專利名稱：編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置及其仿真驗證方法
技術領域：
本發(fā)明涉及編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置及其仿真驗證方法，屬于航空航天領 域。
背景技術：
編隊飛行技術是航天器發(fā)展實現系統(tǒng)應用的創(chuàng)新手段，通常航天器編隊飛行是由 物理上不相連的、共同實現同一空間任務的多個航天器構成的空間系統(tǒng)，是21世紀空間技 術發(fā)展的必然。根據編隊衛(wèi)星的任務需求，要求編隊衛(wèi)星在整個任務周期內實現姿態(tài)高精 度一致指向觀測目標，因此姿態(tài)協同控制技術成為衛(wèi)星編隊一項重要技術。衛(wèi)星控制系統(tǒng)物理仿真是研制衛(wèi)星過程中特有的一種仿真方法，它利用氣浮臺作 為運動模擬器，也稱氣浮臺仿真。衛(wèi)星控制系統(tǒng)物理仿真采用氣浮臺模擬衛(wèi)星本體作為控 制對象，控制系統(tǒng)采用衛(wèi)星控制系統(tǒng)實物進行仿真?？臻g飛 行器進行物理仿真時，就要在地 面上利用氣浮來模擬失重或無阻力等重要的空間環(huán)境。為減小新技術給高投入航天事業(yè)所帶來的風險，在實際的姿態(tài)協同控制算法實際 應用之前，為驗證控制算法有效性，提高仿真的置信度，物理仿真驗證是必須進行的一個環(huán) 節(jié)。同時由于國內編隊航天器系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，同時物理仿真實驗存在仿真模 擬設備復雜、開發(fā)資金過高等原因，國內編隊航天器系統(tǒng)仿真關鍵技術驗證大都采用數學 仿真方式進行。現有衛(wèi)星姿態(tài)協同控制問題只能停留在數學仿真的層面上。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是為了解決現有衛(wèi)星姿態(tài)協同控制問題只能停留在數學仿真的層面 上的問題，提供了 一種編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置及其仿真驗證方法。本發(fā)明一種編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置由基礎平臺單元、η個氣浮轉臺系統(tǒng)、 相機定位系統(tǒng)和地面控制單元組成，η > 2，其中
基礎平臺單元，包括1個拋光鑄鐵平臺，拋光鑄鐵平臺用于承載η個氣浮轉臺系統(tǒng)； 氣浮轉臺系統(tǒng)，用于接收地面控制單元的控制指令，并根據所述控制指令完成仿真驗 證，用于與地面控制單元之間通過無線網絡交互信息，還用于通過藍牙無線通信方式與其 它氣浮轉臺系統(tǒng)進行交互信息，
氣浮轉臺系統(tǒng)包括1個氣浮轉臺，氣浮轉臺上配置有PC104仿真計算機、光纖陀螺和推 力器，PC104仿真計算機配置有η個藍牙模塊，所述η個藍牙模塊用于與照片處理計算機和其它氣浮轉臺系統(tǒng)之間的信息交互，
光纖陀螺用于測量氣浮轉臺的角度， 推力器由“十字形”對稱安裝的8個噴嘴構成。相機定位系統(tǒng)，包括照片處理計算機和安裝在拋光鑄鐵平臺上空的寬視場的照相 機，用于獲取任意時刻各氣浮轉臺系統(tǒng)的角度信息；
地面控制單元，由地面控制計算機和數據記錄計算機組成，用于完成用戶和氣浮轉臺 系統(tǒng)之間的數據交換，還用于控制氣浮轉臺系統(tǒng)進行仿真驗證?；谏鲜鼍庩犘l(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置進行的仿真驗證方法包括以下步驟 步驟一地面控制計算機根據姿態(tài)協同控制方案下達控制指令給相應的氣浮轉臺系統(tǒng)
中的PC104仿真計算機，所述PC104仿真計算機根據接收的控制指令計算相應的控制力矩， 步驟二 所述PC104仿真計算機根據所述控制力矩為推力器設計合適的力矩分配方 法，以產生的相應的控制力矩作用到氣浮轉臺上，使所述氣浮轉臺按設定的姿態(tài)協同控制 方案進行仿真運動，
步驟三照相機以每秒10幅的速度拍攝整個拋光鑄鐵平臺的照片，并把照片信息傳送 給照片處理計算機；
步驟四照片處理計算機根據所述照片信息獲取每個氣浮轉臺系統(tǒng)的角度信息，每個 氣浮轉臺系統(tǒng)通過藍牙交互從照片處理計算機獲取其自身的角度信息； 步驟五根據光纖陀螺獲取每個氣浮轉臺的角速度信息；
步驟六每個氣浮轉臺系統(tǒng)將其自身的角度和角速度姿態(tài)信息通過藍牙交互給其它氣 浮轉臺系統(tǒng)，使得每個氣浮轉臺系統(tǒng)知曉所有氣浮轉臺系統(tǒng)的姿態(tài)信息，以便使每個氣浮 轉臺系統(tǒng)按姿態(tài)協同控制方案完成協同控制；
步驟七地面控制計算機接收所有氣浮轉臺系統(tǒng)的姿態(tài)信息，并將其記錄在數據記錄 計算機中，根據記錄結果驗證姿態(tài)協同控制方案仿真的正確性。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明針對氣浮臺這一仿真環(huán)境，通過設計完整的硬件配置及信 息鏈路，使用其可以來驗證姿態(tài)協同控制算法，解決了以往只能在數學仿真層面上來驗證 姿態(tài)協同控制算法的問題，提高算法的置信度。使用者可以在不了解硬件配置的情況下就 可用其來驗證姿態(tài)協同控制算法。


圖1是本發(fā)明方法流程圖，圖2是本發(fā)明裝置流程圖，圖3是氣浮轉臺上安裝8個 噴嘴推力器的結構示意圖，圖4本發(fā)明裝置原理框圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖2至圖4說明本實施方式，本實施方式由基礎平臺單元、η個氣浮轉臺系統(tǒng)4、相機定位系統(tǒng)和地面控制單元組成，η彡2，其中
基礎平臺單元，包括1個拋光鑄鐵平臺1，拋光鑄鐵平臺1用于承載η個氣浮轉臺系統(tǒng)
4； 氣浮轉臺系統(tǒng)4，用于接收地面控制單元的控制指令，并根據所述控制指令完成仿真驗 證，用于與地面控制單元之間通過無線網絡交互信息，還用于通過藍牙無線通信方式與其 它氣浮轉臺系統(tǒng)4進行交互信息，
相機定位系統(tǒng)，包括照片處理計算機3和安裝在拋光鑄鐵平臺1上空的寬視場的照相 機2，用于獲取任意時刻各氣浮轉臺系統(tǒng)4的角度信息；
地面控制單元，由地面控制計算機5和數據記錄計算機6組成，用于完成用戶和氣浮轉 臺系統(tǒng)4之間的數據交換，還用于控制氣浮轉臺系統(tǒng)4進行仿真驗證。氣浮轉臺系統(tǒng)4包括1個氣浮轉臺4-1，氣浮轉臺4-1上配置有PC104仿真計算機 4-2、光纖陀螺4-3和推力器4-4，
照相機2選用寬視場的CMOS相機。PC104仿真計算機4-2配置有η個藍牙模塊4_5，所述η個藍牙模塊4_5用于與照 片處理計算機3和其它氣浮轉臺系統(tǒng)4之間的信息交互，
光纖陀螺4-3用于測量氣浮轉臺4-1的角度， 推力器4-4由“十字形”對稱安裝的8個噴嘴構成。每個氣浮轉臺系統(tǒng)4的PC104仿真計算機4-2與地面控制計算機5之間無線交互， 為了節(jié)省成本，也可以將數據記錄計算機6取消，只用地面控制計算機5來完成控制及記錄 存儲的任務。本發(fā)明是這樣實現的將需要物理驗證的姿態(tài)協同控制方案寫成Matlab語言程 序存儲在地面控制計算機5中，當需要對此方案進行仿真驗證時，通過無線局域網將該程 序從地面控制機5注入到相應氣浮轉臺系統(tǒng)4上的PC104仿真計算機4-2中。運行整個系 統(tǒng)中的設備完成物理仿真的驗證工作，最后導出仿真結果。下面給出一個具體實施例，設定η=2，即2個氣浮轉臺系統(tǒng)4，仿真過程中具體的數 據獲取及控制實現的實施方式由以下給出
1)利用計算機處理寬視場CMOS相機照片獲得兩個氣浮轉臺4-1的角度分別力《!和
2 ；通過光纖陀螺4-3獲取兩個氣浮轉臺4-1的角速度分別為 i和。2)通過藍牙交互兩個氣浮轉臺4-1的姿態(tài)信息，使得一個氣浮轉臺4-1能夠獲得 另一個氣浮轉臺4-1的姿態(tài)信息；
3)這里以比較常見的主從式姿態(tài)協同控制算法為例說明氣浮轉臺的驗證效果。為了方 便說明，將兩個氣浮轉臺分別叫第1個氣浮轉臺和第2個氣浮轉臺，主從式姿態(tài)協同控制方 案的主要任務是第2個氣浮轉臺跟蹤第1個氣浮轉臺的轉動狀態(tài)以完成姿態(tài)的協同工作。 這里第1個氣浮轉臺沒有控制力矩輸入，只給定初始角度和角速度。第2個氣浮轉臺的控 制方案如下
T2=P* - S2)+ ,(^m)
其中Γ2表示氣浮轉臺2的控制力矩，滬和刃分別為比例和微分控制參數。
4)將上一步計算得到的控制力矩，設計合適的力矩分配方法，即8個噴嘴開關方 案，以產生相應的控制力矩作用到第2個氣浮轉臺上。仿真中氣浮轉臺4-1上安裝的噴嘴如3所示，所能產生的噴氣輸出為
噴囔I、 IIL \ 和擺打開 —1 噴養(yǎng)I與VI或III與通打開 u = < 0 不打開任何噴嘴
-I噴嘴II與通或V與IX打開 Γ2噴嘴II、Y、\1和IX打開
其中a為氣浮轉臺4-1上噴嘴的輸出情況。由于在仿真中采用較小的50ms控制周期，在控制過程中噴嘴可 以直接采用開關 控制?？刂屏氐拈_關方案如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中/力噴氣產生力矩的最小值(如噴嘴ι和5打開時)；j；為控制算法計算得到的控
制力矩。在此實施例中，在設計第2個氣浮轉臺的控制力矩1*2時,/=2。
具體實施方式
二 下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式是基于實施方式所 述的編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置進行的仿真驗證方法，該方法包括以下步驟
步驟一地面控制計算機5根據姿態(tài)協同控制方案下達控制指令給相應的氣浮轉臺系 統(tǒng)4中的PC104仿真計算機4-2，所述PC104仿真計算機4_2根據接收的控制指令計算相應 的控制力矩，
步驟二 所述PC104仿真計算機4-2根據所述控制力矩為推力器4-4設計合適的力矩 分配方法，以產生的相應的控制力矩作用到氣浮轉臺4-1上，使所述氣浮轉臺4-1按設定的 姿態(tài)協同控制方案進行仿真運動，
步驟三照相機2以每秒10幅的速度拍攝整個拋光鑄鐵平臺1的照片，并把照片信息 傳送給照片處理計算機3 ；
步驟四照片處理計算機3根據所述照片信息獲取每個氣浮轉臺系統(tǒng)4的角度信息，每 個氣浮轉臺系統(tǒng)4通過藍牙交互從照片處理計算機3獲取其自身的角度信息； 步驟五根據光纖陀螺4-3獲取每個氣浮轉臺4-1的角速度信息； 步驟六每個氣浮轉臺系統(tǒng)4將其自身的角度和角速度姿態(tài)信息通過藍牙交互給其它 氣浮轉臺系統(tǒng)4，使得每個氣浮轉臺系統(tǒng)4知曉所有氣浮轉臺系統(tǒng)4的姿態(tài)信息，以便使每 個氣浮轉臺系統(tǒng)4按姿態(tài)協同控制方案完成協同控制；
步驟七地面控制計算機5接收所有氣浮轉臺系統(tǒng)4的姿態(tài)信息，并將其記錄在數據記錄計算機6中，根據記錄結果驗證姿態(tài)協同控制方案仿真的正確性.
權利要求
一種編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置，其特征在于，它由基礎平臺單元、n個氣浮轉臺系統(tǒng)(4)、相機定位系統(tǒng)和地面控制單元組成，n≥2，其中基礎平臺單元，包括1個拋光鑄鐵平臺(1)，拋光鑄鐵平臺(1)用于承載n個氣浮轉臺系統(tǒng)(4)；氣浮轉臺系統(tǒng)(4)，用于接收地面控制單元的控制指令，并根據所述控制指令完成仿真驗證，用于與地面控制單元之間通過無線網絡交互信息，還用于通過藍牙無線通信方式與其它氣浮轉臺系統(tǒng)(4)進行交互信息，相機定位系統(tǒng)，包括照片處理計算機(3)和安裝在拋光鑄鐵平臺(1)上空的寬視場的照相機(2)，用于獲取任意時刻各氣浮轉臺系統(tǒng)(4)的角度信息；地面控制單元，由地面控制計算機(5)和數據記錄計算機(6)組成，用于完成用戶和氣浮轉臺系統(tǒng)(4)之間的數據交換，還用于控制氣浮轉臺系統(tǒng)(4)進行仿真驗證。
2.根據權利要求1所述的編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置，其特征在于，氣浮轉臺系 統(tǒng)(4)包括1個氣浮轉臺(4-1)，氣浮轉臺(4-1)上配置有PC104仿真計算機(4-2)、光纖陀 螺(4-3)和推力器(4-4)，PC104仿真計算機(4-2)配置有n個藍牙模塊(4-5)，所述n個藍牙模塊(4_5)用于與 照片處理計算機(3)和其它氣浮轉臺系統(tǒng)(4)之間的信息交互， 光纖陀螺(4-3)用于測量氣浮轉臺(4-1)的角度， 推力器(4-4)由“十字形”對稱安裝的8個噴嘴構成。
3.基于權利要求2所述的編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置進行的仿真驗證方法，其特 征在于，該方法包括以下步驟步驟一地面控制計算機(5)根據姿態(tài)協同控制方案下達控制指令給相應的氣浮轉臺 系統(tǒng)(4)中的PC104仿真計算機(4-2)，所述PC104仿真計算機(4_2)根據接收的控制指令 計算相應的控制力矩；步驟二 所述PC104仿真計算機(4-2)根據所述控制力矩為推力器(4-4)設計合適的 力矩分配方法，以產生的相應的控制力矩作用到氣浮轉臺(4-1)上，使所述氣浮轉臺(4-1) 按設定的姿態(tài)協同控制方案進行仿真運動；步驟三照相機(2)以每秒10幅的速度拍攝整個拋光鑄鐵平臺(1)的照片，并把照片 信息傳送給照片處理計算機(3)；步驟四照片處理計算機(3)根據所述照片信息獲取每個氣浮轉臺系統(tǒng)(4)的角度信 息，每個氣浮轉臺系統(tǒng)(4)通過藍牙交互從照片處理計算機(3)獲取其自身的角度信息； 步驟五根據光纖陀螺(4-3)獲取每個氣浮轉臺(4-1)的角速度信息； 步驟六每個氣浮轉臺系統(tǒng)(4)將其自身的角度和角速度姿態(tài)信息通過藍牙交互給其 它氣浮轉臺系統(tǒng)(4)，使得每個氣浮轉臺系統(tǒng)(4)知曉所有氣浮轉臺系統(tǒng)(4)的姿態(tài)信息， 以便使每個氣浮轉臺系統(tǒng)(4)按姿態(tài)協同控制方案完成協同控制；步驟七地面控制計算機(5)接收所有氣浮轉臺系統(tǒng)(4)的姿態(tài)信息，并將其記錄在數 據記錄計算機(6)中，根據記錄結果驗證姿態(tài)協同控制方案仿真的正確性。
全文摘要
一種編隊衛(wèi)星姿態(tài)協同控制仿真裝置及其仿真驗證方法，屬于航空航天領域，本發(fā)明為解決現有衛(wèi)星姿態(tài)協同控制問題只能停留在數學仿真的層面上的問題。本發(fā)明裝置由基礎平臺單元、n個氣浮轉臺系統(tǒng)、相機定位系統(tǒng)和地面控制單元組成，基于上述裝置進行的仿真驗證方法地面控制計算機根據方案下達控制指令，PC104仿真計算機計算控制力矩；為推力器設計力矩分配方法，使氣浮轉臺按設定方案進行仿真；照相機拍照后的信息傳送給照片處理計算機，獲得了角度信息；利用光纖陀螺獲取其角速度信息；每個氣浮轉臺系統(tǒng)將其自身的角度信息及角速度信息通過藍牙進行交互；地面控制計算機接收所有姿態(tài)信息，并記錄在數據記錄計算機中，并驗證方案的正確性。
文檔編號G05B17/02GK101833285SQ201010199440
公開日2010年9月15日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權日2010年6月12日
發(fā)明者蘭盛昌, 刑雷, 劉源, 葉東, 孫兆偉, 張錦繡, 李暉, 楊明, 楊正賢, 王峰, 董曉光, 鄔樹楠, 陳長春, 陳雪芹 申請人:哈爾濱工業(yè)大學