一種微小衛(wèi)星地面姿控閉環(huán)仿真測試系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿真系統(tǒng)，具體涉及一種微小衛(wèi)星地面姿控閉環(huán)仿真測試系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，衛(wèi)星是由若干分系統(tǒng)組成，其中姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)是姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)的總稱，簡稱姿軌控分系統(tǒng)(A0CS)。姿態(tài)控制分系統(tǒng)是用于控制衛(wèi)星姿態(tài)的分系統(tǒng)，其中衛(wèi)星姿態(tài)控制包括姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機動兩部分，衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定方式主要有重力梯度穩(wěn)定、自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定；軌道控制分系統(tǒng)是用于控制衛(wèi)星軌道的分系統(tǒng)，完成變軌控制、軌道保持、返回控制和軌道交會等任務(wù)。
[0003]姿軌控分系統(tǒng)上天前都需要進行地面姿控閉環(huán)仿真測試，這是一個非常重要的環(huán)節(jié)。姿軌控分系統(tǒng)的仿真包括建立模型、驗證模型、試驗和分析結(jié)果、改進模型、再驗證、再改進等一系列不斷迭代試驗優(yōu)化的過程。在概念研究和方案設(shè)計階段主要是對分系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型作分析仿真，優(yōu)化和確定參數(shù)，直至完成全系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真。在技術(shù)設(shè)計階段，隨著衛(wèi)星動力學(xué)特性、各部件特性、飛行程序、環(huán)境因素模型以及姿軌控分系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)的接口關(guān)系等不斷完善，仿真模型和分析試驗也不斷細化、精化，此時可分階段用實物代替數(shù)學(xué)模型進行系統(tǒng)半物理和全物理仿真。半物理仿真試驗使用真實的控制電路和星載姿軌控計算機軟硬件、真實的敏感器及其接口電路，用衛(wèi)星動力學(xué)和執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)仿真軟件驅(qū)動機械轉(zhuǎn)臺，模擬衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道運動。這是驗證和改進控制器設(shè)計，完善控制器的硬件和軟件研制，并考核分系統(tǒng)運行中的相容性、適應(yīng)性的有效試驗手段。有條件并有必要時還可進行全部由實物組成系統(tǒng)的全物理仿真。全物理仿真試驗除了使用真實的控制電路、計算機、敏感器及其接口電路外，還利用氣浮臺和氣墊等重力卸載裝置保證模擬的衛(wèi)星星體及其附件的運動與真實運動具有同樣的動力學(xué)特性。半物理仿真和全物理仿真由于受技術(shù)和經(jīng)濟條件的限制，常常難以包括所有的動力學(xué)和環(huán)境條件，特別是難以同時實現(xiàn)所有條件，因此其重要意義和作用主要是在對數(shù)學(xué)模型的驗證和對系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真結(jié)果的確認。姿軌控分系統(tǒng)的可靠性關(guān)系著整星的成敗，姿軌控地面測試一定要逼真，接近現(xiàn)實狀況。
[0004]然而，現(xiàn)有技術(shù)中小衛(wèi)星的仿真測試雖已出現(xiàn)各種簡化手段，但一般都是每設(shè)計一個型號的衛(wèi)星，就要研制對應(yīng)的測試設(shè)備。這種做法無疑延長了研發(fā)周期，提高了研發(fā)成本，不利于微小衛(wèi)星快速測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種微小衛(wèi)星姿控快速仿真系統(tǒng)和方法，能仿真實現(xiàn)姿控動力學(xué)模型、仿真各種姿控部件模型及接口，并根據(jù)部件數(shù)量來動態(tài)配置板卡。姿控仿真系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的要求來快速構(gòu)建相應(yīng)軌道動力學(xué)模型，及相應(yīng)的模擬器，并形成真實接口，快速展開微小衛(wèi)星的姿控控制系統(tǒng)仿真測試。本發(fā)明快速可重構(gòu)性強，仿真完全無需專門做部件模擬器，只需對接口板卡調(diào)配來實現(xiàn)所有部件接口，對控制器板調(diào)配來實現(xiàn)部件模型。
[0006]本發(fā)明提供一種微小衛(wèi)星地面姿控閉環(huán)仿真測試系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:
多個可編程接口板；
至少一個控制器板，所述控制器板內(nèi)有多種模型；
所述模型包括姿控動力學(xué)模型、部件模型；
所述部件模型包括執(zhí)行部件模型和敏感器部件模型；
根據(jù)輸入配置信息動態(tài)配置控制器板和可編程接口板，下載經(jīng)編譯的模型至控制器板，配置可編程接口板的接口及時序。
[0007]本發(fā)明還提供一種微小衛(wèi)星地面姿控閉環(huán)仿真測試系統(tǒng)的仿真方法，其特征在于，包括以下步驟:
在上位機中建立基于simulink的一體化模型庫；
根據(jù)不同衛(wèi)星姿控方案設(shè)計要求，選擇不同的模型進行組合，并對模型進行交叉編譯；
根據(jù)交叉編譯結(jié)果進行動態(tài)仿真。
【附圖說明】
[0008]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0009]圖1所示是本發(fā)明姿控仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖2所示是本發(fā)明姿控系統(tǒng)閉環(huán)仿真工作流程圖；
圖3所示是本發(fā)明整星偏置控制模型配置圖；
圖4所示是本發(fā)明整星偏置控制模型配置圖；
圖5所示是本發(fā)明三軸穩(wěn)定控制模型配置圖；
圖6所示是本發(fā)明三軸穩(wěn)定控制模型配置圖。
[0010]具體實試例
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0011]本發(fā)明提供一套能適應(yīng)不同型號小衛(wèi)星的快速可重構(gòu)、地面姿控仿真測試系統(tǒng)，能實現(xiàn)從設(shè)計仿真驗證到型號測試等各個階段的測試工作。以下結(jié)合具體實例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0012]如圖1所示，本發(fā)明所示姿控仿真系統(tǒng)是一個多板卡系統(tǒng)，具體包括多個接口板及至少一個控制器板。所述接口板為可編程智能接口板，可以是標準的PC架構(gòu)的板卡。所述控制器板集成姿態(tài)動力學(xué)模型及部件模型，通過配置即可實時運行。姿控仿真系統(tǒng)內(nèi)所有的板卡通過上位機實現(xiàn)配置。所述接口板實現(xiàn)與部件模型對應(yīng)的硬件接口，并根據(jù)設(shè)置滿足接口的時序要求。板卡間采用標準總線進行通訊，并通過同步信號來同步信號時序。
[0013]姿控仿真時，涉及到多種不同的部件和接口，并且根據(jù)不同的測試內(nèi)容，涉及到的部件和接口的數(shù)量也不相同。本系統(tǒng)是一個可擴展的系統(tǒng)，控制器板可通過上位機下載和配置所需要的姿態(tài)動力學(xué)模型及部件模型；通過增減接口板的數(shù)量控制擴展接口的數(shù)量，同時通過上位機對系統(tǒng)內(nèi)各接口進行選配設(shè)置。因此，本系統(tǒng)能夠靈活搭配，不用在測試仿真過程中弓丨入多臺信號調(diào)理機及部件模擬機。
[0014]即本發(fā)明能仿真實現(xiàn)姿控動力學(xué)模型、仿真各種姿控部件模型及接口，并根據(jù)所需部件的數(shù)量來動態(tài)配置板卡。在操作過程中，實現(xiàn)模型與硬件完全的分離設(shè)計，所有操作均可能通過上位機配置來實現(xiàn)，包括模型下載至控制器板，接口板接口時序配置等。接口板實現(xiàn)所有擴展接口及時序，控制器板中所有的模型，可以在上位機隨意配置增刪，同時部件對應(yīng)的接口也對應(yīng)進行增刪，從而實現(xiàn)完整的姿控系統(tǒng)閉環(huán)仿真。
[0015]如圖2所示，控制器板加載所有模型，所述模型包括姿態(tài)動力學(xué)模型、部件模型。而部件模型包括執(zhí)行部件模型、敏感器部件模型、輔助部件模型(未示出)。其中，執(zhí)行部件模型是模擬執(zhí)行功能的部件的模型，例如飛輪模型、磁力矩模型等中的一個或多個；敏感器部件模型是模擬傳感部件的模型，例如太敏模型、陀螺模型、星敏模型、磁強計模型、GPS模型等中的一個或多個；輔助部件模型是測控組件模擬器模型、電源模型、熱控模型等其它可能涉及到的模型中的一個或多個，輔助部件模型根據(jù)實際需要進行設(shè)置，根據(jù)情況也可以不需要輔助部件模型。
[0016]在本發(fā)明一實施例中，在首先在上位機中建立基于simulink的一體化模型庫，庫中包括姿態(tài)動力學(xué)模型、執(zhí)行部件模型、敏感器部件模型，以及其它可用于衛(wèi)星測試仿真的模型。例如:測控組件模擬器模型、電源模型、熱控模型等等，這些模型由simulink圖形化編程結(jié)合基于C函數(shù)的s-funct1n實現(xiàn)。Simulink是MATLAB最重要的組件之一,它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。
[0017]其次，對模型進行配置，根據(jù)不同衛(wèi)星姿控方案設(shè)計要求，選擇不同的模型進行組合。其主要步驟包括:
1)獲取衛(wèi)星設(shè)計配置信息和衛(wèi)星軌道與機動要求信息，將所述信息導(dǎo)入到上位機中；
2)確定部件模型，根據(jù)衛(wèi)星設(shè)計配置信息確定仿真系統(tǒng)的參數(shù)，配置執(zhí)行部件模型及敏感器部件模型；
3)確定姿控動力學(xué)模型，根據(jù)衛(wèi)星軌道與機