CN110471311A - 一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，包括宿主机、目标机、环境模拟计算机、姿轨控计算机、执行机构、采集卡的I/O硬件设备，宿主机通过以太网与目标机连接，目标机与所述环境模拟计算机通信连接，环境模拟计算机用于模拟卫星所在的空间环境并通过测量模块得到卫星姿态和轨道的实际信息数据，卫星姿态和轨道的模拟信息数据和卫星姿态和轨道的实际信息数据在环境模拟计算机中进行对比并得到误差量，环境模拟计算机与姿轨控计算机通信连接，姿轨控计算机计算出控制量并向执行机构发出控制指令。本发明具有运算能力强、精准度高、仿真运行原理以及结果更接近卫星工作实际情况、实时性强且成本低的优点。

Description

一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台

技术领域

本发明属于微纳卫星技术领域，具体涉及一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台。

背景技术

由于在特殊环境下运行工作，航天器的地面验证试验是一个不可避免的环节。空间飞行器地面仿真可以分为纯数值仿真，半物理仿真和全物理测试实验。纯数值仿真是指利用被仿真对象的数学模型，不需要硬件支持，只通过计算机系统数值模拟的一种仿真方法。该方法的优点是不受硬件条件影响、成本低、易实现，是在研究开发阶段常用的验证手段，但由于卫星的姿态传感器与执行机构存在各种测量和输出偏差，数学模型难以准确描述其实际动力学特性，因此通过数值仿真很难对卫星姿轨控制系统的性能指标以及可靠性进行有效考核。全物理仿真是最接近工程实际的方案，比如用气浮台等设备来模拟卫星的姿态动力学运动，但要全面模拟真实的太空环境非常困难且价格高昂。

半物理仿真是目前使用最多的一种仿真方法，这种方法将航天器运动过程(如在轨控制的姿态动力学，运动学，干扰力矩等)通过采用数学模型来描述，而其它部件(如传感器，控制器等)采用物理设备。与前者相比，半物理仿真比纯数值仿真更接近实际工程，而且在经济上比全物理仿真有很大优势，所以这种仿真方法更有实际工程意义。

半物理仿真技术之所以成为微小航天系统验证试验的最佳选择是因为在无物理飞行的情况下即可以对系统进行全面测试，这种测试方法成本低、时间短，能够大幅度的减少开发周期，因而半物理仿真技术的发展与使用受到各国的关注。

卫星姿态、轨道确定与控制系统(ADCS)是卫星的一个重要分系统，姿轨控制系统的准确性与可靠性是保证卫星工作任务能完成的基础条件。卫星在轨飞行过程中受到各种外界影响，开发人员非常重视在地面验证系统的性能，这种验证方法既要保证准确度，接近实际运行情况，又要考虑验证时间、经费和开发周期。半实物仿真测试系统将所有传感器实物，执行机构实物，卫星星载计算机以及控制算法，滤波校正算法等数学模型互相联系成一个闭环系统，之后进行仿真测试。这种仿真方法可以验证各种设备模拟器对姿态轨道控制的全过程，验证了实际设备的性能和稳定性。特别的是半实物仿真可以模拟高压，高温，高低速度等空间条件，可以对测量系统各个部件进一步高强度测试，而这种条件是实物测量时无法做到的，但是现有的半物理仿真在系统精度、速度上还存在不足，集成度不高、实时性不强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、速度快、集成度高、实时性强的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台。

实现本发明的技术解决方案为：一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，包括宿主机、目标机、环境模拟计算机、姿轨控计算机、执行机构、GPS导航星模拟器、采集卡，所述GPS导航星模拟器用于模拟发送和接收卫星的实时位置信息，所述宿主机通过以太网与所述目标机连接，所述宿主机用于编写仿真过程中所需要的仿真模型，所述目标机用于运算所述仿真模型并得到卫星姿态和轨道的模拟信息数据，所述目标机与所述环境模拟计算机通信连接，所述环境模拟计算机用于模拟卫星所在的空间环境并通过测量模块得到卫星姿态和轨道的实际信息数据，所述卫星姿态和轨道的模拟信息数据和卫星姿态和轨道的实际信息数据在所述环境模拟计算机中进行对比并得到实际信息数据与模拟信息数据的误差量，所述环境模拟计算机与姿轨控计算机通信连接，所述姿轨控计算机接收所述误差量并通过算法计算出控制量，所述姿轨控计算机与执行机构通过RS232串口连接并向执行机构发出控制指令，所述执行机构与采集卡的I/O硬件设备通过RS232串口连接，所述采集卡采集所述执行机构的电压、电流和脉冲信号等力矩反馈信息并将力矩反馈信息传输至所述目标机，所述目标机接收所述执行机构的力矩反馈信息并更新卫星姿态和轨道的模拟信息数据。

进一步地，还包括遥控遥测及监显存储计算机，所述遥控遥测及监显存储计算机与所述目标机通过以太网连接从而接收卫星姿态和轨道的模拟信息并通过STK驱动将所述信息数据图形化。

进一步地，还包括显示系统，所述显示系统包括空间环境信息显示模块、轨道信息显示模块、姿态信息显示模块、遥控遥测信息显示模块，所述轨道信息显示模块、姿态信息显示模块和遥控遥测信息显示模块与遥控遥测及监显存储计算机通过HDMI通信连接，所述空间环境信息显示模块与所述环境模拟计算机通过HDMI通信连接。

进一步地，还包括微推力测试台，所述微推力测试台与姿轨控计算机通信连接，所述姿轨控计算机用于控制所述微推力测试台的推力大小，所述微推力测试台通过RS232串口与采集卡的I/O硬件设备连接。

进一步地，所述姿轨控计算机与所述遥控遥测及监显存储计算机通过UART连接，通过遥控遥测及监显存储计算机控制所述姿轨控计算机能够实现卫星工作模式的改变。

进一步地，所述仿真模型包括卫星的动力学模型和运动学模型、轨道动力学模型、环境干扰力模型和力矩模型。

进一步地，所述环境模拟计算机内包括磁强计测量模块、太阳敏感器测量模块、星敏感器测量模块、光纤陀螺和导航接收机。

进一步地，所述执行机构包括磁力矩器、零动量轮、质量矩执行结构。

进一步地，所述姿轨控计算机的算法包括控制算法和测量算法，所述控制算法包括零动量姿态控制算法、自旋姿态控制算法和轨道编队控制算法，所述测量算法包括三轴稳定姿态测量算法、轨道机动姿态测量算法和轨道测量算法。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明利用独立的动力学仿真目标机对动力学模型和运动学模型、轨道动力学模型、环境干扰力模型和力矩模型进行仿真解算，能大幅提高整个系统的速度和精准度；

(2)在平台上有多种测量模拟器，当卫星处于速率阻尼、太阳捕获、对日定向、对地定向、编队、交汇逼近等工作模式时，如果一种测量模拟器失效可以通过另一种测量模拟器完成姿态测量、轨道测量，避免故障时导致卫星姿态和轨道丢失，从而提高了系统的验证能性；

(3)本发明在工作性能上集成度高、实时性强，有着广阔的工程应用前景，传统的数值仿真方法需要大量的程序编写导致工作人员很难在短时间内理解和进行学习试验，而这套半物理仿真从设备到编程，再到运行非常直观，弥补了传统数值仿真的不足；

(4)系统运行过程中，工作人员可以在线实时调整仿真参数，通过遥控遥测及监显存储计算机控制姿轨控计算机实现卫星工作模式的改变，实时在显示系统监控各项信息，保证工作人员可以在第一时间得到仿真结果并对结果进行处理、分析和调整。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台的框架组成图。

图2是宿主机的框架组成图。

图3是目标机的框架组成图。

图4是环境模拟计算机的框架组成图。

图5是执行机构的框架组成图。

图6是姿轨控计算机的框架组成图。

图7是遥控遥测及监显存储计算机的框架组成图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

结合图1，一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，包括宿主机1、目标机2、环境模拟计算机3、姿轨控计算机5、执行机构6、GPS导航星模拟器7、采集卡21，所述GPS导航星模拟器7用于模拟发送和接收卫星的实时位置信息，所述宿主机1通过以太网与所述目标机2连接，所述宿主机1用于在仿真开始前编写仿真过程中所需要的仿真模型以及初始阶段的参数设置，所述目标机2用于运算所述仿真模型并得到卫星姿态和轨道的模拟信息数据，所述目标机2与所述环境模拟计算机3通信连接，所述环境模拟计算机3用于模拟卫星所在的空间环境并通过测量模块得到卫星姿态和轨道的实际信息数据，所述卫星姿态和轨道的模拟信息数据和卫星姿态和轨道的实际信息数据在所述环境模拟计算机3中进行循环对比并得到实际信息数据与模拟信息数据的误差量，最终结算出卫星当前实时姿态和轨道信息，所述环境模拟计算机3与姿轨控计算机5通过SPI/UART/RS422各总线、串口连接，所述姿轨控计算机5接收所述误差量并通过算法计算出控制量，所述姿轨控计算机5与执行机构6通过RS232串口连接并向执行机构6发出控制指令，所述执行机构6与采集卡21通过RS232串口连接，所述采集卡21采集所述执行机构6的电压、电流和脉冲信号等力矩反馈信息并将所述执行机构6的电压、电流和脉冲信号等力矩反馈信息传输至所述目标机2形成一个硬件回路闭环仿真，所述目标机2通过所述采集卡21接收所述执行机构6的电压、电流和脉冲信号等力矩反馈信息并更新卫星姿态和轨道的模拟信息数据。

进一步地，还包括遥控遥测及监显存储计算机4，所述遥控遥测及监显存储计算机4与所述目标机2通过以太网连接从而接收卫星姿态和轨道的模拟信息并通过STK驱动32将所述信息数据图形化。

进一步地，还包括显示系统，所述显示系统包括空间环境信息显示模块8、轨道信息显示模块9、姿态信息显示模块10、遥控遥测信息显示模块11，所述轨道信息显示模块9、姿态信息显示模块10和遥控遥测信息显示模块11与遥控遥测及监显存储计算机4通过HDMI通信连接，所述空间环境信息显示模块8与所述环境模拟计算机3通过HDMI通信连接，所述遥控遥测及监显存储计算机4与所述目标机2通过以太网连接从而接收卫星姿态和轨道的模拟信息并通过STK驱动32将所述信息数据图形化将轨道信息35、姿态信息34、遥控遥测信息33分别在轨道信息显示模块9、姿态信息显示模块10、遥控遥测信息显示模块11中实时显示。

进一步地，还包括微推力测试台12，所述微推力测试台12与姿轨控计算机5通信连接，所述姿轨控计算机5用于控制所述微推力测试台12的推力大小，所述微推力测试台12通过RS232串口与采集卡21连接。

结合图2，宿主机1是一种可靠性强和具备编程能力的计算机，仿真所用到的所有模型都会在宿主机1进行编写和参数设置，本发明宿主机1内运行的是Matlab/Simulink、C语言编译器等编译软件，主要任务是编写仿真过程中所需要的仿真模型，通过使用C语言对外围硬件进行编写接口驱动，封装和生成应用程序并通过以太网将应用程序代码下载到动力学仿真目标机2，包括硬件设备驱动编写过程14、数学模型分析及模型编写过程13、模块封装过程15，并且具备生成应用程序代码16的功能，通过下载到目标机的功能能够将应用程序代码17下载到目标机2，所述仿真模型包括卫星的动力学模型和运动学模型18、轨道动力学模型20、环境干扰力模型和力矩模型19。在整个系统进入正式仿真阶段之前，操作人员可以在宿主机1进行模型试跑，验证模型的准确度，查找最适合的仿真步长、仿真周期以及仿真求解器，同时也可以对模型进行优化设计使得模型更加简单，提高仿真效率。

结合图3，目标机2是一种工控计算机，该设备有独立的操作系统，仿真过程中运算时间在毫秒级别；目标机有多个I/O接口，可以实时跟外围设备实时通信。动力学仿真目标机2负责运算卫星的动力学模型和运动学模型18、轨道动力学模型20、环境干扰力模型和力矩模型19，以及跟执行机构6(磁力矩器27、零动量轮28、质量矩执行结构29)通过采集卡21进行数据实时通信。目标机2解算出的姿态信息和轨道信息将通过以太网发给环境模拟计算机3，同时也通过自己的多个I/O接口、串口(RS232)通过采集卡21采集来自执行机构6的力矩反馈信息来加入更新计算过程。从目标机2解算出的姿态信息和轨道信息结合于在遥控遥测及监显存储计算机4的STK驱动32将轨道信息35、姿态信息34、遥控遥测信息33分别在轨道信息显示模块9、姿态信息显示模块10、遥控遥测信息显示模块11中实时显示。

如图4所示为本发明的环境模拟计算机3，包括磁强计测量模块22、太阳敏感器测量模块23、星敏感器测量模块24、光纤陀螺26和导航接收机25。环境模拟计算机3主要工作目的是模拟当前卫星所在的空间环境，通过各测量模块输出的实际的姿态信息和轨道信息与目标机2解算发来的模拟的姿态信息和轨道信息进行对比给出当前卫星姿态和轨道的实际信息数据与模拟信息数据的误差量。同时一些磁场矢量、磁强计误差、陀螺仪误差、太敏误差、星敏误差等空间环境信息36会通过空间环境信息显示模块8显示。

如图5所示为本发明的执行机构6，该部分是本仿真系统的外围实物部件，主要包括磁力矩器27、零动量轮28、质量矩执行结构29。考虑到卫星在运行过程中会经过不同工作模式，且每个阶段的精度都不同，因此本发明采用的执行机构也分别为上述三类。本机构的工作原理：从姿轨控计算机5接收到不同工作模式和控制指令，获取方式是通过RS232、串口等。执行机构6输出的力矩反馈信息如电压、电流、脉冲信号等将被采集卡21采集并通过I/O口发往目标机2。

如图6所示为本发明的姿轨控计算机5，包括：控制算法30和测量算法31，本系统考虑到卫星的多种工作模型，设计控制算法30包括零动量姿态控制算法、自旋姿态控制算法和轨道编队控制算法，测量算法31包括三轴稳定姿态测量算法、轨道机动姿态测量算法和轨道测量算法。仿真过程中环境模拟计算机3将姿态和轨道的实际信息数据与模拟信息数据的误差量通过UART、SPI、RS422发给姿轨控计算机5。

如图7所示为本发明的遥控遥测及监显存储计算机4以及部分显示系统。该遥控遥测及监显存储计算机4通过以太网从目标机2获取轨道信息、姿态信息，并通过STK驱动32将信息数据图形化，之后将图像信息显示在显示系统。所述姿轨控计算机5与所述遥控遥测及监显存储计算机4通过UART连接，通过遥控遥测及监显存储计算机4控制所述姿轨控计算机5能够实现卫星工作模式的改变。

本发明的微纳卫星姿轨控半物理仿真实验平台相关工作原理和过程包括：动力学仿真目标机2通过以太网获取从宿主机1下载的应用程序代码17，应用程序代码17是包括仿真过程中所有要用到的数学仿真模型(动力学模型和运动学模型18、轨道动力学模型20、环境干扰力和力矩模型19、驱动模型、通讯模型等)，仿真参数信息(仿真步长、仿真周期、求解器类型等)，同时执行机构6的力矩反馈信息通过采集卡21的丰富I/O接口发送给目标机2。目标机2以高性能，高速解算出姿态信息、轨道信息，通过各种(IO接口、串口、以太网)方式发送给环境模拟计算机3和遥控遥测及监显存储计算机4。环境模拟计算机3通过GPS导航星模拟器7(用于模拟发送和接收卫星的实时位置信息)，各测量模块计算出当前卫星的姿态，轨道信息，对比与目标机解算的姿态、轨道信息计算出误差量，通过总线(SPI、RS422、UART)发给姿轨控计算机5。根据卫星的不同工作模式姿轨控计算机5即将运行的是各种测量算法和控制算法，该设备负责解算控制量以及将控制指令通过总线(RS232、IO接口)发送给执行机构6。仿真过程中，卫星的工作模式有姿轨控计算机5决定，操作人员可以在遥控遥测计算4机进行模式选择。执行机构6获取控制指令之后开始工作，将力矩反馈信息通过采集卡21送至真目标2机形成闭环仿真。遥控遥测计算4用于处理、调节仿真模式，该设备负责将从动力学仿真目标机2发送来的姿态信息、轨道信息结合于STK驱动模块32将数据进行图像处理，处理后的数据发送给显示系统。此外，一些误差参数同时也从环境模拟计算机3显示在显示系统上，操作人员可以在显示系统跟踪整个仿真过程，包括仿真模式，仿真模型参数，空间环境信息，姿态信息，轨道信息以及遥控遥测信息等。

本发明具有运算能力强、精准度高、仿真运行原理以及结果更接近卫星工作实际情况、实时性强且成本低的优点。系统建模过程中使用了xPCTarget目标工具箱，具有快速建模，快速封装等优点。本发明可以针对卫星的多种工作模式进行仿真验证，操作步骤方便、易懂，完全符合卫星姿轨控系统地面验证的试验要求。此外，仿真运行过程中操作人员可以通过显示监测系统得到所有仿真结果，进行数据处理分析，判断系统运行是否正常，便于及时做出调整，进而提高卫星姿轨控系统的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于包括宿主机(1)、目标机(2)、环境模拟计算机(3)、姿轨控计算机(5)、执行机构(6)、GPS导航星模拟器(7)、采集卡(21)，所述GPS导航星模拟器(7)用于模拟发送和接收卫星的实时位置信息，所述宿主机(1)通过以太网与所述目标机(2)连接，所述宿主机(1)用于编写仿真过程中所需要的仿真模型，所述目标机(2)用于运算所述仿真模型并得到卫星姿态和轨道的模拟信息数据，所述目标机(2)与所述环境模拟计算机(3)通信连接，所述环境模拟计算机(3)用于模拟卫星所在的空间环境并通过测量模块得到卫星姿态和轨道的实际信息数据，所述卫星姿态和轨道的模拟信息数据和卫星姿态和轨道的实际信息数据在所述环境模拟计算机(3)中进行对比并得到实际信息数据与模拟信息数据的误差量，所述环境模拟计算机(3)与姿轨控计算机(5)通信连接，所述姿轨控计算机(5)接收所述误差量并通过算法计算出控制量，所述姿轨控计算机(5)与执行机构(6)通过RS232串口连接并向执行机构(6)发出控制指令，所述执行机构(6)与采集卡(21)通过RS232串口连接，所述采集卡(21)采集所述执行机构(6)的电压、电流和脉冲信号并将所述执行机构(6)的电压、电流和脉冲信号传输至所述目标机(2)，所述目标机(2)接收所述执行机构(6)的电压、电流和脉冲信号并更新卫星姿态和轨道的模拟信息数据。

2.根据权利要求1所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，还包括遥控遥测及监显存储计算机(4)，所述遥控遥测及监显存储计算机(4)与所述目标机(2)通过以太网连接从而接收卫星姿态和轨道的模拟信息并通过STK驱动(32)将所述信息数据图形化。

3.根据权利要求2所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，还包括显示系统，所述显示系统包括空间环境信息显示模块(8)、轨道信息显示模块(9)、姿态信息显示模块(10)、遥控遥测信息显示模块(11)，所述轨道信息显示模块(9)、姿态信息显示模块(10)和遥控遥测信息显示模块(11)与遥控遥测及监显存储计算机(4)通过HDMI通信连接，所述空间环境信息显示模块(8)与所述环境模拟计算机(3)通过HDMI通信连接。

4.根据权利要求1所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，还包括微推力测试台(12)，所述微推力测试台(12)与姿轨控计算机(5)通信连接，所述姿轨控计算机(5)用于控制所述微推力测试台(12)的推力大小，所述微推力测试台(12)通过RS232串口与采集卡(21)连接。

5.根据权利要求1所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，所述姿轨控计算机(5)与所述遥控遥测及监显存储计算机(4)通过UART连接，通过遥控遥测及监显存储计算机(4)控制所述姿轨控计算机(5)能够实现卫星工作模式的改变。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，所述仿真模型包括卫星的动力学模型和运动学模型(18)、轨道动力学模型(20)、环境干扰力模型和力矩模型(19)。

7.根据权利要求6所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，所述环境模拟计算机(3)内包括磁强计测量模块(22)、太阳敏感器测量模块(23)、星敏感器测量模块(24)、光纤陀螺(26)和导航接收机(25)。

8.根据权利要求7所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，所述执行机构(6)包括磁力矩器(27)、零动量轮(28)、质量矩执行结构(29)。

9.根据权利要求8所述的微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台，其特征在于，所述姿轨控计算机(5)的算法包括控制算法(30)和测量算法(31)，所述控制算法(30)包括零动量姿态控制算法、自旋姿态控制算法和轨道编队控制算法，所述测量算法(31)包括三轴稳定姿态测量算法、轨道机动姿态测量算法和轨道测量算法。