CN115390585A - 一种基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统及其构建方法。基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统包括若干数字仿真子系统，所述数字仿真子系统包括航天器集群的源代码动态链接库、姿态与轨道动力学模块、遥测遥控接口和故障设置接口，所述航天器集群的源代码动态链接库连接于姿态与轨道动力学模块，所述遥测遥控接口用于实现遥测遥控功能，所述故障设置接口用于实现故障设置。本申请技术方案简化了姿轨控软件产品的测试流程，缩短了研制周期；节省了研制成本；提供了一种可靠的环境；能够适应航天器规模的不断增大。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统。
背景技术
近年来随着科技的飞速发展，航天行业正经历着翻天覆地的变革。其中以低轨通信卫星为代表的巨型星座是航天业内最为炙手可热的领域，吸引着国内外的资本市场和研究机构争相入场。但是，传统模式中设计、研制、在轨管控的不足，例如：(1)由于传统仿真程序与实际航天器代码存在差异，在测试时需要同时维护仿真程序和实际航天器代码，导致姿轨控软件产品的测试流程繁琐，研制周期长；(2)系统功能单一，可靠性差。因此，传统航天器的产业模式无法适应航天器规模的不断扩大。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的第一个目的在于提供一种基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统，包括若干数字仿真子系统，所述数字仿真子系统包括航天器集群的源代码动态链接库、姿态与轨道动力学模块、遥测遥控接口和故障设置接口，所述航天器集群的源代码动态链接库连接于姿态与轨道动力学模块，所述遥测遥控接口用于实现遥测遥控功能，所述故障设置接口用于实现故障设置。遥控遥测接口与运行决策与支持子系统的上位机通过网络总线连接，实现数字仿真子系统的遥控指令上注与遥测数据交互。故障设置接口与运行决策与支持子系统的上位机通过网络总线连接，决策与支持子系统针对在轨航天器进行故障诊断并与故障设置接口交互，实施数字仿真子系统中的故障设置。
进一步地，所述基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统进一步包括决策与支持子系统以及物理仿真子系统，所述决策与支持子系统包括可视化界面和故障诊断系统，所述故障诊断系统用于对在轨航天器进行故障诊断并将遥测数据传输到所述数字仿真子系统中；所述物理仿真子系统包括单机接口模拟器、至少一实物单机和至少一地面测试设备，所述至少一实物单机和所述至少一地面测试设备分别通过单机接口模拟器接入所述数字仿真子系统。
进一步地，所述实物单机和所述地面测试设备分别独立地与单机接口模拟器之间进行数据传输。
进一步地，所述姿态与轨道动力学模块包括轨道动力学模块、姿态动力学模块、空间环境模型、空间干扰力矩模型、敏感器模型和控制力矩解算模块；轨道动力学模块用于仿真在轨航天器在外力下的质点运动规律；姿态动力学模块用于仿真在轨航天器的姿态运动，包括航天器围绕其质心的运动以及航天器各部分之间的相对运动；空间环境模型用于仿真在轨航天器空间环境，包括太阳模型，地球磁场模型和地球大气模型等，具体启用模型视航天器实际运行环境确定；空间干扰力矩模型用于生成在轨航天器在空间环境中承受的空间干扰力矩，包括重力梯度力矩，剩磁干扰力矩，太阳光压力矩和大气扰动力矩等；敏感器模型用于将姿态和轨道动力学模块数据转换为敏感器输出信号或激励设备的激励信号；控制力矩解算模块用于将测量设备采集到的执行器信号转换为控制力矩，作用于航天器姿态和轨道动力学模块。
本发明的第一个目的在于提供一种上述基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统的构建方法，包括：
步骤S1：设计并构建单航天器的数字仿真子系统；
步骤S2：对若干单航天器的数字仿真子系统进行功能扩展，增加决策与支持子系统以及物理仿真子系统，采用一高性能仿真机运行所有的单航天器的数字仿真子系统，采用一上位机运行决策与支持子系统，并且配备专用的数据库进行数据存储，通过网络总线传输数据，从而完成基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统的构建。
进一步地，步骤S1包括：
步骤S1.1:生成用于移植MATLAB的航天器姿轨控源代码动态链接库：采用C语言编写源代码；然后使用Microsoft Visual Studio软件对源代码进行动态链接库的生成：(1)对Microsoft Visual Studio软件进行编译器设置，添加依赖项和模块定义文件；(2)编写用于连接MATLAB的接口函数文件，添加至源代码工程项目中；(3)在Microsoft VisualStudio软件中编译生成动态链接库mexw文件。
步骤S1.2:使用MATLAB Simulink仿真软件构建数字仿真子系统：首先，将动态链接库文件移植到MATLAB Simulink中，并与姿态与轨道动力学模块连接；其次，根据真实航天器遥测遥控传输方式构建接口，实现遥测遥控功能；最后，构建航天器故障接口接入仿真模型，改变姿态与轨道动力学模块中的相关参数实现故障设置；采用一台Windows系统的高性能仿真机运行MATLAB Simulink仿真软件，模拟航天器集群在轨状态，仿真机通过光纤网络与系统其他部分进行数据传输。
进一步地，步骤S2包括：
步骤S2.1:采用Windows系统的上位机构建决策与支持子系统：(1)采用MATLABApp Designer进行数字孪生系统的可视化界面设计，实现与仿真机的信号传输，遥控遥测指令完全参照航天器设计执行，构建可靠的指令演练和任务规划环境；(2)使用MATLAB与AGI公司的STK软件进行联合仿真，将仿真机数据传输至STK中实现可视化模拟；(3)在上位机中构建故障诊断程序，对在轨航天器进行故障诊断并将遥测数据传输到仿真机中，上位机系统成功诊断故障后生成诊断报告，从而为地面管控人员提供故障处置依据；
步骤S2.2:搭建单机接口模拟器将实物单机和地面测试设备接入数字仿真子系统，从而完成物理仿真子系统的构建，单机接口模拟器的软件部分采用NI LabVIEW程序进行编写，软件的主要功能包括与仿真机间的网络通信、单机信号的采集与处理和地面测试设备信号的采集与处理，单机接口模拟器的硬件部分采用NI PXI系统架构实现与实物单机、地面测试设备的物理层连接，单机接口模拟器的所有信号采集及输出电路均采用隔离设计；
步骤S2.3:使用机架式主机服务器构建专业数据库，用于存储航天器集群姿轨控数字孪生系统的运行数据，航天器集群姿轨控数字孪生系统采用链表结构对航天器集群数据进行管理，便于单个或多个航天器的部署及离轨。
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本专利设计的航天器集群姿轨控数字孪生系统采用了航天器代码移植技术，消除了传统仿真程序与实际航天器代码的差异，极大程度上提升了姿轨控软件产品开发的效率。在使用数字孪生系统进行测试后，能够直接将修正部分合并至代码，不需要像传统方法中同时维护仿真程序和代码，简化了姿轨控软件产品的测试流程，缩短了研制周期。在分系统研制阶段中，数字孪生系统可完全替代航天器计算机，节省了研制成本。系统中接入了实物单机，提供了一种可靠的环境，用于管控人员进行操作演练、任务规划、可视化模拟和故障排查。系统设计针对航天器集群提出，借助数字孪生技术实现分系统研制的数字化、网络化、智能化，能够适应航天器规模的不断增大。
附图说明
图1为本申请一实施例的基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统架构的信息流图；
图2为本申请一实施例的基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统架构图；
图3为生成源代码动态链接库的流程图；
图4为决策与支持子系统的框图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例的基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统包括若干数字仿真子系统、决策与支持子系统以及物理仿真子系统。
所述数字仿真子系统包括航天器集群的源代码动态链接库、姿态与轨道动力学模块、遥测遥控接口和故障设置接口，所述航天器集群的源代码动态链接库连接于姿态与轨道动力学模块，所述遥测遥控接口用于实现遥测遥控功能，所述故障设置接口用于实现故障设置。所述姿态与轨道动力学模块包括轨道动力学模块、姿态动力学模块、空间环境模型、空间干扰力矩模型、敏感器模型和控制力矩解算模块。轨道动力学模块用于仿真在轨航天器在外力下的质点运动规律。姿态动力学模块用于仿真在轨航天器的姿态运动，包括航天器围绕其质心的运动以及航天器各部分之间的相对运动。空间环境模型用于仿真在轨航天器空间环境，包括太阳模型，地球磁场模型和地球大气模型等，具体启用模型视航天器实际运行环境确定。空间干扰力矩模型用于生成在轨航天器在空间环境中承受的空间干扰力矩，包括重力梯度力矩，剩磁干扰力矩，太阳光压力矩和大气扰动力矩等。敏感器模型用于将姿态和轨道动力学模块数据转换为敏感器输出信号或激励设备的激励信号。控制力矩解算模块用于将测量设备采集到的执行器信号转换为控制力矩，作用于航天器姿态和轨道动力学模块。
所述决策与支持子系统包括可视化界面和故障诊断系统，所述故障诊断系统用于对在轨航天器进行故障诊断并将遥测数据传输到所述数字仿真子系统中。
所述物理仿真子系统包括单机接口模拟器、至少一实物单机和至少一地面测试设备，所述至少一实物单机和所述至少一地面测试设备分别通过单机接口模拟器接入所述数字仿真子系统。所述实物单机和所述地面测试设备分别独立地与单机接口模拟器之间进行数据传输。
如图1所示，本实施例的基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统的信息流如下：
数字仿真子系统与物理仿真子系统间信息流包括敏感器激励信号、敏感器信号、执行器控制指令和执行器信号。首先，数字仿真子系统输出敏感器激励信号至激励设备，设备对实物敏感器单机进行激励，敏感器单机输出敏感器信号返回数字仿真子系统。其次，数字仿真子系统输出执行器控制指令驱动实物执行器单机工作，测量设备采集执行器工作状态并将信号返回数字仿真子系统。
数字仿真子系统和决策与支持子系统间信息流包括仿真系统遥测数据、在轨航天器下行遥测数据和在轨航天器故障数据。仿真系统遥测数据传输至决策与支持子系统中可视化窗口进行显示。在轨航天器下行遥测数据传输至数字仿真子系统进行实时仿真数据校正。决策与支持子系统针对在轨航天器进行故障诊断并将故障数据传输至数字仿真子系统与故障设置接口交互，实施数字仿真子系统中的故障设置。
如图2所示，上述基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统的构建方法包括以下步骤S1-步骤S2：
步骤S1：设计并构建单航天器的数字仿真子系统。具体地，步骤S1包括步骤S1.1-步骤S1.2：
步骤S1.1:生成用于移植MATLAB的航天器姿轨控源代码动态链接库：采用C语言编写源代码；然后，如图3所示，使用Microsoft Visual Studio软件对源代码进行动态链接库的生成：(1)对Microsoft Visual Studio软件进行编译器设置，添加依赖项和模块定义文件；(2)编写用于连接MATLAB的接口函数文件，添加至源代码工程项目中；(3)在MicrosoftVisual Studio软件中编译生成动态链接库mexw文件。
步骤S1.2:使用MATLAB Simulink仿真软件构建数字仿真子系统：首先，将步骤S1.1中生成的动态链接库文件移植到MATLAB Simulink中，并与姿态与轨道动力学模块连接；其次，根据真实航天器遥测遥控传输方式构建接口，实现遥测遥控功能；最后，构建航天器故障接口接入仿真模型，改变姿态与轨道动力学模块中的相关参数实现故障设置；采用一台Windows系统的高性能仿真机运行MATLAB Simulink仿真软件，模拟航天器集群在轨状态，仿真机通过光纤网络与系统其他部分进行数据传输。
步骤S2：对若干单航天器的数字仿真子系统进行功能扩展，增加决策与支持子系统以及物理仿真子系统，采用一高性能仿真机运行所有的单航天器的数字仿真子系统，采用一上位机运行决策与支持子系统，并且配备专用的数据库进行数据存储，通过网络总线传输数据，从而完成基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统的构建。
具体地，步骤S2包括步骤S2.1-步骤S2.3：
步骤S2.1:如图4所示，采用Windows系统的上位机构建决策与支持子系统：(1)采用MATLAB App Designer进行数字孪生系统的可视化界面设计，实现与仿真机的信号传输，遥控遥测指令完全参照航天器设计执行，构建可靠的指令演练和任务规划环境；(2)使用MATLAB与AGI公司的STK软件进行联合仿真，将仿真机数据传输至STK中实现可视化模拟；(3)在上位机中构建故障诊断程序，对在轨航天器进行故障诊断并将遥测数据传输到仿真机中，上位机系统成功诊断故障后生成诊断报告，从而为地面管控人员提供故障处置依据。综上，决策与支持子系统包括可视化界面和故障诊断系统，并且支持从实际在轨航天器引入遥测信号。
步骤S2.2:搭建单机接口模拟器将实物单机和地面测试设备接入数字仿真子系统，从而完成物理仿真子系统的构建，构建物理仿真子系统使基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统与实际在轨情况更为接近，进一步增强系统运行结果的可信度。单机接口模拟器的软件部分采用NI LabVIEW程序进行编写，软件的主要功能包括与仿真机间的网络通信、单机信号的采集与处理和地面测试设备信号的采集与处理。单机接口模拟器的硬件部分采用NI PXI系统架构实现与实物单机、地面测试设备的物理层连接，单机接口模拟器的所有信号采集及输出电路均采用隔离设计，避免对实物单机带来损害。
步骤S2.3:使用联想机架式主机服务器构建专业数据库，用于存储航天器集群姿轨控数字孪生系统的运行数据，航天器集群姿轨控数字孪生系统采用链表结构对航天器集群数据进行管理，便于单个或多个航天器的部署及离轨。
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统，其特征在于，包括若干数字仿真子系统，所述数字仿真子系统包括航天器集群的源代码动态链接库、姿态与轨道动力学模块、遥测遥控接口和故障设置接口，所述航天器集群的源代码动态链接库连接于姿态与轨道动力学模块，所述遥测遥控接口用于实现遥测遥控功能，所述故障设置接口用于实现故障设置。
2.如权利要求1所述的基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统，其特征在于，所述基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统进一步包括决策与支持子系统以及物理仿真子系统，所述决策与支持子系统包括可视化界面和故障诊断系统，所述故障诊断系统用于对在轨航天器进行故障诊断并将遥测数据传输到所述数字仿真子系统中；所述物理仿真子系统包括单机接口模拟器、至少一实物单机和至少一地面测试设备，所述至少一实物单机和所述至少一地面测试设备分别通过单机接口模拟器接入所述数字仿真子系统。
3.如权利要求2所述的基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统，其特征在于，所述实物单机和所述地面测试设备分别独立地与单机接口模拟器之间进行数据传输。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统，其特征在于，所述姿态与轨道动力学模块包括轨道动力学模块、姿态动力学模块、空间环境模型、空间干扰力矩模型、敏感器模型和控制力矩解算模块；轨道动力学模块用于仿真在轨航天器在外力下的质点运动规律；姿态动力学模块用于仿真在轨航天器的姿态运动，包括航天器围绕其质心的运动以及航天器各部分之间的相对运动；空间环境模型用于仿真在轨航天器空间环境，包括太阳模型，地球磁场模型和地球大气模型等，具体启用模型视航天器实际运行环境确定；空间干扰力矩模型用于生成在轨航天器在空间环境中承受的空间干扰力矩，包括重力梯度力矩，剩磁干扰力矩，太阳光压力矩和大气扰动力矩等；敏感器模型用于将姿态和轨道动力学模块数据转换为敏感器输出信号或激励设备的激励信号；控制力矩解算模块用于将测量设备采集到的执行器信号转换为控制力矩，作用于航天器姿态和轨道动力学模块。
5.一种如权利要求1-4任一项所述基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统的构建方法，其特征在于，包括：
步骤S1：设计并构建单航天器的数字仿真子系统；
步骤S2：对若干单航天器的数字仿真子系统进行功能扩展，增加决策与支持子系统以及物理仿真子系统，采用一仿真机运行所有的单航天器的数字仿真子系统，采用一上位机运行决策与支持子系统，并且配备专用的数据库进行数据存储，通过网络总线传输数据，从而完成基于航天器集群的姿轨控数字孪生系统的构建。
6.如权利要求5所述的航天器集群姿轨控数字孪生系统的构建方法，其特征在于，步骤S1包括：
步骤S1.1:生成用于移植MATLAB的航天器姿轨控源代码动态链接库：采用C语言编写源代码；然后使用Microsoft Visual Studio软件对源代码进行动态链接库的生成：(1)对Microsoft Visual Studio软件进行编译器设置，添加依赖项和模块定义文件；(2)编写用于连接MATLAB的接口函数文件，添加至源代码工程项目中；(3)在Microsoft VisualStudio软件中编译生成动态链接库mexw文件。
步骤S1.2:使用MATLAB Simulink仿真软件构建数字仿真子系统：首先，将动态链接库文件移植到MATLAB Simulink中，并与姿态与轨道动力学模块连接；其次，根据真实航天器遥测遥控传输方式构建接口，实现遥测遥控功能；最后，构建航天器故障接口接入仿真模型，改变姿态与轨道动力学模块中的相关参数实现故障设置；采用一台Windows系统的仿真机运行MATLAB Simulink仿真软件，模拟航天器集群在轨状态，仿真机通过光纤网络与系统其他部分进行数据传输。
7.如权利要求5所述的航天器集群姿轨控数字孪生系统的构建方法，其特征在于，步骤S2包括：
步骤S2.1:采用Windows系统的上位机构建决策与支持子系统：(1)采用MATLAB AppDesigner进行数字孪生系统的可视化界面设计，实现与仿真机的信号传输，遥控遥测指令完全参照航天器设计执行，构建可靠的指令演练和任务规划环境；(2)使用MATLAB与AGI公司的STK软件进行联合仿真，将仿真机数据传输至STK中实现可视化模拟；(3)在上位机中构建故障诊断程序，对在轨航天器进行故障诊断并将遥测数据传输到仿真机中，上位机系统成功诊断故障后生成诊断报告，从而为地面管控人员提供故障处置依据；
步骤S2.2:搭建单机接口模拟器将实物单机和地面测试设备接入数字仿真子系统，从而完成物理仿真子系统的构建，单机接口模拟器的软件部分采用NI LabVIEW程序进行编写，软件的主要功能包括与仿真机间的网络通信、单机信号的采集与处理和地面测试设备信号的采集与处理，单机接口模拟器的硬件部分采用NI PXI系统架构实现与实物单机、地面测试设备的物理层连接，单机接口模拟器的所有信号采集及输出电路均采用隔离设计；
步骤S2.3:使用机架式主机服务器构建专业数据库，用于存储航天器集群姿轨控数字孪生系统的运行数据，航天器集群姿轨控数字孪生系统采用链表结构对航天器集群数据进行管理，便于单个或多个航天器的部署及离轨。
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