飞行器运动学模拟装置(2)按照接收到的指令控制运动模拟机构实现相应位姿的控制，空间目标模拟装置(5)按照接收到的指令实现空间目标的状态复现控制，飞行器载荷模拟装置(4)测量空间目标模拟装置(5)的数据信息并传送给飞行器控制系统模拟装置(3)，飞行器控制系统模拟装置(3)根据这些测量数据和事先注入的控制逻辑算法计算控制量并发送给飞行器动力学模拟装置(1)。综合监控装置(6)接收其他装置的数据信息进行显示、存储等任务。
实施例2
“嵌入式与背负式”就近控制架构可以有效简化系统结构，通过一根光纤完成信息的传输，与以往机电信息电缆上台的结构相比可以大大提高系统可靠性，同时便于控制优化，是提高系统动态特性的有效手段。
所采用的光纤网络的结构实现各模块之间的高速通讯，解决了以往通讯中的信息延迟问题，系统性能不再因为通讯的问题打折扣，使设计师可以将更多精力放在控制性能的优化提高上，而不再受制于通讯速度。网络根据实际需求既可以采用普通以太网或者基于光纤反射内存卡等构建的光纤高速网络。
实施例3
在半物理仿真中，飞行器动力学模拟装置(1)由一台计算机实时运算，既可以采用基于xPC的快速原型仿真开发方式，也可以采用飞行器实际使用的机/星载计算机的全物理模拟方式。而在全物理仿真中，飞行器动力学模拟装置(1)可以由气浮台系统实现。
实施例4
结合图1，所述的飞行器载荷模拟装置(4)可以根据测试仿真的实际需求安装陀螺、惯组、光电组合或者微波雷达等飞行器实际使用的测量载荷或者使用其模拟设备。

Claims (2)

1.一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统，包括飞行器动力学模拟装置(1)、飞行器运动学模拟装置(2)、飞行器控制系统模拟装置(3)、飞行器载荷模拟装置(4)、空间目标模拟装置(5)和综合监控装置(6)，飞行器动力学模拟装置(1)和飞行器运动学模拟装置(2)、飞行器控制系统模拟装置(3)、空间目标模拟装置(5)通过电缆连接，飞行器载荷模拟装置(4)通过电缆与飞行器控制系统模拟装置(3)连接，综合监控装置(6)和飞行器控制系统模拟装置(3)、地面综合监控装置(6)通过电缆进行连接；试验中，飞行器动力学模拟装置(1)根据飞行器的状态信息计算得到飞行器当前应该处于的位姿数据，并将这些数据发送给飞行器运动学模拟装置(2)和空间目标模拟装置(5)，飞行器运动学模拟装置(2)按照接收到的指令控制运动模拟机构实现相应位姿的控制，空间目标模拟装置(5)按照接收到的指令实现空间目标的状态复现控制，飞行器载荷模拟装置(4)测量空间目标模拟装置(5)的数据信息并传送给飞行器控制系统模拟装置(3)，飞行器控制系统模拟装置(3)根据这些测量数据和事先注入的控制逻辑算法计算控制量并发送给飞行器动力学模拟装置(1)，综合监控装置(6)接收其他装置的数据信息进行显示、存储等任务。
2.根据权利要求1所述的一种空间飞行器控制系统地面仿真高速控制开发系统，其特征在于：所述的飞行器运动学模拟装置(2)和空间目标模拟装置(5)的控制模块直接采用嵌入式控制模块，直接安装在飞行器运动学模拟装置(2)和空间目标模拟装置(5)的机械平台上，其与飞行器动力学模拟装置(1)、综合监控装置(6)之间通过光纤网络进行信息传输，构建全光纤快速网络，能够满足高动态特性中对快速数据通讯和大批变量传输的需求。
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