CN113184222A - 卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法及系统，包括以下步骤：磁矩信号解算步骤：将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩；当地地磁场确定步骤：根据实时位置确定当地地磁场强度；磁控力矩解算步骤：根据当地地磁场强度和实时磁矩信息解算出磁控力矩；磁控力矩加入动力学模型步骤：建立姿态动力学模型，将磁控力矩叠加至姿态动力学模型。本发明适用于不同卫星姿轨控分系统用磁力距器的信号处理需求，有利于提高卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及磁力矩器信号处理的技术领域，具体地，涉及卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法及系统。
背景技术
卫星姿轨控通用综合测试设备是为了满足不同型号姿轨控分系统各阶段测试的一种通用化设备。磁力矩器主要用于飞轮卸载以及应急使用，是低轨长寿命卫星一种不可缺少的执行机构。不同型号使用的磁力矩器规格、数量存在差异，对地面测试设备的需求不一样。不同型号分别针对自身需求研制投产专用地面设备，往往会造成极大的资源浪费，影响型号研制效率。因此需要研制通用的姿轨控综合测试设备，通用磁力矩器信号处理设备是其中重要组成部分。
陈东栋的《小卫星闭环模拟设备研制》提到了一种小卫星闭环模拟设备，该设备用于卫星姿态半物理仿真测试。文献中重点阐述了敏感器的模拟和无线通讯模块的设计方案，对执行机构，特别是磁力矩器信号的处理与应用未进行研究。
张怡文、刘曌和陈杭的《计算机测量与控制》提到了一种卫星姿轨控半物理仿真测试系统，介绍了模拟电源、电信号源。程序加载等，但是未将磁力矩器通用信号处理与应用作为研究对象。
彭瑞的《基于PXI_VxWorks的卫星姿轨控仿真测试系统的设计与实现》提到了一种基于PXI_VxWorks的卫星姿轨控仿真测试系统的设计与实现方案，针对测试系统方案通用化、实时性进行了研究，介绍了VxWorks动力学设计方案以及总线架构。也未将磁力矩器信号的处理与应用作为研究对象。
公开号为CN101738332A的中国发明专利公开了一种小卫星执行机构的状态信息采集装置，它涉及一种信号采集装置，它解决了目前尚无设备能够有效检测多种类的卫星执行机构部件状态信息的问题。小卫星执行机构的状态信息采集装置，包括磁力矩传感器电压采集模块、卫星飞轮转速采集模块、卫星飞轮转速方向采集模块、卫星燃料推进器开关时间采集模块、控制及计算模块、数据组帧模块、启动帧判断模块、50ms周期信号采集模块和动力学计算机；状态信息采集装置接收到50ms周期信号后，采集磁力矩传感器、飞轮和卫星燃料推进器输出的各个信号并处理，将处理后的数据组帧后通过RS-485通讯逻辑程序传送给动力学计算机。此装置克服了已有技术的不足，可用于航天领域执行机构部件的信号采集检测。此装置提到了一种小卫星执行机构的状态信息采集装置，提供了一种集成的检测多类卫星执行机构部件状态信息的方案。但是仅针对于小卫星，通用性比较差。
公开号为CN101344788A的中国发明专利公开了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，属卫星姿态控制。包括地面仿真支持模块、故障注入模块和星载模块，其中地面仿真支持模块包括监控终端、卫星模型、信号激励源、力矩反解单元，故障注入模块包括模数转换器、信号转接电路、故障注入处理器、人机交互单元、数模转换单元，星载模块包括传感器、星载控制器和执行机构。所述的测试方法包括：设定故障模型、初始化卫星、更新轨道和姿态信息、星载控制器采集传感器信号向故障注入模块输出执行机构指令信号、执行机构接收伪执行机构指令信号向故障注入模输出反馈信号、力矩反解单元采集故障注入模块输出的伪反馈信号向卫星模型输出控制力矩信号。此设备可实施性强，性价比高。此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。专利中提出对飞轮信号的采集与故障模拟，但未涉及具体的磁力矩器信号处理方法。
针对上述中的现有技术，发明人认为不同卫星姿轨控分系统用磁力矩器规格和数量配置不一，对测试设备要求存在差异，导致卫星姿轨控测试设备的磁力矩器信号处理系统及方法不能适用于不同卫星姿轨控分系统的磁力距器，卫星姿轨控测试设备的磁力矩器信号处理系统及方法的通用性较差。
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卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法及系统。
根据本发明提供的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法，包括以下步骤：
磁矩信号解算步骤：将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩；
当地地磁场确定步骤：根据实时位置确定当地地磁场强度；
磁控力矩解算步骤：根据当地地磁场强度和实时磁矩信息解算出磁控力矩；
磁控力矩加入动力学模型步骤：建立姿态动力学模型，将磁控力矩叠加至姿态动力学模型。
优选的，包括动力学计算机，所述磁矩信号解算步骤包括根据磁力矩器工作原理在动力学计算机中建立磁力矩器通用模型，在磁力矩器通用模型中将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩。
优选的，所述磁矩信号解算步骤包括所述磁力矩器通用模型中不同规格的磁力矩器特征参数通过配置文件更新，磁力矩器通用模型利用采集到的磁力矩器驱动电流解算出实时磁矩。
优选的，所述当地地磁场确定步骤包括在动力学计算机中存储磁场模型，根据卫星动力学实时位置确定当地地磁场强度。
优选的，所述磁控力矩解算步骤包括建立卫星本体坐标系，在动力学计算机中存储磁力矩器安装矩阵，不同卫星的型号的磁力矩器安装矩阵可配置更改设置，根据磁力矩器安装矩阵将实时磁矩转换至卫星本体坐标系表示。
根据本发明提供的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理系统，包括如下模块：
磁矩信号解算模块：将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩；
当地地磁场确定模块：根据实时位置确定当地地磁场强度；
磁控力矩解算模块：根据当地地磁场强度和实时磁矩信息解算出磁控力矩；
磁控力矩加入动力学模型模块：建立姿态动力学模型，将磁控力矩叠加至姿态动力学模型。
优选的，包括动力学计算机，所述磁矩信号解算模块包括根据磁力矩器工作原理在动力学计算机中建立磁力矩器通用模型，在磁力矩器通用模型中将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩。
优选的，所述磁矩信号解算模块包括所述磁力矩器通用模型中不同规格的磁力矩器特征参数通过配置文件更新，磁力矩器通用模型利用采集到的磁力矩器驱动电流解算出实时磁矩。
优选的，所述当地地磁场确定模块包括在动力学计算机中存储磁场模型，根据卫星动力学实时位置确定当地地磁场强度。
优选的，所述磁控力矩解算模块包括建立卫星本体坐标系，在动力学计算机中存储磁力矩器安装矩阵，不同卫星的型号的磁力矩器安装矩阵可配置更改设置，根据磁力矩器安装矩阵将实时磁矩转换至卫星本体坐标系表示。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通过建立通用模型将采集的信号转换成磁力矩叠加值动力学模型。该方法简单、通用，可以满足不同型号测试过程中的磁力矩器信号处理需求；本发明适用于不同卫星姿轨控分系统用磁力距器的信号处理需求，有利于提高卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理的通用性；
2、本发明通过磁力矩器模型参数可配置可以适用于不同规格的磁力矩器；动力学计算机中磁力矩器安装矩阵可以配置输入，适用于不同卫星型号；磁场模型和姿态动力学模型均具有通用性，因此本方法具有较好的通用性，实现了卫星磁力矩器信号的通用处理与应用；
3、本发明所述的磁力矩器信号处理方法及系统具有可集成性，易于集成为分系统级或者整星级测试系统，且本发明所述的磁力矩器信号处理方法及系统易于工程实现。
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为卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号采集处理方法及系统的结构框图；
图2为卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号采集处理方法及系统的流程示意图。
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。
本发明实施例公开了一种卫星姿轨控综合测试的磁力矩器信号处理方法及系统，如图1和图2所示，包括动力学计算机，该方法包括以下步骤：
磁矩信号解算步骤：根据磁力矩器工作原理在动力学计算机中建立磁力矩器通用模型，即采集到的磁力矩器驱动电流和实时磁矩之间的转换模型；
其中，M表示实时磁矩，V表示磁棒体积(单位cm3)，l表示磁棒长度(单位cm)，μe表示磁棒有效磁导率，I表示磁力矩器驱动电流(单位mA)，k表示磁力矩器驱动电流比例系数(该参数为磁力矩器固定确定参数，不同规格磁棒有差异)，N表示卫星配置磁力矩器个数，通常N≤4。
利用采集到的磁力矩器驱动电流，解算实时磁矩。磁力矩器通用模型中磁力矩器特征参数(磁力矩器特征参数比如是磁力矩器驱动电流比例系数)通过配置文件更新。
当地地磁场确定步骤：在动力学计算机中存储通用的磁场模型，磁场模型确定当地磁场强度与实时位置的函数关系；根据卫星动力学实时位置确定当地地磁场强度。包括如下步骤：
步骤1：建立轨道动力学模型和轨道坐标系，根据轨道动力学模型计算得到当前星时(动力学时间一致)地理经度L、地理纬度δ′、轨道倾角i、纬度幅角u。
步骤2：建立地磁坐标系，根据确定的地理经度L，地理纬度δ′，以及卫星距地心的距离R(近圆轨道可以认为是定值，椭圆轨道根据轨道动力学实时计算)，确定出地磁场强度在地磁坐标系的三个分量Bxc、Byc、Bzc的计算。
步骤3：根据轨道倾角i、纬度幅角u计算确定地磁坐标系到轨道坐标系的转换矩阵
其中σ为过程变量，cosσ和sinσ可以通过以下公式求得
步骤4：、地磁场强度B在轨道坐标系中的分量Bxo、Byo、Bzo，可表示为
磁控力矩解算步骤：建立卫星本体坐标系，在动力学计算机中存储磁力矩器安装矩阵，不同卫星的型号的磁力矩器安装矩阵可配置更改设置，根据磁力矩器安装矩阵将实时磁矩转换至卫星本体坐标系表示，根据当地地磁场强度和实时磁矩信息解算出磁控力矩；
卫星磁力矩器安装矩阵为
其中Aix、Aiy、Aiz分别为第i个磁力矩器产生的单位实时磁矩矢量在卫星本体三轴方向的投影，N表示卫星配置磁力矩器个数，通常N≤4。总实时磁矩在卫星本体坐标系M＝AT·[M1 M2 ... MN]T，Mi表示第i根磁棒产生的实时磁矩，T表示向量或者矩阵的转置。
稳态情况下，近似认为卫星本体坐标系和轨道坐标系重合，可以近似用B表示地磁场强度在卫星本体坐标系中的分量。
根据当地地磁场强度和实时磁矩，利用公式T＝M×B,解算磁控力矩Tc。
磁控力矩加入动力学模型步骤：建立姿态动力学模型，将磁控力矩叠加至姿态动力学模型。
式中，J卫星转动惯量矩阵，ω为卫星角速度，
为卫星角加速度，h为动量交换装置角动量，Tc为磁控力矩，Te为作用在卫星上的其他力矩，qi为第i个挠性附件的模态坐标阵，
和
分别表示qi的一阶微分和二阶微分。
为N×N对角阵，
ωij表示第i个挠性附件的第j阶阵型频率，N为振型的截断数，数值由有限元模型提供；ξi：分别为挠性附件的模态阻尼系数，一般取0.005；；Broti表示挠性附件对卫星的转动耦合系数矩阵，∈3×m。m为模态阶数。
lpi为第i个挠性附件相对于本体坐标系连接点矢量，
TFiB为挠性附件坐标系向本体坐标系的转换矩阵。
表示挠性附件在其坐标系中相对连接点的转动耦合系数和平动耦合系数，由有限元分析结果可以得到。
磁力矩器驱动电流通过卫星姿轨控通用综合测试用磁力矩器信号采集方法及系统采集，如图1和图2所示，包括姿轨控计算机、姿轨控线路盒、动力学计算机，动力学计算机包括A/D采集板卡和零槽控制器，该方法包括如下步骤：
步骤1：姿轨控计算机生成磁力矩器控制信号。
步骤2：姿轨控线路盒根据磁力矩器控制信号生成和输出磁力矩器驱动电流。
步骤3；A/D采集板卡采集输出的磁力矩器驱动电流；A/D采集板卡为高精度多通道A/D采集板卡，A/D采集板卡采集路数不少于8路。磁棒控制对卫星控制精度影响不大，A/D采集板卡的采集电压范围为±10V，采集位数12位。
步骤4：A/D采集板卡将磁力矩器驱动电流转化为数字信号后通过传输线传输给零槽控制器。传输线比如是PXI总线。零槽控制器用于实时磁矩解算。
卫星姿轨控分系统的磁力矩器配置最多为4根，磁力矩器驱动检测电流需要正负两个方向，A/D采集板卡采集范围覆盖型号最大需求。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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)
1.一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
磁矩信号解算步骤：将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩；
当地地磁场确定步骤：根据实时位置确定当地地磁场强度；
磁控力矩解算步骤：根据当地地磁场强度和实时磁矩信息解算出磁控力矩；
磁控力矩加入动力学模型步骤：建立姿态动力学模型，将磁控力矩叠加至姿态动力学模型。
2.根据权利要求1所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法，其特征在于，包括动力学计算机，所述磁矩信号解算步骤包括：根据磁力矩器工作原理在动力学计算机中建立磁力矩器通用模型，在磁力矩器通用模型中将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩。
3.根据权利要求2所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法，其特征在于，所述磁矩信号解算步骤包括：所述磁力矩器通用模型中不同规格的磁力矩器特征参数通过配置文件更新，磁力矩器通用模型利用采集到的磁力矩器驱动电流解算出实时磁矩。
4.根据权利要求2所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法，其特征在于，所述当地地磁场确定步骤包括：在动力学计算机中存储磁场模型，根据卫星动力学实时位置确定当地地磁场强度。
5.根据权利要求2所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理方法，其特征在于，所述磁控力矩解算步骤包括：建立卫星本体坐标系，在动力学计算机中存储磁力矩器安装矩阵，不同卫星的型号的磁力矩器安装矩阵可配置更改设置，根据磁力矩器安装矩阵将实时磁矩转换至卫星本体坐标系表示。
6.一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理系统，其特征在于，包括如下模块：
磁矩信号解算模块：将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩；
当地地磁场确定模块：根据实时位置确定当地地磁场强度；
磁控力矩解算模块：根据当地地磁场强度和实时磁矩信息解算出磁控力矩；
磁控力矩加入动力学模型模块：建立姿态动力学模型，将磁控力矩叠加至姿态动力学模型。
7.根据权利要求6所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理系统，其特征在于，包括动力学计算机，所述磁矩信号解算模块包括：根据磁力矩器工作原理在动力学计算机中建立磁力矩器通用模型，在磁力矩器通用模型中将采集到的磁力矩器驱动电流转换成实时磁矩。
8.根据权利要求7所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理系统，其特征在于，所述磁矩信号解算模块包括：所述磁力矩器通用模型中不同规格的磁力矩器特征参数通过配置文件更新，磁力矩器通用模型利用采集到的磁力矩器驱动电流解算出实时磁矩。
9.根据权利要求7所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理系统，其特征在于，所述当地地磁场确定模块包括：在动力学计算机中存储磁场模型，根据卫星动力学实时位置确定当地地磁场强度。
10.根据权利要求7所述的一种卫星姿轨控综合测试设备的磁力矩器信号处理系统，其特征在于，所述磁控力矩解算模块包括：建立卫星本体坐标系，在动力学计算机中存储磁力矩器安装矩阵，不同卫星的型号的磁力矩器安装矩阵可配置更改设置，根据磁力矩器安装矩阵将实时磁矩转换至卫星本体坐标系表示。
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