CN109795725A - 一种用于模拟空间导电滑环的模拟器以及相应模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟空间导电滑环的模拟器，包括：模数转换器，其被配置为从空间导电滑环采集模拟电压信号并将其转换为数字电压信号；存储器，其被配置为存储所述数字电压信号；以及数模转换器，其被配置为读取所存储的数字电压信号并将其转换成模拟电压信号。本发明还涉及一种用于模拟空间导电滑环的方法。通过该模拟器和/或该方法，可以避免卫星模拟测试中保持空间导电滑环一直旋转，从而增加空间导电滑环的剩余圈数，增加其寿命，此外还可以在空间导电滑环测试中减小、甚至避免真实空间导电滑环的使用，从而降低试验成本。

Description

一种用于模拟空间导电滑环的模拟器以及相应模拟方法

技术领域

本发明总的来说涉及航天器测试领域，具体而言，涉及一种用于模拟空间导电滑环的模拟器。此外，本发明还涉及一种用于模拟空间导电滑环的方法。

背景技术

目前在轨航天器数目已经超过一千颗，由最初不携带科学仪器设备的卫星发展成具有复杂功能的空间站、深空着陆器等。为适应复杂的场景或者完成特定的任务，需要航天器机械机构发生相对旋转，为保证在相对旋转的航天器装置之间能够进行数据传递，需要使用空间导电滑环为相对运动的装置之间建立用于数据传输的电通路。

空间导电滑环主要由两部分组成，一部分是固定不动的导电环，连接发生相对运动的两个机构之一，另一部分为电刷，连接所述两个机构中的另一机构。当两个机构发生相对转动时，电刷在导电环上保持滑动电接触，以保证导电信号不丢失，从而实现两个发生相对旋转的机构之间的数据传输。

空间导电滑环具有传输信号可靠、传输速度快等优点，除了能够传输数据信号，还能传输电能，因此空间导电滑环在旋转航天器上得到大量使用。但是，空间导电滑环具有使用寿命较短的缺点，其原因在于电刷与导电环接触摩擦时间长后，会导致二者出现磨损而缩短寿命，并产生磨损微粒影响导电滑环的性能。空间导电滑环多为单点，因此空间导电滑环损坏后无备份，使得航天器不能正常工作，因而其成为空间航天器寿命的关键受制因素之一。

空间导电滑环的寿命用其旋转圈数进行衡量，这可通过导电滑环地面寿命试验和已有在轨使用记录进行统计预估。为保证导电滑环在空间具有更长的使用寿命，减小航天器地面测试时导电滑环的旋转圈数是一个有效方法。然而，地面测试过程中为模拟真实的信号传输环境，在进行相对旋转机构的信号传输测试时，通常让导电滑环处于旋转工作状态，特别是地面航天器老练实验和信号传输压力测试时，长时间的测试减少了导电滑环剩余可转圈数，也就相应减少了导电滑环在轨使用寿命，并缩小了航天器在轨使用寿命。

另外，在地面对空间导电滑环进行通信测试研究时，为验证空间导电滑环对不同通信方法的影响，常常需要用诸如RS422、CAN、RS485等不同的通信协议以及不同协议下的不同波特率进行长时间的压力测试，为模拟真实的工作状态，需要将空间导电滑环转动起来，以产生导电滑环转动时传递信号中的电平波动。这种方法需要投入大量昂贵的空间导电滑环进行试验，试验成本高。

因此，需要一种能够模拟导电滑环数据传输的模拟器，在仅仅需要模拟导电滑环信号传输过程时，替代真实的滑环参与试验，降低真实导电滑环的使用，以延长导电滑环的使用寿命或者降低试验成本。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于模拟空间导电滑环的模拟器以及相应模拟方法，通过该模拟器和/或该方法，可以避免卫星模拟测试中保持空间导电滑环一直旋转，从而增加空间导电滑环的剩余圈数，增加其寿命，此外还可以在空间导电滑环测试中减小、甚至避免真实空间导电滑环的使用，从而降低试验成本。

在本发明的第一方面，该任务通过一种用于模拟空间导电滑环的模拟器来解决，该模拟器包括：

模数转换器，其被配置为从空间导电滑环采集模拟电压信号并将其转换为数字电压信号；

存储器，其被配置为存储所述数字电压信号；以及

数模转换器，其被配置为读取所存储的数字电压信号并将其转换成模拟电压信号。

在本发明的一个优选方案中规定，所述模拟电压信号包括空间导电滑环在转动状态下的第一模拟电压信号、以及空间导电滑环在静止状态下的第二模拟信号，其中第一模拟电压信号被模数转换器转换为第一数字电压信号，并且第二模拟电压信号被模数转换器转换为第二数字电压信号，并且其中所述模拟器还包括:

信号处理器，其被配置为从第一数字电压信号减去第二数字电压信号以获得电压波动数字信号。

通过该优选方案，可以较好地模拟空间导电滑环在转动时的电压波动。空间导电滑环的电刷和导电环在滑动摩擦时会导致二者的接触电阻出现波动，并引入其它噪声，反映在传输信号电平上表现为传输电平的波动，从而影响传输信号质量。因此，通过在传输线路上叠加空间导电滑环转动时产生的噪声，可以模拟信号传输中的真实导电滑环。

在本发明的一个扩展方案中规定，该模拟器还包括加法器，其被配置为将数模转换器输出的模拟电压信号叠加到信号线上以模拟空间导电滑环的电压。通过该扩展方案，可以简单、低成本地将模拟电压信号、如电压波动模拟信号叠加到测试信号中以模拟空间导电滑环。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于模拟空间导电滑环的方法来解决，该方法包括下列步骤：

从空间导电滑环采集空间导电滑环在转动状态下的第一模拟电压信号并通过模数转换将其转换为第一数字电压信号；

从空间导电滑环采集空间导电滑环在转动状态下的第二模拟电压信号并通过模数转换将其转换为第二数字电压信号；

从第一数字电压信号减去第二数字电压信号以获得电压波动数字信号；

存储所述电压波动数字信号；

读取所述电压波动数字信号并通过数模转换将其转换成电压波动模拟信号；以及

将所述电压波动模拟信号叠加到信号线上以模拟空间导电滑环的电压。

在本发明的一个扩展方案中规定，该方法还包括:

存储第一数字电压信号和第二数字电压信号。

通过该扩展方案，可以存储空间导电滑环在多种状态下的电压，以便用于不同的模拟测试或模拟目标。

在本发明的一个优选方案中规定，该方法还包括:

从空间导电滑环采集空间导电滑环在不同转速下的模拟电压信号并通过模数转换将其转换为相应数字电压信号。

通过该扩展方案，可以模拟空间导电滑环在不同转速下的电输出信号。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的用于模拟空间导电滑环的模拟器的示意图；

图2示出了根据本发明的模拟器在信号采集模式下的示意图；以及图3示出了根据本发明的模拟器在模拟测试模式下的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

为降低真实空间导电滑环在地面数据传输试验的使用，本发明提出了一种用于模拟空间导电滑环的模拟器，其能在地面替代空间导电滑环进行数据传输测试，降低真实滑环的使用，增加真实滑环在轨工作寿命以及减低地面试验研究成本。

该模拟器通过AD(模拟-数字)转换采集传输信号在真实导电滑环转动过程中的电压，并利用信号处理器提取采集信号中的波动电压，存入模拟器内部存储器。当需要利用模拟器进行数据传输测试时，控制器控制DA(数字-模拟)转换从存储器读取波动电压值并转换为模拟信号电压，通过加法器叠加到需要测试的信号电压上，从而在信号电压上模拟了空间导电滑环转动过程中的电压波动。

图1示出了根据本发明的用于模拟空间导电滑环的模拟器100的示意图。

如图1所示，其组成包括：交互端口A-C、AD转换器103、可选的信号处理器104、存储器102、DA转换器101、可选的加法器106、以及可选的控制器106。在实际中，空间导电滑环可能具有多路，为简单起见，在图1中仅仅示出了与端口A和端口B相对应的两路导电滑环，实际使用时可根据实际情况增加交互端口以及加法器106的个数。

交互端口共有个三个：端口A、端口B、端口C。端口A和端口B用作实际通信时的外接通信端，而端口C用于采集真实导电滑环转动时的噪声。

AD转换器103可用于采集导电滑环上的电压，例如可以采集导电滑环转动时通信线上的电压，以便后续处理可以获得因导电滑环转动导致的信号电压波动。为获得更精细的波动细节，尽可能提高AD采样频率，同时，为了获取的电压值更准确，尽可能提高AD采集位数。AD采集的范围可根据传输信号进行选取。

信号处理模块104负责从叠加有噪声的信号中滤除掉信号电压，噪声提取出来。由于信号电压在传输信号时为矩形波，因此利用频谱滤波的方法难以获得精确的传输噪声。为此，在本发明中，利用AD转换器101采集相同传输信号在空间导电滑环转动和不转动情况下的信号，并用导电滑环转动时的采集电压减去导电滑环不转动时的电压，以得到导电滑环转动带来的噪声。

存储器102可用于存储数字电压信号，例如可用于存储空间导电滑环转动一圈过程中的噪声电压信号，以便在模拟测试时，将存储的噪声电压信号输出给DA转换器101。

DA转换器101实现数字信号转换模拟信号的功能，例如将存储在存储器中的电压信号、如噪声电压信号按照周期进行读取，然后转换为模拟电压输出给相应线路的加法器106。为保证输出信号不失真，尽可能提高DA转换器的转换位数和转换频率。

加法器106实现噪声电压与信号电压的叠加，使得传输线路上的信号电压上具有空间导电滑环转动时的特征，从而达到模拟真实空间导电滑环的效果。

控制器105可实现对上述模块和器件的运行进行控制，保证上述模块和器件的功能实现及时序正确。控制器105是可选的，其既可以分开地实现为各个部件中的相应控制功能，也可以集中地实现为控制模块。控制器105可以用硬件、软件、固件或其组合来实现。

模拟器100可以包含两种模式，第一种为信号采集模式，第二种为模拟测试模式。图2和图3分别示出了根据本发明的模拟器在信号采集模式和模拟测试模式下的示意图，其中虚线框表示不工作组件。

信号采集模式用于采集、处理和存储空间导电滑环在转动过程中的噪声信号，连接如图2实线所示，此时模拟器100内部只有端口C、AD转换器101、信号处理器104、存储器102、控制器105处于工作状态。为采集转动导电滑环上的电压信号，在外部设置有可以让导电滑环转动的机械装置。导电滑环的内圈含有导电环，设置固定在电机轴承上，导电滑环的外圈含有电刷，固定在滑环支架上，通信端1和通信端2分别连接到导电滑环的外圈和内圈，端口C的输入线分别搭接在通信端上的传输线上。首先，按照实际使用导电滑环时的转动速率设置电机转动速率，启动通信端1和通信端2的信号传输，AD采集导电滑环转动一周时间T内的电压信号；然后，停止电机旋转，信号端传输相同的信号，AD采集时间T内的电压信号。信号处理器对上述两端信号进行处理，利用上述先采集的一段信号减去后采集的一段信号得到误差信号，并将最终结果放入存储器102中。

模拟测试模式用于读取信号采集模式中采集的信号，并将其转换为模拟电压叠加到信号线107上以模拟真实导电滑环转动时传输的信号，连接如图3实线所示，此时模拟器100内部只有存储器102、控制器105、加法器106、端口A、端口B处于工作状态。控制器按照采样时间T为周期，即空间导电滑环转动一圈的时间为一周期，控制DA转换器101从存储器102中读取存储的噪声电压值，并转换为模拟电压输出给对应线路上的加法器106。加法器106将噪声电压叠加在通信端1与通信端2传输的数据传输电压上，实现了模拟真实空间导电滑环数据传输的效果。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (6)

1.一种用于模拟空间导电滑环的模拟器，包括：

模数转换器，其被配置为从空间导电滑环采集模拟电压信号并将其转换为数字电压信号；

存储器，其被配置为存储所述数字电压信号；以及

数模转换器，其被配置为读取所存储的数字电压信号并将其转换成模拟电压信号。

2.根据权利要求1所述的模拟器，其中所述模拟电压信号包括空间导电滑环在转动状态下的第一模拟电压信号、以及空间导电滑环在静止状态下的第二模拟信号，其中第一模拟电压信号被模数转换器转换为第一数字电压信号，并且第二模拟电压信号被模数转换器转换为第二数字电压信号，并且其中所述模拟器还包括:

信号处理器，其被配置为从第一数字电压信号减去第二数字电压信号以获得电压波动数字信号。

3.根据权利要求1所述的模拟器，还包括加法器，其被配置为将数模转换器输出的模拟电压信号叠加到信号线上以模拟空间导电滑环的电压。

4.一种用于模拟空间导电滑环的方法，包括下列步骤：

从空间导电滑环采集空间导电滑环在转动状态下的第一模拟电压信号并通过模数转换将其转换为第一数字电压信号；

从空间导电滑环采集空间导电滑环在转动状态下的第二模拟电压信号并通过模数转换将其转换为第二数字电压信号；

从第一数字电压信号减去第二数字电压信号以获得电压波动数字信号；

存储所述电压波动数字信号；

读取所述电压波动数字信号并通过数模转换将其转换成电压波动模拟信号；以及

将所述电压波动模拟信号叠加到信号线上以模拟空间导电滑环的电压。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括:

存储第一数字电压信号和第二数字电压信号。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括:

从空间导电滑环采集空间导电滑环在不同转速下的模拟电压信号并通过模数转换将其转换为相应数字电压信号。