一種對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)方案

一種對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)，包括星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，陀螺，紅外地平儀，星敏感器，三軸磁強(qiáng)計(jì)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和目標(biāo)模擬器，所述目標(biāo)模擬器模擬空間環(huán)境，所述運(yùn)動(dòng)模擬器模擬飛行器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，所述星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)各測(cè)量單機(jī)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)和控制量的解算，并輸出給所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還包括太陽(yáng)敏感器等效器，動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模擬器，目標(biāo)模擬器，運(yùn)動(dòng)模擬器，PXI采集控制計(jì)算機(jī)，動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)，數(shù)據(jù)分發(fā)單元，遙測(cè)遙控遙注機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示終端、CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法對(duì)飛行器姿態(tài)異常翻滾情況下對(duì)日定向控制的地面仿真驗(yàn)證的問(wèn)題，具有提高測(cè)試真實(shí)性和有效性的有益效果。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)屬于飛行器姿軌控系統(tǒng)地面仿真試驗(yàn)與測(cè)試
，具體地說(shuō)是一種對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
飛行器入軌完成太陽(yáng)帆板展開(kāi)并對(duì)太陽(yáng)捕獲，以及飛行器太陽(yáng)帆板長(zhǎng)期對(duì)日定向控制，是確保飛行器在軌所需能源供應(yīng)和任務(wù)實(shí)現(xiàn)的根本保證。尤其是在飛行器姿態(tài)異常導(dǎo)致太陽(yáng)帆板不能正常對(duì)日定向情況下，如果長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法對(duì)日定向，導(dǎo)致飛行由于能源不足而不能完成預(yù)定在軌任務(wù)，甚至是飛行器壽命的終結(jié)。因此，通常飛行器姿軌控系統(tǒng)都會(huì)為飛行器姿態(tài)異常設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，以解決飛行器太陽(yáng)帆板不能正常對(duì)日定向的情況，并且必須在地面進(jìn)行充分的仿真測(cè)試以驗(yàn)證應(yīng)急預(yù)案的有效性。目前飛行器或衛(wèi)星對(duì)日定向控制的地面仿真驗(yàn)證通常有三種方式：數(shù)學(xué)仿真方式、半物理仿真方式和全物理仿真方式。數(shù)學(xué)仿真方式是采用全數(shù)學(xué)建模，分別建立飛行器動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、測(cè)量單機(jī)模型、控制器模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型、以及空間環(huán)境模型等，通過(guò)非硬件在環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)姿軌控系統(tǒng)的姿態(tài)控制和對(duì)日定向控制的地面仿真驗(yàn)證。半物理仿真方式如圖1所示，為了有效驗(yàn)證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的性能,將整個(gè)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)(包括敏感器,控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)接入回路進(jìn)行試驗(yàn)。其中飛行器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)采用數(shù)學(xué)模型模擬，飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)采用運(yùn)動(dòng)模擬器（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)）模擬，敏感器(例如太陽(yáng)敏感器,地球敏感器,星敏感器等)安裝在與運(yùn)動(dòng)模擬器(轉(zhuǎn)臺(tái))內(nèi)軸固連的平臺(tái)上,轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)使敏感器獲得相應(yīng)的輸出，同時(shí)根據(jù)敏感器的特性配備相應(yīng)的目標(biāo)模擬器(太陽(yáng)模擬器,地球模擬器,星模擬器)。在對(duì)日定向控制仿真驗(yàn)證中，通過(guò)太陽(yáng)模擬器模擬太陽(yáng)光譜和太陽(yáng)輻照，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬飛行器和太陽(yáng)矢量之間的相對(duì)關(guān)系。由于受運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制，無(wú)法模擬任意方向的入射太陽(yáng)矢量，因此也無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意姿態(tài)下飛行器對(duì)日定向控制的地面仿真驗(yàn)證。全物理仿真方式是在半物理仿真的基礎(chǔ)上，飛行器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)采用三軸氣浮臺(tái)進(jìn)行物理模擬，并且將控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和部分測(cè)量敏感器（如陀螺、地平儀、太陽(yáng)敏感器等）也放在三軸氣浮臺(tái)上進(jìn)行硬件在環(huán)的全物理仿真試驗(yàn)。這種仿真方式模擬的真實(shí)度和有效性最好，但仿真環(huán)境建造復(fù)雜，代價(jià)昂貴，需要專(zhuān)業(yè)的操作人員進(jìn)行設(shè)備操作，并且受氣浮臺(tái)上供電和供氣的限制，不能長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)展仿真驗(yàn)證。同時(shí)，每次試驗(yàn)前都需要大量的準(zhǔn)備工作，不便于試驗(yàn)的開(kāi)展。特別是受氣浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍和速度的限制，無(wú)法進(jìn)行飛行器姿態(tài)異常翻滾情況下對(duì)日定向控制的地面仿真驗(yàn)證。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，以滿(mǎn)足飛行器初始入軌的太陽(yáng)捕獲和飛行器任意異常姿態(tài)下的太陽(yáng)帆板重新對(duì)日定向控制的仿真測(cè)試，本專(zhuān)利技術(shù)提出了一種任意姿態(tài)下飛行器對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)。本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)解決方案是：一種任意姿態(tài)下飛行器對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)，包括太陽(yáng)敏感器等效器、地磁場(chǎng)模擬器、地球模擬器、星模擬器、運(yùn)動(dòng)模擬器、PXI采集控制計(jì)算機(jī)、動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)、數(shù)據(jù)分發(fā)單元、遙測(cè)遙控遙注機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示終端、CAN總線(xiàn)電纜網(wǎng)、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，其特征在于太陽(yáng)敏感器等效器采用壓控電流源模擬飛行器各種姿態(tài)下太陽(yáng)敏感器受太陽(yáng)輻照的狀態(tài)，采用動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模擬生成飛行器在軌磁場(chǎng)，采用CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)星地遙測(cè)、遙控和遙注信息交互，采用光纖反射內(nèi)存網(wǎng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)各目標(biāo)模擬器和地面設(shè)備之間的分布式實(shí)時(shí)仿真和時(shí)間同步。本專(zhuān)利技術(shù)具有以下特點(diǎn)及良好效果：本專(zhuān)利技術(shù)根據(jù)太陽(yáng)敏感器在軌只對(duì)太陽(yáng)光譜特定譜段的太陽(yáng)輻照敏感，并且太陽(yáng)敏感器輸出電流只與入射光通量相關(guān)的特性，擯棄傳統(tǒng)采用復(fù)雜燈陣光學(xué)太陽(yáng)模擬器模擬多光譜太陽(yáng)目標(biāo)特性的方式，直接根據(jù)飛行器在軌狀態(tài)下各太陽(yáng)敏感器感光面與太陽(yáng)入射矢量的相對(duì)關(guān)系，以及太陽(yáng)敏感器的視場(chǎng)角和感光特性，通過(guò)壓控電流源輸出模擬0-1式太陽(yáng)敏感器和模擬式太陽(yáng)敏感器在軌受太陽(yáng)輻照的電流特性，即用恒流源太敏等效器直接替代太陽(yáng)敏感器和太陽(yáng)模擬器模擬飛行器在軌各種姿態(tài)下太陽(yáng)帆板面法線(xiàn)矢量和太陽(yáng)矢量的相對(duì)角度關(guān)系，實(shí)現(xiàn)姿軌控系統(tǒng)的對(duì)日定向控制半物理仿真，這是區(qū)別于現(xiàn)有對(duì)日定向控制半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；本專(zhuān)利技術(shù)根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)生成的飛行器在軌軌道參數(shù)，利用高精度地磁場(chǎng)模型驅(qū)動(dòng)地磁場(chǎng)模擬器動(dòng)態(tài)生成飛行器在軌地磁場(chǎng)目標(biāo)特性，同時(shí)利用坡莫合金屏蔽罩屏蔽本地磁場(chǎng)和外界磁場(chǎng)的干擾，通過(guò)三軸磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得的地磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行飛行器的磁控太陽(yáng)定向和磁卸載，而不是使用磁場(chǎng)表，這是區(qū)別于現(xiàn)有對(duì)日定向控制半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之二；本專(zhuān)利技術(shù)采用光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)和中斷握手機(jī)制進(jìn)行多力學(xué)仿真機(jī)、PXI采集控制設(shè)備、遙測(cè)遙控遙注機(jī)、以及多個(gè)目標(biāo)模擬器（運(yùn)動(dòng)模擬器、地磁場(chǎng)模擬器、星模擬器、地球模擬器等）之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊和同步，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)分布式同步實(shí)時(shí)仿真，這是區(qū)別于現(xiàn)有對(duì)日定向控制半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之三采用上述專(zhuān)利技術(shù)后，飛行器對(duì)日定向控制仿真測(cè)試系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）可實(shí)現(xiàn)任意異常姿態(tài)下對(duì)日定向控制的半物理仿真驗(yàn)證，避免了由于太陽(yáng)模擬器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)以及空間場(chǎng)地的限制，導(dǎo)致的對(duì)太陽(yáng)敏感器入射光照的遮擋而不能實(shí)現(xiàn)任意異常姿態(tài)下對(duì)太陽(yáng)全姿態(tài)捕獲控制的仿真驗(yàn)證，同時(shí)也解決了全空間太陽(yáng)模擬器光照不均勻引起地面仿真時(shí)飛行器姿態(tài)的異常抖動(dòng)，提高了姿軌控系統(tǒng)地面仿真驗(yàn)證的真實(shí)性和有效性。2）采用壓控恒流源太敏等效器代替太陽(yáng)敏感器和太陽(yáng)模擬器進(jìn)行姿軌控系統(tǒng)半物理仿真測(cè)試，可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)改變太敏等效器的輸出狀態(tài)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)敏感器的故障模擬，有效降低了人為損壞或污染太陽(yáng)敏感器光學(xué)敏感面的概率和目標(biāo)模擬器建造的成本，縮短了姿軌控系統(tǒng)半物理仿真環(huán)境搭建的周期，同時(shí)也降低了設(shè)備操作的復(fù)雜度。3）通過(guò)地磁場(chǎng)模擬器動(dòng)態(tài)生成飛行器在軌地磁場(chǎng)環(huán)境，解決了以往不能將三軸磁強(qiáng)計(jì)接入姿軌控系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)確定和姿態(tài)控制地面半物理仿真驗(yàn)證的問(wèn)題，同時(shí)也解決了利用磁場(chǎng)表進(jìn)行磁力矩器控制精度差的問(wèn)題，為利用三軸磁強(qiáng)計(jì)和磁力矩器進(jìn)行磁太陽(yáng)定向控制（包括磁力矩器加慣性輪太陽(yáng)定向控制，純磁力矩器太陽(yáng)定向控制，磁力矩器加重力梯度太陽(yáng)定向控制等）提供了有效的地面仿真驗(yàn)證手段。4）通過(guò)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)和中斷握手機(jī)制解決了多個(gè)模擬器之間數(shù)據(jù)不同步以及傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)阻塞和傳輸延時(shí)的問(wèn)題，同時(shí)也解決了網(wǎng)絡(luò)信息阻塞和傳輸延遲導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)模擬器抖動(dòng)問(wèn)題，提高了仿真測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)分布式同步仿真。附圖說(shuō)明通過(guò)閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本專(zhuān)利技術(shù)的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：圖1為傳統(tǒng)對(duì)日定向控制半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)組成框圖；圖2為本專(zhuān)利技術(shù)對(duì)日定向控制的半物理閉環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)框圖；圖3為太陽(yáng)敏感器等效器組成框圖；圖4為動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模擬器組成框圖。附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本專(zhuān)利技術(shù)而非用于限定本專(zhuān)利技術(shù)的范圍。專(zhuān)利技術(shù)的任意姿態(tài)下對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)一實(shí)施例的示意框圖如圖2所示，包括太陽(yáng)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)，包括星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，陀螺，紅外地平儀，星敏感器，三軸磁強(qiáng)計(jì)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和目標(biāo)模擬器；所述目標(biāo)模擬器模擬空間環(huán)境，所述運(yùn)動(dòng)模擬器模擬飛行器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，所述星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)各測(cè)量單機(jī)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)和控制量的解算，并輸出給所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于：還包括太陽(yáng)敏感器等效器，動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模擬器，目標(biāo)模擬器，運(yùn)動(dòng)模擬器，PXI采集控制計(jì)算機(jī)，動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)，數(shù)據(jù)分發(fā)單元，遙測(cè)遙控遙注機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示終端、CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)；所述太陽(yáng)敏感器等效器采用壓控電流源模擬飛行器各種姿態(tài)下太陽(yáng)敏感器受太陽(yáng)輻照的狀態(tài)，所述動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模擬器模擬生成飛行器在軌磁場(chǎng)，所述PXI采集控制計(jì)算機(jī)采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行量和變化量，采用中斷握手機(jī)制并通過(guò)所述光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息反饋給所述動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)進(jìn)行下一循環(huán)的計(jì)算，所述遙測(cè)遙控遙注機(jī)通過(guò)所述CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)所述星載計(jì)算機(jī)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)所述星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行遙注遙控，所述數(shù)據(jù)分發(fā)單元通過(guò)所述TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分發(fā)給所述數(shù)據(jù)庫(kù)和所述顯示終端進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示以及事后回放。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種對(duì)日定向控制的半物理仿真測(cè)試系統(tǒng)，包括星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，陀螺，紅外地平儀，星敏感器，三軸磁強(qiáng)計(jì)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和目標(biāo)模擬器；所述目標(biāo)模擬器模擬空間環(huán)境，所述運(yùn)動(dòng)模擬器模擬飛行器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，所述星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)各測(cè)量單機(jī)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)和控制量的解算，并輸出給所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于：還包括太陽(yáng)敏感器等效器，動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模擬器，目標(biāo)模擬器，運(yùn)動(dòng)模擬器，PXI采集控制計(jì)算機(jī)，動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)，數(shù)據(jù)分發(fā)單元，遙測(cè)遙控遙注機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示終端、CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)；
所述太陽(yáng)敏感器等效器采用壓控電流源模擬飛行器各種姿態(tài)下太陽(yáng)敏感器受太陽(yáng)輻照的狀態(tài)，所述動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模擬器模擬生成飛行器在軌磁場(chǎng)，所述PXI采集控制計(jì)算機(jī)采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行量和變化量，采用中斷握手機(jī)制并通過(guò)所述光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息反饋給所述動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)進(jìn)行下一循環(huán)的計(jì)算，所述遙測(cè)遙控遙注機(jī)通過(guò)所述CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)所述星載計(jì)算機(jī)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)所述星載計(jì)算機(jī)...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳浩，桑小沖，盧翔，艾奇，柳明旻，黃海軍，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：上海新躍儀表廠(chǎng)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31