CN109471424B - 一种大角动量转动部件地面仿真测试***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大角动量转动部件地面仿真测试***及方法，***包括大角动量转动部件仿真宿主机和大角动量转动部件远控加载机；本发明采用与真实载荷相同的硬件接口，解决了星载计算机实时接收大角动量转动部件数据，并进行角动量补偿控制的难题。本发明可以真实反映大角动量转动部件的硬件接口和物理特性，具有接口一致性好、参数可实时修改、故障模拟、扩展性好等特点。

Description

一种大角动量转动部件地面仿真测试***及方法
技术领域
本发明涉及卫星姿态控制***测试领域，尤其涉及一种大角动量转动部件地面仿真测试***及方法。
背景技术
微波辐射计是某卫星有效载荷，其探测头部作为一种大角动量转动部件，在卫星入轨后需要展开并开机，一直处于工作状态，探测头部需要进行连续圆锥扫描，转动产生的大角动量需要由卫星姿控分***实现大角动量的补偿控制，才能实现姿态的稳定控制。
由于研制进度原因，载荷无法参与姿控分***级别的地面试验中，这给姿控分***地面仿真验证带来了困难。对于这类大角动量转动部件的姿控地面仿真测试通常采用这样的方式，在姿控动力学模型中加入大角动量转动部件的数学模型，将转动部件产生的角动量在模型内部引入计算。这种方式的局限性在于，转动部件的模型嵌入在姿控动力学模型内部，导致与卫星星载计算机没有硬件接口，虽然可以实现角动量的补偿，但由于载荷模型与星载计算机的没有真实通讯，无法将真实探测头部转速反馈到星载计算机内部，同时也无法进行各类转速异常的故障模拟，导致姿控软件验证的全面性和正确性缺乏支撑。
随着卫星领域不断发展，开发周期不断缩短，对控制***的测试方法在功能性和实效性上的要求不断提高。一种操作简单、功能强大、接口齐全、可配置星强的大角动量转动部件地面仿真测试***方法已经成为必然。
发明内容
本发明的目的是提供一种大角动量转动部件地面仿真测试***及方法，解决目前姿控地面试验遇到的难题，使姿控分***在研制各阶段完成载荷的大角动量补偿闭环仿真和验证。
本发明的一个技术方案是提供一种大角动量转动部件地面仿真测试***，包含大角动量转动部件仿真宿主机、大角动量转动部件远控加载机；
所述大角动量转动部件仿真宿主机运行大角动量转动部件模型，实时解算转动部件转速和角动量，将相关信息输出给星载计算机用于角动量补偿，以及输出给卫星姿控地面设备的动力学模型用于卫星动力学计算；
所述大角动量转动部件远控加载机进行转动部件模型的编译，并加载到所述大角动量转动部件仿真宿主机，所述大角动量转动部件远控加载机还发出转动部件模型仿真控制指令，以实时修改所述大角动量转动部件仿真宿主机的大角动量转动部件状态。
可选地，所述大角动量转动部件仿真宿主机和所述大角动量转动部件远控加载机之间通过以太网连接；所述大角动量转动部件仿真宿主机通过1553B总线专用电缆连接到星载计算机，通过RS422串口电缆连接到卫星姿控地面设备。
可选地，所述大角动量转动部件的转速和角动量由所述大角动量转动部件仿真宿主机独立进行计算完成，并通过与真实单机相同的硬件接口，将相关信息传输给星载计算机、卫星姿控地面设备。
可选地，所述大角动量转动部件远控加载机设有工控机及网卡。
可选地，所述大角动量转动部件远控加载机通过发送的仿真控制指令，对工作模式、最大转速、转动角加速度、转动惯量、动不平衡系数、静不平衡系数、部件安装矩阵、通讯故障、转速异常相关的参数和状态进行设置。
可选地，根据所述大角动量转动部件仿真宿主机传输的转动部件转速和角动量的相关信息，所述星载计算机完成转动部件带来的角动量补偿和姿态控制，所述卫星姿控地面设备基于动力学模型实时计算转动部件带来的角动量，模拟卫星在轨运动情况。
本发明的另一个技术方案是提供一种大角动量转动部件地面仿真测试方法，使用上述任意一项大角动量转动部件地面仿真测试***，所述方法包含以下过程：
a．测试环境准备：将大角动量转动部件仿真宿主机、大角动量转动部件远控加载机、卫星姿控分***单机、星载计算机、卫星姿控地面设备通电后开始工作，并设置卫星处于稳态飞行状态；
b．大角动量转动部件的计算公式推导和模型编写，大角动量转动部件远控加载机将转动部件模型编译加载到大角动量转动部件仿真宿主机中；
c．大角动量转动部件远控加载机进行大角动量转动部件模型的参数和工作模式设定，并输出仿真控制指令，使转动部件模型开始工作；
d．大角动量转动部件仿真宿主机独立进行大角动量部件的转速和角动量的解算，实时将相关信息输出给星载计算机，星载计算机完成转动部件带来的角动量补偿和姿态控制；大角动量转动部件仿真宿主机还将相关信息输出给卫星姿控地面设备，卫星姿控地面设备基于动力学模型实时计算转动部件带来的角动量，模拟卫星在轨运动情况。
本发明采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：
①本发明针对大角动量转动部件地面仿真***结合卫星姿控分***半物理仿真***模拟了具有大角动量转动部件的载荷实时工作情况，实现姿控分***实时接收载荷数据，并闭环与实时地完成角动量补偿功能，有利于验证卫星姿控分***角动量补偿策略的正确性和控制性能，并验证各类故障模式下的角动量补偿故障预案的可靠性。
②本发明采用转动部件模型设计与仿真宿主机、远控加载机连接，使用加载模型的运行方式。这一设计试仿真设备适应于不同转动部件模型的仿真测试，不需要对原有卫星姿控地面仿真***的硬件进行改动，就能满足卫星姿控分***对于载荷转动部件地面仿真测试的需求。
③本发明采用载荷与星载计算机同样的硬件接口，这一设计同样适用于具有相同接口的不同类型载荷工作，通过修改模型可以验证其对姿控分***的影响和控制策略的正确性。
④本发明大角动量转动部件地面仿真***，仿真参数可实时修改、可进行各类故障模拟、可扩展性好，本发明为型号研制以及类似型号预研工作提供基本依据，为卫星工程研制打下良好基础。
附图说明
图1是本发明所述大角动量转动部件地面仿真测试***的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明一种大角动量转动部件地面仿真测试***，包含大角动量转动部件仿真宿主机（以下或简称仿真宿主机）、大角动量转动部件远控加载机（以下或简称远控加载机）。
仿真宿主机和远控加载机之间通过以太网连接，仿真宿主机通过1553B总线专用电缆连接到星载计算机，通过RS422串口电缆连接到地面动力学设备。即，仿真宿主机运行大角动量转动部件模型，并模拟其真实物理接口，包括1553B总线接口和RS422串口接口，模拟载荷转动部件工作后，实时计算输出转动部件的当前转速、角动量等信息，通过对应接口输出给姿控星载计算机用于角动量补偿，输出给姿控动力学模型用于卫星动力学计算。
仿真宿主机与星载计算机之间采用1553B总线协议通讯，与地面动力学设备采用RS422总线协议通讯。仿真宿主机运行大角动量转动部件模型，实时解算转动部件转速和角动量等信息，将相关信息输出给星载计算机，星载计算机完成转动部件带来的角动量补偿和姿态控制，同时将信息输出给姿控动力学设备，基于动力学模型实时计算转动部件带来的角动量，模拟卫星在轨运动情况。
远控加载机采用高性能工控机加高速网卡。一方面完成转动部件模型的编译和加载功能，通过以太网协议加载到仿真宿主机；另一方面发出转动部件模型仿真控制指令，以实时修改仿真宿主机的大角动量转动部件状态，例如，可以对工作模式、最大转速、转动角加速度、转动惯量、动不平衡系数、静不平衡系数、部件安装矩阵、通讯故障、转速异常等参数和状态进行设置。
大角动量转动部件地面仿真测试***的运行过程：
a．测试环境准备：将仿真宿主机、远控加载机、卫星姿控分***单机、星载计算机、卫星姿控地面设备通电后开始工作，并设置卫星处于稳态飞行状态。
b．大角动量转动部件的计算公式推导和模型编写，远控加载机将转动部件模型编译加载到仿真宿主机中。
c．远控加载机进行大角动量转动部件模型的参数和工作模式设定，并发送输出控制指令，使转动部件模型开始工作。
d．仿真宿主机独立进行大角动量部件的转速和角动量等信息的解算，并实时将相关信息输出给星载计算机，星载计算机完成转动部件带来的角动量补偿和姿态控制，同时将信息输出给姿控动力学设备，动力学实时计算转动部件带来的角动量，模拟卫星在轨运动情况。
因此，验证角动量补偿算法和角动量补偿故障预案算法的正确性、可靠性以及动态性能都可以利用本发明来完成，使用户能更准确的为转动部件的角动量补偿算法提出定量的数据和定性的论证，是研究转动部件的角动量补偿算法的有力工具，可以为各类姿控的转动部件角动量补偿算法工程研究节省大量的时间和经费。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种大角动量转动部件地面仿真测试***，其特征在于，包含大角动量转动部件仿真宿主机、大角动量转动部件远控加载机；
所述大角动量转动部件仿真宿主机运行大角动量转动部件模型，实时解算转动部件转速和角动量，将相关信息输出给星载计算机用于角动量补偿，以及输出给卫星姿控地面设备的动力学模型用于卫星动力学计算；
所述大角动量转动部件远控加载机进行转动部件模型的编译，并加载到所述大角动量转动部件仿真宿主机，所述大角动量转动部件远控加载机还发出转动部件模型仿真控制指令，以实时修改所述大角动量转动部件仿真宿主机的大角动量转动部件状态；
其中，所述大角动量转动部件的转速和角动量由所述大角动量转动部件仿真宿主机独立进行计算完成，并通过与真实单机相同的硬件接口，将相关信息传输给星载计算机、卫星姿控地面设备；
所述大角动量转动部件仿真宿主机和所述大角动量转动部件远控加载机之间通过以太网连接；所述大角动量转动部件仿真宿主机通过1553B总线专用电缆连接到星载计算机，通过RS422串口电缆连接到卫星姿控地面设备。
2.如权利要求1所述大角动量转动部件地面仿真测试***，其特征在于，
所述大角动量转动部件远控加载机设有工控机及网卡。
3.如权利要求1所述大角动量转动部件地面仿真测试***，其特征在于，
所述大角动量转动部件远控加载机通过发送的仿真控制指令，对工作模式、最大转速、转动角加速度、转动惯量、动不平衡系数、静不平衡系数、部件安装矩阵、通讯故障、转速异常相关的参数和状态进行设置。
4.如权利要求1所述大角动量转动部件地面仿真测试***，其特征在于，
根据所述大角动量转动部件仿真宿主机传输的转动部件转速和角动量的相关信息，所述星载计算机完成转动部件带来的角动量补偿和姿态控制，所述卫星姿控地面设备基于动力学模型实时计算转动部件带来的角动量，模拟卫星在轨运动情况。
5.一种大角动量转动部件地面仿真测试方法，使用权利要求1-4中任意一项所述大角动量转动部件地面仿真测试***，其特征在于，所述方法包含以下过程：
a．测试环境准备：将大角动量转动部件仿真宿主机、大角动量转动部件远控加载机、卫星姿控分***单机、星载计算机、卫星姿控地面设备通电后开始工作，并设置卫星处于稳态飞行状态；
b．大角动量转动部件的计算公式推导和模型编写，大角动量转动部件远控加载机将转动部件模型编译加载到大角动量转动部件仿真宿主机中；
c．大角动量转动部件远控加载机进行大角动量转动部件模型的参数和工作模式设定，并输出仿真控制指令，使转动部件模型开始工作；
d．大角动量转动部件仿真宿主机独立进行大角动量部件的转速和角动量的解算，实时将相关信息输出给星载计算机，星载计算机完成转动部件带来的角动量补偿和姿态控制；大角动量转动部件仿真宿主机还将相关信息输出给卫星姿控地面设备，卫星姿控地面设备基于动力学模型实时计算转动部件带来的角动量，模拟卫星在轨运动情况。
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