CN105974907A - 一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统 - Google Patents

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张学钢
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Abstract

本发明提供一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统，包括：控制设备、仿真设备和采集模拟设备；控制设备、仿真设备和采集模拟设备均配置有光纤反射内存卡；光纤反射内存卡之间通过光纤两两互连，形成闭环数据流；控制设备、仿真设备和采集模拟设备在闭环数据流中实现多数据交互。控制设备用于根据待仿真测试的卫星设计仿真模型；远程控制仿真设备和采集模拟设备；保存并监控闭环数据流内的交互数据。仿真设备用于运行仿真模型；采集模拟设备用于在控制设备无法设计仿真模型时，模拟待仿真测试的卫星的信号的输入/输出或直接采集待仿真测试的卫星的信号进行测试。本发明具有通用性、超实时性，且适用范围广泛，缩短了开发周期，减少了研发成本。

Description

一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统
技术领域
本发明涉及卫星姿态控制地面仿真测试系统，特别是涉及一种应用于微纳卫星的通用、超实时地姿态控制地面仿真测试系统。
背景技术
姿态控制系统是卫星设计中复杂度最高的子系统之一。在地面研制过程中，由于缺乏真是空间环境，姿态控制系统无法直接进行测试，只能进行仿真。卫星姿态控制地面仿真测试的主要目的是发现系统缺陷，验证系统设计和检验产品性能。通过地面仿真测试，可以检验卫星姿态控制设计在方案和技术实现方面的可行性和合理性，进一步调整系统参数和完善部件的数学模型。
卫星姿态控制系统仿真分为数学仿真、半物理仿真和全物理仿真三种。对于小卫星研制，基于气浮台的全物理仿真，由于成本过高，一般很少采用。数学仿真和半物理仿真是小卫星姿态控制系统的主要仿真手段。
当前卫星姿态控制系统的地面测试种类繁多，从接口测试到指令测试、从功能测试到性能测试、从开环测试到闭环测试等等。同时，随着不同卫星姿态控制系统功能的不一致，大大提高了配置产品的复杂度，对测试设备的要求也越来越高，且测试设备也正朝着高可靠性、智能化、标准化和通用化的方向发展。
目前，为了适应卫星姿态控制地面仿真测试系统的发展方向，比较常见的是使用网络化来代替所有接口实现卫星姿态控制的地面仿真。例如，基于星上网的卫星姿态控制地面仿真测试系统，其通过将星上控制设备、地面动力学仿真设备、测量部件、执行部件接入星上网，利用星上网进行信息和交互。再比如，卫星姿态控制地面仿真测试系统通过搭建CAN总线网络互连的方式，来实现整个系统的数据交互和仿真。但是，由于实际的卫星姿态控制系统所配置的单机是无法实现统一的CAN接口或其它网络接口，因此卫星姿态控制系统的地面仿真既存在模拟量的输入/输出和IO数字信号输入/输出，还存在通过RS422接口和CAN总线传输的各种各样的信号数据，并且信号的数据量非常大。因此，上述的通过搭建网络的卫星姿态控制的地面仿真方案，都不能实现对不同型号配置的卫星的姿态控制的地面仿真测试；并且，使用网络化代替所有接口，也不能完全仿真星上的真实单机的接口情况。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统，用于解决现有技术中无法实现对不同型号配置的卫星的姿态控制的地面仿真测试，且不能完全仿真星上真实单机的接口的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统，包括：控制设备、仿真设备和采集模拟设备；所述控制设备、所述仿真设备和所述采集模拟设备均配置有光纤反射内存卡；所述控制设备、所述仿真设备和所述采集模拟设备的所述光纤反射内存卡之间通过光纤两两互连，形成闭环数据流；所述控制设备、所述仿真设备和所述采集模拟设备在所述闭环数据流中实现多数据交互；所述控制设备用于根据待仿真测试的卫星设计仿真模型；远程控制所述仿真设备和所述采集模拟设备；保存并监控所述闭环数据流内的交互数据；所述仿真设备用于运行所述待仿真测试的卫星的所述仿真模型；所述采集模拟设备用于在所述控制设备无法根据所述待仿真测试的卫星设计所述仿真模型时，模拟所述待仿真测试的卫星的信号的输入/输出。
于本发明的一实施例中，所述控制设备对对所述仿真设备和所述采集模拟设备的远程控制是通过对所述仿真设备和所述采集模拟设备的应用程序进行编辑、处理和控制来实现的；且所述交互数据被保存至SQL数据库中的。
于本发明的一实施例中，所述控制设备和所述仿真设备采用xPC Target技术；所述控制设备通过Matlab的Simulnk模型和Stateflow模型设计所述仿真模型，并生成相应的代码；所述仿真设备运行所述控制设备生成的所述仿真模型的所述代码。
于本发明的一实施例中，所述仿真模型包括姿态动力学模型、轨道动力学模型、环境模型和单机模型。
于本发明的一实施例中，所述采集模拟设备还具备与外部测试设备或所述待仿真测试的卫星连接的外部接口，用于采集所述待仿真测试的卫星的信号至所述闭环数据流；向所述待仿真测试的卫星和/或所述外部测试设备输出所述闭环数据流中的相关数据。
于本发明的一实施例中，所述采集模拟设备采用基于Labview的pharlap ETS嵌入式实时操作系统，包括一PXI机箱，所述PXI机箱包括多个PXI板卡插槽、至少一个通过所述PXI板卡插槽插入至所述PXI机箱的PXI板卡；其中，不同的所述PXI板卡具备不同的功能，所述PXI机箱通过插入不同功能的所述PXI板卡实现所述待仿真测试的卫星信号的采集、所述待仿真测试的卫星的信号的输入/输出的模拟、和/或所述闭环数据流中的相关数据的输出；并且，所述卫星的姿态控制地面仿真测试系统通过增加相应功能的所述PXI板卡的方式实现功能扩展。
于本发明的一实施例中，所述PXI板卡是根据不同的所述待仿真测试的卫星的单机接口进行选择配置的，包括多通道DAQ板卡、RS422板卡和CAN总线板卡。
于本发明的一实施例中，所述采集模拟设备还包括与所述PXI机箱相连的SCXI机箱；所述SCXI机箱用于通过通道复用实现所述PXI机箱的扩展、模拟通道的信号隔离和信号调制放大。
于本发明的一实施例中，所述SCXI机箱包括多个SCXI板卡插槽、至少一个通过所述SCXI板卡插槽插入至所述SCXI机箱的SCXI板卡；其中，不同的所述SCXI板卡具备不同的功能，所述SCXI机箱通过插入不同功能的所述SCXI板卡实现所述待仿真测试的卫星的信号的采集、所述待仿真测试的卫星的信号的输入/输出的模拟、和/或所述闭环数据流中的相关数据输出；并且，所述卫星的姿态控制地面仿真测试系统通过增加相应功能的所述SCXI板卡的方式实现功能扩展。
于本发明的一实施例中，所述PXI机箱和/或所述SCXI机箱支持PXI总线结构。
如上所述，本发明的一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统，是一套适用于姿态控制系统的从静态闭路仿真到将卫星接入整个星闭环进行联合测试的实时快速的原型仿真系统。本发明的卫星的姿态控制地面仿真测试系统具有星上卫星单机实物与单机仿真机无缝切换的功能，且具有通用性、超实时性，在对不同型号的卫星进行姿态控制地面仿真测试时，均不再需要重复改变整体架构，而只需进行对应配置的扩展(在PXI机箱增加对应配置的PXI板卡，和/或在SCXI机箱增加对应配置的SCXI板卡)，大大缩短了开发周期，减少了研发的成本。
附图说明
图1显示为本发明的实施例公开的一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统的结构示意图。
图2显示为本发明的实施例公开的一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统的数据流向示意图。
图3显示为本发明的实施例公开的一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统的采集模拟设备的结构示意图。
元件标号说明
100 卫星的姿态控制地面仿真测试系统
110 控制设备
120 仿真设备
130 采集模拟设备
131 PXI机箱
132 SCXI机箱
140 光纤反射内存块
150 外部接口
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅附图。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统，包括控制设备、仿真设备和采集模拟设备，且控制设备、仿真设备和采集模拟设备均配置有光纤反射内存卡，通过光纤连接三台设备的光纤反射内存卡形成闭环数据流，以实现多数据交互。本发明的控制设备和仿真设备采用xPC Target快速模型仿真，采集模拟设备采用基于Labview的实时ETS嵌入式目标平台。利用xPC Target技术、Labview实时技术和硬件配合使用，可快速、高效地开发和部署复杂的实时系统。并且，本发明的控制设备可以根据不同型号卫星的姿控姿态测量部件和控制部件进行数学模型的编写，扩展，通过仿真机运行基于Simulink环境下的仿真模型。当无法实现卫星仿真，则采用Simulink模型驱动采集模拟设备中的实时的模拟/数字板卡仿真对应卫星的真实单机的信号的输入/输出，并在有卫星的真实单机时可直接切换进入卫星的真实单机的实物测试模式；并且，为了应对不同类型的卫星的仿真以及对卫星的不同测试，整个仿真测试系统可以在不改变系统架构的情况下，通过增加板卡(PXI板卡和/或SCXI板卡)的方式进行通用扩展。
如图1所示，本实施例的卫星的姿态控制地面仿真测试系统100包括：控制设备110、仿真设备120、采集模拟设备130和三个光纤反射内存卡140；三个光纤反射内存卡140分别与控制设备110、仿真设备120和采集模拟设备130配套使用。三个光纤反射内存卡140之间通过光纤互连，形成了一个闭环数据流，从而实现了控制设备110、仿真设备120和采集模拟设备130之间的多数据交互。并且，采用光纤反射内存卡140能够在保证数据不丢失的情况下实现数据的超实时交互，其数据的走向如图2所示。
本实施例的卫星的姿态控制地面仿真测试系统100以Matlab/xPC实时仿真系统为核心，即对控制设备110和仿真设备120采用xPC Target技术，控制设备110相当于xPC Target的主机，仿真设备120相当于xPC Target的目标机。在本实施例中，控制设备110和仿真设备120优选为以运行xPC Target和Matlab的PC机。例如，仿真设备120采用32位或64位的X86架构的电脑，并且，将Matlab运行在32位模式下。
控制设备110用于根据待仿真测试的卫星设计仿真模型；远程控制仿真设备120和采集模拟设备130；保存并监控闭环数据流内的交互数据：
控制设备110是整个卫星的姿态控制地面仿真测试系统100的前端机，其根据具体的待仿真测试的卫星设计对应的仿真模型。在本实施例中，控制设备110利用Matlab中Simulnk模型和Stateflow模型设计待仿真测试的卫星的仿真模型，并利用Matlab的工具Real-TimeWorkshop和Stateflow Coder自动生成相应的代码。并且，控制设备110自动生成的代码被置于闭环数据流中，以便于仿真设备120获取该代码。
进一步地，控制设备110设计的仿真模型包括但不限于姿态动力学模型、轨道动力学模型、环境模型和单机模型。其中，单机模型与待仿真测试的卫星的测试项目相关。单机模型包括但不限于星敏模型、飞轮模型、太敏模型和磁强计模型等等。并且，这些单机模型可根据卫星的单机配置进行扩展。
控制设备110还通过对仿真设备120和采集模拟设备130的应用程序进行编辑、编译、下载、控制运行和停止等操作，实现对仿真设备120和采集模拟设备130的远程控制。
进一步地，控制设备110还用于实时保存闭环数据流中的所有交互数据。优选地，将交互数据使用SQL(Structured Query Language，结构化查询语言)数据库予以保存，以便于交互数据的管理和分析。并且，由于控制设备110是一台PC机，因此，其具备显示屏，用户可以利用控制设备110对整个仿真测试系统100中的交互数据进行监控。
仿真设备120用于运行待仿真测试卫星的仿真模型：
仿真设备120获取控制设备110自动生成的仿真模型的代码，并通过Matlab的Simulnk模型运行获取的代码。
采集模拟设备130用于在所述控制设备无法根据待仿真测试的卫星设计所述仿真模型时，模拟待仿真测试的卫星的输入/输出的信号数据。并且本实施例的采集模拟设备为了实现实时数据的采样及信号模拟，采用基于Labview的pharlap ETS嵌入式实时操作系统。
控制设备110可以根据不同型号的卫星的姿控姿态测量部件和控制部件进行仿真模型的设计和扩展；但是控制设备110也并不一定能够实现所有卫星真实单机的仿真模型的设计。因此，在控制设备110无法设计出待仿真测试的卫星的仿真模型时，控制设备110利用Matlab的Simulnk模型驱动采集模拟设备130模拟待仿真测试的卫星的信号的输入/输出。
进一步地，采集模拟设备130还具备一外部接口150，外部接口150用于与外部测试设备相连接。采集模拟设备130通过外部接口150可将闭环数据流中的相关数据输出至外部测试设备进行相关测试。
外部接口150还用于与待仿真测试的卫星的真实单机相连接：
在控制设备110无法设计出待仿真测试的卫星的仿真模型时，本实施例的测试仿真系统通过两种方式来实现测试仿真：
其一，控制设备110驱动采集模拟设备130直接模拟待仿真测试的卫星的信号的输入/输出，根据模拟的信号的输入/输出，控制设备110来设计仿真模型，进一步实现待仿真测试的卫星的仿真测试；
其二，通过采集模拟设备130的外部接口150直接与待仿真测试的卫星的真实单机相连接，接收待仿真测试的卫星的真实单机的信号，并对待仿真测试的卫星的真实单机发送控制信号，从而实现对待仿真测试的卫星的真实单机的实物测试。
如图3所示，本实施例的采集模拟设备130包括PXI机箱131，PXI机箱131包括多个PXI插槽和至少一个PXI板卡，其中，PXI板卡通过PXI插槽插入PXI机箱131。并且，PXI机箱131支持NI工业控制的PXI(Peripheral Component Interconnection extensions forInstrumentation，面向仪器系统的外围组件互连的扩展)总线结构。
一般情况下，PXI机箱131包括16个PXI插槽，在实际使用的时候，并不一定每一个PXI插槽都插入PXI板卡，未插入PXI板卡的PXI插槽作为扩展插槽，以便于通过插入PXI板卡来实现整个仿真测试系统100的扩展。
PXI板卡是功能型板卡，不同功能的PXI板卡可实现不同的功能。用户可以根据不同的待仿真测试的卫星的单机接口选择配置对应功能的PXI板卡插入至PXI机箱131。并且，采集模拟设备130的外部接口150设置于PXI板卡上。PXI机箱131通过插入不同功能的PXI板卡来实现：待仿真测试的卫星的真实单机的信号的采集；待仿真测试的卫星的信号的输入/输出的模拟；和/或闭环数据流中的相关数据的输出。
进一步地，为了适应不同的待仿真测试的卫星的单机接口，PXI板卡有很多种类，包括但不限于：多通道DAQ板卡、RS422板卡和CAN总线板卡等等。PXI机箱131通过配置多通道DAQ(Data Acquisition，数据采集)板卡实现电路/电压/数字IO的输入输出；通过配置RS422板卡可以实现通过RS422接口与外部(待仿真测试卫星的真实单机和/或外部测试设备)的通信；通过配置CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线板卡可与外部(待仿真测试卫星的真实单机和/或外部测试设备)通过CAN总线进行通信。本发明的卫星的姿态控制地面仿真测试系统的PXI板卡并不仅限于上述的板卡类型，只要是支撑PXI总结结构的PXI板卡均在本发明的保护范围内。
PXI机箱131的插槽毕竟是有限的，为了在不改变整个卫星的姿态控制地面仿真测试系统的整体架构，本实施例在采集模拟设备130中增加了SCXI(Signal Conditioning eXtensionsfor Instrumentation，信号调理在仪器上的扩展)机箱132，SCXI机箱132与PXI机箱131相连，用于在不需要增加PXI板卡的情况下通过数据的通道复用技术来实现PXI机箱131的扩展、模拟通道的隔离以及信号调制放大，从而有效避免地测设备对整星信号直接交互，起到保护整星的作用。例如，通过SCXI机箱132可以实现模拟信号输入/输出、数字信号输入/输出的通道复用，可以进行多通道采集和信号模拟输出扩展，这样就不需要再在PXI机箱131内额外插入更多的PXI板卡。
如图3所示，SCXI机箱132括多个SCXI插槽和至少一个SCXI板卡，其中，SCXI板卡通过SCXI插槽插入SCXI机箱132。并且，SCXI机箱132同样支持NI工业控制的PXI总线结构。
在实际使用的时候，SCXI机箱132并不一定每一个SCXI插槽都插入SCXI板卡，未插入SCXI板卡的SCXI插槽作为扩展插槽，以便于通过插入SCXI板卡来实现整个仿真测试系统100的扩展。
SCXI板卡是功能型板卡，不同功能的SCXI板卡可实现不同的功能。用户可以根据实际需要选择对应功能的SCXI板卡插入至SCXI机箱132。并且，采集模拟设备130的外部接口150可设置于SCXI板卡上。SCXI机箱132通过插入不同功能的SCXI板卡来实现：待仿真测试的卫星的真实单机的信号的采集；待仿真测试的卫星的信号的输入/输出的模拟；和/或闭环数据流中的相关数据的输出。
此外，为了突出本发明的创新部分，本实施例中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的设备引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的设备。
综上所述，本发明的一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统，是一套适用于姿态控制系统的从静态闭路仿真到将卫星接入整个星闭环进行联合测试的实时快速的原型仿真系统。本发明的卫星的姿态控制地面仿真测试系统具有星上卫星单机实物与单机仿真机无缝切换的功能，且具有通用性、超实时性，在对不同型号的卫星进行姿态控制地面仿真测试时，均不再需要重复改变整体架构，而只需进行对应配置的扩展(在PXI机箱增加对应配置的PXI板卡，和/或在SCXI机箱增加对应配置的SCXI板卡)，大大缩短了开发周期，减少了研发的成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于，包括：控制设备、仿真设备和采集模拟设备；
所述控制设备、所述仿真设备和所述采集模拟设备均配置有光纤反射内存卡；所述控制设备、所述仿真设备和所述采集模拟设备的所述光纤反射内存卡之间通过光纤两两互连，形成闭环数据流；所述控制设备、所述仿真设备和所述采集模拟设备在所述闭环数据流中实现多数据交互；
所述控制设备用于根据待仿真测试的卫星设计仿真模型；远程控制所述仿真设备和所述采集模拟设备；保存并监控所述闭环数据流内的交互数据；
所述仿真设备用于运行所述待仿真测试的卫星的所述仿真模型；
所述采集模拟设备用于在所述控制设备无法根据所述待仿真测试的卫星设计所述仿真模型时，模拟所述待仿真测试的卫星的信号的输入/输出。
2.根据权利要求1所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述控制设备对对所述仿真设备和所述采集模拟设备的远程控制是通过对所述仿真设备和所述采集模拟设备的应用程序进行编辑、处理和控制来实现的；且所述交互数据被保存至SQL数据库中的。
3.根据权利要求3所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述控制设备和所述仿真设备采用xPC Target技术；所述控制设备通过Matlab的Simulnk模型和Stateflow模型设计所述仿真模型，并生成相应的代码；所述仿真设备运行所述控制设备生成的所述仿真模型的所述代码。
4.根据权利要求1所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述仿真模型包括姿态动力学模型、轨道动力学模型、环境模型和单机模型。
5.根据权利要求1所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述采集模拟设备还具备与外部测试设备或所述待仿真测试的卫星连接的外部接口，用于采集所述待仿真测试的卫星的信号至所述闭环数据流；向所述待仿真测试的卫星和/或所述外部测试设备输出所述闭环数据流中的相关数据。
6.根据权利要求1所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述采集模拟设备采用基于Labview的pharlap ETS嵌入式实时操作系统，包括一PXI机箱，
所述PXI机箱包括多个PXI板卡插槽、至少一个通过所述PXI板卡插槽插入至所述PXI机箱的PXI板卡；其中，不同的所述PXI板卡具备不同的功能，所述PXI机箱通过插入不同功能的所述PXI板卡实现所述待仿真测试的卫星信号的采集、所述待仿真测试的卫星的信号的输入/输出的模拟、和/或所述闭环数据流中的相关数据的输出；并且，所述卫星的姿态控制地面仿真测试系统通过增加相应功能的所述PXI板卡的方式实现功能扩展。
7.根据权利要求6所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述PXI板卡是根据不同的所述待仿真测试的卫星的单机接口进行选择配置的，包括多通道DAQ板卡、RS422板卡和CAN总线板卡。
8.根据权利要求6所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述采集模拟设备还包括与所述PXI机箱相连的SCXI机箱；所述SCXI机箱用于通过通道复用实现所述PXI机箱的扩展、模拟通道的信号隔离和信号调制放大。
9.根据权利要求8所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述SCXI机箱包括多个SCXI板卡插槽、至少一个通过所述SCXI板卡插槽插入至所述SCXI机箱的SCXI板卡；其中，不同的所述SCXI板卡具备不同的功能，
所述SCXI机箱通过插入不同功能的所述SCXI板卡实现所述待仿真测试的卫星的信号的采集、所述待仿真测试的卫星的信号的输入/输出的模拟、和/或所述闭环数据流中的相关数据输出；并且，
所述卫星的姿态控制地面仿真测试系统通过增加相应功能的所述SCXI板卡的方式实现功能扩展。
10.根据权利要求8所述的卫星的姿态控制地面仿真测试系统，其特征在于：所述PXI机箱和/或所述SCXI机箱支持PXI总线结构。
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