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卫星姿轨控实时仿真系统

概述

 
卫星姿态控制实时仿真是在实验室中模拟卫星在轨道上运动特性的一种试验方法,它通常用于验证卫星控制系统方案和性能指标。在本案例中,卫星姿态控制系统实时仿真系统包括两个子系统:星载计算机仿真系统和星载计算机外部交联仿真环境。星载计算机仿真系统用来模拟卫星上的AOCC,实现卫星姿态控制和轨道控制;星载计算机外部交联仿真环境用来模拟除了星载计算机之外的所有外部功能,如:敏感器、执行机构、卫星轨道动力学和故障模拟等。
 
用户在在实际的研制工作中遇到如下问题:
 
(1)在先进的航天工程领域,研制各种卫星费用极高且研制周期短,如何快速的进行星载计算机的原型仿真是用户面临的一个问题。
 
(2)测试星载计算机的软件和硬件接口的实时性能,就需要一个星载计算机外部实时仿真环境与星载计算机形成回路。这个外部仿真环境要能正确、灵活、实时地模拟卫星运动、姿态敏感器、执行机构、各种故障和边界条件等。若到专门的半物理仿真试验地点用专门的模拟仿真器测试星载计算机软硬件,费时又不够灵活。如何快速低成本地模拟这种外部环境是卫星研制中的实际问题。
 
(3)卫星故障诊断系统需要一套地面卫星原型仿真环境,对故障诊断系统的功能进行验证。
 
 
 
系统结构
 
卫星姿态控制实时仿真系统主要由两个目标机组成。其中,星载计算机目标机通过Simulink建模模拟卫星上的AOCC软件;星载计算机外部实时仿真环境目标机也是通过Simulinsk建模来模拟卫星的敏感器模型、动力学模型、运动学模型及执行机构模型。
 
 
 
软件采用RT-Sim仿真管理软件包。支持Matlab Simulink模型自动生成VxWorks目标代码、代码下载、实时仿真过程控制、在线参数调整、信号图形化监视、数据存储等功能。
 
 
 
典型控制回路
 
 
卫星姿态控制实时仿真系统典型控制回路如上图所示。星载模拟计算机见上图右侧框图,星载计算机外部实时仿真环境见上图左侧。星载计算机由AOCC软件,遥测单元、遥控单元以及与外部的测量部件接口、执行机构接口组成;星载计算机外部实时仿真环境由测量部件、执行机构、卫星轨道、动力学运动学等模块组成。当地面发送遥控指令给星载计算机时,星载计算机接受遥控指令,解算后输出给推力器等执行结构进行姿态及轨道的调整;同时,星载计算机外部实时仿真环境模拟的测量部件敏感到卫星姿态轨道的变化,将相关信息传递给卫星运动学动力学模型,完成了卫星姿态及轨道的调整。
 
 
 
系统特点
 
(1)本系统正确模拟了在轨卫星运动、姿态敏感器、执行机构等星载计算机外部实时仿真环境,可与真实的星载计算机形成闭路,测试计算机软件和硬件接口实时性能。
 
(2)利用本系统提供RT-API外部接口库,用户在第三方环境中开发故障注入模型,并在实时仿真系统运行时加载故障状态,实现实时故障注入功能。
 
(3)为用户定制与卫星接口相匹配智能串口卡,开发VxWorks驱动并集成到Simulink环境中。
 
(4)本系统给用户提供了基于模型的先进设计手段,支持用户在Matlab Simulink环境下进行模型设计,并自动生成目标代码。用户无需手写代码,只需专注于模型的设计与调试。
 
(5)采用VxWorks实时系统结合PowerPC高性能处理器,构成控制律目标代码的实时解算环境,实现10ms的控制步长要求。
 
(6)RT-Sim软件包提供了完善集成的仿真过程管理功能支持,支持图形化监视、在线参数调整、实时数据存储等功能。
 
(7)该系统具有较强的通用性,支持后续型号的开发测试。
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