CN105204373B - 卫星的物理仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星的物理仿真系统，包括：卫星模拟器，卫星模拟器包括气浮舱、服务舱和载荷舱，载荷舱包括摄像装置，摄像装置将拍摄的模拟星板的影像信息发送至服务舱，服务舱用于获取卫星模拟器的运动状态信息，并根据影像信息获取卫星模拟器的姿态信息和位置信息，并向用户发送卫星模拟器的运动状态信息、姿态信息和位置信息，并接收用户的控制信息，以根据用户的控制信息对卫星模拟器的运动状态进行控制，气浮舱用于维持卫星模拟器的悬浮，并驱动卫星模拟器；放置台，位于卫星模拟器的下方；模拟星板，位于卫星模拟器的上方，包括模拟星安装板和模拟星。本发明实施例的系统，能够方便地实现卫星的物理仿真，并且仿真度较高。

Description

卫星的物理仿真系统

技术领域

本发明涉及物理仿真技术领域，特别涉及一种卫星的物理仿真系统。

背景技术

卫星的仿真系统是开展航天器姿态与轨道控制研究的重要工具，能够为研究现代高性能卫星的关键理论与技术问题提供实验条件。同时，卫星的仿真系统能够供学习者进行算法验证，还能够帮助人们了解卫星的运行方式和运行状态，以提高人们对卫星系统的认识。

目前，卫星的仿真大多为数学仿真，例如，通过Simulink(一种可视化仿真工具)等进行仿真。但数学仿真模型与实物差异较大，难以为人们提供直观的卫星模型。相关技术中建立了卫星的物理模型，通过卫星模拟器实现卫星的仿真，但物理模型要么设计复杂，难以实现；要么所模拟的卫星的功能较少，仿真度较低；要么采用嵌入式控制系统，不方便用户使用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种卫星的物理仿真系统，能够方便地实现卫星的物理仿真，并且仿真度较高。

根据本发明实施例的卫星的物理仿真系统，包括：卫星模拟器，所述卫星模拟器包括气浮舱、服务舱和载荷舱，所述载荷舱包括摄像装置，所述摄像装置将拍摄的模拟星板的影像信息发送至所述服务舱，所述服务舱用于获取所述卫星模拟器的运动状态信息，并根据所述影像信息获取所述卫星模拟器的姿态信息和位置信息，并向用户发送所述卫星模拟器的运动状态信息、姿态信息和位置信息，并接收用户的控制信息，以根据所述用户的控制信息对所述卫星模拟器的运动状态进行控制，所述气浮舱用于维持所述卫星模拟器的悬浮，并驱动所述卫星模拟器；放置台，位于所述卫星模拟器的下方；所述模拟星板，位于所述卫星模拟器的上方，包括模拟星安装板和模拟星，其中，所述模拟星为红外灯。

根据本发明实施例的卫星的物理仿真系统，通过卫星模拟器的气浮舱使卫星模拟器处于悬浮状态，并驱动卫星模拟器，通过卫星模拟器的载荷舱、服务舱以及模拟星板获取卫星模拟器的相关信息以发送给用户，并通过服务舱接收用户的控制信息，以对卫星模拟器进行控制，该系统设计简单，易于实现，开放性较高，而且成本较低，能够方便地实现卫星的物理仿真，并且仿真度较高。

另外，根据本发明上述实施例的物理仿真系统还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述气浮舱包括：高压气瓶，用于储存和提供高压气体；气瓶卡箍，用于固定所述高压气瓶；截止阀，与所述高压气瓶相连，作为所述高压气瓶的进出气口；高压减压阀，用于控制所述高压气瓶输出气体的气压；气脚二级减压阀，用于调节气脚喷出气体的气压；冷气推进二级减压阀，用于调节冷气喷嘴喷出气体的气压；气脚电磁阀，用于控制所述气脚的打开和关闭；所述气脚，所述气脚为多个，所述气脚在打开时通过喷出气体维持所述卫星模拟器的悬浮。

进一步地，所述服务舱包括：气容，所述气容为多个，与所述冷气推进二级减压阀相连，同时与多个冷气喷嘴相连，用于稳定所述多个冷气喷嘴喷出气体的气压，同时提供服务舱的结构支撑。

进一步地，所述服务舱还包括：所述多个冷气喷嘴，用于喷出气体以驱动所述卫星模拟器；动力电池，用于为所述卫星模拟器提供电能；MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)加速度计和光纤速率陀螺，用于获取所述卫星模拟器的运动状态信息；综合管理电路板，用于电压转换和端口适配；数据采集卡，用于采集所述卫星模拟器的运动状态信息，并为所述多个冷气喷嘴发送控制信号；动量轮，用于为所述卫星模拟器提供控制力矩。

根据本发明的一个实施例，所述载荷舱还包括：无风扇工控机，所述无风扇工控机包括WLAN(Wireless Local Area Networks，无线局域网)适配器，用于接收所述影像信息，并根据所述影像信息计算出所述卫星模拟器的姿态信息和位置信息，并接收所述用户的控制信息；安装平台，所述安装平台具有标准阵列孔。

进一步地，所述无风扇工控机装载WINDOWS系统，所述系统中的控制程序由LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程工作台)与Simulink混合编程。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的卫星的物理仿真系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的模拟星板的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的卫星模拟器的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的气浮舱的结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的服务舱的结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的载荷舱的结构示意图。

附图标记：

模拟星板1、放置台2、卫星模拟器3；

模拟星安装板201、模拟星202；

气浮舱301、服务舱302、载荷舱303；

高压气瓶401、气瓶卡箍402、截止阀403、高压减压阀404、气脚二级减压阀405、冷气推进二级减压阀406、气脚电磁阀407、气脚408；

气容501、冷气喷嘴502、动力电池503、MEMS加速度计504、光纤速率陀螺505、综合管理电路板506、数据采集卡507、动量轮508；

摄像装置601、无风扇工控机602、安装平台603。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图描述本发明实施例的卫星的物理仿真系统。

需要说明的是，本发明实施例的卫星的物理仿真系统，为三自由度的物理仿真系统。

图1为根据本发明一个实施例的卫星的物理仿真系统的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例的卫星的物理仿真系统，包括：

模拟星板1、放置台2和卫星模拟器3。

其中，模拟星板1位于卫星模拟器3的上方。如图2所示，模拟星板1包括模拟星安装板201和模拟星202，其中，所述模拟星202可为红外灯。

放置台2可为大理石平台，位于卫星模拟器3的下方，用于承载自然放置的卫星模拟器3或支撑悬浮的卫星模拟器3。

如图3所示，卫星模拟器3包括气浮舱301、服务舱302和载荷舱303。本发明实施例以包括一个卫星模拟器的系统进行说明，应当理解，根据仿真的需要，在本发明的其他实施例中，卫星模拟器3可为多个。

其中，载荷舱303包括摄像装置，摄像装置将拍摄的模拟星板1的影像信息发送至服务舱302，服务舱302用于获取卫星模拟器3的运动状态信息，并根据影像信息获取卫星模拟器3的姿态信息和位置信息，并向用户发送卫星模拟器3的运动状态信息、姿态信息和位置信息，并接收用户的控制信息，以根据用户的控制信息对卫星模拟器3的运动状态进行控制，气浮舱301用于维持卫星模拟器3的悬浮，并驱动卫星模拟器3。

具体地，图4为根据本发明一个实施例的气浮舱的结构示意图，如图4所示，气浮舱301可包括：高压气瓶401、气瓶卡箍402、截止阀403、高压减压阀404、气脚二级减压阀405、冷气推进二级减压阀406、气脚电磁阀407以及气脚408。

其中，高压气瓶401用于储存和提供高压气体。在本发明的一个实施例中，可使用两个容量为2L的碳纤维复合材料气瓶作为高压气瓶，并可分别通过两个厚度为0.8mm的气瓶卡箍402固定高压气瓶401，以防止高压气瓶产生移动。两个高压气瓶之间可通过金属气管进行连通。截止阀403与高压气瓶401相连，作为高压气瓶401的进出气口，可打开截止阀403以对高压气瓶401进行充气或释放残余气体。在金属气管的后端弯折处安装有高压减压阀404，可用于控制高压气瓶401输出气体的气压。经高压减压阀404的气体可流向气脚二级减压阀405和冷气推进二级减压阀406，用于分别调节气脚408和服务舱中的多个冷气喷嘴喷出气体的气压。经过气脚二级减压阀405的气体流向气脚电磁阀407，在气脚电磁阀407可控制气脚408的打开和关闭，气脚408在打开时可通过喷出气体维持卫星模拟器3的悬浮。

图5为根据本发明一个实施例的服务舱的结构示意图，如图5所示，服务舱302可包括：气容501、冷气喷嘴502、动力电池503、MEMS加速度计504、光纤速率陀螺505、综合管理电路板506、数据采集卡507以及动量轮508。

其中，气容501可为多个，与冷气推进二级减压阀406相连，同时与多个冷气喷嘴502相连，用于稳定多个冷气喷嘴502喷出气体的气压，同时提供服务舱的结构支撑。

在本发明的一个实施例中，可在服务舱四个侧面分别安装了两个喷气方向相反的冷气喷嘴，每个气容501可为同侧两个冷气喷嘴稳定气压。冷气喷嘴502能够喷出气体以驱动卫星模拟器3。

动力电池503可为卫星模拟器3提供电能，以实现卫星模拟器3内各个装置的控制。

MEMS加速度计504和光纤速率陀螺505可用于获取卫星模拟器3的运动状态信息。在本发明的一个实施例中，可由两个MEMS加速度计获取卫星模拟器3的加速度信息，并可由一个光纤速率陀螺获取卫星模拟器3的角速率信息。数据采集卡507可采集卫星模拟器3的运动状态信息，并为多个冷气喷嘴502发送控制信号。应当理解，可通过调节多个冷气喷嘴502喷出的气压改变卫星模拟器3的速率和加速度。

在服务舱302中，还可通过综合管理电路板506进行电压转换和端口适配，以及通过动量轮508为卫星模拟器3提供控制力矩。在本发明的一个实施例中，综合管理电路板506还可为用户提供功能扩展接口。

图6为根据本发明一个实施例的载荷舱的结构示意图，如图6所示，除摄像装置601外，载荷舱303还可包括无风扇工控机602和安装平台603，

无风扇工控机602可包括WLAN适配器，用于接收摄像装置拍摄的影像信息，并可根据影像信息计算出卫星模拟器3的姿态信息和位置信息，并可接收用户的控制信息，同时无风扇工控机602装载WINDOWS系统，符合用户日常使用习惯，系统中的各控制程序可由LabVIEW与Simulink混合编程，以方便用户对该系统进行调试和改进，具有良好的用户扩展性。无风扇工控机602可通过WLAN适配器接入无线网络，从而能够接收用户通过上位机发送的控制信息，同时能够实现多个卫星模拟器的数据互联。

安装平台603可具有标准阵列孔，使用户能够安装其他定制载荷，如柔性附件，机械臂等，从而能够根据个人需要扩展仿真系统的功能。

在本发明的一个实施例中，摄像装置601可具有红外滤光片，从而能够拍摄到模拟星板1上的模拟星202。应当理解，模拟星202在模拟星安装板201上的分布可具有规律性，从而可根据拍摄的模拟星板1的影像信息判断出卫星模拟器3的姿态信息和位置信息。同时，通过服务舱302中的MEMS加速度计505和光纤速率陀螺506获取到卫星模拟器3的运动状态信息后，卫星模拟器3可将运动状态信息、姿态信息和位置信息发送给用户。用户可根据模拟要求对卫星模拟器3的运动状态信息、姿态信息和位置信息做出改变，因此，用户能够发送控制信息，使服务舱302根据用户的控制信息控制卫星模拟器3的速率和加速度，改变卫星模拟器3的姿态和位置。从而，能够实现卫星的物理仿真。

根据本发明实施例的卫星的物理仿真系统，通过卫星模拟器的气浮舱使卫星模拟器处于悬浮状态，并驱动卫星模拟器，通过卫星模拟器的载荷舱、服务舱以及模拟星板获取卫星模拟器的相关信息以发送给用户，并通过服务舱接收用户的控制信息，以对卫星模拟器进行控制，该系统设计简单，易于实现，开放性较高，而且成本较低，能够方便地实现卫星的物理仿真，并且仿真度较高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种卫星的物理仿真系统，其特征在于，包括：

卫星模拟器，所述卫星模拟器包括气浮舱、服务舱和载荷舱，所述载荷舱包括摄像装置，所述摄像装置将拍摄的模拟星板的影像信息发送至所述服务舱，所述服务舱用于获取所述卫星模拟器的运动状态信息，并根据所述影像信息获取所述卫星模拟器的姿态信息和位置信息，并向用户发送所述卫星模拟器的运动状态信息、姿态信息和位置信息，并接收用户的控制信息，以根据所述用户的控制信息对所述卫星模拟器的运动状态进行控制，所述气浮舱用于维持所述卫星模拟器的悬浮，并驱动所述卫星模拟器；

放置台，位于所述卫星模拟器的下方；

所述模拟星板，位于所述卫星模拟器的上方，包括模拟星安装板和模拟星，其中，所述模拟星为红外灯，其中，模拟星在模拟星安装板上的分布具有规律性，

其中，所述载荷舱还包括：

无风扇工控机，所述无风扇工控机包括WLAN适配器，用于接收所述影像信息，并根据所述影像信息计算出所述卫星模拟器的姿态信息和位置信息，并接收所述用户的控制信息；

安装平台，所述安装平台具有标准阵列孔。

2.根据权利要求1所述的卫星的物理仿真系统，其特征在于，所述气浮舱包括：

高压气瓶，用于储存和提供高压气体；

气瓶卡箍，用于固定所述高压气瓶；

截止阀，与所述高压气瓶相连，作为所述高压气瓶的进出气口；

高压减压阀，用于控制所述高压气瓶输出气体的气压；

气脚二级减压阀，用于调节气脚喷出气体的气压；

冷气推进二级减压阀；

气脚电磁阀，用于控制所述气脚的打开和关闭；

所述气脚，所述气脚为多个，所述气脚在打开时通过喷出气体维持所述卫星模拟器的悬浮。

3.根据权利要求2所述的卫星的物理仿真系统，其特征在于，所述服务舱包括：

气容，所述气容为多个，与所述冷气推进二级减压阀相连，同时与多个冷气喷嘴相连，用于稳定所述多个冷气喷嘴喷出气体的气压，同时提供所述服务舱的结构支撑。

4.根据权利要求3所述的卫星的物理仿真系统，其特征在于，所述服务舱还包括：

所述多个冷气喷嘴，用于喷出气体以驱动所述卫星模拟器；

动力电池，用于为所述卫星模拟器提供电能；

MEMS加速度计和光纤速率陀螺，用于获取所述卫星模拟器的运动状态信息；

综合管理电路板，用于电压转换和端口适配；

数据采集卡，用于采集所述卫星模拟器的运动状态信息，并为所述多个冷气喷嘴发送控制信号；

动量轮，用于为所述卫星模拟器提供控制力矩。

5.根据权利要求1所述的卫星的物理仿真系统，其特征在于，所述无风扇工控机装载WINDOWS系统，所述系统中的控制程序由LabVIEW与Simulink混合编程。