CN105278348A - 一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，包括工作控制机、航天任务载荷模拟器、实时仿真机和轨道姿态控制综合处理系统；工作控制机上安装并运行LabVIEW和Veristand软件，通过LabVIEW软件进行面向航天器轨道姿态的自定义模块开发；再通过Veristand软件将开发的自定义模块部署到实时仿真机中，完成各模块间输出或输入的数据关联；实时仿真机运行完成数据采集和发送，轨道姿态控制综合处理系统(6)针对航天任务载荷模拟器的任务载荷及半物理仿真的工程要求，依据接收到的实时数据进行轨道和姿态控制量的解算。本发明仿真实时性强、模块化程度高、集成度高，适用于面向航天器轨道姿态的半物理仿真。
Description
技术领域
本发明涉及一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，该系统可用于面向航天器轨道姿态的半物理仿真研究。
背景技术
人类要进行航天活动，就要完成多种多样的航天任务，由于航天领域高技术、高成本和高风险的特征，使得航天任务设计方案的选取相当慎重。仿真是验证设计方案的主要途径和有效方法，因而奠定了其在空间科学技术发展与应用研究中的重要地位。
仿真方法可分为数学仿真,半实物仿真和全物理仿真。半物理仿真是指针对仿真研究内容，将被仿真对象系统的一部分以实物(或物理模型)方式引入仿真回路，被仿真对象系统的其余部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型，借助物理效应模型，进行实时数学仿真与物理仿真的联合仿真。半物理仿真自20世纪60年代被提出后，被美国广泛用于航天技术，导弹制导等军事领域。21世纪开始，美国更是将发展“合成仿真环境”作为国际科技发展的7个科技推动领域之一。美国大多数主要的航天和国防承包商都有一个或多个半实物仿真试验室，这些实验室代表了当前世界先进水平。
从20年代80年代开始，我国研制了一批大规模的半物理仿真系统，但随着航天任务结构复杂度的不断提升，对半物理仿真系统提出了面向航天器轨道姿态进行仿真，以及高运行可靠性和低运行成本的要求。目前用于航天领域的半物理仿真系统多是针对某一特定航天任务进行开发，通过定制系统部件组合而成，存在模块化程度低、开发成本高、可扩展性差、重复利用率低等缺点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种系统部件模块化程度高、可视化程度高、能够混合编程开发的面向航天器轨道姿态的半物理仿真系统。
本发明的技术解决方案是：一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，包括：工作控制机(1)、航天任务载荷模拟器(4)、实时仿真机(5)和轨道姿态控制综合处理系统(6)；工作控制机(1)上安装并运行LabVIEW(1-1)和Veristand(1-2)软件，通过LabVIEW(1-1)软件进行航天器轨道姿态自定义模块的开发，自定义模块包括轨道和姿态模块、通信模块；再通过Veristand(1-2)软件将开发的自定义模块部署到实时仿真机(5)中，完成各模块间输出或输入的数据关联；实时仿真机(5)运行轨道和姿态模块、通信模块，完成数据采集和发送，其中轨道和姿态模块进行航天器轨道姿态的实时解算，并通过通信模块将实时数据传输至轨道姿态控制综合处理系统(6)；轨道姿态控制综合处理系统(6)针对航天任务载荷模拟器(4)的任务载荷及半物理仿真的工程要求，依据接收到的实时数据进行轨道和姿态控制量的解算，并通过通信模块将相应控制量回传给实时仿真机(5)；实时仿真机(5)上的轨道和姿态模块以接收到的控制量数据作为输入进行航天器轨道姿态的实时解算，从而形成航天器轨道姿态的实时控制闭环回路。
本发明还包括数据接收机(2)与通信模块连接，完成实时数据的接收、显示和存储。
本发明还包括视景仿真机(3)，与通信模块连接，显示航天器在轨运行的三维视景图像，并对图像进行动态存储。
轨道和姿态模块通过VisualStudio与Matlab混合编程生成，具体如下：
(1)在Simulink中通过其中的函数模块建立航天器轨道和姿态动力学模型，并设置数据输入端口和数据输出端口；
(2)在CodeGenerationOptions下选择VisualStudio的相应编译器版本进行编译，生成C++代码；
(3)在VisualStudio编译上述C++工程，生成可调用的动态链接库，即为轨道和姿态动力学模块。
通信模块在LabVIEW(1-1)中的具体开发过程如下：
(1)在前面板中加入数值输入控件，并与接线端相连，设置为“必需”型，从而生成通信模块的输入端口，在部署该通信模块时将其与轨道和姿态模块的输出端口关联，依据变量名进行数据采集；
(2)在程序框图中，按照航天任务所规定的数据格式设置包含所有变量的数组，通过内层for循环和外层while循环完成每一次数据传输中所有变量的采集；
(3)在程序框图中，添加相应的数据通信协议子模块，并将其与变量的数组和前面板数值输入控件连线；数据通信协议子模块实现相应数据传输方式的打开、数据的写入、数据的发送、传输方式的关闭功能；
(4)在程序框图中，添加时钟模块以控制数据发送的速率，并使用while结构对传输方式关闭功能添加容错保护程序，当通信模块发生错误时执行相应的容错保护程序，避免发生错误时硬件一直被占用；
(5)通过LabVIEW(1-1)中的“GenerateModelFromNI…”生成相应的数据通信模块模型。
所述数据接收机(2)中运行实时数据接收模块(2-1)，实时数据接收模块(2-1)基于LabVIEW开发生成，完成实时数据的接收、解包、还原、显示和存储，根据通信协议对接收的数据进行解包和还原，通过软件界面实时显示航天器轨道姿态数据，对部分数据绘制二维曲线图，并将数据动态存储。
本发明所述的一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统提供了模块化的系统部件和模块开发平台，其能够解决面向航天器轨道姿态的半物理仿真系统的快速灵活、低成本、高保真搭建和开发，提高系统模块的可移植性和可重复利用性，验证针对不同航天任务的轨道姿态控制精度和航天器视场精度，为面向航天领域的半物理仿真系统的开发研究提供良好的基础，具有广阔的应用前景。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)传统的半物理仿真系统针对特定的航天任务开发而成，本系统面向航天器轨道姿态，由通用的系统模块和部件构成，提供一种模块化程度高、开发成本低、可移植、可重复利用的半物理仿真系统。
(2)本系统包括工作控制机(1)及其搭载的LabVIEW(1-1)和Veristand(1-2)软件，能够对系统模块进行开发和部署。通过LabVIEW(1-1)图形化G语言编程，完成轨道和姿态模块及通信模块的开发，通过Veristand(1-2)和以太网将上述模型部署到实时仿真机(5)中。同时结合VisualStudio和Matlab/Simulink/RTW等可进行混合编程，提高了系统的适应性和可移植性。
(3)本系统可视化程度高、实时性强、交互界面友好，数据接收机(2)实时显示航天器轨道姿态数据，视景仿真机(3)实时三维展示航天器在轨状态，对航天器轨道姿态进行高真实度、高可视化的仿真展示。
(4)本系统模块化程度高、实时性强、可视化程度高，利于混合编程和模块化组建，有效降低开发成本和运行成本，具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明所述的仿真系统整体框架示意图；
图2为本发明所述的工作控制机功能框图；
图3为本发明所述的实时仿真机功能框图；
图4为本发明所述的数据接收机功能框图；
图5为本发明所述的数据接收机运行时的界面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的一种模块化的航天器轨道姿态的半物理仿真系统作进一步描述。
本发明的整体框架示意如图1所述，它由工作控制机1、数据接收机2、视景仿真机3、航天任务载荷模拟器4、实时仿真机5和轨道姿态控制综合处理系统6组成。工作控制机1通过以太网与实时仿真机5连接；实时仿真机5的信号输出端通过以太网分别与数据接收机2和视景仿真机3连接；轨道姿态控制综合处理系统6的信号输入端通过CAN总线与实时仿真机5连接；轨道姿态控制综合处理系统6的信号输出端通过串口线与实时仿真机5连接；航天任务载荷模拟器4的信号输出或输入端与实时仿真机5的信号输出或输入端相连；工作控制机1上安装并运行LabVIEW1-1和Veristand1-2软件；数据接收机2运行实时数据接收模块2-1；视景仿真机3运行视景仿真系统3-1；实时仿真机5运行轨道和动力学模块，及通信模块。其中轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2，通信模块包括串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4和CAN总线通信模块5-5。
工作控制机1上安装并运行LabVIEW1-1和Veristand1-2软件，通过LabVIEW1-1软件和VisualStudio、Matlab、Simulink等软件进行航天器轨道姿态自定义模块的开发，包括轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2、串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4、CAN总线通信模块5-5的开发，再通过Veristand1-2软件将开发的即轨道动力学模块、姿态动力学模块、串口通信模块、UDP通信模块、CAN总线通信模块部署到实时仿真机5中，完成各模块间输出或输入的数据关联；实时仿真机5运行轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2、串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4、CAN总线通信模块5-5，完成数据采集和发送，其中轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2进行航天器轨道姿态的实时解算，并通过CAN总线通信模块5-5将实时数据传输至轨道姿态控制综合处理系统6；轨道姿态控制综合处理系统6针对航天任务载荷模拟器4的任务载荷及半物理仿真的工程要求，依据接收到的实时数据进行轨道姿态控制量的解算，即解算出航天器的推力序列，并通过串口模块5-3将相应控制量回传给实时仿真机5；实时仿真机5上的轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2以接收到的控制量数据作为输入进行航天器轨道姿态的实时解算，从而形成航天器轨道姿态的实时控制闭环回路；UDP通信模块5-4将实时仿真数据通过UDP协议广播到局域网，由数据接收机2和视景仿真机3使用；数据接收机2运行实时数据接收模块2-1，支持通过UDP、CAN总线、串口方式传输，完成实时数据的接收、显示和存储；视景仿真机3运行视景仿真系统3-1显示航天器在轨运行的三维视景图像，并对图像进行动态存储。
所述的航天任务载荷模拟器4可模拟多种航天任务载荷，针对不同的航天器轨道姿态，可通过LabVIEW1-1、VisualStudio和Matlab/Simulink/RTW等混合编程开发相应的模块。
通过VisualStudio与Matlab混合编程开发动力学模块的具体过程如下：
(1)在Simulink中通过其中的函数模块建立航天器轨道和姿态动力学模型，并设置数据输入端口和数据输出端口；
(2)在CodeGenerationOptions下选择VisualStudio的相应编译器版本进行编译，生成C++代码；
(3)在VisualStudio编译上述C++工程，生成可调用的动态链接库，即为轨道和姿态动力学模块。
也可以直接通过在VisualStudio中编译C++编写的航天器动力学工程，生成相应的动态链接库，完成模块的开发。
如图2所示，为本发明所述的工作控制机1功能框图，它搭载了LabVIEW1-1和Veristand1-2，以及VisualStudio和Matlab/Simulink/RTW等软件。通过图形化G语言编程软件LabVIEW1-1中的“GenerateModelFromNI…”生成串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4、CAN总线通信模块5-5，后缀名均为lvmodel，数据输入端为轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2的相应数据输出端，数据输出端为按照相应通信协议进行打包后的数据流；通过VisualStudio与Matlab混合编程生成的轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2为动态链接库，后缀名均为dll，数据输出端分别为航天器在轨运行的实时轨道和姿态数据；工作控制机1通过Veristand1-2将上述模块轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2、串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4和CAN总线通信模块5-5通过以太网部署至实时仿真机5中，并完成模块间输出或输入的数据关联。
如图3所示，为本发明所述的实时仿真机5功能框图，其上部署有轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2、串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4和CAN总线通信模块5-5等。实时仿真机5运行上述模块，生成数据并完成数据的采集，以及通过以太网、串口和CAN总线进行数据的实时传输，还可通过机箱上的插槽、串行卡、CAN卡等连接其他硬件设备。
UDP通信模块5-4由“UDP通信模块.vi”生成，它将仿真数据通过UDP协议广播到局域网，供数据接收机2和视景仿真机3使用。UDP通信模块的数据输入端口可以采集航天器轨道根数、位置速度和三维姿态等信息，并且可以依据任务流的需求进行扩展。在“UDP通信模块.vi”的前面板上设置输入端口，生成模型并部署后，即可通过数据输入端口在Veristand1-2中接收数据。在“UDP通信模块.vi”的程序框图中按照通信协议将数据转化为字符串，通过循环执行“打开UDP”——“写入UDP”——“关闭UDP”操作完成UDP通信数据发送。
CAN总线通信模块5-5由“CAN总线通信.vi”生成，通过数据输入端口在Veristand1-2中接收数据，实现仿真数据的点对点传输，由轨道姿态控制综合处理系统6使用。“CAN总线通信.vi”的前面板设置数据输入端口和读写开关等，程序框图中执行“InitializeCANFrameArray.vi”、“XNETDatabaseOpenFrame.vi”、“XNETCreateSessionFrameOutputSingle-point.vi”、“XNETWriteFrameCAN.vi”等程序，按照通信协议完成数据格式转换、分解和重组，产生出CAN总线可以传输的字节流数据并发送。
串口通信模块5-3由“串口通信.vi”生成，通过数据输入端口在Veristand1-2中接收数据，实现仿真数据的点对点传输。“串口通信.vi”的前面板设置数据输入端口和VISA配置等，程序框图中执行“VISA配置串口”、“VISA写入”、“关闭VISA”等程序，按照通信协议完成数据发送。
如图4所示，为本发明所述的数据接收机2功能框图，其中的实时数据接收模块2-1通过UDP协议与UDP通信模块5-4相匹配，通过循环执行“打开UDP”——执行“读取UDP”——执行“关闭UDP”操作完成UDP通信数据接收，并对接收到的数据流按照通信协议完成解包和还原。它还包含实时数据显示和数据保存的功能。数据保存功能实现按照规定格式将数据保存为文本文件以及电子表格文件。实时数据显示功能如图5所示，为数据接收机运行时的界面，标题栏显示仿真实时状态下的UTC时间、简约儒略日、相对仿真时间，数据保存的文件名以及停止按钮；主界面包含四个选项卡，分别显示航天器在轨运行时的轨道参数数据包括轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角和惯性系下的位置与速度和姿态参数数据包括滚动角、俯仰角、偏航角及相应的角速度。
轨道姿态控制综合处理系统6上安装有CAN卡，并运行CAN总线通信接收端程序，CAN总线通信模块5-5将仿真数据传输至轨道姿态控制综合处理系统6，针对航天任务载荷模拟器4的任务载荷，完成轨道机动和姿态调整的实时解算，并将相应控制量通过串口和串口通信模块5-3回传给实时仿真机5，形成控制闭环回路的具体过程如下：
(1)轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2进行航天器轨道姿态的实时解算，并通过CAN总线通信模块5-5将数据传输至轨道姿态控制综合处理系统6。
(2)轨道姿态控制综合处理系统6针对航天任务载荷模拟器4的任务载荷及半物理仿真的工程要求，依据接收到的实时数据进行轨道姿态控制量的解算，即解算出航天器的推力序列。
(3)轨道姿态控制综合处理系统6通过串口通信模块5-3将解算出的控制量数据回传给实时仿真机5。
(4)实时仿真机5上的轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2以接收到的控制量数据作为输入进行航天器轨道姿态的实时解算，从而形成航天器轨道姿态的实时控制闭环回路。
视景仿真系统3-1实时显示航天器在轨运行的三维视景图像，并对图像进行动态存储。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (6)
1.一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，其特征在于：包括工作控制机(1)、航天任务载荷模拟器(4)、实时仿真机(5)和轨道姿态控制综合处理系统(6)；工作控制机(1)上安装并运行LabVIEW(1-1)和Veristand(1-2)软件，通过LabVIEW(1-1)软件进行面向航天器轨道姿态的自定义模块开发，自定义模块包括轨道和姿态模块、通信模块；再通过Veristand(1-2)软件将开发的自定义模块部署到实时仿真机(5)中，完成各模块间输出或输入的数据关联；实时仿真机(5)运行轨道和姿态模块、通信模块，完成数据采集和发送，其中轨道和姿态模块进行航天器轨道姿态的实时解算，并通过通信模块将实时数据传输至轨道姿态控制综合处理系统(6)；轨道姿态控制综合处理系统(6)针对航天任务载荷模拟器(4)的任务载荷及半物理仿真的工程要求，依据接收到的实时数据进行轨道和姿态控制量的解算，并通过通信模块将相应控制量回传给实时仿真机(5)；实时仿真机(5)上的轨道和姿态模块以接收到的控制量数据作为输入进行航天器轨道姿态的实时解算，从而形成航天器轨道姿态的实时控制闭环回路。
2.根据权利要求1所述的一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，其特征在于：还包括数据接收机(2)，其与通信模块连接，完成实时数据的接收、显示和存储。
3.根据权利要求1所述的一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，其特征在于：还包括视景仿真机(3)，其与通信模块连接，显示航天器在轨运行的三维视景图像，并对图像进行动态存储。
4.根据权利要求1所述的一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，其特征在于：轨道和姿态模块通过VisualStudio与Matlab混合编程生成，具体如下：
(1)在Simulink中通过其中的函数模块建立航天器轨道和姿态动力学模型，并设置数据输入端口和数据输出端口；
(2)在CodeGenerationOptions下选择VisualStudio的相应编译器版本进行编译，生成C++代码；
(3)在VisualStudio编译上述C++工程，生成可调用的动态链接库，即为轨道和姿态动力学模块。
5.根据权利要求1所述的一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，其特征在于：通信模块在LabVIEW(1-1)中的具体开发过程如下：
(1)在前面板中加入数值输入控件，并与接线端相连，设置为“必需”型，从而生成通信模块的输入端口，在部署该通信模块时将其与轨道和姿态模块的输出端口关联，依据变量名进行数据采集；
(2)在程序框图中，按照航天任务所规定的数据格式设置包含所有变量的数组，通过内层for循环和外层while循环完成每一次数据传输中所有变量的采集；
(3)在程序框图中，添加相应的数据通信协议子模块，并将其与变量的数组和前面板数值输入控件连线；数据通信协议子模块实现相应数据传输方式的打开、数据的写入、数据的发送、传输方式的关闭功能；
(4)在程序框图中，添加时钟模块以控制数据发送的速率，并使用while结构对传输方式关闭功能添加容错保护程序，当通信模块发生错误时执行相应的容错保护程序，避免发生错误时硬件一直被占用；
(5)通过LabVIEW(1-1)中的“GenerateModelFromNI…”生成相应的数据通信模块模型。
6.根据权利要求2所述的一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，其特征在于：所述数据接收机(2)中运行实时数据接收模块(2-1)，实时数据接收模块(2-1)基于LabVIEW开发生成，完成实时数据的接收、解包、还原、显示和存储，根据通信协议对接收的数据进行解包和还原，通过软件界面实时显示航天器轨道姿态数据，对部分数据绘制二维曲线图，并将数据动态存储。
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