CN107544467B - 整星条件下的双星编队控制闭环测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种整星条件下的双星编队控制闭环测试系统及方法，该系统包括姿轨控计算机、星敏感器、陀螺组合、反作用飞轮、磁力矩器、阀门线路盒、综合电子管理单元、辅星GNSS接收机、主星GNSS接收机、GPS导航星模拟模块、BD导航星模拟模块、射频调制模块、导航模拟器上位机、轨道动力学模块、姿态动力学模块、信号采集模块、电信号源模块，其中：姿轨控计算机通过串行总线与星敏感、陀螺组合相连接。本发明具有实时性强，数据稳定性高，适应性好等特点，解决了星上实物产品在回路的编队控制闭环测试问题。

Description

整星条件下的双星编队控制闭环测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种航天器地面测试技术，特别是涉及一种整星条件下的双星编队控制闭环测试系统及方法。

背景技术

随着航天技术的发展，卫星编队飞行技术得到了越来越广泛的应用，通过两颗或两颗以上卫星在轨编队飞行及星间协同工作，实现单个卫星无法实现的功能，根据编队飞行任务要求不同，为保证在轨飞行任务的实施，编队构形控制一般包括卫星编队构形初始化、构形保持和构形重构控制等三类，编队构形控制的首要前提是获得编队的构形参数，一般是通过在主、辅星上安装全球导航卫星系统接收设备，获取主、辅星位置、速度信息；并通过星间链路，将主星全球导航卫星系统获得的定位数据发送到辅星，由星上计算机根据本星和他星的定位数据，利用星上导航算法获得双星编队的构形参数，根据任务需要，通过星地回路或星上自主完成编队构形控制，编队飞行的一项重要的关键技术就是如何进行编队飞行技术的地面仿真和验证，在理论研究或系统设计阶段，一般通过数学仿真或半物理仿真，验证编队飞行的导航及控制算法，胡敏等人提出了一种基于处理器在回路的卫星编队仿真验证系统方案，重点解决了编队飞行数学仿真的问题，其中动力学输出的数据直接给编队控制星载计算机，缺点是导航接收机和星上设备均不在测试回路，硬件接口、延时等得不到有效验证，由于硬件特性、全球导航卫星系统接收机的物理特性等影响，在编队飞行任务转入工程研制阶段，采用数学验证或星上产品使用数学模型是不足以支撑任务实施的，需要将全球导航卫星系统系统、星上姿态敏感器、执行机构等接入到闭环回路中进行充分的验证，保证在轨各项编队飞行任务的顺利实施，考虑经济性等因素，在初样研制阶段，编队双星系统一般只投产一颗卫星加部分产品，如何在有限的硬件资源约束下，完成星上产品在测试回路的编队控制测试，构建整星条件下的编队控制闭环测试系统，是首先要解决的问题；同时，由于编队控制一般需要在卫星运行的数个圈次完成，整星测试对全球导航卫星系统导航模拟器长时间数据的稳定性有相当高的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种整星条件下的双星编队控制闭环测试系统及方法，其具有实时性强，数据稳定性高，适应性好等特点，解决了星上实物产品在回路的编队控制闭环测试问题。

根据本发明的一个方面，提供一种整星条件下的双星编队控制闭环测试系统，其特征在于，包括姿轨控计算机、星敏感器、陀螺组合、反作用飞轮、磁力矩器、阀门线路盒、综合电子管理单元、辅星GNSS接收机、主星GNSS接收机、GPS导航星模拟模块、BD导航星模拟模块、射频调制模块、导航模拟器上位机、轨道动力学模块、姿态动力学模块、信号采集模块、电信号源模块，其中：姿轨控计算机通过串行总线与星敏感、陀螺组合相连接，将敏感器获得的测量数据用以计算卫星姿态，并形成姿态控制指令，发送给反作用飞轮、磁力矩器，同时，姿轨控计算机通过星上总线与综合电子管理单元相连，获取辅星GNSS接收机给出的相对位置差分数据；星敏感器用于测量卫星的姿态，陀螺组合用于测量卫星的姿态角速度，其激励信号源来自姿轨控综合测试设备的电信号源模块；反作用飞轮用于姿态控制、磁力矩器对飞轮转速进行去饱和卸载，阀门线路盒主要对姿轨控计算机发出的编队喷气控制指令进行驱动放大，并发送至轨道动力学模块，由轨道动力学模块更新卫星位置速度等，通过导航模拟器上位机，给GPS导航星模块和BD导航星模块，生成主、辅星导航模拟数据，并分别发送至主星GNSS接收机和辅星GNSS接收机，主星GNSS接收机的定位数据通过串行总线发送给辅星GNSS接收机，由辅星GNSS接收机将主、辅星的数据进行差分处理，以获得相对位置、速度数据，并通过总线送综合电子管理单元，综合电子管理单元通过总线发送给姿轨控计算机，从而形成整个闭环测试回路。

本发明目的的另一方面，提供一种整星条件下的双星编队控制闭环测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，按照姿轨控计算机、星敏感器、陀螺组合、反作用飞轮、磁力矩器、阀门线路盒、综合电子管理单元、辅星GNSS接收机、主星GNSS接收机、轨道动力学模块和导航模拟器上位机、GNSS导航模拟器等完成星上设备和地面设备有线连接；

步骤二，通过导航模拟器上位机设置动力学参数初始条件，启动动力学计算机实时输出编队主、辅双星WGS-坐标下的位置速度参数，驱动导航模拟器生成导航星数据，并输出给主、辅星全球导航卫星系统接收机；

步骤三，主星GNSS接收机数据直接发送给辅星GNSS接收机，完成全球定位系统数据的载波相位差分处理，获得相对定位数据后，通过总线送姿轨控计算机自主生成喷气脉冲指令,控制执行机构喷气；

步骤四，姿轨控综合测试设备信号采集模块采集的阀门线路盒给出的喷气指令脉宽，以ms的周期刷新动力学参数，从而实现编队控制闭环测试。

优选地，所述姿轨控计算机采用同一时钟源校时，实现高精度时间同步。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明采用动力学实时驱动主、辅双星全球导航卫星系统导航模拟器，再由导航模拟器把有关导航星模拟数据直接送入到星上全球导航卫星系统接收设备，并与星上敏感器、执行机构等实物产品相连接，具有仿真环境真实，可面向整星条件下测试等优点，在国内外尚属首次，填补了现有的技术空白；二、主星仅需要一台与辅星状态相一致的全球导航卫星系统导航接收机，与地面设备相连，而不需要研制另外一整套与编队相关的姿轨控计算机、敏感器、执行机构等星上设备，大大节约了研制经费；三、由于双星编队系统对实时性要求很高，因此，如何实现时间同步，至关重要，影响到系统性能的考核与评价，本发明的动力学与星上姿轨控计算机采用同一时钟源进行时间同步，实现了高精度时间同步；四、主星导航数据送辅星接收机，由辅星完成相对定位差分数据，通过有线连接，保证数据的稳定性和连续性，可用于整星各种条件下编队控制闭环测试。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整星条件下的双星编队控制闭环测试系统的原理框图。

图2为本发明整星条件下的双星编队控制闭环测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明整星条件下的双星编队控制闭环测试系统包括姿轨控计算机1、星敏感器21、陀螺组合22、反作用飞轮31、磁力矩器32、阀门线路盒33、综合电子管理单元4、辅星GNSS接收机5、主星GNSS接收机61、GPS导航星模拟模块71、BD2导航星模拟模块72、射频调制模块73、导航模拟器上位机74、轨道动力学模块81、姿态动力学模块82、信号采集模块83、电信号源模块84，其中：姿轨控计算机1通过串行总线与星敏感21、陀螺组合22相连接，将敏感器获得的测量数据用以计算卫星姿态，并形成姿态控制指令，发送给反作用飞轮31、磁力矩器32，同时，姿轨控计算机1通过星上总线与综合电子管理单元4相连，获取辅星GNSS接收机5给出的相对位置差分数据；星敏感器21用于测量卫星的姿态，陀螺组合22用于测量卫星的姿态角速度，其激励信号源来自姿轨控综合测试设备的电信号源模块84；反作用飞轮31用于姿态控制、磁力矩器32对飞轮转速进行去饱和卸载，阀门线路盒33主要对姿轨控计算机1发出的编队喷气控制指令进行驱动放大，并发送至轨道动力学模块，由轨道动力学模块更新卫星位置速度等，通过导航模拟器上位机74，给GPS导航星模块71和BD2导航星模块72，生成主、辅星导航模拟数据，并分别发送至主星GNSS接收机61和辅星GNSS接收机5，主星GNSS接收机的定位数据通过串行总线发送给辅星GNSS接收机5，由辅星GNSS接收机5将主、辅星的数据进行差分处理，以获得相对位置、速度数据，并通过总线送综合电子管理单元4，综合电子管理单元4通过总线发送给姿轨控计算机1，从而形成整个闭环测试回路。

如图2所示，本发明整星条件下的双星编队控制闭环测试方法包括以下步骤：

步骤一，按照姿轨控计算机1、星敏感器21、陀螺组合22、反作用飞轮31、磁力矩器32、阀门线路盒33、综合电子管理单元4、辅星GNSS接收机5、主星GNSS接收机61、轨道动力学模块81和导航模拟器上位机74、GNSS导航模拟器等完成星上设备和地面设备有线连接；

步骤二，通过导航模拟器上位机74设置动力学参数初始条件，启动动力学计算机实时输出编队主、辅双星WGS-84坐标下的位置速度参数，驱动导航模拟器生成导航星数据，并输出给主、辅星全球导航卫星系统接收机；

步骤三，主星GNSS接收机61数据直接发送给辅星GNSS接收机5，完成全球定位系统数据的载波相位差分处理，获得相对定位数据后，通过总线送姿轨控计算机自主生成喷气脉冲指令,控制执行机构喷气；

步骤四，姿轨控综合测试设备信号采集模块83采集的阀门线路盒33给出的喷气指令脉宽，以20ms的周期刷新动力学参数，从而实现编队控制闭环测试。

所述主星全球导航卫星系统导航数据直接送辅星全球导航卫星系统接收机，由辅星完成相对定位差分数据。

所述动力学与星上姿轨控计算机采用同一时钟源校时，实现高精度时间同步。

本发明的工作原理如下：主、辅双星状态一致，通过星载全球导航卫星系统天线及接收机、全球导航卫星系统导航星座获取本星的位置、速度等定位信息，主星通过星间链路，将定位数据发送给辅星，辅星利用星上导航算法，完成相对编队构形参数的确定、控制策略的生成等，本发明利用动力学实时输出主、辅双星的WGS-84坐标系下的卫星位置、速度数据，通过串口把数据发送给全球导航卫星系统导航模拟器，导航模拟器根据卫星位置、速度等参数，模拟导航星的星历、时间等数据，通过导航接收机的地面测试口，将数据送给导航接收机，导航接收机根据模拟的导航星数据，生成卫星位置、速度等参数；为了实现差分全球定位系统，由主星接收机将数据通过RS422串口，将数据直接送给辅星全球导航卫星系统接收机，由辅星全球导航卫星系统接收机完成差分数据，获得主、辅星的相对位置参数，并通过星上1553B总线发送给综合电子管理单元，综合电子管理单元通过星上1553B总线发送给星上姿轨控计算机，姿轨控计算机完成相对导航滤波，获得编队构形参数，根据需要，采用星地大回路或星上自主，触发编队构形控制，或根据地面指令完成编队构形重构控制等，以地面动力学计算机作为统一的时间基准，通过RS422串口给姿轨控计算机校时，并同时将时间基准信号通过RS422发送给全球导航卫星系统导航模拟器，由导航模拟器作为全球导航卫星系统的时间基准，并发送数据给主、辅星导航接收机，作为统一的时间基准。

综上所述，本发明具有实时性强，数据稳定性高，适应性好等特点，解决了星上实物产品在回路的编队控制闭环测试问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种整星条件下的双星编队控制闭环测试系统，其特征在于，包括姿轨控计算机、星敏感器、陀螺组合、反作用飞轮、磁力矩器、阀门线路盒、综合电子管理单元、辅星GNSS接收机、主星GNSS接收机、GPS导航星模拟模块、BD导航星模拟模块、射频调制模块、导航模拟器上位机、轨道动力学模块、姿态动力学模块、信号采集模块、电信号源模块，其中：姿轨控计算机通过串行总线与星敏感、陀螺组合相连接，将敏感器获得的测量数据用以计算卫星姿态，并形成姿态控制指令，发送给反作用飞轮、磁力矩器，同时，姿轨控计算机通过星上总线与综合电子管理单元相连，获取辅星GNSS接收机给出的相对位置差分数据；星敏感器用于测量卫星的姿态，陀螺组合用于测量卫星的姿态角速度，其激励信号源来自姿轨控综合测试设备的电信号源模块；反作用飞轮用于姿态控制、磁力矩器对飞轮转速进行去饱和卸载，阀门线路盒主要对姿轨控计算机发出的编队喷气控制指令进行驱动放大，并发送至轨道动力学模块，由轨道动力学模块更新卫星位置速度，通过导航模拟器上位机，给GPS导航星模块和BD导航星模块，生成主、辅星导航模拟数据，并分别发送至主星GNSS接收机和辅星GNSS接收机，主星GNSS接收机的定位数据通过串行总线发送给辅星GNSS接收机，由辅星GNSS接收机将主、辅星的数据进行差分处理，以获得相对位置、速度数据，并通过总线送综合电子管理单元，综合电子管理单元通过总线发送给姿轨控计算机，从而形成整个闭环测试回路。

2.一种整星条件下的双星编队控制闭环测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，按照姿轨控计算机、星敏感器、陀螺组合、反作用飞轮、磁力矩器、阀门线路盒、综合电子管理单元、辅星GNSS接收机、主星GNSS接收机、轨道动力学模块和导航模拟器上位机、GNSS导航模拟器完成星上设备和地面设备有线连接；

步骤二，通过导航模拟器上位机设置动力学参数初始条件，启动动力学计算机实时输出编队主、辅双星WGS-坐标下的位置速度参数，驱动导航模拟器生成导航星数据，并输出给主、辅星全球导航卫星系统接收机；

步骤三，主星GNSS接收机数据直接发送给辅星GNSS接收机，完成全球定位系统数据的载波相位差分处理，获得相对定位数据后，通过总线送姿轨控计算机自主生成喷气脉冲指令,控制执行机构喷气；

步骤四，姿轨控综合测试设备信号采集模块采集的阀门线路盒给出的喷气指令脉宽，以ms的周期刷新动力学参数，从而实现编队控制闭环测试。

3.根据权利要求2所述的整星条件下的双星编队控制闭环测试方法，其特征在于，所述姿轨控计算机采用同一时钟源校时，实现高精度时间同步。

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