CN209400880U - 卫星姿态控制半物理仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，包括：动力学仿真装置，用于根据预设的动力学模型以及卫星的控制信息计算卫星的敏感器仿真数据；数据中转装置，连接所述动力学仿真装置、隔离装置、磁模拟装置和前端综合测试装置；隔离装置和磁模拟装置均连接所述前端综合测试装置；前端综合测试装置，连接所述卫星的执行机构，用于调整所述卫星的姿态。本实用新型有效提高了半物理仿真测试结果的可靠性。

Description

卫星姿态控制半物理仿真测试系统

技术领域

本实用新型涉及卫星仿真测试技术领域，尤其涉及一种卫星姿态控制半物理仿真测试系统。

背景技术

在航天工程领域，由于卫星的研制费用较高，并且卫星的运行环境十分复杂、恶劣，所以，一般都需要对卫星的飞行控制系统进行仿真，从而验证卫星的飞行控制系统的方案涉及的正确性，以及检验卫星的飞行控制系统的功能和性能。

姿态控制系统(简称“姿控系统”)作为卫星诸多分系统中最复杂的分系统之一，在卫星控制中起到非常关键的作用。然而，由于卫星长时间工作在复杂的太空环境中，姿控系统的部件容易发生故障，故需要采用姿控系统仿真平台对卫星姿控系统的性能和功能进行测试、检验。

目前，采用的卫星姿态控制仿真测试系统主要包括半物理仿真系统和全物理仿真系统。其中，全物理仿真系统由于将各种真实物理器件直接接入仿真回路，所以这些真实物理器件对仿真控制系统性能的影响能直观而有效的反映在仿真实验结果中，因而具有仿真可信度高的优点。但是，全物理仿真系统中各种真实物理器件的使用，直接增加了仿真系统的成本和复杂度，从而限制了其应用范围。半物理仿真系统结合了数学仿真和物理仿真，具有成本低、操作简单的优点，在卫星姿态控制仿真系统中被广泛使用。但是，现有的半物理仿真系统的实验结果可靠性不高。

因此，如何提高半物理仿真测试系统的实验结果可靠性，是目前亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种卫星姿态控制半物理仿真测试系统，用以解决现有的半物理仿真测试系统测试结果可靠性不高的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种卫星姿态控制半物理仿真测试系统，包括：

动力学仿真装置，用于根据预设的动力学模型以及卫星的控制信息计算卫星的敏感器仿真数据，并传输至所述数据中转装置；

数据中转装置，连接所述动力学仿真装置，用于将所述敏感器仿真数据中的太阳敏感器仿真数据转换为电压模拟量并传输至隔离装置，同时将所述敏感器仿真数据中的磁强计仿真数据传输至磁模拟装置；

隔离装置，连接所述数据中转装置，用于将所述电压模拟量转换为电流模拟量，并传输至前端综合测试装置；

磁模拟装置，连接所述数据中转装置，用于根据所述磁强计仿真数据产生磁激励；所述卫星中的磁强计根据所述磁激励产生磁场模拟信号并传输至所述前端综合测试装置；

前端综合测试装置，连接所述卫星的执行机构，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号向所述卫星传输控制指令，调整所述卫星的姿态；

所述动力学仿真装置，还用于接收所述控制指令，并根据所述控制指令更新所述卫星的控制信息。

优选的，所述控制信息包括磁力矩控制信息和动量轮控制信息。

优选的，所述前端综合测试装置包括姿控线路板；

所述姿控线路板，连接所述磁模拟装置所述隔离装置，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号调整所述卫星的姿态。

优选的，所述姿控线路板连接所述卫星的执行机构，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号控制所述执行机构执行相应的操作。

优选的，所述姿控线路板连接所述卫星的星载计算机；

所述姿控线路板，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号向所述星载计算机发送磁力矩控制信息和动量轮控制信息；

所述星载计算机，连接所述执行机构，用于解算所述磁力矩控制信息和动量轮控制信息，并根据解算后的信息控制所述执行机构执行相应的操作。

优选的，所述动力学仿真装置连接所述姿控线路板的地测数据口，用于从所述地测数据口获取所述磁力矩控制信息和动量轮控制信息。

优选的，还包括地面测试装置；

所述地面测试装置，连接所述动力学仿真装置和所述星载计算机，用于获取所述敏感器仿真数据和解算后的磁力矩控制信息、以及解算后的动量轮信息。

本实用新型提供的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，采用动力学仿真装置、数据中转装置、隔离装置、磁模拟装置和前端测试装置构成闭环测试系统，能够根据卫星当前的控制信息调整仿真数据，同时将卫星的敏感器接入仿真测试系统，使得仿真过程中所使用的敏感器模拟信号为所述卫星的真实信号，更加接近卫星在轨时的情形，从而有效提高了半物理仿真测试结果的可靠性。

附图说明

附图1是本实用新型具体实施方式中卫星姿态控制半物理仿真测试系统的结构示意图；

附图2是本实用新型具体实施方式中卫星姿态控制半物理仿真测试系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的卫星姿态控制半物理仿真测试系统的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种卫星姿态控制半物理仿真测试系统，附图1是本实用新型具体实施方式中卫星姿态控制半物理仿真测试系统的结构示意图，附图2是本实用新型具体实施方式中卫星姿态控制半物理仿真测试系统的结构框图。如图1所示，本具体实施方式提供的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，包括动力学仿真装置11、数据中转装置12、隔离装置13、磁模拟装置14和前端综合测试装置。

所述动力学仿真装置11，用于根据预设的动力学模型以及卫星的控制信息计算卫星的敏感器仿真数据，并传输至所述数据中转装置12。其中，所述敏感器仿真数据包括太阳敏感器仿真数据和磁敏感器仿真数据。本具体实施方式提供的动力学仿真装置11还具备可拓展性，可以根据仿真需要增加红外地球敏感器、星敏等单机仿真信号。

本具体实施方式提供的动力学仿真装置11的型号优选为研华610H工控机。在采用该种型号的动力学仿真机进行卫星的姿态控制半物理仿真测试时，运行仿真周期为10ms；其采用内置的光纤反射内存进行数据通信。所述动力学模型优选为MATLAB xPC动力学模型，该动力学模型无分离结构信号，由地面发送星箭分离指令，在完成星箭分离之后运行本具体实施方式提供的姿态控制半物理仿真测试系统。

所述动力学仿真装置11可以模拟卫星的姿态动力学、轨道动力学、在轨环境模型和敏感器模型，从而实现对卫星的姿态、轨道以及敏感器数据的实时计算，并将计算结果发送至所述数据中转装置12。

所述数据中转装置12，连接所述动力学仿真装置11，用于将所述敏感器仿真数据中的的太阳敏感器仿真数据转换为电压模拟量A并传输至隔离装置13，同时将所述敏感器仿真数据中的磁强计仿真数据传输至磁模拟装置14。

所述数据中转装置12用于实现姿控数据中转，将所述动力学仿真装置11传输的仿真数据进行分流，以实现对仿真数据的高效处理。具体来说，如图1所述，所述数据中转装置12还用于将所述将太阳敏感器仿真数据通过模数转换器转换为电压模拟量A后，传输至所述隔离装置13；所述数据中转装置12将所述磁强计仿真数据直接以数字量B的形式传输至所述磁模拟装置14。本具体实施方式中的所述数据中转装置12的型号优选为搭载LabViewRT实时系统的研华610H工控机。采用该种型号的的数据中转装置12的运行仿真周期为250ms；其采用内置的光纤反射内存进行数据通信。

所述隔离装置13，连接所述数据中转装置12，用于将所述电压模拟量A转换为电流模拟量A，并传输至所述前端综合测试装置。具体来说，如图1所示，所述隔离装置13将所述数据中转装置12传输过来的电压模拟量A转换为电流模拟量A后传输至所述前端综合测试装置。所述隔离装置13还用于实现信号的物理隔离，为电压模拟量A转换为电流模拟量A的过程提供隔离保护。

所述磁模拟装置14，连接所述数据中转装置12，用于根据所述磁强计仿真数据产生磁激励；所述卫星中的磁强计15根据所述磁激励产生磁场模拟信号并传输至所述前端综合测试装置。具体来说，所述数据中转装置12将磁强计仿真数据以数据量B的形式传输至所述磁模拟装置14，所述磁模拟装置14直接对所述卫星中的所述磁强计15产生磁激励，所述磁强计15在磁激励的作用下生成模拟量B(即磁场模拟信号)，并将所述模拟量B传输至前端综合测试装置。

所述前端综合测试装置，连接所述卫星的执行机构18，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号向所述卫星传输控制指令，调整所述卫星的姿态。即在本具体实施方式中，将所述卫星的敏感器(即磁强计15)这一真实物理器件接入仿真测试系统，构成半物理仿真测试系统，使得在对卫星的姿态控制进行测试的过程中，所述卫星接收到的敏感器信号是来自于自身敏感器的真实信号，从而使得卫星的测试更加接近真实在轨情形，极大的提高了仿真测试结果的可靠性。

所述动力学仿真装置11，还用于接收所述控制指令，并根据所述控制指令更新所述卫星的控制信息。即通过所述动力学仿真装置11对所述前端综合测试装置中控制信号的接收，形成一个闭环测试系统，能够根据卫星的控制信息对仿真数据进行实时调整，从而更加有效的完成对卫星姿态控制系统的性能评估。

本具体实施方式提供的卫星姿态控制半物理仿真测试系统还包括上位机21、服务器22和网络交换机23。所述上位机21，通过所述网络交换机23实现与所述服务器22和所述动力学仿真装置11的数据通信。具体来说，所述上位机21作为人机交互接口主控台，实现对卫星姿态参数、轨道参数、单机参数的实时设置，实时获取所述动力学仿真装置11的数据并进行图文显示，且能够将卫星的姿态数据与轨道数据注入STK实现卫星在轨运行实时三维动画显示。

由于磁力矩器和动量轮为卫星姿态控制的主要执行机构，因此，为了进一步提高的对卫星姿态控制系统测试的可靠性，优选的，所述控制信息包括磁力矩控制信息和动量轮控制信息。

本具体实施方式中接入仿真测试系统的敏感器为磁强计。优选的，所述前端综合测试装置包括姿控线路板16；所述姿控线路板16，连接所述磁模拟装置14和所述隔离装置13，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号调整所述卫星的姿态。

优选的，所述姿控线路板16连接所述卫星的执行机构18，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号控制所述执行机构18执行相应的操作。更优选的，所述姿控线路板16连接所述卫星的星载计算机24；所述姿控线路板16，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号向所述星载计算机24发送磁力矩控制信息和动量轮控制信息；所述星载计算机24，连接所述执行机构18，用于解算所述磁力矩控制信息和动量轮控制信息，并根据解算后的信息控制所述执行机构18执行相应的操作。

具体来说，所述姿控线路板16采集来自所述隔离装置13与所述磁强计15的信号，并采用所述姿控线路板16中的磁力矩器电路和动量轮电路生成磁力矩控制信息和动量轮控制信息，并发送至所述星载计算机24。所述星载计算机24根据所述磁力矩控制信息和动量轮控制信息计算姿态角信息和角速度敏感信息，并根据卫星当前的姿态信息和工作模式，解算所述磁力矩控制信息和动量轮信息，之后控制磁力矩器和动量轮执行相应的姿态调整操作。

供电设备19用于向所述姿控线路板16和其他电子元件供电。具体来说，在为本具体实施方式提供的所述卫星姿态控制半物理仿真测试系统加电时，需要先确保所述隔离装置13处于关闭状态，待所述星载计算机24通电之后，开启所述动力学仿真装置11、并打开所述隔离装置13。断电时，也需要先关闭所述隔离装置13之后，所述星载计算机24再执行断电操作。

本具体实施方式中的磁力矩器包括由两两垂直的X轴磁力矩器、Y轴磁力矩器和Z轴磁力矩器构成的三轴磁力矩器，所述动量轮包括两个动量轮，即动量轮A和动量轮B。

优选的，所述动力学仿真装置11连接所述姿控线路板16的地测数据口，用于从所述地测数据口获取所述磁力矩控制信息和动量轮控制信息，以形成一个完整的闭环测试系统。

为了便于用户实时了解星载计算机控制的卫星的真实姿态与动力学仿真姿态的差异，实现对卫星姿态精度指标的评估，优选的，本具体实施方式提供的卫星姿态控制半物理仿真测试系统还包括地面测试装置20；所述地面测试装置20，连接所述动力学仿真装置11和所述星载计算机24，用于获取所述姿态仿真数据和解算后的磁力矩控制信息、以及解算后的动量轮信息。

具体来说，所述前端综合测试装置还包括综合电子线路板17。所述综合电力线路板17，同时连接所述姿控线路板16与所述地面测试装置20，用于通过所述姿控线路板16间接连接所述动力学仿真装置11与所述星载计算机24，以获取所述动力学仿真装置11计算得到的敏感器仿真数据，以及所述星载计算机24实际控制所述执行机构所采用的解算后的磁力矩控制信息和解算后的动量轮信息。所述地面测试装置20根据上述信息，比较所述姿态仿真数据与所述星载计算机数据之间的差异，评估卫星定姿精度指标，为后续进行卫星控制调整提供参考。

本具体实施方式提供的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，采用动力学仿真装置、数据中转装置、隔离装置、磁模拟装置和前端测试装置构成闭环测试系统，能够根据卫星当前的控制信息调整仿真数据，同时将卫星的敏感器接入仿真测试系统，使得仿真过程中所使用的敏感器模拟信号为所述卫星的真实信号，更加接近卫星在轨时的情形，从而有效提高了半物理仿真测试结果的可靠性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种卫星姿态控制半物理仿真测试系统，其特征在于，包括：

动力学仿真装置，用于根据预设的动力学模型以及卫星的控制信息计算卫星的敏感器仿真数据，并传输至所述数据中转装置；

数据中转装置，连接所述动力学仿真装置，用于将所述敏感器仿真数据中的太阳敏感器仿真数据转换为电压模拟量并传输至隔离装置，同时将所述敏感器仿真数据中的磁强计仿真数据传输至磁模拟装置；

隔离装置，连接所述数据中转装置，用于将所述电压模拟量转换为电流模拟量，并传输至前端综合测试装置；

磁模拟装置，连接所述数据中转装置，用于根据所述磁强计仿真数据产生磁激励；所述卫星中的磁强计根据所述磁激励产生磁场模拟信号并传输至所述前端综合测试装置；

前端综合测试装置，连接所述卫星的执行机构，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号向所述卫星传输控制指令，调整所述卫星的姿态；

所述动力学仿真装置，还用于接收所述控制指令，并根据所述控制指令更新所述卫星的控制信息。

2.根据权利要求1所述的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，其特征在于，所述控制信息包括磁力矩控制信息和动量轮控制信息。

3.根据权利要求2所述的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，其特征在于，所述前端综合测试装置包括姿控线路板；

所述姿控线路板，连接所述磁模拟装置和所述隔离装置，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号调整所述卫星的姿态。

4.根据权利要求3所述的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，其特征在于，所述姿控线路板连接所述卫星的执行机构，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号控制所述执行机构执行相应的操作。

5.根据权利要求4所述的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，其特征在于，所述姿控线路板连接所述卫星的星载计算机；

所述姿控线路板，用于根据所述电流模拟量和所述磁场模拟信号向所述星载计算机发送磁力矩控制信息和动量轮控制信息；

所述星载计算机，连接所述执行机构，用于解算所述磁力矩控制信息和动量轮控制信息，并根据解算后的信息控制所述执行机构执行相应的操作。

6.根据权利要求5所述的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，其特征在于，所述动力学仿真装置连接所述姿控线路板的地测数据口，用于从所述地测数据口获取所述磁力矩控制信息和动量轮控制信息。

7.根据权利要求5所述的卫星姿态控制半物理仿真测试系统，其特征在于，还包括地面测试装置；

所述地面测试装置，连接所述动力学仿真装置和所述星载计算机，用于获取所述敏感器仿真数据和解算后的磁力矩控制信息、以及解算后的动量轮信息。