CN112905155A - 一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法，涉及航空航天技术领域，导航卫星包括卫星硬件和星载计算机中运行的姿态控制软件，该方法包括如下内容：由姿态控制软件自主进行数据处理；由姿态控制软件自主进行工作任务管理；由姿态控制软件自主进行故障诊断与重构；由姿态控制软件自主进行数据恢复。至少部分解决现有技术的导航卫星从星箭分离到正常工作轨位的过程中，完成工作任务时的姿态控制存在的依赖地面控制，无法独立自主运行的问题，使导航卫星从星箭分离到正常工作轨位的姿态控制任务可以自主运行，在轨运行卫星出现故障时可以自主诊断和恢复。保证了发射任务成功的同时，实现了导航卫星在轨任务长寿命、高可靠。

Description

一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法
技术领域
本发明总的来说涉及航空航天技术领域，更具体而言涉及一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法。
背景技术
在轨运行的航天器都承担了特定的探测、开发和利用空间的任务，而为了完成这些任务，需要对卫星进行姿态控制，以保持或按需改变其在空间中的定向。导航卫星在正常工作期间，导航天线、测控天线均应保持对地指向，太阳帆板应保持对日指向，且轨道控制时卫星姿态需满足轨道控制要求。在从星箭分离到进入卫星正常工作轨位的过程中，导航卫星要经过多种工作模式下的姿态控制和轨道控制任务。整个任务对卫星各种敏感器数据处理、工作模式管理、控制模式管理、定姿模式管理都提出了很高的要求。
但现有技术的导航卫星在从星箭分离到正常工作轨位的过程中，完成工作任务时的姿态控制存在依赖地面控制的问题，无法独立自主运行。
发明内容
针对现有技术的导航卫星在从星箭分离到正常工作轨位的过程中，完成工作任务时的姿态控制存在的依赖地面控制，无法独立自主运行的问题，本发明提出了一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法，以至少部分解决上述问题。
具体而言，本发明提出了一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法，导航卫星包括卫星硬件和星载计算机中运行的姿态控制软件，该方法包括：
由姿态控制软件自主进行数据处理；姿态控制软件自主进行工作任务管理；由姿态控制软件自主进行故障诊断与重构；以及由姿态控制软件自主进行数据恢复。
姿态控制软件包括：管理模式模块、环境模型模块、数据处理模块、故障诊断与重构模块、姿态确定模块、导引律生成模块、姿态控制模块、轨道控制模块和指令分配模块。其中环境模型模块、数据处理模块、姿态确定模块属于坐标转换模块；环境模型模块、数据处理模块、姿态确定模块、姿态控制模块和指令分配模块属于数据运算模块。
由姿态控制软件自主进行数据处理包括：由数据处理模块设置数据处理周期；为避免工作进程过多的与硬件交互，由数据处理模块在一个数据处理周期内使用数据处理进程从卫星硬件采集和存储数据，向姿态控制软件的其他模块提供数据。由数据处理模块作为硬件层面到软件层面的转化层，以最大程度减少其他模块和硬件的相关性。
数据处理进程使用两段式，包括：由数据处理模块请求采集数据；等待数据完全采集；以及由数据处理模块分析处理数据。等待数据完全采集的时间在本数据处理周期内或下一数据处理周期内。缺省为上一周期请求采集数据，下一周期获取数据然后请求采集数据；这样可以在周期的头部获取数据，直接使用。
由数据处理模块从卫星硬件采集和存储的数据包括下列各项至少之一：卫星硬件的模拟量、数字量和通过数据通道发送的数据流；卫星硬件的硬件信息结构。数据处理模块直接管理所有数据，负责所有卫星的数据采集，涉及硬件为所有有接口的硬件设备。而非遥测数据，例如图像数据，则另外存储处理再交给相关模块使用.
由姿态控制软件自主进行工作任务管理包括：设置姿态控制工作模式；以及由姿态控制软件控制姿态控制工作模式的切换。
姿态控制工作模式包括下列各项至少之一：太阳捕获模式，工作任务包括速率阻尼和对日定向；对日保持模式，工作任务包括飞轮对日和推力器对日；最小安全模式，工作任务包括起旋和自旋稳定；地球捕获模式，工作任务包括过渡姿态和对地定向；正常工作模式，工作任务包括稳定对地和偏航机动；轨道控制模式，工作任务包括轨道控制前调姿、轨道控制和轨道控制后调姿；以及无控模式。
故障诊断与重构模块在整个软件周期都运行，主要功能包括：由姿态控制软件进行卫星故障诊断，并根据诊断结果进行重构；由姿态控制软件进行卫星姿态超差、不稳定、失去基准、计算机重启等系统级故障诊断，并根据诊断结果进行系统级重构。
由姿态控制软件自主进行故障诊断与重构包括：由姿态控制软件输入信息至故障诊断与重构模块；由故障诊断与重构模块判断故障模式，发送状态字给软件模块；由姿态控制软件模块启动故障诊断与重构算法。
故障诊断与重构模块判断故障模式，发送状态字给软件模块包括：
故障模式包括定姿模式，软件模块包括姿态确定模块；故障模式包括控制模式，软件模块包括姿态控制模块；故障模式包括导引律模式，软件模块包括导引律生成模块。
故障诊断与重构模块在每个数据处理周期都运行。
姿态控制软件自主进行数据恢复包括：设置用于重要数据的备份区和三取二数据存储区；由姿态控制软件在数据处理周期内对重要数据三取二操作，该操作每周期均执行；由姿态控制软件在星箭分离后自主开启敏感器动作，仅执行一次；由姿态控制软件在卫星复位、切机和重启时进行软件初始化。
重要数据包括：姿态控制数据；推力器、光纤光纤陀螺、星敏感器、飞轮使用状态；光纤光纤陀螺、飞轮异常状态。
软件初始化包括：校验重要数据备份区数据有效性；通过校验后将重要数据备份区数据恢复；将恢复的数据写入三取二数据存储区。
校验时，若第一次未通过校验，再进行一次校验；未通过校验时，按照默认状态执行。成功恢复后判断工作模式并恢复工作。
本发明提出了一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法，至少具有如下有益效果：至少部分解决现有技术的导航卫星在从星箭分离到正常工作轨位的过程中，完成工作任务时的姿态控制存在的依赖地面控制，无法独立自主运行的问题，使导航卫星从星箭分离到正常工作轨位的姿态控制任务可以自主运行，在轨运行卫星出现故障时可以自主诊断和恢复。保证了发射任务成功的同时，实现了导航卫星在轨任务长寿命、高可靠。
附图说明
图1示出了本发明中姿态控制软件主程序和各模块的调用关系。
图2示出了本发明一个实施例中姿态控制软件的工作流程。
图3示出了本发明一个实施例中姿态控制软件的1级信号流图。
图4示出了本发明一个实施例中姿态控制软件数据处理进程的时序。
图5示出了本发明一个实施例中姿态控制软件的姿态控制工作模式和相应的工作任务。
图6示出了本发明一个实施例中姿态控制软件故障诊断与重构模块的工作流程。
图7示出了本发明一个实施例中姿态控制软件进行数据恢复，及完成数据恢复后恢复工作的工作流程。
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。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
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”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
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。
在本发明中，术语“自主”是指无需从外部(例如从地面)接收数据并且无需人工干预地执行相应任务。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明：
导航卫星姿态控制软件运行于卫星星载计算机中，可实现功能如下：
采集卫星硬件的模拟量、数字量和通过数据通道发送的数据流，包括姿态数据和状态参数；存储卫星硬件的硬件信息结构；对采集姿态数据进行预处理后进行姿态确定和姿态控制，发出控制指令给执行器，控制卫星姿态；完成姿态控制工作模式切换和卫星在轨运控；完成故障诊断，并根据当前工作模式和状态进行重构；根据地面注入的轨道控制策略包，完成轨道控制；完成姿态控制分系统遥测下行和数据注入以及软件上载等。
姿态控制软件的整体工作流程如图2所示，包括：接收轨道数据、敏感器和执行器输出数据、星上时间以及地面注入数据和指令，进行姿态控制工作模式管理、故障诊断、姿态和轨道控制，发出控制指令和卫星开关指令控制各卫星工作，同时发送姿态控制下行数据，包括遥测参数、工程参数、敏感器源包数据和图像等给星务，发送太阳位置信息给SADA软件。
工作过程中，姿态控制软件的1级信号流图如图3所示。
姿态控制软件使用周期性的数据处理进程来进行数据处理工作，包括：数据处理模块设置数据处理周期；数据处理模块在一个数据处理周期内使用数据处理进程从卫星硬件采集和存储数据，向姿态控制软件的其他模块提供数据。
数据处理周期中的数据处理进程时序如图4所示。一个数据处理周期内的工作进程包括：测控进程、获取当前轨道和星上时间、模式管理、环境模型、敏感器信息采集和预处理、故障诊断和重构、姿态确定、导引律计算、姿态控制、轨道控制和指令分配。
姿态控制软件进行工作任务管理，设置姿态控制工作模式；姿态控制软件控制姿态控制工作模式的切换。各工作模式和对应的任务见图5。
姿态控制软件进行数据恢复包括：设置重要数据备份区和三取二数据存储区；在数据处理周期内对重要数据三取二操作；在星箭分离后自主开启敏感器动作；在卫星复位、切机和重启时进行软件初始化。
完成数据恢复后，判断工作模式并恢复工作，包括：
如果工作模式为轨道前姿态调整、轨道控制、轨道控制后姿态调整，则关闭推力器自锁阀及推力器电源，当前轨道可用，进入三轴稳定对地工作模式，否则，若星箭已分离，发送要求整星安全模式指令到星务管理；如果工作模式为过渡姿态或对地定向，则进入飞轮对日模式。如果工作模式为三轴稳定对地或偏航机动，若轨道不可用且星箭已分离，发送要求整星安全模式指令到星务管理。如果当前工作模式为无控且星箭已分离，则进入太阳捕获模式，根据推力器使用状态开相应推力器，根据光纤陀螺使用状态开光纤陀螺。其他工作模式，保持当前状态不做处理。
整体的数据恢复及恢复工作的工作流程见图7。

Claims (15)

1.一种导航卫星自主姿态控制软件的设计方法，导航卫星包括星载计算机和在星载计算机中运行的姿态控制软件，其特征在于，该方法包括下列步骤：
由姿态控制软件自主进行数据处理；
由姿态控制软件自主进行工作任务管理；
由姿态控制软件自主进行故障诊断与重构；以及
由姿态控制软件自主进行数据恢复。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，姿态控制软件包括：管理模式模块、环境模型模块、数据处理模块、故障诊断与重构模块、姿态确定模块、导引律生成模块、姿态控制模块、轨道控制模块和指令分配模块。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由姿态控制软件自主进行数据处理包括：
由数据处理模块设置数据处理周期；以及
由数据处理模块在一个数据处理周期内使用数据处理进程从卫星硬件采集和存储数据，向姿态控制软件的其他模块提供数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，数据处理进程包括：
由数据处理模块请求采集数据；
等待数据完全采集；以及
由数据处理模块分析处理数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，等待数据完全采集的时间在本数据处理周期内。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，等待数据完全采集的时间在下一数据处理周期内。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，数据处理模块从卫星硬件采集和存储的数据包括下列各项至少之一：卫星硬件的模拟量、数字量和通过数据通道发送的数据流；以及卫星硬件的硬件信息结构。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由姿态控制软件自主进行工作任务管理还包括：
设置姿态控制工作模式；以及
由姿态控制软件控制姿态控制工作模式的切换。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，姿态控制工作模式包括下列各项至少之一：
太阳捕获模式，工作任务包括速率阻尼和对日定向；
对日保持模式，工作任务包括飞轮对日和推力器对日；
最小安全模式，工作任务包括起旋和自旋稳定；
地球捕获模式，工作任务包括过渡姿态和对地定向；
正常工作模式，工作任务包括稳定对地和偏航机动；
轨道控制模式，工作任务包括轨道控制前调姿、轨道控制和轨道控制后调姿；以及
无控模式。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由姿态控制软件自主进行故障诊断与重构包括：
由数据处理模块输入信息至故障诊断与重构模块；
由故障诊断与重构模块判断故障模式，发送状态字给软件模块；以及
由姿态控制软件的软件模块启动故障诊断与重构算法。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
故障模式包括定姿模式，软件模块包括姿态确定模块；
故障模式包括控制模式，软件模块包括姿态控制模块；
故障模式包括导引律模式，软件模块包括导引律生成模块。
12.根据权利要求10和11之一所述的方法，其特征在于包括：故障诊断与重构模块在每个数据处理周期都运行。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，由姿态控制软件自主进行数据恢复包括：
设置用于重要数据的备份区和三取二数据存储区；
由姿态控制软件在数据处理周期内对重要数据三取二操作；
由姿态控制软件在星箭分离后自主开启敏感器动作；以及
由姿态控制软件在卫星复位、切机和重启时进行软件初始化。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，重要数据包括：姿态控制数据；推力器、光纤光纤陀螺、星敏感器、飞轮使用状态；光纤光纤陀螺、飞轮异常状态。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，软件初始化包括：
由姿态控制软件校验重要数据备份区数据有效性；
由姿态控制软件通过校验后将重要数据备份区数据恢复；以及
由姿态控制软件将恢复的数据写入三取二数据存储区。
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