CN111443618A - 一种用于gnc系统的多模式在线实时自主切换仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉属于飞行器导航制导与控制系统(GNC系统)地面仿真试验与测试技术领域，具体地说是一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统及方法。本发明中的自主故障诊断及切换单元实时采集矩阵切换单元线上信号和星载GNC计算机输出的遥测信号，根据数据协议格式，自主判断数据帧头，帧计数、校验和等信息判别信号链路的故障状态，根据故障情况实时在产品模型和实物产品状态间切换。由于未破坏试验现场状态，可通过信号检测点进行信号故障分析和诊断。

Description

一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统及 方法

技术领域

本发明涉属于飞行器导航制导与控制系统(GNC系统)地面仿真试验与测试技术领域，具体地说是一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统及方法。

背景技术

在航天领域，飞行器GNC系统在设计阶段通常需要开展大量的仿真试验和测试，以验证GNC系统方案设计的正确性和GNC系统软件实现的正确性，以及检验GNC系统设计逻辑和时序的正确性，从而确保GNC系统的功能和性能。

目前飞行器GNC系统的地面仿真验证通常有三种方式：数学仿真方式、硬件(实物产品)在环的半物理仿真方式，以及全物理仿真方式。

全物理仿真方式在飞行器研制过程中重点针对专项技术开展专门的仿真验证，通常在GNC系统方案论证过程中开展，一般不会持续整个飞行器研制周期。

数学仿真方式是采用全数学建模的方式，分别建立飞行器动力学和运动学模型、测量产品模型、控制器模型、执行机构模型、以及空间环境模型等，通过非硬件在环的方式实现GNC系统的闭环仿真，GNC系统所属实物产品不接入系统闭环系统。

硬件(实物产品)在环的半物理仿真方式通过将星载计算机和GNC系统部分或全部敏感器、执行机构接入系统闭环仿真回路，利用星载软件实时模拟在轨飞行流程和GNC系统状态，以验证飞行器GNC系统功能、性能和时序逻辑。传统的方式侧重于星载计算机在环的数字仿真和星载计算机、敏感器和执行机构都在环的半物理仿真。计算机在环的数字仿真通过产品模型模拟敏感器和执行机构的数据，难以真实反映GNC系统的时序和逻辑。而星载计算机、敏感器和执行机构都在环的半物理仿真方式在实物产品不能到位的情况下或实物产品故障的情况下会影响到GNC系统闭环仿真的进程和进度，而且会影响GNC系统仿真的连续性。因此，迫切需要解决这两种仿真的缺陷。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术存在的缺陷，提供一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统及方法，能够根据仿真的需要，在星载计算机在环的情况下，通过在敏感器数字模型、执行机构数字模型和产品实物之间状态的切换，实现GNC系统闭环仿真，对GNC系统方案和软件进行全面考核验证，同时对GNC系统产品间的时序和逻辑进行仿真验证，在故障状态下实现不间断连续仿真，该系统利用矩阵切换单元实现在产品模型和产品实物状态下信号链路的切换，通过自主判断信号链路的正确与否，自主在产品模型和实物产品之间切换。

本发明的技术解决方案是：

一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，该仿真系统包括产品模型、动力学仿真机、自主故障诊断及切换单元、矩阵切换单元、模拟器、星载GNC计算机和实物产品；GNC系统中包括姿态敏感器、导航敏感器和执行机构；

所述的产品模型包括导航敏感器模型、姿态敏感器模型和执行机构模型，采用数字模型的方式模拟姿态敏感器的功能、时序和通讯协议，还用于模拟导航敏感器的功能、时序和通讯协议，还用于模拟执行机构的功能、时序和通讯协议，还能够通过RS422接口板卡、CAN总线接口板卡或1553B总线接口板卡模拟实物产品的硬件输入输出信息接口；产品模型还用于接收动力学仿真机的激励信号；

所述的动力学仿真机中运行有卫星姿态、轨道动力学模型的实时仿真程序，并能够输出姿态敏感器模型所需的激励信号和导航敏感器模型所需的激励信号，动力学仿真机还用于输出卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息给模拟器；还用于输出模拟器所需的激励信号，还用于接收执行机构的状态信息，并根据接收到的执行机构的状态信息作用于卫星姿态、轨道动力学模型；通过动力学仿真机驱动产品模型模拟GNC姿态敏感器的测量信息、导航敏感器的测量信息和执行机构的状态信息，通过动力学仿真机驱动模拟器激励实物产品产生相应的测量数据；

所述的自主故障诊断及切换单元用于实时采集矩阵切换单元线上信号，还用于实时采集星载GNC计算机输出的遥测数据，结合数据协议格式以及GNC系统的遥测数据状态，自主判别信号链路的故障状态和实物产品的故障状态，根据判断得到的信号链路的故障状态和实物产品的故障状态输出实时控制指令给矩阵切换单元，数据协议格式包括数据帧头、帧计数、校验和等信息；

所述的矩阵切换单元用于同时接收产品模型的信息和实物产品的信息，根据自主故障诊断及切换单元的实时控制指令，实时在产品模型和实物产品之间进行切换，并输出产品模型中姿态敏感器模型和导航敏感器模型的测量信息给星载GNC计算机，或者输出实物产品中姿态敏感器和导航敏感器的测量信息给星载GNC计算机，还输出产品模型中执行机构的状态数据给星载GNC计算机或输出实物产品中执行机构的状态数据给星载GNC计算机；

所述的模拟器用于接收动力学仿真机输出的卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息，并根据接收到的信息模拟产生姿态敏感器和导航敏感器所需的激励信号；

所述的星载GNC计算机用于接收产品模型输出的测量信号或实物产品输出的测量信号，解算卫星的姿态信息、位置信息和轨道信息，并输出相应的控制指令给执行机构，控制卫星的运动，同时输出GNC系统遥测信息给自主故障诊断及切换单元；

所述的实物产品是指卫星GNC系统配置的真实产品，包括姿态敏感器、导航敏感器和执行机构，用于测量或控制卫星的姿态、位置和轨道等状态，姿态敏感器包括但不局限于常规的太阳敏感器、地球敏感器、磁强计、惯性敏感器、星敏感器、紫外敏感器等，导航敏感器包括但不局限于卫星导航敏感器、光学导航敏感器、光电导航敏感器、射频导航敏感器等。执行机构包括但不局限于飞轮、控制力矩陀螺、推力器等；所述推力器包括但不局限于化学推力器、离子推力器、霍尔推力器。

一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真的方法，该方法的步骤包括：

(1)动力学仿真机中运行卫星姿态、轨道动力学模型的实时仿真程序，并能够输出姿态敏感器模型所需的激励信号和导航敏感器模型所需的激励信号，动力学仿真机还用于输出卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息给模拟器；

(2)模拟器根据接收到的动力学仿真机输出的卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息，模拟产生姿态敏感器和导航敏感器所需的激励信号；同时产品模型接收动力学仿真机的激励信号；

(3)产品模型的信息和实物产品的信息均输出给矩阵切换单元，矩阵切换单元将接收到的信息输出给星载GNC计算机和自主故障诊断及切换单元，星载GNC计算机根据接收到的信息进行卫星的姿态信息、位置信息和轨道信息的解算，根据解算结果输出相应的控制指令给执行机构，控制卫星的运动，同时输出GNC系统遥测信息给自主故障诊断及切换单元；

(4)自主故障诊断及切换单元用于实时采集矩阵切换单元线上信号和星载GNC计算机输出的遥测数据，结合数据协议格式以及GNC系统的遥测数据状态，自主判别信号链路的故障状态和实物产品的故障状态，根据判断得到的信号链路的故障状态和实物产品的故障状态输出实时控制指令给矩阵切换单元；

(5)矩阵切换单元根据自主故障诊断及切换单元的实时控制指令，实时在产品模型和实物产品之间进行切换，并输出产品模型中姿态敏感器模型和导航敏感器模型的测量信息给星载GNC计算机，或者输出实物产品中姿态敏感器和导航敏感器的测量信息给星载GNC计算机，还输出产品模型中执行机构的状态数据给星载GNC计算机或输出实物产品中执行机构的状态数据给星载GNC计算机。

本发明具有以下特点及良好效果：

(1)本发明根据矩阵切换单元实现GNC系统所属敏感器的信号和敏感器模型的切换，在矩阵切换单元的设置断点进行信号监控，在实物产品故障情况下可切换到产品模型，不影响系统的闭环仿真进程；

(2)本发明中的自主故障诊断及切换单元实时采集矩阵切换单元线上信号和星载GNC计算机输出的遥测信号，根据数据协议格式，自主判断数据帧头，帧计数、校验和等信息判别信号链路的故障状态，根据故障情况实时在产品模型和实物产品状态间切换。由于未破坏试验现场状态，可通过信号检测点进行信号故障分析和诊断。

(3)本发明实现方式简单，可有效将传统的GNC实时仿真系统和GNC半物理仿真系统整合成一套仿真系统，极大降低飞行器研制成本；同时可实现不间断的连续仿真，有效提高仿真的效率。

(4)本发明公开了一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统及方法，该测试系统在星载GNC计算机在环的仿真架构下，对仿真链路中的产品模型和实物产品进行自主故障诊断，通过矩阵切换对每个仿真信号流在线设置，实现产品模型和实物产品之间的无缝切换，解决飞行器控制系统长时间闭环仿真问题。同时可有效保留故障现场，通过设计的断点为系统提供高效的排故手段。

(5)星载GNC计算机实现GNC系统姿态和导航解算输出控制指令给执行机构，执行机构的力或力矩作用在飞行器动力学上实现GNC系统闭环仿真。在实物产品未到位的情况下，GNC系统采用产品模型实现闭环仿真。在实物产品故障状态下，通过自主故障诊断及切换单元判断实物产品的信号状态，输出切换指令控制矩阵切换单元，实现产品模型信号和实物产品信号间的切换。

(6)矩阵切换单元切换的信号主要包括标准RS422信号，CAN总线信号，1553B总线信号等。

附图说明

图1为本发明的仿真系统的组成示意图。

具体实施方式

一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统，包括产品模型、动力学仿真机、自主故障诊断及切换单元、矩阵切换单元、模拟器、星载GNC计算机、实物产品。所述实物产品包括姿态敏感器、导航敏感器和执行机构；所述产品模型包括姿态敏感器产品模型、导航敏感器模型、执行机构模型。所述姿态敏感器包括但不局限于常规的太阳敏感器、地球敏感器、磁强计、惯性敏感器、星敏感器、紫外敏感器等。所述导航敏感器包括但不局限于卫星导航敏感器、光学导航敏感器、光电导航敏感器、射频导航敏感器等。所述执行机构包括但不局限于飞轮、控制力矩陀螺、推力器等。所述推力器包括但不局限于化学推力器、离子推力器、霍尔推力器。所述模拟器主要是对各实物产品模拟产品相应的电信号、光信号或数字信号激励，激励实物产品产生相应的测量信号或执行状态(输出力矩或力及其相应的等效信号)。

所述矩阵切换单元切换的信号主要包括标准RS422信号，CAN总线信号，1553B总线信号。

所述矩阵切换单元设置有GNC系统各类信号的检测断点。

自主故障诊断及切换单元通过实时检测产品模型信号和实物产品的信息链路，通过判断信息链路的帧头、帧格式、帧计数、以及校验和、通讯响应超时判断状态等信息实现信号的在线判断、检测和切换。

仿真系统通过矩阵切换单元切换成星载GNC计算机在环的GNC实时仿真系统或GNC半物理仿真系统。

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细的描述。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

发明的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统及方法一实施例的示意框图如图1所示，包括产品模型、动力学仿真机、自主故障诊断及切换单元、矩阵切换单元、模拟器、星载GNC计算机、实物产品。其中实物产品包括姿态敏感器、导航敏感器和执行机构；产品模型包括姿态敏感器产品模型、导航敏感器模型、执行机构模型。姿态敏感器包括但不局限于常规的太阳敏感器、地球敏感器、磁强计、惯性敏感器、星敏感器、紫外敏感器等。导航敏感器包括但不局限于卫星导航敏感器、光学导航敏感器、光电导航敏感器、射频导航敏感器等。执行机构包括但不局限于飞轮、控制力矩陀螺、推力器等。推力器包括但不局限于化学推力器、离子推力器、霍尔推力器。模拟器主要是对各实物产品模拟产品相应的电信号、光信号或数字信号激励，激励实物产品产生相应的测量信号或执行状态(输出力矩或力及其相应的等效信号)。通过动力学仿真机驱动产品模型模拟GNC各种姿态敏感器、导航敏感器的测量信息和执行机构的状态信息，通过动力学仿真机驱动模拟器激励实物产品产生相应的测量数据。星载GNC计算机采集产品模型或实物产品产生的测量信息，实现GNC系统姿态和导航解算，并输出控制指令给执行机构实物产品或产品模型，执行机构产品或执行机构模型的力或力矩作用在飞行器动力学上实现GNC系统闭环仿真。

一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真的方法，该方法的步骤包括：

(1)动力学仿真机中运行卫星姿态、轨道动力学模型的实时仿真程序，并能够输出姿态敏感器模型所需的激励信号和导航敏感器模型所需的激励信号，动力学仿真机还用于输出卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息给模拟器；

(2)模拟器根据接收到的动力学仿真机输出的卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息，模拟产生姿态敏感器和导航敏感器所需的激励信号；同时产品模型接收动力学仿真机的激励信号；

(3)产品模型的信息和实物产品的信息均输出给矩阵切换单元，矩阵切换单元将接收到的信息输出给星载GNC计算机和自主故障诊断及切换单元，星载GNC计算机根据接收到的信息进行卫星的姿态信息、位置信息和轨道信息的解算，根据解算结果输出相应的控制指令给执行机构，控制卫星的运动，同时输出GNC系统遥测信息给自主故障诊断及切换单元；

(4)自主故障诊断及切换单元用于实时采集矩阵切换单元线上信号和星载GNC计算机输出的遥测数据，结合数据协议格式以及GNC系统的遥测数据状态，自主判别信号链路的故障状态和实物产品的故障状态，根据判断得到的信号链路的故障状态和实物产品的故障状态输出实时控制指令给矩阵切换单元；

(5)矩阵切换单元根据自主故障诊断及切换单元的实时控制指令，实时在产品模型和实物产品之间进行切换，并输出产品模型中姿态敏感器模型和导航敏感器模型的测量信息给星载GNC计算机，或者输出实物产品中姿态敏感器和导航敏感器的测量信息给星载GNC计算机，还输出产品模型中执行机构的状态数据给星载GNC计算机或输出实物产品中执行机构的状态数据给星载GNC计算机。

在实物产品未到位的情况下，GNC系统采用产品模型实现闭环仿真。在实物产品故障状态下，通过自主故障诊断及切换单元判断实物产品的信号状态，输出切换指令控制矩阵切换单元，实现产品模型模拟信号和实物产品信号间的切换。自主故障诊断及切换单元通过实时检测产品模型信号和实物产品的信息链路，通过判断信息链路的帧头、帧格式、帧计数、以及校验和、通讯响应超时判断状态等信息，实时判断实物产品信号和模型信号的正确性，输出控制指令控制矩阵切换单元实现产品模型和实物产品之间的切换。通过实时自主切换产品的RS422信号的1553B总线信号和CAN总线信号等，实现实物产品和产品模型之间的自主切换。产品故障状态主要通过产品的帧信息、帧格式、帧计数和帧尾，以及校验和，通讯响应超时判断状态等信息实现信号的在线判断和检测。

通过自主故障诊断及切换单元、矩阵切换单元状态的设置，可以将GNC系统的产品全部切换成产品模型，将GNC仿真系统设置成星载GNC计算机在环的实时仿真系统；同时也可以将GNC系统的产品部分或全部切换成实物产品，将GNC仿真系统设置成GNC半物理仿真系统；从而实现将传统的GNC实时仿真系统和GNC半物理仿真系统整合成一套系统，可有效降低GNC系统的研制成本。

矩阵切换单元设置有各类信号的检测断点，在GNC仿真系统出现故障、实物产品或产品模型状态出现异常的情况下，可以不破坏系统仿真状态，在线通过断点实时检测链路的状态进行故障排查。

以上结合附图对本发明的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真系统作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：该仿真系统包括产品模型、动力学仿真机、自主故障诊断及切换单元、矩阵切换单元、模拟器、星载GNC计算机和实物产品；GNC系统中包括姿态敏感器、导航敏感器、星载GNC计算机和执行机构；

所述的产品模型包括导航敏感器模型、姿态敏感器模型和执行机构模型，采用数字模型的方式模拟姿态敏感器的功能、时序和通讯协议，还用于模拟导航敏感器的功能、时序和通讯协议，还用于模拟执行机构的功能、时序和通讯协议，还能够通过板卡模拟实物产品的硬件输入输出信息接口；产品模型还用于接收动力学仿真机的激励信号；

所述的动力学仿真机中运行有卫星姿态、轨道动力学模型的实时仿真程序，并能够输出姿态敏感器模型所需的激励信号和导航敏感器模型所需的激励信号，动力学仿真机还用于输出卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息给模拟器；还用于输出模拟器所需的激励信号，还用于接收执行机构的状态信息，并根据接收到的执行机构的状态信息作用于卫星姿态、轨道动力学模型；通过动力学仿真机驱动产品模型模拟GNC姿态敏感器的测量信息、导航敏感器的测量信息和执行机构的状态信息，通过动力学仿真机驱动模拟器激励实物产品产生相应的测量数据；

所述的自主故障诊断及切换单元用于实时采集矩阵切换单元线上信号，还用于实时采集星载GNC计算机输出的遥测数据，结合数据协议格式以及GNC系统的遥测数据状态，自主判别信号链路的故障状态和实物产品的故障状态，根据判断得到的信号链路的故障状态和实物产品的故障状态输出实时控制指令给矩阵切换单元；

所述的矩阵切换单元用于同时接收产品模型的信息和实物产品的信息，根据自主故障诊断及切换单元的实时控制指令，实时在产品模型和实物产品之间进行切换，并输出产品模型中姿态敏感器模型和导航敏感器模型的测量信息给星载GNC计算机，或者输出实物产品中姿态敏感器和导航敏感器的测量信息给星载GNC计算机，还输出产品模型中执行机构的状态数据给星载GNC计算机或输出实物产品中执行机构的数据给星载GNC计算机；

所述的模拟器用于接收动力学仿真机输出的卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息，并根据接收到的信息模拟产生姿态敏感器和导航敏感器所需的激励信号；

所述的星载GNC计算机用于接收产品模型输出的测量信号或实物产品输出的测量信号，解算卫星的姿态信息、位置信息和轨道信息，并输出相应的控制指令给执行机构，控制卫星的运动，同时输出GNC系统遥测信息给自主故障诊断及切换单元；

所述的实物产品是指卫星GNC系统配置的产品。

2.根据权利要求1所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：数据协议格式包括数据帧头、帧计数、校验和等信息。

3.根据权利要求1所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：实物产品包括姿态敏感器、导航敏感器和执行机构。

4.根据权利要求3所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：实物产品用于测量或控制卫星的姿态、位置和轨道状态。

5.根据权利要求4所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：姿态敏感器包括太阳敏感器、地球敏感器、磁强计、惯性敏感器、星敏感器、紫外敏感器。

6.根据权利要求5所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：导航敏感器包括卫星导航敏感器、光学导航敏感器、光电导航敏感器、射频导航敏感器。

7.根据权利要求6所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：执行机构包括飞轮、控制力矩陀螺、推力器。

8.根据权利要求7所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：所述推力器包括化学推力器、离子推力器、霍尔推力器。

9.根据权利要求1所述的一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换系统，其特征在于：产品模型通过RS422接口板卡、CAN总线接口板卡或1553B总线接口板卡模拟实物产品的硬件输入输出信息接口。

10.一种用于GNC系统的多模式在线实时自主切换仿真的方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)动力学仿真机中运行卫星姿态、轨道动力学模型的实时仿真程序，并能够输出姿态敏感器模型所需的激励信号和导航敏感器模型所需的激励信号，动力学仿真机还用于输出卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息给模拟器；

(2)模拟器根据接收到的动力学仿真机输出的卫星的姿态信息、卫星的位置信息和卫星的轨道信息，模拟产生姿态敏感器和导航敏感器所需的激励信号；同时产品模型接收动力学仿真机的激励信号；

(3)产品模型的信息和实物产品的信息均输出给矩阵切换单元，矩阵切换单元将接收到的信息输出给星载GNC计算机和自主故障诊断及切换单元，星载GNC计算机根据接收到的信息进行卫星的姿态信息、位置信息和轨道信息的解算，根据解算结果输出相应的控制指令给执行机构，控制卫星的运动，同时输出GNC系统遥测信息给自主故障诊断及切换单元；

(4)自主故障诊断及切换单元用于实时采集矩阵切换单元线上信号和星载GNC计算机输出的遥测数据，结合数据协议格式以及GNC系统的遥测数据状态，自主判别信号链路的故障状态和实物产品的故障状态，根据判断得到的信号链路的故障状态和实物产品的故障状态输出实时控制指令给矩阵切换单元；

(5)矩阵切换单元根据自主故障诊断及切换单元的实时控制指令，实时在产品模型和实物产品之间进行切换，并输出产品模型中姿态敏感器模型和导航敏感器模型的测量信息给星载GNC计算机，或者输出实物产品中姿态敏感器和导航敏感器的测量信息给星载GNC计算机，还输出产品模型中执行机构的状态数据给星载GNC计算机或输出实物产品中执行机构的状态数据给星载GNC计算机。

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