一种对日定向控制的半物理仿真测试系统技术方案

一种对日定向控制的半物理仿真测试系统，包括星载计算机系统，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，所述星载计算机系统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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于飞行器姿轨控系统地面仿真试验与测试
，具体地说是一种对日定向控制的半物理仿真测试系统。
技术介绍
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，通常飞行器姿轨控系统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系统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系统的性能,将整个卫星姿态控制系统(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。
技术实现思路
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，本专利技术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系统。本专利技术的技术解决方案是：一种任意姿态下飞行器对日定向控制的半物理仿真测试系统，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系统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。本专利技术具有以下特点及良好效果：本专利技术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，实现姿轨控系统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系统的创新点之一；本专利技术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系统的创新点之二；本专利技术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系统的创新点之三采用上述专利技术后，飞行器对日定向控制仿真测试系统具有如下优点：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，提高了姿轨控系统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系统半物理仿真测试，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，缩短了姿轨控系统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系统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，提高了仿真测试系统的实时性，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，本专利技术的其它特征、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系统组成框图；图2为本专利技术对日定向控制的半物理闭环仿真测试系统框图；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专利技术作进一步详细的描述。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限定本专利技术的范围。专利技术的任意姿态下对日定向控制的半物理仿真测试系统一实施例的示意框图如图2所示，包括太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对日定向控制的半物理仿真测试系统，包括星载计算机系统，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，所述星载计算机系统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。

【技术特征摘要】
1.一种对日定向控制的半物理仿真测试系统，包括星载计算机系统，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，所述星载计算机系统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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩，桑小冲，卢翔，艾奇，柳明旻，黄海军，
申请(专利权)人：上海新跃仪表厂，
类型：发明
国别省市：上海;31