CN106950858B - 一种卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法 - Google Patents

一种卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，包含：S1、建立卫星动力学仿真模型，并运行至卫星动力学仿真计算机中；S2、产生同步的秒脉冲信号，分别发送至星上计算机和卫星动力学仿真计算机；S3、卫星动力学仿真模型实时接收星上计算机发送的时间信号，与秒脉冲信号对应的时间信号比较，判断正确后作为轨道计算时间，并计算得到卫星姿态四元数；S4、采用星敏感器电信号源接收卫星动力学仿真计算机发送的卫星姿态四元数，模拟在轨星空并传输至星敏感器，再通过星敏感器与星上计算机形成闭环控制。本发明可减少数据传输中的时间延迟，保证星上计算机与地面卫星动力学仿真计算机的时间同步，提高卫星控制系统的测试精度。

Description

一种卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法
技术领域
本发明涉及一种星地时间同步的测试方法，具体是指一种适用于卫星半物理仿真试验中的星地时间同步的测试方法。
背景技术
随着航天技术的发展和航天任务复杂性的日益增加，对卫星精度和稳定度的要求也越来越高，因此对卫星地面仿真测试技术的精度和实时性提出了更高的要求。目前，对于卫星地面仿真测试系统的实时性能尚没有可靠的明确的参数指标可供参考，对实时性的认识也较为模糊。因此要设法对其关键性能的指标进行测量，获得具有一定意义的数据参数。并且在测试过程中，要全面考虑可能影响实时性能的因素，并总结出一般的通用规律，对响应时间有量级上的定性。
如何具体操作来有效衡量卫星地面仿真测试系统的实时性能，就要求有具体的性能指标来限定,只有卫星控制精度和稳定度都严格达到任务的指标要求,才能定性卫星地面仿真测试系统确实具有强实时性。
因此，需要提出一种在地面用的卫星半物理仿真试验，以验证卫星控制系统的精度和稳定度能否达到载荷成像要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，减少数据传输过程中的时间延迟，保证星上计算机与地面卫星动力学仿真计算机之间的时间同步性，提高卫星控制系统的测试精度。
为实现上述目的，本发明提供一种卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，包含以下步骤：
S1、建立卫星动力学仿真模型，并将卫星动力学仿真模型运行至卫星动力学仿真计算机中；
S2、通过秒脉冲设备产生同步的秒脉冲信号，并分别发送至星上计算机和卫星动力学仿真计算机；
S3、卫星动力学仿真计算机中的卫星动力学仿真模型实时接收星上计算机发送的时间信号，与秒脉冲信号对应的时间信号进行比较，判断正确后作为轨道计算时间，并计算得到卫星姿态四元数；
S4、采用星敏感器电信号源接收卫星动力学仿真计算机发送的卫星姿态四元数，模拟在轨星空并传输至星敏感器，再通过星敏感器与星上计算机形成闭环控制，利用卫星姿态信息间接反映卫星在地面仿真试验中的星地时间的同步性。
所述的S1中，建立卫星动力学仿真模型的具体步骤为：
在太阳电池阵和天线展开后，卫星的动力学包括卫星的转动和太阳电池阵的弹性振动和转动，姿态控制时建立的卫星的姿态动力学方程为：
其中，Is为卫星在三轴坐标系Oa－XaYaZa中的转动惯量矩阵；
为卫星相对于初始惯性坐标系的角速度矢量；
分别为左、右太阳电池阵的角速度矢量；
H为飞轮的角动量；
Ts为作用在卫星上的外力矩；
Tals、Tars分别为作用在左、右太阳电池阵的驱动力矩；
Fsls、Fsrs分别为左、右太阳电池阵的振动对卫星转动的柔性耦合系数；
Fals、Fars分别为左、右太阳电池阵的振动对自身转动的柔性耦合系数；
Rasls、Rasrs分别为左、右太阳电池阵的转动对卫星转动的刚性耦合系数；
Ials、Iars分别为左、右太阳电池阵的惯量阵；
ζls、ζrs分别为左、右太阳电池阵的模态阻尼系数；
ζlant、ζrant分别为左、右天线的模态阻尼系数；
Λals、Λars分别为左、右太阳电池阵的模态频率矩阵；
Λalant、Λarant分别为左、右天线的模态频率矩阵；
分别为左、右太阳电池阵的模态坐标阵；
分别为左、右天线的模态坐标阵；
Fslant、Fsrant分别为左、右天线对卫星转动的柔性耦合系数。
所述的S1中，卫星动力学仿真计算机采用Vxworks嵌入式实时操作系统，响应时间为纳秒级，保证卫星动力学仿真模型的运行周期为1ms。
所述的S2中，秒脉冲设备采用时钟板卡，其设置在卫星动力学仿真计算机中，以作为卫星动力学仿真模型的时间基准。
所述的S3中，卫星动力学仿真模型通过RS422串口中断通讯模式接收星上计算机发送的时间信号，并且中断响应时间控制在微秒级。
所述的S4中，星敏感器电信号源通过RS422串口中断通讯模式接收卫星动力学仿真计算机发送的卫星姿态四元数。
所述的S4中，星敏感器电信号源与星敏感器之间通过1334总线进行数据传输。
综上所述，本发明提供的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，保证星上计算机与地面卫星动力学仿真计算机之间的时间同步性，有效解决了时间延迟对卫星控制精度的影响，在地面仿真试验中验证了星敏感器对高精度卫星姿态的影响，可应用于具有星敏感器测量系统的高精度卫星控制系统的地面闭环试验。
附图说明
图1为本发明中的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法的流程示意图；
图2为本发明中的卫星控制系统在卫星半物理仿真试验中的仿真试验结果示意图。
具体实施方式
以下结合图1和图2，详细说明本发明的一个优选实施例。
如图1所示，为本发明所提供的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，包含以下步骤：
S1、建立卫星动力学仿真模型，包含执行机构输入力矩模型、以及模拟星敏感器姿态的信息接口模型；并将卫星动力学仿真模型运行至卫星动力学仿真计算机中；
S2、通过秒脉冲设备产生同步的秒脉冲信号，并分别发送至星上计算机和卫星动力学仿真计算机；
S3、卫星动力学仿真计算机中的卫星动力学仿真模型实时接收星上计算机发送的时间信号，与秒脉冲信号对应的时间信号进行比较，判断正确后作为轨道计算时间，并计算得到卫星姿态四元数，从而保证地面卫星动力学仿真计算机与星上计算机的时间保持同步一致；
S4、采用高性能的星敏感器电信号源接收卫星动力学仿真计算机发送的卫星姿态四元数，模拟在轨星空并传输至星敏感器，再通过星敏感器与星上计算机形成闭环控制，以实现利用卫星姿态信息间接反映卫星在地面仿真试验中的星地时间的同步性。
所述的S1中，建立卫星动力学仿真模型的具体步骤为：
在太阳电池阵和天线展开后，卫星的动力学包括卫星的转动和太阳电池阵的弹性振动和转动，姿态控制时建立的卫星的姿态动力学方程为：
其中，Is为卫星在三轴坐标系Oa－XaYaZa中的转动惯量矩阵；
为卫星相对于初始惯性坐标系的角速度矢量；
分别为左、右太阳电池阵的角速度矢量；
H为飞轮的角动量；
Ts为作用在卫星上的外力矩；
Tals、Tars分别为作用在左、右太阳电池阵的驱动力矩；
Fsls、Fsrs分别为左、右太阳电池阵的振动对卫星转动的柔性耦合系数；
Fals、Fars分别为左、右太阳电池阵的振动对自身转动的柔性耦合系数；
Rasls、Rasrs分别为左、右太阳电池阵的转动对卫星转动的刚性耦合系数；
Ials、Iars分别为左、右太阳电池阵的惯量阵；
ζls、ζrs分别为左、右太阳电池阵的模态阻尼系数；
ζlant、ζrant分别为左、右天线的模态阻尼系数；
Λals、Λars分别为左、右太阳电池阵的模态频率矩阵；
Λalant、Λarant分别为左、右天线的模态频率矩阵；
分别为左、右太阳电池阵的模态坐标阵；
分别为左、右天线的模态坐标阵；
Fslant、Fsrant分别为左、右天线对卫星转动的柔性耦合系数。
所述的S1中，卫星动力学仿真计算机采用WindRiver公司的Vxworks嵌入式实时操作系统，其是严格的绝对的强实时性的操作系统，响应时间为纳秒级，并且保证卫星动力学仿真模型的运行周期为1ms。本实施例中，建立Vxworks嵌入式实时操作系统，并建立相应的硬件接口板卡驱动，再将卫星动力学仿真模型运行至该Vxworks嵌入式实时操作系统。
所述的S2中，秒脉冲设备采用高精度的时钟板卡，其设置在卫星动力学仿真计算机中，以作为卫星动力学仿真模型的时间基准，从而避免时钟晶振不准而导致的时间慢漂。
所述的S3中，卫星动力学仿真模型通过RS422串口中断通讯模式接收星上计算机发送的时间信号，并且中断响应时间控制在微秒级。
所述的S4中，星敏感器电信号源通过RS422串口中断通讯模式接收卫星动力学仿真计算机发送的卫星姿态四元数，有效避免因网络传输而导致的时间延迟的不确定性。
由于卫星动力学仿真计算机按照固定的时间间隔向星敏感器电信号源发送卫星姿态四元数，并且星敏感器电信号源只接收卫星姿态四元数，与当前绝对时间无关，因此其自身需要配置高精度高稳定性的晶振来匹配接收卫星姿态四元数的时间间隔。
所述的S4中，星敏感器电信号源与星敏感器之间通过专用接口进行数据传输，时间延迟几乎为零。本实施例中，所述的专用接口采用1334总线实现。
如图2所示，采用本发明方法进行的卫星半物理仿真试验，具体的仿真试验结果表明，指标要求稳定时的卫星姿态角为0.04°，卫星姿态角速度为0.0005°/s；而仿真结果显示，卫星姿态角为0.02°，卫星姿态角速度为0.0003°/s，上述均为绝对值。
因此，本发明提供的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，适用于高精度高稳定度的卫星半物理仿真试验，在卫星半物理仿真试验的基础上，通过建立高精度的时频系统以提高时间的精确性，达到提高测试系统精度的目的。
本发明采用嵌入式强实时性的操作系统，实时接收星上计算机的时间作为轨道和卫星姿态计算的基准时间，不仅保证了星上计算机与地面卫星动力学仿真计算机之间的时间同步性，而且在数据传输链路中，通过强实时性的操作系统、高精度时钟和实时传输，尽可能把不确定性的时间延迟降到最小，大大提高了卫星地面仿真的精度。最后通过星敏感器电信号源、星敏感器与星上计算机形成闭环控制，由卫星控制系统半物理仿真试验得出的卫星姿态控制信息来间接反映星地时间的同步性，即仿真系统的实时性也得到验证。本发明方法采用实时网络与非实时网络相隔离的技术，从而提高了卫星测试系统的快速性和高实时性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、建立卫星动力学仿真模型，并将卫星动力学仿真模型运行至卫星动力学仿真计算机中；
S2、通过秒脉冲设备产生同步的秒脉冲信号，并分别发送至星上计算机和卫星动力学仿真计算机；
S3、卫星动力学仿真计算机中的卫星动力学仿真模型实时接收星上计算机发送的时间信号，与秒脉冲信号对应的时间信号进行比较，判断正确后作为轨道计算时间，并计算得到卫星姿态四元数；
S4、采用星敏感器电信号源接收卫星动力学仿真计算机发送的卫星姿态四元数，模拟在轨星空并传输至星敏感器，再通过星敏感器与星上计算机形成闭环控制，利用卫星姿态信息间接反映卫星在地面仿真试验中的星地时间的同步性；
所述的S1中，建立卫星动力学仿真模型的具体步骤为：
在太阳电池阵和天线展开后，卫星的动力学包括卫星的转动和太阳电池阵的弹性振动和转动，姿态控制时建立的卫星的姿态动力学方程为：
其中，Is为卫星在三轴坐标系Oa－XaYaZa中的转动惯量矩阵；
为卫星相对于初始惯性坐标系的角速度矢量；
分别为左、右太阳电池阵的角速度矢量；
H为飞轮的角动量；
Ts为作用在卫星上的外力矩；
Tals、Tars分别为作用在左、右太阳电池阵的驱动力矩；
Fsls、Fsrs分别为左、右太阳电池阵的振动对卫星转动的柔性耦合系数；
Fals、Fars分别为左、右太阳电池阵的振动对自身转动的柔性耦合系数；
Rasls、Rasrs分别为左、右太阳电池阵的转动对卫星转动的刚性耦合系数；
Ials、Iars分别为左、右太阳电池阵的惯量阵；
ζls、ζrs分别为左、右太阳电池阵的模态阻尼系数；
ζlant、ζrant分别为左、右天线的模态阻尼系数；
Λals、Λars分别为左、右太阳电池阵的模态频率矩阵；
Λalant、Λarant分别为左、右天线的模态频率矩阵；
分别为左、右太阳电池阵的模态坐标阵；
分别为左、右天线的模态坐标阵；
Fslant、Fsrant分别为左、右天线对卫星转动的柔性耦合系数。
2.如权利要求1所述的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，其特征在于，所述的S1中，卫星动力学仿真计算机采用Vxworks嵌入式实时操作系统，响应时间为纳秒级，保证卫星动力学仿真模型的运行周期为1ms。
3.如权利要求1所述的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，其特征在于，所述的S2中，秒脉冲设备采用时钟板卡，其设置在卫星动力学仿真计算机中，以作为卫星动力学仿真模型的时间基准。
4.如权利要求1所述的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，其特征在于，所述的S3中，卫星动力学仿真模型通过RS422串口中断通讯模式接收星上计算机发送的时间信号，并且中断响应时间控制在微秒级。
5.如权利要求1所述的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，其特征在于，所述的S4中，星敏感器电信号源通过RS422串口中断通讯模式接收卫星动力学仿真计算机发送的卫星姿态四元数。
6.如权利要求1所述的卫星半物理仿真试验中星地时间同步的测试方法，其特征在于，所述的S4中，星敏感器电信号源与星敏感器之间通过1334总线进行数据传输。
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