CN112731963A - 整星条件下严格回归轨道控制测试系统及方法 - Google Patents

整星条件下严格回归轨道控制测试系统及方法 Download PDF

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栗双岭
孙英梅
魏春
陈筠力
陈阳
凌惠祥
温俊健
韩东升
徐犇
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G7/00—Simulating cosmonautic conditions, e.g. for conditioning crews

Abstract

本发明提供了一种整星条件下严格回归轨道控制测试系统及方法，包括：姿轨控管理单元、姿轨控敏感器、姿轨控执行机构、综合管理单元、GNSS接收机、地面动力学设备以及GNSS模拟器；所述姿轨控管理单元与综合管理单元、GNSS接收机相连接；所述姿轨控管理单元与姿轨控敏感器、姿轨控执行机构相连接；所述姿轨控敏感器、姿轨控执行机构与地面动力学设备相连接；所述地面动力学设备与GNSS模拟器相连接；所述GNSS模拟器与GNSS接收机相连接。本发明通过在常规整星姿轨控测试系统中增加GNSS模拟器，将卫星轨道数据接入控制闭环，同时在动力学计算机中增加严格回归轨道参考轨道，实现了严格回归轨道控制方案的测试。

Description

整星条件下严格回归轨道控制测试系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星测试方法，具体地，涉及一种整星条件下严格回归轨道控制测试系统及方法，尤其涉及一种严格回归轨道控制功能和性能在整星的测试方法。
背景技术
地球观测卫星通常对星下点重访特性具有严格要求。严格回归轨道可以实现在经历一个严格回归周期后，卫星能够对空间目标点进行高精度的重访。在轨为了保证卫星始终保持严格回归参考轨道为中心的一定管道半径内，需要进行星上自主严格回归轨道控制。为了对严格回归轨道控制的正确性和指标的符合性进行验证，需要在地面进行测试。严格回归轨道的控制涉及到卫星综合电子、姿轨控、GNSS、推进等多个分系统的协同实现。因此整星测试过程中设计简单、正确的测试系统和测试方法具有重要意义。
专利文献CN107065930A公开了一种复杂约束严格回归轨道控制方法，该专利介绍了一种复杂约束严格回归轨道控制方法，对严格回归轨道控制进行了研究。但是未涉及严格回归轨道整星测试方法的研究。
专利文献CN101344788B公开了一种小卫星姿态控制可靠性验证的仿真测试设备及其测试方法，该专利介绍了卫星姿态控制可靠性验证的仿真测试设备及测试方法，重点对姿态控制进行闭环仿真测试，不涉及轨道控制的测试，特别是严格回归轨道控制的闭环测试。
现有技术中亟需一种整星条件下严格回归轨道控制测试系统及方法。
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严格回归轨道控制测试系统及方法。
根据本发明提供的一种整星条件下严格回归轨道控制测试系统，包括：姿轨控管理单元、姿轨控敏感器、姿轨控执行机构、综合管理单元、GNSS接收机、地面动力学设备以及GNSS模拟器；所述姿轨控管理单元与综合管理单元、GNSS接收机相连接；所述姿轨控管理单元与姿轨控敏感器、姿轨控执行机构相连接；所述姿轨控敏感器、姿轨控执行机构与地面动力学设备相连接；所述地面动力学设备与GNSS模拟器相连接；所述GNSS模拟器与GNSS接收机相连接。
优选地，还包括：总线、网线；所述总线采用以下任意一种：串行总线；1553总线；所述姿轨控敏感器包括：星敏感器、陀螺组合；所述姿轨控管理单元通过串行总线与星敏感器、陀螺组合相连接；所述GNSS接收机、综合管理单元、姿轨控管理单元通过1553总线连接；所述地面动力学设备通过网线发送数据至GNSS模拟器。
严格回归轨道可以实现在经历一个严格回归周期后，卫星能够对空间目标点进行高精度的重访；严格回归轨道控制是指通过轨道设计确定严格回归参考轨道后，卫星在轨运行过程中通过喷气控制使卫星严格地按照设计的参考轨道运行，保证卫星全寿命期间在地固坐标系下实际运行轨迹在以参考轨迹为中心，一定半径的管道内。
优选地，所述地面动力学设备能够模拟卫星在轨姿态轨道运行状态；所述地面动力学设备采集姿轨控执行机构执行信息，并发送姿态信息至姿轨控敏感器，并且在地面动力学设备中存储与姿轨控管理单元中一致的严格回归轨道参考轨道信息。
优选地，所述姿轨控执行机构包括：反作用飞轮、磁力矩器以及推力器。
优选地，所述地面动力学设备按照固定周期将时间位置速度信息发送给GNSS模拟器；
所述GNSS模拟器根据时间位置速度信息生成导航星信息发送给星上GNSS接收机；
所述GNSS接收机确定出卫星位置速度信息，并在总线广播；
所述姿轨控管理单元从总线上获取卫星绝对定位数据(含位置和速度信息)。
优选地，为防止由于GNSS模拟器和地面动力学计算机晶振差异，导致星上轨道数据和地面动力学轨道数据的时延不稳定，将GNSS模拟器的高频时钟信号设置为姿轨控动力学数值递推的时间标准。
优选地，所述GNSS模拟器的高频时钟信号为10MHz频率的正弦信号。
优选地，还包括：卫星轨道动力学模型模块；
所述地面动力学设备采集星上推力器控制脉冲信息，并转换叠加至卫星轨道动力学模型模块，对卫星实时位置速度信息进行数值递推计算，形成轨道信息闭环。
优选地，所述整星条件下严格回归轨道控制测试系统测试过程中，通过比较判断遥测数据以及地面动力学数据进行严格回归轨道控制方案正确性判断。
根据本发明提供的一种整星条件下严格回归轨道控制测试方法，采用整星条件下严格回归轨道控制测试系统，包括：
步骤S1：测试系统加电，检查设备是否正常，完成地测软件初始化相关工作；
步骤S2：通过地面动力学设备设置卫星姿态轨道初值，卫星进入正常在轨运行模式；
步骤S3：采用GNSS模拟器、GNSS接收机重新启动，开始根据地面动力学设备中设置的卫星轨道初值进行轨道确定；
步骤S4：采用GNSS接收机完成定位，并且导航稳定后，设置星上进行自主严格回归轨道控制，等待星上生成控制策略，并执行完毕；
步骤S5：对测试数据判读，比较星上遥测数据和地面动力学设备仿真相关参数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过在常规整星姿轨控测试系统中增加GNSS模拟器，将卫星轨道数据接入控制闭环，同时在动力学计算机中增加严格回归轨道参考轨道，实现了严格回归轨道控制方案的测试；
2、本发明中的测试系统简单，通过整星多系统闭环测试，数据稳定度高，测试数据可信度高，测试覆盖性全；
3、本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷。
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严格回归轨道控制测试系统组成框图。
图2为本发明整星条件下严格回归轨道控制测试方法流程图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种整星条件下严格回归轨道控制测试系统，该测试系统包括姿轨控管理单元、星敏感器、陀螺组合、反作用飞轮、磁力矩器、推力器、综合管理单元、GNSS接收机、地面动力学设备、GNSS模拟器，其中：姿轨控管理单元通过串行总线与星敏感器、陀螺组合相连接，GNSS接收机、综合管理单元、姿轨控管理单元通过1553总线连接，地面动力学设备通过网线发送GNSS模拟器数据。
所述的地面动力学设备进行卫星在轨姿态轨道运行状态模拟，采集姿轨控执行机构执行信息，并发送姿轨控敏感器姿态信息；并且在地面动力学设备中存储与姿轨控管理单元中一致的严格回归轨道参考轨道。
所述的地面动力学设备按照固定周期将时间位置速度信息发送给GNSS模拟器，GNSS模拟器根据时间位置速度信息生成导航星信息发送给星上GNSS接收机，GNSS接收机确定出卫星位置速度信息，并在总线广播，姿轨控管理单元从总线上获取卫星绝对定位数据(含位置和速度信息)。
优选地，将GNSS模拟器高频时钟信号作为地面动力学设备数值递推的时间标准，以防止由于GNSS模拟器和地面动力学计算机晶振差异导致星上轨道数据和地面动力学轨道数据的时延不稳定。
优选地，GNSS模拟器高频时钟信号为10MHz频率的正弦信号。
所述的测试系统中地面动力学设备采集星上推力器控制脉冲信息，并转换叠加至卫星轨道动力学模型对卫星实时位置速度信息进行数值递推计算，形成轨道信息闭环。
所述的测试系统中地面动力学设备、GNSS模拟器均为通用设备，这样使得硬件配置更加灵活。
本发明还提供一种整星条件下严格回归轨道测试方法，包括以下步骤：
步骤一，测试系统加电，检查设备是否正常，完成地测软件初始化相关工作；
步骤二，通过地面动力学设备设置卫星姿态轨道初值，卫星进入正常在轨运行模式；
步骤三，GNSS模拟器、GNSS接收机重新启动，开始根据地面动力学设备中设置的卫星轨道初值进行轨道确定；
步骤四，GNSS接收机完成定位，并且导航稳定后，设置星上进行自主严格回归轨道控制，等待星上生成控制策略，并执行完毕；
步骤五，测试数据分析判读：比较星上遥测数据和地面动力学设备仿真相关参数对测试结果符合性进行判断。
本发明中地面动力学设备、GNSS模拟器均为通用设备，可以使硬件配置更加灵活；测试步骤简单、数据稳定可靠、测试覆盖性全。
如图1所示，该测试系统包括姿轨控管理单元、姿轨控敏感器(星敏感器、陀螺组合)、姿轨控执行机构(反作用飞轮、磁力矩器、推力器)、综合管理单元、GNSS接收机、地面动力学设备、GNSS模拟器，其中：姿轨控管理单元通过串行总线与星敏感器、陀螺组合相连接，GNSS接收机、综合管理单元、姿轨控管理单元通过1553总线连接，地面动力学设备通过网线发送GNSS模拟器数据。
地面动力学设备进行卫星在轨姿态轨道运行状态模拟，采集姿轨控执行机构执行信息，并发送姿轨控敏感器姿态信息；并且在地面动力学设备中存储与姿轨控管理单元中一致的严格回归轨道参考轨道。
地面动力学设备按照固定周期将时间位置速度信息发送给GNSS模拟器，GNSS模拟器根据时间位置速度信息生成导航星信息发送给星上GNSS接收机，GNSS接收机确定出卫星位置速度信息，并在总线广播，姿轨控管理单元从总线上获取卫星绝对定位数据(含位置和速度信息)。
将GNSS模拟器高频时钟信号作为地面动力学设备数值递推的时间标准，以防止由于GNSS模拟器和地面动力学计算机晶振差异导致星上轨道数据和地面动力学轨道数据的时延不稳定。GNSS模拟器高频时钟信号为10MHz频率的正弦信号。
地面动力学设备采集星上推力器控制脉冲信息，并转换叠加至卫星轨道动力学模型对卫星实时位置速度信息进行数值递推计算，形成轨道信息闭环。
如图2所示，本发明整星条件下严格回归轨道控制测试方法，包括以下步骤：
步骤一，测试系统加电，检查设备是否正常，完成地测软件初始化相关工作；
步骤二，通过地面动力学设备设置卫星姿态轨道初值，卫星进入正常在轨运行模式；
步骤三，GNSS模拟器、GNSS接收机重新启动，开始根据地面动力学设备中设置的卫星轨道初值进行轨道确定；
步骤四，GNSS接收机完成定位，并且导航稳定后，设置星上进行自主严格回归轨道控制，等待星上生成控制策略，并执行完毕；
步骤五，测试数据分析判读：比较星上遥测数据和地面动力学设备仿真相关参数对测试结果符合性进行判断。
该测试系统中地面动力学设备、GNSS模拟器均为通用设备，这样使得硬件配置更加灵活。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，包括：姿轨控管理单元、姿轨控敏感器、姿轨控执行机构、综合管理单元、GNSS接收机、地面动力学设备以及GNSS模拟器；
所述姿轨控管理单元与综合管理单元、GNSS接收机相连接；
所述姿轨控管理单元与姿轨控敏感器、姿轨控执行机构相连接；
所述姿轨控敏感器、姿轨控执行机构与地面动力学设备相连接；
所述地面动力学设备与GNSS模拟器相连接；
所述GNSS模拟器与GNSS接收机相连接。
2.根据权利要求1所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，还包括：总线、网线；
所述总线采用以下任意一种：
-串行总线；
-1553总线；
所述姿轨控敏感器包括：星敏感器、陀螺组合；
所述姿轨控管理单元通过串行总线与星敏感器、陀螺组合相连接；
所述GNSS接收机、综合管理单元、姿轨控管理单元通过1553总线连接；
所述地面动力学设备通过网线发送数据至GNSS模拟器。
3.根据权利要求1所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，所述地面动力学设备能够模拟卫星在轨姿态轨道运行状态；
所述地面动力学设备采集姿轨控执行机构执行信息，并发送姿态信息至姿轨控敏感器，并且在地面动力学设备中存储与姿轨控管理单元中一致的严格回归轨道参考轨道信息。
4.根据权利要求1所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，所述姿轨控执行机构包括：反作用飞轮、磁力矩器以及推力器。
5.根据权利要求2所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，所述地面动力学设备按照固定周期将时间位置速度信息发送给GNSS模拟器；
所述GNSS模拟器根据时间位置速度信息生成导航星信息发送给GNSS接收机；
所述GNSS接收机确定出卫星位置速度信息，并在总线广播；
所述姿轨控管理单元从总线上获取卫星绝对定位数据。
6.根据权利要求1所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，
将GNSS模拟器的高频时钟信号设置为姿轨控动力学数值递推的时间标准。
7.根据权利要求1所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，所述GNSS模拟器的高频时钟信号为10MHz频率的正弦信号。
8.根据权利要求1所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，还包括：卫星轨道动力学模型模块；
所述地面动力学设备采集星上推力器控制脉冲信息，并转换叠加至卫星轨道动力学模型模块，对卫星实时位置速度信息进行数值递推计算，形成轨道信息闭环。
9.根据权利要求1所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，其特征在于，所述整星条件下严格回归轨道控制测试系统测试过程中，通过比较判断遥测数据以及地面动力学数据进行严格回归轨道控制方案正确性判断。
10.一种整星条件下严格回归轨道控制测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述的整星条件下严格回归轨道控制测试系统，包括：
步骤S1：测试系统加电，检查设备是否正常，完成地测软件初始化相关工作；
步骤S2：通过地面动力学设备设置卫星姿态轨道初值，卫星进入正常在轨运行模式；
步骤S3：采用GNSS模拟器、GNSS接收机重新启动，开始根据地面动力学设备中设置的卫星轨道初值进行轨道确定；
步骤S4：采用GNSS接收机完成定位，并且导航稳定后，设置星上进行自主严格回归轨道控制，等待星上生成控制策略，并执行完毕；
步骤S5：对测试数据判读，比较星上遥测数据和地面动力学设备仿真相关参数。
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