專利名稱：衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星控制與仿真技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)建了一種衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真
D O
背景技術(shù)：
隨著空間軍事化和商業(yè)化的迅猛發(fā)展，外層空間已成為維護國家安全和利益的戰(zhàn) 略“制高點”。由各類衛(wèi)星組成的天基系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于遙感偵察、特種通信、電子偵察與攻 防對抗等領(lǐng)域，成為航天軍事裝備的重要組成部分。我國航天軍事裝備的發(fā)展迫切需要各 類高性能的軍用衛(wèi)星，但限于我們的國力，不可能走大投入、大產(chǎn)出的路子，必須在設(shè)計與 研制手段上進行創(chuàng)新，以期以較少的投入，獲得更大的經(jīng)濟和軍事效益，提高功能密度和研 制質(zhì)量、縮短研制周期、降低研制成本，必須在航天器研制過程中進行大量的地面仿真和試 驗，保證航天器在軌運行的成功率。國內(nèi)外航天機構(gòu)的實踐證明，先進的數(shù)字化設(shè)計與仿真 技術(shù)是提高航天器性能、保證研制質(zhì)量、降低研制成本和風(fēng)險、縮短研制周期以及保障在軌 可靠運行的重要途徑和手段。利用空間飛行器數(shù)學(xué)模型能夠早在概念設(shè)計階段就對航天器設(shè)計方案進行性能 測試和評估，可以在數(shù)字化的運行環(huán)境中進行航天器在軌飛行任務(wù)仿真和評估，迅速分析 和比較航天器的多種設(shè)計方案，優(yōu)化各種設(shè)計參數(shù)，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，從而大幅度減少物 理樣機制造和試驗次數(shù)，提高航天器的設(shè)計質(zhì)量、縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)費用?？臻g飛行器是多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機整體，作為對真實航天器的模擬，系統(tǒng)仿 真要求體現(xiàn)其系統(tǒng)性和各部分的耦合關(guān)系，這是實現(xiàn)高置信度仿真的基本前提。目前在空 間飛行器建模與仿真過程中仍局限于分系統(tǒng)級、單學(xué)科，很少涉及全系統(tǒng)的建模與仿真，更 不用說多學(xué)科及學(xué)科間的耦合關(guān)系研究，很難實現(xiàn)系統(tǒng)間靈活、快速的聯(lián)合建模與仿真，制 約了仿真系統(tǒng)可信程度的進一步提高。數(shù)字化空間飛行器的數(shù)字化設(shè)計是本項目的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容，空間飛行器是由結(jié) 構(gòu)、電子、控制、軟件、通信、電源等分系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，因此數(shù)字化空間飛行器設(shè)計的 其中一條途徑是利用統(tǒng)一的建模語言和環(huán)境進行空間飛行器多領(lǐng)域關(guān)鍵特性的數(shù)字化建 模，采用這種方法有利于進行學(xué)科間的影響分析和全系統(tǒng)仿真，但迄今為止沒有成熟的商 用軟件可以利用，且無法繼承已有的研究基礎(chǔ)。因此本發(fā)明開發(fā)一套衛(wèi)星動力學(xué)與控制分 布式仿真平臺，為衛(wèi)星動力學(xué)驗證、控制器開發(fā)、設(shè)計方案的論證提供仿真驗證支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在各種空間環(huán)境模型、動力學(xué)模型和任務(wù)需求分析 基礎(chǔ)上，構(gòu)建衛(wèi)星動力學(xué)與控制仿真平臺，突破建模與實時仿真的關(guān)鍵技術(shù)，建立衛(wèi)星動力 學(xué)仿真平臺體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)工程實用的分布式仿真平臺。為衛(wèi)星動力學(xué)驗證、控制器開發(fā)、 設(shè)計方案的論證提供仿真驗證支持。本發(fā)明的技術(shù)方案是仿真平臺由六個主要設(shè)備組成，分別為網(wǎng)絡(luò)交換機、STK軌道計算機、姿態(tài)和軌道動力學(xué)計算機、控制算法計算機、曲線顯示計算機和仿真管理計算 機，各PC機之間通過網(wǎng)線連接，并按UDP或TCP/IP協(xié)議進行通信，如圖1所示。其中(1) STK軌道計算機，主要用以顯示衛(wèi)星當(dāng)前狀態(tài)，包括姿態(tài)、坐標(biāo)軸和軌道等。(2)動力學(xué)仿真計算機，主要運行衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)、軌道動力學(xué)和空間環(huán)境等模 型，完成姿態(tài)、軌道和空間環(huán)境的仿真。(3)控制算法計算機，主要運行衛(wèi)星控制模型，完成衛(wèi)星的姿態(tài)確定和控制。(4)仿真管理計算機，主要進行仿真調(diào)度管理相關(guān)的操作，包括參數(shù)設(shè)置、參數(shù)保 存、仿真開始/停止指令等。(5)曲線顯示計算機，跟蹤顯示仿真平臺中各種參數(shù)，包括敏感器狀態(tài)參數(shù)、執(zhí)行 機構(gòu)狀態(tài)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道參數(shù)等。本發(fā)明的效果和益處是能夠為衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設(shè)計和研制提供仿真平臺，為衛(wèi) 星相關(guān)領(lǐng)域的研究提供數(shù)據(jù)，如為結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究提供姿態(tài)、為控制系統(tǒng)提供敏感器數(shù)據(jù) 參數(shù)等；仿真平臺包含了各種類型、適應(yīng)不同任務(wù)的模型和算法模塊，根據(jù)任務(wù)的特點，可 以選擇不同的環(huán)境模型、不同的敏感器、執(zhí)行機構(gòu)模型和不同的算法，“柔性”地設(shè)計出針對 不同任務(wù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)。


附圖1是衛(wèi)星動力學(xué)與控制仿真平臺結(jié)構(gòu)圖。附圖2是系統(tǒng)運行流程圖。附圖3是仿真平臺的調(diào)度界面圖。附圖4是動力學(xué)控制模塊界面圖。附圖5是控制算法模塊界面圖。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施方式
。1、衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺建模與總體方案研究(1)衛(wèi)星動力學(xué)建模研究實時仿真模型需要突破傳統(tǒng)建模方法的限制，考慮實時環(huán)境下模型解算時間、復(fù) 雜度等對實時仿真平臺的影響，研究新的建模方法和數(shù)值解算算法，以適應(yīng)實時性要求.(2)分布式仿真平臺總體方案研究提出衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺的理論與方法，對傳統(tǒng)非實時仿真方法進 行裁減與優(yōu)化，實現(xiàn)模型開發(fā)的快速化與實時仿真的高效化，同時兼顧系統(tǒng)模型的精度和 實時仿真的置信度。2、衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺體系結(jié)構(gòu)研究(1)軟硬件體系結(jié)構(gòu)研究研究新概念飛行器動力學(xué)實時仿真平臺的體系結(jié)構(gòu)，針對實時仿真的特點研究平 臺中硬件、軟件、通信協(xié)議等方案。(2)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)研究硬件設(shè)計與實現(xiàn)包括平臺實時仿真環(huán)境的設(shè)計，F(xiàn)PGA等實時環(huán)境的研制和算法硬件化，以及通信鏈路的設(shè)計等。軟件設(shè)計與實現(xiàn)包括各種仿真模型、人機界面、仿真管理系 統(tǒng)、通信協(xié)議、設(shè)備驅(qū)動程序和實時系統(tǒng)等的設(shè)計與實現(xiàn)。3、仿真數(shù)據(jù)處理與分析方法在分布式仿真系統(tǒng)，由于各種模型解算時間不同，導(dǎo)致各模型的積分步長和遞推 周期難以確定，并且隨著接入模型的不斷增加，大量的實時數(shù)據(jù)難以及時得以處理，容易造 成仿真系統(tǒng)崩潰，因此需要針對這一情況，研究分布式仿真數(shù)據(jù)處理與分析方法。4、衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺的構(gòu)建仿真平臺由六個主要設(shè)備組成，分別為網(wǎng)絡(luò)交換機、STK軌道計算機、姿態(tài)和軌道 動力學(xué)計算機、控制算法計算機、曲線顯示計算機和仿真管理計算機。其中(1) STK軌道計算機，主要用以顯示衛(wèi)星當(dāng)前狀態(tài)，包括姿態(tài)、坐標(biāo)軸和軌道 等；(2)動力學(xué)仿真計算機，主要運行衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)、軌道動力學(xué)和空間環(huán)境等模型，完 成姿態(tài)、軌道和空間環(huán)境的仿真；(3)控制算法計算機，主要運行衛(wèi)星控制模型，完成衛(wèi)星 的姿態(tài)確定和控制；(4)仿真管理計算機，主要進行仿真調(diào)度管理相關(guān)的操作，包括參數(shù)設(shè) 置、參數(shù)保存、仿真開始/停止指令等；(5)曲線顯示計算機，跟蹤顯示仿真平臺中各種參 數(shù)，包括敏感器狀態(tài)參數(shù)、執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道參數(shù)等。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運行流 程如圖2所示。
權(quán)利要求
一種衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺，是由網(wǎng)絡(luò)交換機、STK軌道計算機、姿態(tài)和軌道動力學(xué)計算機、控制算法計算機、曲線顯示計算機和仿真管理計算機組成，其特征是各PC機之間通過網(wǎng)線連接，并按UDP或TCP/IP協(xié)議進行通信；其中(1)STK軌道計算機，用以顯示衛(wèi)星當(dāng)前狀態(tài)，包括姿態(tài)、坐標(biāo)軸和軌道；(2)動力學(xué)仿真計算機，運行衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)、軌道動力學(xué)和空間環(huán)境等模型，完成姿態(tài)、軌道和空間環(huán)境的仿真；(3)控制算法計算機，運行衛(wèi)星控制模型，完成衛(wèi)星的姿態(tài)確定和控制；(4)仿真管理計算機，進行仿真調(diào)度管理相關(guān)的操作，包括參數(shù)設(shè)置、參數(shù)保存、仿真開始/停止指令；(5)曲線顯示計算機，跟蹤顯示仿真平臺中各種參數(shù)，包括敏感器狀態(tài)參數(shù)、執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道參數(shù)。
全文摘要
一種衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺，屬于衛(wèi)星控制與仿真技術(shù)領(lǐng)域。其特征是在各種空間環(huán)境模型、動力學(xué)模型和任務(wù)需求分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了衛(wèi)星動力學(xué)與控制分布式仿真平臺，該平臺由六個主要設(shè)備組成，分別為網(wǎng)絡(luò)交換機、STK軌道計算機、姿態(tài)和軌道動力學(xué)計算機、控制算法計算機、曲線顯示計算機和仿真管理計算機，各PC機之間通過網(wǎng)線連接，并按UDP或TCP/IP協(xié)議進行通信。本發(fā)明的效果和益處是該平臺支持從飛行任務(wù)提出，到仿真驗證結(jié)果輸出，全任務(wù)周期、多學(xué)科的設(shè)計、開發(fā)與仿真驗證。
文檔編號G05D1/08GK101995825SQ20101054472
公開日2011年3月30日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者吳國強, 吳志剛, 吳限德, 夏廣慶, 張大力 申請人:大連理工大學(xué)