CN117724358A - 一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，包括动力学模型控制计算机、星务计算机、四台导航星模拟器、网络交换机和PXI机箱五部分；所述动力学模型控制计算机的主要作用为计算动力学仿真模型；所述PXI机箱通过光纤将动力学模型控制计算机的计算结果组成遥测数据实时传输给星务计算机；所述星务计算机用于接收PXI机箱的响应数据，并将整星的遥测数据返回给动力学模型控制计算机，同时能够接收动力学模型控制计算机的遥控指令，根据遥控指令调整运行信息；所述导航星模拟器用于模拟卫星在轨接收到的导航星信号并进行卫星定位；四台导航星模拟器的接入在节约成本的情况下能有效的对卫星进行定位仿真。
Description
技术领域
本发明属于卫星地面仿真技术领域，特别是一种适用于对一颗卫星进行绕飞机动飞行任务的半物理仿真系统。
背景技术
随着卫星研制技术的不断发展，两颗甚至多颗卫星联合工作的任务需求也在不断提高。在卫星设计、卫星制造以及任务规划等方面需要使用计算机进行大量的地面仿真测试，确保卫星在飞行过程中的姿态信息和轨道信息符合设计需求。对于卫星仿真系统常用的包括软件仿真、物理仿真和半物理仿真，其中软件仿真成本较低，仿真系统可以灵活修改；物理仿真能更为真实的还原卫星，仿真效果好；半物理仿真结合了软件仿真和物理仿真的优点，对精度需求高的部分采用物理仿真，其他部分采用软件仿真以降低成本，半物理仿真系统已经广泛应用。
目前，卫星动力学的半物理仿真系统一般针对单颗卫星的某次具体任务或某些具体功能，仿真系统的配置较为单一，不能满足两颗卫星联合仿真的同步性、连续性等多方面的要求。
专利CN112034732A提出了一种半物理卫星仿真系统及仿真方法，利用1553仿真设备将卫星仿真计算机的请求指令发送给外接单机，并通过1553B总线接收单机发送的遥测数据，解决了卫星仿真系统的适用性较差的技术问题，但无法较好的满足两颗卫星绕飞工作的数据连续性需求。CN101995825A构建了卫星动力学与控制分布式仿真平台，利用网络交换机、STK轨道计算机、姿态和轨道动力学计算机、控制算法计算机、曲线显示计算机和仿真管理计算机等组成，能实现卫星从飞行任务开始的全周期仿真结果输出，但硬件冗余且较难保证两颗卫星联合仿真的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有卫星动力学仿真系统的不足，提供一种适用于绕飞机动任务的双星动力学仿真的系统。
本发明的技术方案是：一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，包括动力学模型控制计算机、星务计算机、四台导航星模拟器、网络交换机和PXI机箱五部分；
所述动力学模型控制计算机的主要作用为计算动力学仿真模型，动力学仿真模型由Simulink编写，能够根据任务需求修改动力学仿真模型单机的参数，并将计算结果通过光纤传输给PXI机箱；同时将动力学仿真模型各个单机的计算结果进行大数据分析比对，验证单机故障并及时调整动力学仿真模型；动力学仿真模型的输入为单机的操纵指令，输出为单机的响应；所述动力学仿真模型用于模拟卫星的外接单机，计算多颗卫星的动力学特性；
所述PXI机箱是信号实时传输机箱，通过光纤将动力学模型控制计算机的计算结果组成遥测数据实时传输给星务计算机；
所述星务计算机用于接收PXI机箱的响应数据，并将整星的遥测数据返回给动力学模型控制计算机，同时能够接收动力学模型控制计算机的遥控指令，根据遥控指令调整工作状态、工作任务运行信息；
所述导航星模拟器用于模拟卫星在轨接收到的导航星信号并进行卫星定位，导航星模拟器一端用于接收PXI机箱通过网线传输来的实时轨道信息，并根据轨道信息计算得出此时的导航星定位信息，再将信息通过高频电缆传输至星务计算机，实现卫星在太空中的定位，由于卫星要不断接收导航星的信息，A星在绕飞B星过的程中需要始终保持有天线朝天，因此做绕飞机动的A星支出三根互相成120°夹角的天线接收导航星信息，在仿真的过程中也需要三台导航星模拟器同时给A星定位，避免A星在绕飞过程中天线对地导致接收不到导航星信息失去定位；
所述网络交换机用于将仿真系统的多台导航星模拟器和PXI机箱保持在同一网段并能实现网络互相通信。
进一步的，所述PXI机箱中，根据单机通信方式的不同，PXI机箱能够将422通信信号、CAN通信信号、电压电流模拟量输出信号和采集信号给星务计算机。
进一步的，所述422通信中，卫星单机中采用双点双线形式，提高通信接口可靠性。422数据帧包含帧起始、数据域、校验码和帧结束四部分，单机数据储存在数据域并随422的通信协议进行传输。
进一步的，所述CAN通信中，卫星单机数据储存在8位数据段并随CAN通信协议进行传输。
进一步的，所述根据任务需求修改动力学仿真模型单机的参数包括反作用飞轮转速、推力器开关。
进一步的，所述单机的操纵指令包括反作用飞轮转速指令、推力器开关指令；所述单机的响应包括磁强计三轴输出、光纤陀螺三轴角速度。
进一步的，PXI机箱的响应数据包括飞轮转速、姿态角速度、姿态角度。
本发明的有益效果是：提供一种应用于绕飞双星的半物理仿真系统，四台导航星模拟器的接入在节约成本的情况下能有效的对卫星进行定位仿真，对双星系统的绕飞、伴飞等机动飞行任务提供了有效的仿真手段；采用PXI实时机箱和光纤传输数据的方式提高了传统动力学仿真的数据传输速度，避免了常规仿真同步性和实时性差的问题；通过较少的硬件连接实现复杂的双星绕飞机动的动力学仿真，节约了双星绕飞仿真的实验研究成本。
附图说明
图1为双星半物理仿真系统设计示意图；
图2为双星绕飞机动示意图；
图3为半物理仿真系统工作流程图；
图4为RS422通信数据帧格式；
图5为CAN总线数据帧标准帧格式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
适用于绕飞机动任务的双星动力学仿真的系统包括动力学模型控制计算机、星务计算机、导航星模拟器、网络交换机和PXI机箱五部分，其中，动力学模型控制计算机的主要作用为计算动力学仿真模型，动力学仿真模型由Simulink编写，能够根据任务需求修改动力学仿真模型单机的参数，如反作用飞轮转速、推力器开关等，并将计算结果通过光纤传输给PXI机箱，同时将动力学模型各个单机的计算结果进行大数据分析比对，验证单机故障并及时调整动力学模型，动力学仿真模型的输入为单机的操纵指令，例如反作用飞轮转速指令、推力器开关指令等，输出为单机的响应，例如磁强计三轴输出、光纤陀螺三轴角速度等，动力学仿真模型用于模拟卫星的外接单机，计算多颗卫星的动力学特性。
PXI机箱是信号实时传输机箱，通过光纤将动力学模型控制计算机的计算结果组成遥测数据实时传输给星务计算机，根据单机通信方式的不同，PXI机箱可以将422通信信号、CAN通信信号、电压电流模拟量输出信号和采集信号给星务计算机，422是一系列的规定采用4线，全双工，差分传输，多点通信的数据传输协议，它采用平衡传输采用单向/非可逆，有使能端或没有使能端的传输线，卫星单机中采用双点双线形式，提高通信接口可靠性。422数据帧格式见图4，数据帧包含帧起始、数据域、校验码和帧结束四部分，单机数据储存在数据域并随422的通信协议进行传输。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作，数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求，同时，8个字节不会占用总线时间过长，保证了通信的实时性。CAN数据帧格式见图5，一个数据帧标准帧格式按照规定包括1个SOF(Startof Frame)位、仲裁域、控制域、数据域、16位CRC域、2位ACK应答域、7位EOF(End of Frame)，其中卫星单机数据储存在8位数据段并随CAN通信协议进行传输。
星务计算机用于接收PXI机箱的响应数据，例如飞轮转速、姿态角速度、姿态角度等，并将整星的遥测数据返回给动力学模型控制计算机，同时能够接收动力学模型控制计算机的遥控指令，根据遥控指令调整工作状态、工作任务等运行信息。
导航星模拟器用于模拟卫星在轨接收到的导航星信号并进行卫星定位，导航星模拟器一端用于接收PXI机箱通过网线传输来的实时轨道信息，并根据轨道信息计算得出此时的导航星定位信息，再将信息通过高频电缆传输至星务计算机，实现卫星在太空中的定位，由于卫星要不断接收导航星的信息，A星在绕飞B星过的程中需要始终保持有天线朝天，因此做绕飞机动的A星支出三根互相成120°夹角的天线接收导航星信息，在仿真的过程中也需要三台导航星模拟器同时给A星定位，避免A星在绕飞过程中天线对地导致接收不到导航星信息失去定位，绕飞过程见图2。
网络交换机用于将仿真系统的多台导航星模拟器和PXI机箱保持在同一网段并能实现网络互相通信。
整个仿真系统硬件需求较少，线路连接简单，能满足两颗卫星进行绕飞机动的实时动力学仿真的需求，信息传输采用高速光纤信号，能保证实时性和同步性需求，系统组成示意图见附图1。
如图3所示，应用于绕飞双星的半物理仿真系统工作流程如下：
步骤一：通过光纤建立动力学模型控制计算机和PXI机箱之间的通讯连接，在动力学模型控制计算机中运行两卫星的Simulink动力学仿真模型，Simulink动力学仿真模型的计算结果主要有卫星各个模拟单机的输出结果和卫星的姿态信息，运行过程中实时输出动力学仿真模型的计算结果，同时通过光纤将动力学模型输出每个单机的数据传至PXI机箱，根据卫星单机的通信方式，选择其相应的板卡，例如反作用飞轮采用CAN通讯方式，则使用PXI机箱上的CAN通讯板卡传输信号，根据需求选择对应的输出板卡，可以得到两颗卫星在轨运行时姿态信息的实时变化和卫星姿态控制单机的输出结果。
步骤二：建立PXI机箱和两台星务计算机之间的通讯连接，根据卫星实际单机的通信方式选择对应的通信板卡并进行连接，PXI机箱接收动力学模型控制计算机中仿真单机的数据，并将仿真单机的数据传输给星务计算机，是真实卫星单机的仿真模型。
步骤三：接入四台导航星模拟器，通过网络交换机将PXI机箱网口输出的动力学模型轨道数据给四台导航星模拟器，其中三台导航星模拟器通过高频电缆连接进行绕飞机动的A星星务计算机，一台导航星模拟器通过高频电缆连接被绕飞的B星星务计算机，此时完成整个仿真平台的搭建。
步骤四：进行实时动力学仿真，通过动力学模型控制计算机实时计算两颗卫星的动力学计算结果，观察卫星各个单机的状态变化，同时监控星务计算机反馈的整星状态，模拟两颗卫星在轨运行时的姿态和轨道变化。根据不同的飞行任务需求，在动力学模型控制计算机或星务计算机修改卫星姿态和轨道的控制参数，例如反作用飞轮转速、推力器开启时长等控制量，在星务计算机将控制参数传输至动力学模型控制计算机，此时动力学模型控制计算机接收到控制参数后进行相应的仿真计算，并输出控制操作后的计算结果再传输至星务计算机，得到星务计算机的整星运动信息变化，根据任务需求实现了对卫星进行的一系列的变轨操作和姿态控制操作，整个过程需要动力学模型控制计算机输出轨道信息给导航星模拟器，使卫星保持在可定位状态，进行双星系统的半物理动力学仿真。
步骤五：结束本次仿真，记录卫星整个仿真任务过程中的姿态控制数据和动力学模型的仿真计算结果，断开动力学模型控制计算机、星务计算机、PXI机箱、导航型模拟器之间的线路连接，关闭动力学模型控制计算机、星务计算机、PXI机箱和导航型模拟器，仿真任务结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，其特征在于：包括动力学模型控制计算机、星务计算机、四台导航星模拟器、网络交换机和PXI机箱五部分；
所述动力学模型控制计算机的主要作用为计算动力学仿真模型，动力学仿真模型由Simulink编写，能够根据任务需求修改动力学仿真模型单机的参数，并将计算结果通过光纤传输给PXI机箱；同时将动力学仿真模型各个单机的计算结果进行大数据分析比对，验证单机故障并及时调整动力学仿真模型；动力学仿真模型的输入为单机的操纵指令，输出为单机的响应；所述动力学仿真模型用于模拟卫星的外接单机，计算多颗卫星的动力学特性；
所述PXI机箱是信号实时传输机箱，通过光纤将动力学模型控制计算机的计算结果组成遥测数据实时传输给星务计算机；
所述星务计算机用于接收PXI机箱的响应数据，并将整星的遥测数据返回给动力学模型控制计算机，同时能够接收动力学模型控制计算机的遥控指令，根据遥控指令调整工作状态、工作任务运行信息；
所述导航星模拟器用于模拟卫星在轨接收到的导航星信号并进行卫星定位，导航星模拟器一端用于接收PXI机箱通过网线传输来的实时轨道信息，并根据轨道信息计算得出此时的导航星定位信息，再将信息通过高频电缆传输至星务计算机，实现卫星在太空中的定位，由于卫星要不断接收导航星的信息，A星在绕飞B星过的程中需要始终保持有天线朝天，因此做绕飞机动的A星支出三根互相成120°夹角的天线接收导航星信息，在仿真的过程中也需要三台导航星模拟器同时给A星定位，避免A星在绕飞过程中天线对地导致接收不到导航星信息失去定位；
所述网络交换机用于将仿真系统的多台导航星模拟器和PXI机箱保持在同一网段并能实现网络互相通信。
2.根据权利要求1所述的一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，其特征在于：所述PXI机箱中，根据单机通信方式的不同，PXI机箱能够将422通信信号、CAN通信信号、电压电流模拟量输出信号和采集信号给星务计算机。
3.根据权利要求2所述的一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，其特征在于：所述422通信中，卫星单机中采用双点双线形式，422数据帧包含帧起始、数据域、校验码和帧结束四部分，单机数据储存在数据域并随422的通信协议进行传输。
4.根据权利要求2所述的一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，其特征在于：所述CAN通信中，卫星单机数据储存在8位数据段并随CAN通信协议进行传输。
5.根据权利要求1所述的一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，其特征在于：所述根据任务需求修改动力学仿真模型单机的参数包括反作用飞轮转速、推力器开关。
6.根据权利要求1所述的一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，其特征在于：所述单机的操纵指令包括反作用飞轮转速指令、推力器开关指令；所述单机的响应包括磁强计三轴输出、光纤陀螺三轴角速度。
7.根据权利要求1所述的一种应用于双星机动绕飞的半物理仿真系统，其特征在于：PXI机箱的响应数据包括飞轮转速、姿态角速度、姿态角度。
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