CN105676671A - 一种对日定向控制的半物理仿真测试*** - Google Patents

Abstract

一种对日定向控制的半物理仿真测试***，包括星载计算机***，陀螺，红外地平仪，星敏感器，三轴磁强计，执行机构和目标模拟器，所述目标模拟器模拟空间环境，所述运动模拟器模拟飞行器的姿态运动，所述星载计算机***根据各测量单机获得的测量数据进行姿态和控制量的解算，并输出给所述执行机构，还包括太阳敏感器等效器，动态地磁场模拟器，目标模拟器，运动模拟器，PXI采集控制计算机，动力学仿真机，数据分发单元，遥测遥控遥注机、数据库、显示终端、CAN总线网络和光纤反射内存网。本发明解决现有技术中无法对飞行器姿态异常翻滚情况下对日定向控制的地面仿真验证的问题，具有提高测试真实性和有效性的有益效果。

Description

一种对日定向控制的半物理仿真测试***

技术领域

本发明属于飞行器姿轨控***地面仿真试验与测试技术领域，具体地说是一种对日定向控制的半物理仿真测试***。

背景技术

飞行器入轨完成太阳帆板展开并对太阳捕获，以及飞行器太阳帆板长期对日定向控制，是确保飞行器在轨所需能源供应和任务实现的根本保证。尤其是在飞行器姿态异常导致太阳帆板不能正常对日定向情况下，如果长时间无法对日定向，导致飞行由于能源不足而不能完成预定在轨任务，甚至是飞行器寿命的终结。因此，通常飞行器姿轨控***都会为飞行器姿态异常设计相应的应急预案，以解决飞行器太阳帆板不能正常对日定向的情况，并且必须在地面进行充分的仿真测试以验证应急预案的有效性。

目前飞行器或卫星对日定向控制的地面仿真验证通常有三种方式：数学仿真方式、半物理仿真方式和全物理仿真方式。

数学仿真方式是采用全数学建模，分别建立飞行器动力学和运动学模型、测量单机模型、控制器模型、执行机构模型、以及空间环境模型等，通过非硬件在环的方式实现姿轨控***的姿态控制和对日定向控制的地面仿真验证。

半物理仿真方式如图1所示，为了有效验证卫星姿态控制***的性能,将整个卫星姿态控制***(包括敏感器,控制器和执行机构等)接入回路进行试验。其中飞行器姿态动力学采用数学模型模拟，飞行器姿态运动采用运动模拟器（三轴转台）模拟，敏感器(例如太阳敏感器,地球敏感器,星敏感器等)安装在与运动模拟器(转台)内轴固连的平台上,转台运动使敏感器获得相应的输出，同时根据敏感器的特性配备相应的目标模拟器(太阳模拟器,地球模拟器,星模拟器)。在对日定向控制仿真验证中，通过太阳模拟器模拟太阳光谱和太阳辐照，并通过运动机构模拟飞行器和太阳矢量之间的相对关系。由于受运动机构的限制，无法模拟任意方向的入射太阳矢量，因此也无法实现任意姿态下飞行器对日定向控制的地面仿真验证。

全物理仿真方式是在半物理仿真的基础上，飞行器姿态动力学采用三轴气浮台进行物理模拟，并且将控制器、执行机构和部分测量敏感器（如陀螺、地平仪、太阳敏感器等）也放在三轴气浮台上进行硬件在环的全物理仿真试验。这种仿真方式模拟的真实度和有效性最好，但仿真环境建造复杂，代价昂贵，需要专业的操作人员进行设备操作，并且受气浮台上供电和供气的限制，不能长时间开展仿真验证。同时，每次试验前都需要大量的准备工作，不便于试验的开展。特别是受气浮台运动范围和速度的限制，无法进行飞行器姿态异常翻滚情况下对日定向控制的地面仿真验证。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足和缺陷，以满足飞行器初始入轨的太阳捕获和飞行器任意异常姿态下的太阳帆板重新对日定向控制的仿真测试，本发明提出了一种任意姿态下飞行器对日定向控制的半物理仿真测试***。

本发明的技术解决方案是：一种任意姿态下飞行器对日定向控制的半物理仿真测试***，包括太阳敏感器等效器、地磁场模拟器、地球模拟器、星模拟器、运动模拟器、PXI采集控制计算机、动力学仿真机、数据分发单元、遥测遥控遥注机、数据库、显示终端、CAN总线电缆网、光纤反射内存网和TCP/IP网络，其特征在于太阳敏感器等效器采用压控电流源模拟飞行器各种姿态下太阳敏感器受太阳辐照的状态，采用动态地磁场模拟生成飞行器在轨磁场，采用CAN总线网络实现星地遥测、遥控和遥注信息交互，采用光纤反射内存网实现闭环仿真测试***各目标模拟器和地面设备之间的分布式实时仿真和时间同步。

本发明具有以下特点及良好效果：

本发明根据太阳敏感器在轨只对太阳光谱特定谱段的太阳辐照敏感，并且太阳敏感器输出电流只与入射光通量相关的特性，摈弃传统采用复杂灯阵光学太阳模拟器模拟多光谱太阳目标特性的方式，直接根据飞行器在轨状态下各太阳敏感器感光面与太阳入射矢量的相对关系，以及太阳敏感器的视场角和感光特性，通过压控电流源输出模拟0-1式太阳敏感器和模拟式太阳敏感器在轨受太阳辐照的电流特性，即用恒流源太敏等效器直接替代太阳敏感器和太阳模拟器模拟飞行器在轨各种姿态下太阳帆板面法线矢量和太阳矢量的相对角度关系，实现姿轨控***的对日定向控制半物理仿真，这是区别于现有对日定向控制半物理仿真测试***的创新点之一；

本发明根据动力学仿真机生成的飞行器在轨轨道参数，利用高精度地磁场模型驱动地磁场模拟器动态生成飞行器在轨地磁场目标特性，同时利用坡莫合金屏蔽罩屏蔽本地磁场和外界磁场的干扰，通过三轴磁强计测得的地磁场强度进行飞行器的磁控太阳定向和磁卸载，而不是使用磁场表，这是区别于现有对日定向控制半物理仿真测试***的创新点之二；

本发明采用光纤反射内存网络和中断握手机制进行多力学仿真机、PXI采集控制设备、遥测遥控遥注机、以及多个目标模拟器（运动模拟器、地磁场模拟器、星模拟器、地球模拟器等）之间的实时数据通讯和同步，实现了多目标分布式同步实时仿真，这是区别于现有对日定向控制半物理仿真测试***的创新点之三

采用上述发明后，飞行器对日定向控制仿真测试***具有如下优点：

1）可实现任意异常姿态下对日定向控制的半物理仿真验证，避免了由于太阳模拟器运动机构、运动模拟器结构以及空间场地的限制，导致的对太阳敏感器入射光照的遮挡而不能实现任意异常姿态下对太阳全姿态捕获控制的仿真验证，同时也解决了全空间太阳模拟器光照不均匀引起地面仿真时飞行器姿态的异常抖动，提高了姿轨控***地面仿真验证的真实性和有效性。

2）采用压控恒流源太敏等效器代替太阳敏感器和太阳模拟器进行姿轨控***半物理仿真测试，可以通过动力学改变太敏等效器的输出状态实现太阳敏感器的故障模拟，有效降低了人为损坏或污染太阳敏感器光学敏感面的概率和目标模拟器建造的成本，缩短了姿轨控***半物理仿真环境搭建的周期，同时也降低了设备操作的复杂度。

3）通过地磁场模拟器动态生成飞行器在轨地磁场环境，解决了以往不能将三轴磁强计接入姿轨控***进行姿态确定和姿态控制地面半物理仿真验证的问题，同时也解决了利用磁场表进行磁力矩器控制精度差的问题，为利用三轴磁强计和磁力矩器进行磁太阳定向控制（包括磁力矩器加惯性轮太阳定向控制，纯磁力矩器太阳定向控制，磁力矩器加重力梯度太阳定向控制等）提供了有效的地面仿真验证手段。

4）通过光纤反射内存网络和中断握手机制解决了多个模拟器之间数据不同步以及传统TCP/IP网络阻塞和传输延时的问题，同时也解决了网络信息阻塞和传输延迟导致的运动模拟器抖动问题，提高了仿真测试***的实时性，实现了多目标分布式同步仿真。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为传统对日定向控制半物理仿真测试***组成框图；

图2为本发明对日定向控制的半物理闭环仿真测试***框图；

图3为太阳敏感器等效器组成框图；

图4为动态地磁场模拟器组成框图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细的描述。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

发明的任意姿态下对日定向控制的半物理仿真测试***一实施例的示意框图如图2所示，包括太阳敏感器等效器、地磁场模拟器、地球模拟器、星模拟器、运动模拟器、PXI采集控制计算机、动力学仿真机、数据分发单元、遥测遥控遥注机、数据库、显示终端、CAN总线电缆网、光纤反射内存网和TCP/IP网络，以及星上产品（星载计算机***、陀螺、红外地平仪、星敏感器、三轴磁强计、喷气推力器控制器、惯性轮、磁力矩器等），动力学仿真计算机计算生成飞行器动力学数据和空间环境数据，通过反射内存网络同步驱动各目标模拟器和运动模拟器，目标模拟器模拟空间环境（如地球红外辐射、恒星、地磁场、太阳），运动模拟器模拟飞行器的姿态运动，星载计算机***根据各测量单机获得的测量数据进行姿态和控制量的解算，并输出给相应的执行机构，PXI采集控制计算机采集执行机构的执行量和变化量，采用中断握手机制并通过反射内存网络将执行机构的状态信息反馈给动力学仿真机进行下一循环的计算，遥测遥控遥注机通过CAN总线网络查询星载计算机的遥测数据，同时对星载计算机进行遥注遥控。数据分发单元通过TCP/IP网络将实验数据分发给数据库和显示终端进行试验数据的存储、显示，以及事后回放，从而形成一套完成的分布式姿态确定和控制半物理闭环仿真测试***。

本发明的重点之一在于提出了采用压控恒流源太敏等效器代替太阳敏感器和太阳模拟器模拟飞行器各种姿态下太阳敏感器受太阳辐照的状态，进而实现对日定向控制的地面半物理仿真验证，其具体实施方式如图3所示。

首先动力学仿真机根据飞行轨道参数计算出惯性系下的太阳矢量r _i ，然后将惯性系下的太阳矢量转换到飞行器本体坐标系：

（1）

对于0-1式太阳敏感器，各敏感器的敏感面法线与飞行器本体坐标系三个轴方向平行

（2）

0-1式太阳敏感器的输出电流为：

（3）

其中为电流转换系数；

为太阳辐照常数；

S为太敏感器感光面积；

为太阳光入射角，即为式（1）中的，，；

为太阳敏感器的视场角；

对于模拟式太阳敏感器，首先将本体系下的太阳矢量转换到模拟太阳敏感器测量坐标系下。

（4）

太阳入射角分别为：

（5）

模拟式太阳敏感器的4块电池片a、b、c、d输出电流分别为：

（6）

（7）

其中，为转换系数；

为太阳辐照常数；

S为太敏感器a、b、c和d的总感光面积。

其次将上述太阳敏感器的电流输出模型转换为电压输出模型，

最后通过反射内存网传输给压控恒流源太敏等效器，模拟飞行器在轨各种姿态下太阳敏感器受太阳辐照的状态。采用这种方式可以根据飞行器姿态和太阳入射矢量的关系通过压控恒流源模拟任意异常姿态下的辐照状态，因此可以实现任意姿态下对日定向控制的闭环仿真测试。同时太敏等效器各输出通道具有很好的一致性，也克服了光学太阳模拟器辐照不均匀的影响。

本发明的重点之二在于提出采用坡莫合金屏蔽罩屏蔽外界环境干扰磁场，通过动力学仿真机的高精度IGRF地磁场模型数据驱动地磁场模拟器动态生成飞行器在轨磁场，星载计算机***采集三轴磁强计测量的磁场数据和姿态敏感器的测量数据进行姿态和磁控指令的解算，并控制磁力矩器进行飞行器对日定向三轴姿态控制，从而实现对日定向控制的地面半物理闭环仿真，其具体实施方式如图4所示：

首先用坡莫合金屏蔽罩屏蔽外界环境干扰磁场，分别独立给地磁场模拟器的三个轴输入电流，通过高精度三轴磁强计测量模拟器生成的三维磁场，标出地磁场模拟器生成磁场和驱动电流的关系：

（8）

其中C为标定出的系数矩阵；

标定出的修正量。

其次动力学仿真机根据IGRF地磁场模型动态生成北东地坐标系下的地磁场：

（9）

其中为地球半径；

为飞行器地心距；

为东经；

为地理余纬；

，为高斯系数；

为n次m阶的缔合勒让德多项式。

然后将北东地坐标系下的地磁场转换到三轴磁强计测量坐标系，并将相应的磁场强度数据通过反射内存网发送给磁场模拟器：

（10）

其中为北东地到惯性系的转换矩阵；

为惯性系到飞行器本体坐标的转换矩阵；

为飞行器本体坐标系到三轴磁强计测量坐标系的转换矩阵。

最后地磁场模拟器控制计算机利用标定出的地磁场模拟器的驱动电流和三轴磁场强度的对应关系，根据接收到的动力学仿真机驱动数据控制电流源动态模拟输出飞行器在轨磁场强度。星载计算机***实时采集三轴磁强计的测量数据进行姿态计算和控制指令输出，结合磁力矩器控制，可以用于飞行器的飞轮加磁力矩器的太阳定向控制、磁太阳定向控制等对日定向控制策略的地面仿真验证。

通过将太阳敏感器和太阳辐照模拟技术，以及动态地磁场模拟技术相结合，把太敏等效器和地磁场模拟器接入姿轨控***地面半物理闭环仿真，实现了任意姿态下的对日定向控制地面仿真验证，以及各种对日定向控制策略的地面仿真验证，确保了姿轨控***地面测试的有效性和全覆盖性。

以上结合附图对本发明的一种任意姿态下飞行器对日定向控制的半物理仿真测试***作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围有随附的权利要求限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种对日定向控制的半物理仿真测试***，包括星载计算机***，陀螺，红外地平仪，星敏感器，三轴磁强计，执行机构和目标模拟器；所述目标模拟器模拟空间环境，所述运动模拟器模拟飞行器的姿态运动，所述星载计算机***根据各测量单机获得的测量数据进行姿态和控制量的解算，并输出给所述执行机构，其特征在于：还包括太阳敏感器等效器，动态地磁场模拟器，目标模拟器，运动模拟器，PXI采集控制计算机，动力学仿真机，数据分发单元，遥测遥控遥注机、数据库、显示终端、CAN总线网络和光纤反射内存网；

所述太阳敏感器等效器采用压控电流源模拟飞行器各种姿态下太阳敏感器受太阳辐照的状态，所述动态地磁场模拟器模拟生成飞行器在轨磁场，所述PXI采集控制计算机采集执行机构的执行量和变化量，采用中断握手机制并通过所述光纤反射内存网络将执行机构的状态信息反馈给所述动力学仿真机进行下一循环的计算，所述遥测遥控遥注机通过所述CAN总线网络查询所述星载计算机的遥测数据，同时对所述星载计算机进行遥注遥控，所述数据分发单元通过所述TCP/IP网络将实验数据分发给所述数据库和所述显示终端进行试验数据的存储、显示以及事后回放。

2.根据权利要求1所述的对日定向控制的半物理仿真测试***，其特征在于所述太阳敏感器等效器根据太阳敏感器敏感面和太阳矢量的相对关系和入射光通量大小模拟太阳敏感器的输出电流。

3.根据权利要求1所述的对日定向控制的半物理仿真测试***，其特征在于所述执行机构包括喷气推力器控制器，惯性轮和磁力矩器。

4.根据权利要求3所述的对日定向控制的半物理仿真测试***，其特征在于动态地磁场模拟器动态提供所述三轴磁强计以飞行器在轨磁场强度信息进行姿态确定和所述磁力矩器控制。

5.根据权利要求1所述的对日定向控制的半物理仿真测试***，其特征在于所述目标模拟器包括地球模拟器和星模拟器。

6.根据权利要求1所述的对日定向控制的半物理仿真测试***，其特征在于所述动态地磁场模拟器采用坡莫合金屏蔽罩。