CN112000026A - 一种基于信息物理融合的火星车gnc系统物理模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，根据火星车GNC系统通信协议及设计参数，建立各部分单机的物理模型，经过接口调试后通过测试数据对物理模型进行参数调试，实现物理模型参数调整，通过调整后的物理模型计算火星车下一时刻的运行状态，解决了传统的火星车GNC系统模型仅能模拟单机产品输入、输出量，忽略其他物理量影响导致的无法对火星车进行运行状态全面分析的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，属于火星车GNC分系统测试设备领域。
背景技术
火星车GNC分系统包含多种单机产品，且每一种单机产品在运行过程均是多物理因素同时作用。在通常的分系统测试中，一般仅在测试设备上模拟单机产品的输入、输出逻辑，而忽略其他物理量的变化。与此同时，传统的遥测数据监视中只能依靠测试人员肉眼判读，容易造成数据漏判、错判等情况发生；而由于火星车在轨运行过程由于通信窗口有限、通信速率低，使得下传至地面的遥测包时间分辨率极低且时滞很大，这导致传统地面支持系统对火星车运行状况难以进行全面分析。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的火星车GNC系统仅能模拟单机产品输入、输出量，忽略其他物理量影响导致的无法对火星车进行运行状态全面分析的问题，提出了一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，具体步骤如下：
(1)根据火星车GNC系统内各部分单机的通信协议、设计参数，利用Modelica语言建立各部分单机的物理模型；
所述物理模型种类包括车载相机物理模型、惯性测量单元物理模型、控制计算机物理模型、恒星敏感器物理模型；
(2)将各物理模型进行联接，对步骤(1)所得物理模型进行接口调试；
(3)利用测试数据对接口调试完成后的物理模型进行输出调试，根据测试数据对应的真实输出数据与物理模型输出数据的对比结果对各物理模型设计参数进行调整；
(4)对步骤(3)所得调整后各物理模型进行固化，于固化后模型引入火星车GNC系统在轨数据，模拟下一时刻火星车GNC分系统运行状态。
所述车载相机物理模型包括第一输入/输出逻辑模型、第一供电电路模型、第一热耗/散热模型，所述第一供电电路模型对车载相机于待机、曝光、成像过程中车载相机耗电量进行模拟，并于不同工作模式下更新车载相机功率参数；所述第一热耗/散热模型对车载相机内部电路及光学系统热源进行模拟，并将车载相机内容部热源与外部环境热源连接以形成闭环热流回路；所述第一输入/输出逻辑模型接收火星车GNC系统的控制计算机模块发送的指令对车载相机设计参数进行修改，并于修改完成后向控制计算机模块返送修改完成标志。
所述惯性测量单元物理模型包括第二输入/输出逻辑模型、第二供电电路模型、第二热耗/散热模型、输出噪声模型，所述第二输入/输出逻辑模型根据外部采集数据进行约束分解，并将分解后数据发送至控制计算机模块，所述分解后数据包括重力测量值、姿态角、角速度测量值；所述第二供电电路模型根据惯性测量单元设计参数进行惯性测量单元的接口、供电电路搭建；所述第二热耗/散热模型对惯性测量单元发热、散热热流进行模拟，并将惯性测量单元内部热源与外部热源联接形成热流回路；所述输出噪声模型根据惯性测量单元的陀螺零偏、零偏稳定性、随机游走系数、温度漂移特性将噪声参数进行叠加，并将所得数据发送至控制计算机模块。
所述控制计算机物理模型包括第三输入/输出逻辑模型、第三供电电路模型、第三热耗/散热模型、控制算法逻辑模块、任务调度时序模块，所述第三输入/输出逻辑模型对所有指令进行校验，若校验通过则对控制计算机物理模型接收的指令进行开关相应，对控制计算机物理模型发送至其他单机的指令由各单机对应的物理模型接收；若校验不通过则不进行该指令的转发；所述第三供电电路模型为火星车GNC系统各单机供电电路模型提供供电输入；所述第三热耗/散热模型对控制计算机模块内部热源与外部环境热源进行联接形成热流回路；所述控制算法逻辑模块根据惯性测量单元物理模型采集的分解后数据，计算火星车GNC系统的姿态、位置及行驶里程，同时计算火星车GNC系统的姿态角、角速度；所述任务调度时序模型对火星车GNC系统的待执行计算任务进行排序，确认任务优先级，并对第三输入/输出逻辑模型输入、输出的数据进行响应排序。
所述恒星敏感器物理模型包括第四输入/输出逻辑模型、第四供电电路模型、第四热耗/散热模型、输出噪声模型，所述第四输入/输出逻辑模型根据火星车GNC系统的设计参数、火星车系统工作环境的恒星高度参数、方位角参数，获取在当前火星车姿态下，恒星相对于火星车高度角、方位角测量数据；所述第四供电电路模型进行恒星敏感器接口搭建及内部电路搭建；所述第四热耗/散热模型对横星敏感器内部热源与外部环境热源进行联接形成热流回路；所述输出噪声模型将Modelica语言编写过程中产生的噪声数值叠加至恒星敏感器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，通过Modelica语言搭建，便于对火星车GNC分系统各单机的多物理特性进行刻画，可将多领域模型在同一平台上同时运行，开展多领域协同仿真；同时在模型搭建过程以单机设计报告、通信协议等文件作为设计依据，能更加准确的设置单机的热学、电学、控制与接口逻辑的参数，与现有的单机数字模型相比，具有更为准确的多物理性质；
(2)本发明采用的输入/输出逻辑模型搭建，不仅能模拟单机及系统的输入输出逻辑，还能将系统的供电、热耗等状态变化反应出来；可以通过已有物理量遥测反解出相关物理量变化情况，便于对系统状态进行全面判读，同时与现有的基于列表的遥测判读方法相比，可将遥测物理量及相关物理量变化反应到模型不同数据流变化上，具有更加直观的特点；
(3)本发明可以根据某一时点遥测量作为系统模型的输入，运行系统模型，可对未来时刻的系统变化进行推演，能够起到对系统变化进行预测的目的，便于提前对危险状态进行识别。
附图说明
图1为发明提供的物理模型构建方法流程图；
图2为发明提供的物理模型结构组成示意图；
图3为发明提供的信号流调试示意图；
图4为发明提供的火星车运行状态模拟示意图；
具体实施方式
一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，根据火星车GNC系统通信协议及设计参数，建立各部分单机的物理模型，经过接口调试后通过测试数据对物理模型进行参数调试，实现物理模型参数调整，通过调整后的物理模型计算火星车下一时刻的运行状态，如图1所示，具体步骤如下：
(1)根据火星车GNC系统内各部分单机的通信协议、设计参数，利用Modelica语言建立各部分单机的物理模型；物理模型种类包括车载相机物理模型、惯性测量单元物理模型、控制计算机物理模型、恒星敏感器物理模型，其中：
车载相机物理模型包括第一输入/输出逻辑模型、第一供电电路模型、第一热耗/散热模型，所述第一供电电路模型对车载相机于待机、曝光、成像过程中车载相机耗电量进行模拟，并于不同工作模式下更新车载相机功率参数；所述第一热耗/散热模型对车载相机内部电路及光学系统热源进行模拟，并将车载相机内容部热源与外部环境热源连接以形成闭环热流回路；所述第一输入/输出逻辑模型接收火星车GNC系统的控制计算机模块发送的指令对车载相机设计参数进行修改，并于修改完成后向控制计算机模块返送修改完成标志；
惯性测量单元物理模型包括第二输入/输出逻辑模型、第二供电电路模型、第二热耗/散热模型、第一输出噪声模型，所述第二输入/输出逻辑模型根据外部采集数据进行约束分解，并将分解后数据发送至控制计算机模块，所述分解后数据包括重力测量值、姿态角、角速度测量值；所述第二供电电路模型根据惯性测量单元设计参数进行惯性测量单元的接口、供电电路搭建；所述第二热耗/散热模型对惯性测量单元发热、散热热流进行模拟，并将惯性测量单元内部热源与外部热源联接形成热流回路；所述输出噪声模型根据惯性测量单元的陀螺零偏、零偏稳定性、随机游走系数、温度漂移特性将噪声参数进行叠加，并将所得数据发送至控制计算机模块；
控制计算机物理模型包括第三输入/输出逻辑模型、第三供电电路模型、第三热耗/散热模型、控制算法逻辑模块、任务调度时序模块，所述第三输入/输出逻辑模型接收外部指令信号，并按照通信协议中指令格式对输入指令进行校验；对于发送给控制计算机的指令，例如开机、关机等，控制计算机模块直接进行开关响应；对于发送给其他单机的指令，例如相机曝光参数设置等指令，在校验通过后转发给相机模型，由相机模型进行响应；若检验不通过则显示指令校验失败；对于数据计算指令，例如惯性测量单元采集到的陀螺输出，则由控制计算机物理模型的控制算法逻辑模块进行计算，并输出计算结果。，所述第三供电电路模型为火星车GNC系统各单机供电电路模型提供供电输入；所述第三热耗/散热模型对控制计算机模块内部热源与外部环境热源进行联接形成热流回路；所述控制算法逻辑模块根据第三输入/输出模块发送来的惯性测量单元物理模型采集的数据，计算火星车GNC系统的姿态、位置及行驶里程，同时计算火星车GNC系统的姿态角、角速度；所述任务调度时序模型对火星车GNC系统的待执行计算任务进行排序，确认任务优先级，并对第三输入/输出逻辑模型输入、输出的数据进行响应排序；
恒星敏感器物理模型包括第四输入/输出逻辑模型、第四供电电路模型、第四热耗/散热模型、第二输出噪声模型，所述第四输入/输出逻辑模型根据火星车GNC系统的设计参数、火星车系统工作环境的恒星高度参数、方位角参数，获取在当前火星车姿态下，恒星相对于火星车高度角、方位角测量数据；所述第四供电电路模型进行恒星敏感器接口搭建及内部电路搭建；所述第四热耗/散热模型对横星敏感器内部热源与外部环境热源进行联接形成热流回路；所述输出噪声模型将Modelica语言编写过程中产生的噪声数值跌节至恒星敏感器；
其中，输入/输出逻辑模型主要根据通信协议，模拟相机参数设置功能；即按照通信协议，在发送指令后，响应一个特定数值，发送到显示界面；
供电电路模型按照设计报告要求，搭建接口及单机内部供电模型进行模拟供电，由第三供电电路模型为火星车GNC系统各单机供电电路模型提供供电输入；
热耗/散热模型保证内部热源与外部热源形成热流回路；
(2)将各物理模型进行联接，对步骤(1)所得物理模型进行接口调试，其中：
如图2所示，各单机模型搭建完成后，需要将各模型进行联接；联接过程中最重要内容是接口的匹配性调试，需要将接口两边的数据维数设置为一致。系统信号流关系如图3所示，信号流关系具体为：
电流：电流将控制计算机物理模型中的供电电路模型将直流电源的电信号输送给各个单机的供电模型；
逻辑信号流：逻辑信号流主要将控制计算机中的第三输入/输出逻辑模型中产生的逻辑信号发送给各个单机，并接收各个单机的信号响应；
数据流：惯性测量单元物理模型、恒星敏感器物理模型对外部环境中的重力、恒星位置数据进行采集，转化为文件中定义的敏感器输出数据类型，发送给控制计算机物理模型进行数据处理；
热流：各个单机模型内热耗及散热模型可计算单机热耗情况，再结合外部热环境的数据，可计算各单机的工作温度情况；
(3)利用测试数据对接口调试完成后的物理模型进行输出调试，根据测试数据对应的真实输出数据与物理模型输出数据的对比结果对各物理模型设计参数进行调整；
所述步骤(3)中，引入外部数据为系统内各信号流的激励源，对系统内各模型进行调试。由于测试过程数据有真实系统在某些特定环境设置下的真实输出，所以可以对各模型在该环境设置下的输出与真实输出进行比较，若有差异可通过模型通过调整模型参数进行消差；
(4)对步骤(3)所得调整后各物理模型进行固化，于固化后模型引入火星车GNC系统在轨数据，模拟下一时刻火星车GNC分系统运行状态；
对模型进行固化及发布。并可利用该模型进行火星车GNC分系统在轨状态推演，如图4所示，以某一时刻的在轨数据为输入，模型根据输入开始运行，并与所设置的外部环境进行交互，计算下一时刻的系统内相关状态。并在模型中对信号变化量进行显示。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
通过Modelica语言根据火星车GNC系统内各部分单机的通信协议、设计参数进行建模，分别包括车载相机物理模型、惯性测量单元物理模型、控制计算机物理模型、恒星敏感器物理模型，各物理模型中均包括输入/输出逻辑模型、供电电路模型、热耗/散热模型，输入/输出逻辑模型用于接收该物理模型对应输入数据，经过处理后输出对应数据信息，供电电路模型在控制计算机物理模型中的供电电路模型控制下为各个模型供电，热耗/散热模型用于维持各物理模型内部热源与外部环境热源的热流回路；
车载相机物理模型中，第一输入/输出逻辑模型可发送指令对相机曝光参数进行更改，发送指令若通过指令校验，则接收控制计算机物理模型发送的成像指令进行成像；惯性测量单元物理模型中，第二输入/输出逻辑模型将外部测量所得的重力、车体角速度数据分解到加速度计头部输出和光纤陀螺输出，再将这两路输出信号发送到控制计算机物理模型中的第三输入/输出模型；控制计算机物理模型中的第三输入/输出模型需要完成对外部发送的指令进行校验，转发给各个单机物理模型；同时第三输入/输出模型需接收第二、第四输入/输出逻辑模型发送的的数据信息，并传递给控制算法逻辑模块进行处理，处理完成后显示处理结果，或发送给外部环境模型；恒星敏感器物理模型以火星车环境模型的恒星高度、方位角信息作为第四输入/输出的输入数据，并同时接收第二输出噪声模型，将这两个通道的数据进行叠加，再向外输出叠加有敏感器噪声的火星车相对于恒星姿态的测量数据到控制计算机物理模型的第三输入/输出模型。
以火星表面面运动过程为例，对系统内各单机物理模型作用进行具体陈述：
系统加电：当系统加电指令由外部环境发送到控制计算机物理模型后，控制计算机置加电标志为“加电状态”，并向车载相机物理模型、惯性测量单元物理模型、恒星敏感器物理模型发送加电指令，各单机模型收到指令后置加电标志为“加电状态”；
相机感知成像：在运动前首先需要进行环境感知成像；此时控制计算机物理模型向车载相机物理模型发送曝光指令，相机响应计算机指令并进行曝光操作，完成后置曝光标志为“曝光完成”；计算机再向相机发送成像指令，成像完成后相机模型置成像完成标志为“成像完成”；
运动控制：外部向计算机发送运动控制参数设置指令，设置如偏航角、运动时间等参数；设置完成后，当计算机从外部收到开始运动指令之后，计算机置运动标志为“运动中”，此时计算机对外部环境输出控制计算机物理模型内逻辑及算法模型规划得到的车体运动速度、偏航角等数据；外部环境再根据地形设置等环境变量，向惯性测量单元物理模块发送外部环境计算得到的车体姿态角、重力方向及大小等数据；外部环境再根据计算得到的车体姿态角，向恒星敏感器物理模块发送当前位置、姿态下的恒星方位信息；当惯性测量单元物理模块、恒星敏感器物理模型收到数据之后，进行处理并发送到控制计算机物理模型；控制计算机再根据测量结果进行计算、控制、输出，形成闭环；当运动时间达到参数设置值后，控制计算机置运动标志为“停止移动”，则运动完成。
在整个运动过程中，各单机模型由控制计算机物理模型进行供电，在控制计算机物理模型上可显示各单机瞬时功率情况；同时随着车体姿态变化，外部环境模型为车体输入的热流会发生改变，在各个单机模型上可查看内外热源共同作用下各单机模型上的温度变化；特别是由于工况、运动速率改变，单机功率参数会随之改变，过大电流会引起单机内部热流增大；若单机模型显示温度过高，需通过外部环境向计算机模型发送停止移动指令；此时控制计算机置运动标志为“停止移动”，同时计算机模型不再与外部环境进行运动速度、偏航角等数据交互，惯性测量单元模型、恒星敏感器模型的输入数据则不再更新。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据火星车GNC系统内各部分单机的通信协议、设计参数，利用Modelica语言建立各部分单机的物理模型；
所述物理模型种类包括车载相机物理模型、惯性测量单元物理模型、控制计算机物理模型、恒星敏感器物理模型；
(2)将各物理模型进行联接，对步骤(1)所得物理模型进行接口调试；
(3)利用测试数据对接口调试完成后的物理模型进行输出调试，根据测试数据对应的真实输出数据与物理模型输出数据的对比结果对各物理模型设计参数进行调整；
(4)对步骤(3)所得调整后各物理模型进行固化，于固化后模型引入火星车GNC系统在轨数据，模拟下一时刻火星车GNC分系统运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，其特征在于：
所述车载相机物理模型包括第一输入/输出逻辑模型、第一供电电路模型、第一热耗/散热模型，所述第一供电电路模型对车载相机于待机、曝光、成像过程中车载相机耗电量进行模拟，并于不同工作模式下更新车载相机功率参数；所述第一热耗/散热模型对车载相机内部电路及光学系统热源进行模拟，并将车载相机内容部热源与外部环境热源连接以形成闭环热流回路；所述第一输入/输出逻辑模型接收火星车GNC系统的控制计算机模块发送的指令对车载相机设计参数进行修改，并于修改完成后向控制计算机模块返送修改完成标志。
3.根据权利要求1所述的一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，其特征在于：
所述惯性测量单元物理模型包括第二输入/输出逻辑模型、第二供电电路模型、第二热耗/散热模型、输出噪声模型，所述第二输入/输出逻辑模型根据外部采集数据进行约束分解，并将分解后数据发送至控制计算机模块，所述分解后数据包括重力测量值、姿态角、角速度测量值；所述第二供电电路模型根据惯性测量单元设计参数进行惯性测量单元的接口、供电电路搭建；所述第二热耗/散热模型对惯性测量单元发热、散热热流进行模拟，并将惯性测量单元内部热源与外部热源联接形成热流回路；所述输出噪声模型根据惯性测量单元的陀螺零偏、零偏稳定性、随机游走系数、温度漂移特性将噪声参数进行叠加，并将所得数据发送至控制计算机模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，其特征在于：
所述控制计算机物理模型包括第三输入/输出逻辑模型、第三供电电路模型、第三热耗/散热模型、控制算法逻辑模块、任务调度时序模块，所述第三输入/输出逻辑模型对所有指令进行校验，若校验通过则对控制计算机物理模型接收的指令进行开关相应，对控制计算机物理模型发送至其他单机的指令由各单机对应的物理模型接收；若校验不通过则不进行该指令的转发；所述第三供电电路模型为火星车GNC系统各单机供电电路模型提供供电输入；所述第三热耗/散热模型对控制计算机模块内部热源与外部环境热源进行联接形成热流回路；所述控制算法逻辑模块根据惯性测量单元物理模型采集的分解后数据，计算火星车GNC系统的姿态、位置及行驶里程，同时计算火星车GNC系统的姿态角、角速度；所述任务调度时序模型对火星车GNC系统的待执行计算任务进行排序，确认任务优先级，并对第三输入/输出逻辑模型输入、输出的数据进行响应排序。
5.根据权利要求1所述的一种基于信息物理融合的火星车GNC系统物理模型构建方法，其特征在于：
所述恒星敏感器物理模型包括第四输入/输出逻辑模型、第四供电电路模型、第四热耗/散热模型、输出噪声模型，所述第四输入/输出逻辑模型根据火星车GNC系统的设计参数、火星车系统工作环境的恒星高度参数、方位角参数，获取在当前火星车姿态下，恒星相对于火星车高度角、方位角测量数据；所述第四供电电路模型进行恒星敏感器接口搭建及内部电路搭建；所述第四热耗/散热模型对横星敏感器内部热源与外部环境热源进行联接形成热流回路；所述输出噪声模型将Modelica语言编写过程中产生的噪声数值叠加至恒星敏感器。
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