一種對日定向控制的半物理仿真測試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明屬于飛行器姿軌控系統(tǒng)地面仿真試驗與測試技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種對 日定向控制的半物理仿真測試系統(tǒng)。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 飛行器入軌完成太陽帆板展開并對太陽捕獲，以及飛行器太陽帆板長期對日定向 控制，是確保飛行器在軌所需能源供應(yīng)和任務(wù)實現(xiàn)的根本保證。尤其是在飛行器姿態(tài)異常 導(dǎo)致太陽帆板不能正常對日定向情況下，如果長時間無法對日定向，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 會為飛行器姿態(tài)異常設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，以解決飛行器太陽帆板不能正常對日定向的情 況，并且必須在地面進行充分的仿真測試以驗證應(yīng)急預(yù)案的有效性。
[0005]目前飛行器或衛(wèi)星對日定向控制的地面仿真驗證通常有三種方式：數(shù)學(xué)仿真方 式、半物理仿真方式和全物理仿真方式。
[0006] 數(shù)學(xué)仿真方式是采用全數(shù)學(xué)建模，分別建立飛行器動力學(xué)和運動學(xué)模型、測量單 機模型、控制器模型、執(zhí)行機構(gòu)模型、以及空間環(huán)境模型等，通過非硬件在環(huán)的方式實現(xiàn)姿 軌控系統(tǒng)的姿態(tài)控制和對日定向控制的地面仿真驗證。
[0007] 半物理仿真方式如圖1所示，為了有效驗證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的性能，將整個衛(wèi) 星姿態(tài)控制系統(tǒng)（包括敏感器，控制器和執(zhí)行機構(gòu)等）接入回路進行試驗。其中飛行器姿 態(tài)動力學(xué)采用數(shù)學(xué)模型模擬，飛行器姿態(tài)運動采用運動模擬器(三軸轉(zhuǎn)臺)模擬，敏感器（例 如太陽敏感器，地球敏感器，星敏感器等）安裝在與運動模擬器（轉(zhuǎn)臺）內(nèi)軸固連的平 臺上，轉(zhuǎn)臺運動使敏感器獲得相應(yīng)的輸出，同時根據(jù)敏感器的特性配備相應(yīng)的目標(biāo)模擬器 (太陽模擬器，地球模擬器，星模擬器）。在對日定向控制仿真驗證中，通過太陽模擬器模 擬太陽光譜和太陽輻照，并通過運動機構(gòu)模擬飛行器和太陽矢量之間的相對關(guān)系。由于受 運動機構(gòu)的限制，無法模擬任意方向的入射太陽矢量，因此也無法實現(xiàn)任意姿態(tài)下飛行器 對日定向控制的地面仿真驗證。
[0008] 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)動力學(xué)采用三軸氣浮臺進 行物理模擬，并且將控制器、執(zhí)行機構(gòu)和部分測量敏感器(如陀螺、地平儀、太陽敏感器等） 也放在三軸氣浮臺上進行硬件在環(huán)的全物理仿真試驗。這種仿真方式模擬的真實度和有效 性最好，但仿真環(huán)境建造復(fù)雜，代價昂貴，需要專業(yè)的操作人員進行設(shè)備操作，并且受氣浮 臺上供電和供氣的限制，不能長時間開展仿真驗證。同時，每次試驗前都需要大量的準(zhǔn)備工 作，不便于試驗的開展。特別是受氣浮臺運動范圍和速度的限制，無法進行飛行器姿態(tài)異常 翻滾情況下對日定向控制的地面仿真驗證。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，以滿足飛行器初始入軌的太陽捕獲和飛行 器任意異常姿態(tài)下的太陽帆板重新對日定向控制的仿真測試，本發(fā)明提出了一種任意姿態(tài) 下飛行器對日定向控制的半物理仿真測試系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種任意姿態(tài)下飛行器對日定向控制的半物理仿真測 試系統(tǒng)，包括太陽敏感器等效器、地磁場模擬器、地球模擬器、星模擬器、運動模擬器、PXI采 集控制計算機、動力學(xué)仿真機、數(shù)據(jù)分發(fā)單元、遙測遙控遙注機、數(shù)據(jù)庫、顯示終端、CAN總線 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)下太陽敏感器受太陽輻照的狀態(tài)，采用動態(tài)地磁場模擬生成飛行器在軌 磁場，采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)星地遙測、遙控和遙注信息交互，采用光纖反射內(nèi)存網(wǎng)實現(xiàn)閉 環(huán)仿真測試系統(tǒng)各目標(biāo)模擬器和地面設(shè)備之間的分布式實時仿真和時間同步。
[0012] 本發(fā)明具有以下特點及良好效果： 本發(fā)明根據(jù)太陽敏感器在軌只對太陽光譜特定譜段的太陽輻照敏感，并且太陽敏感器 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)太陽模擬器模擬多光譜 太陽目標(biāo)特性的方式，直接根據(jù)飛行器在軌狀態(tài)下各太陽敏感器感光面與太陽入射矢量的 相對關(guān)系，以及太陽敏感器的視場角和感光特性，通過壓控電流源輸出模擬0-1式太陽敏 感器和模擬式太陽敏感器在軌受太陽輻照的電流特性，即用恒流源太敏等效器直接替代太 陽敏感器和太陽模擬器模擬飛行器在軌各種姿態(tài)下太陽帆板面法線矢量和太陽矢量的相 對角度關(guān)系，實現(xiàn)姿軌控系統(tǒng)的對日定向控制半物理仿真，這是區(qū)別于現(xiàn)有對日定向控制 半物理仿真測試系統(tǒng)的創(chuàng)新點之一； 本發(fā)明根據(jù)動力學(xué)仿真機生成的飛行器在軌軌道參數(shù)，利用高精度地磁場模型驅(qū)動 地磁場模擬器動態(tài)生成飛行器在軌地磁場目標(biāo)特性，同時利用坡莫合金屏蔽罩屏蔽本地磁 場和外界磁場的干擾，通過三軸磁強計測得的地磁場強度進行飛行器的磁控太陽定向和磁 卸載，而不是使用磁場表，這是區(qū)別于現(xiàn)有對日定向控制半物理仿真測試系統(tǒng)的創(chuàng)新點之 -* * 本發(fā)明采用光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)和中斷握手機制進行多力學(xué)仿真機、PXI采集控制設(shè)備、 遙測遙控遙注機、以及多個目標(biāo)模擬器(運動模擬器、地磁場模擬器、星模擬器、地球模擬器 等）之間的實時數(shù)據(jù)通訊和同步，實現(xiàn)了多目標(biāo)分布式同步實時仿真，這是區(qū)別于現(xiàn)有對日 定向控制半物理仿真測試系統(tǒng)的創(chuàng)新點之三 采用上述發(fā)明后，飛行器對日定向控制仿真測試系統(tǒng)具有如下優(yōu)點： 1)可實現(xiàn)任意異常姿態(tài)下對日定向控制的半物理仿真驗證，避免了由于太陽模擬器運 動機構(gòu)、運動模擬器結(jié)構(gòu)以及空間場地的限制，導(dǎo)致的對太陽敏感器入射光照的遮擋而不 能實現(xiàn)任意異常姿態(tài)下對太陽全姿態(tài)捕獲控制的仿真驗證，同時也解決了全空間太陽模擬 器光照不均勻引起地面仿真時飛行器姿態(tài)的異常抖動，提高了姿軌控系統(tǒng)地面仿真驗證的 真實性和有效性。
[0013] 2)采用壓控恒流源太敏等效器代替太陽敏感器和太陽模擬器進行姿軌控系統(tǒng)半 物理仿真測試，可以通過動力學(xué)改變太敏等效器的輸出狀態(tài)實現(xiàn)太陽敏感器的故障模擬， 有效降低了人為損壞或污染太陽敏感器光學(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，同時也降低了設(shè)備操作的復(fù)雜度。
[0014] 3)通過地磁場模擬器動態(tài)生成飛行器在軌地磁場環(huán)境，解決了以往不能將三軸磁 強計接入姿軌控系統(tǒng)進行姿態(tài)確定和姿態(tài)控制地面半物理仿真驗證的問題，同時也解決了 利用磁場表進行磁力矩器控制精度差的問題，為利用三軸磁強計和磁力矩器進行磁太陽定 向控制(包括磁力矩器加慣性輪太陽定向控制，純磁力矩器太陽定向控制，磁力矩器加重力 梯度太陽定向控制等）提供了有效的地面仿真驗證手段。
[0015] 4)通過光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)和中斷握手機制解決了多個模擬器之間數(shù)據(jù)不同步以 及傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)阻塞和傳輸延時的問題，同時也解決了網(wǎng)絡(luò)信息阻塞和傳輸延遲導(dǎo)致 的運動模擬器抖動問題，提高了仿真測試系統(tǒng)的實時性，實現(xiàn)了多目標(biāo)分布式同步仿真。
[0016]
【附圖說明】
[0017] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯： 圖1為傳統(tǒng)對日定向控制半物理仿真測試系統(tǒng)組成框圖； 圖2為本發(fā)明對日定向控制的半物理閉環(huán)仿真測試系統(tǒng)框圖； 圖3為太陽敏感器等效器組成框圖； 圖4為動態(tài)地磁場模擬器組成框圖。
[0018] 附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。
[0019]
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述。應(yīng)理解，以下實施例僅用 于說明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0021] 發(fā)明的任意姿態(tài)下對日定向控制的半物理仿真測試系統(tǒng)一實施例的示意框圖如 圖2所示，包括太陽敏感器等效器、地磁場模擬器、地球模擬器、星模擬器、運動模擬器、PXI 采集控制計算機、動力學(xué)仿真機、數(shù)據(jù)分發(fā)單元、遙測遙控遙注機、數(shù)據(jù)庫、顯示終端、CAN總 線電纜網(wǎng)、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，以及星上產(chǎn)品（星載計算機系統(tǒng)、陀螺、紅外地 平儀、星敏感器、三軸磁強計、噴氣推力器控制器、慣性輪、磁力矩器等)，動力學(xué)仿真計