一種對日定向控制的半物理仿真測試系統的制作方法
【技術領域】
[0002] 本發明屬于飛行器姿軌控系統地面仿真試驗與測試技術領域，具體地說是一種對 日定向控制的半物理仿真測試系統。
[0003]
【背景技術】
[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和任務實現的根本保證。尤其是在飛行器姿態異常 導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，導致飛行由于能源不 足而不能完成預定在軌任務，甚至是飛行器壽命的終結。因此，通常飛行器姿軌控系統都 會為飛行器姿態異常設計相應的應急預案，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急預案的有效性。
[0005]目前飛行器或衛星對日定向控制的地面仿真驗證通常有三種方式：數學仿真方 式、半物理仿真方式和全物理仿真方式。
[0006] 數學仿真方式是采用全數學建模，分別建立飛行器動力學和運動學模型、測量單 機模型、控制器模型、執行機構模型、以及空間環境模型等，通過非硬件在環的方式實現姿 軌控系統的姿態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，為了有效驗證衛星姿態控制系統的性能，將整個衛 星姿態控制系統（包括敏感器，控制器和執行機構等）接入回路進行試驗。其中飛行器姿 態動力學采用數學模型模擬，飛行器姿態運動采用運動模擬器(三軸轉臺)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（轉臺）內軸固連的平 臺上，轉臺運動使敏感器獲得相應的輸出，同時根據敏感器的特性配備相應的目標模擬器 (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，并通過運動機構模擬飛行器和太陽矢量之間的相對關系。由于受 運動機構的限制，無法模擬任意方向的入射太陽矢量，因此也無法實現任意姿態下飛行器 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上，飛行器姿態動力學采用三軸氣浮臺進 行物理模擬，并且將控制器、執行機構和部分測量敏感器(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，但仿真環境建造復雜，代價昂貴，需要專業的操作人員進行設備操作，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異常 翻滾情況下對日定向控制的地面仿真驗證。
[0009]
【發明內容】
[0010] 為了克服上述現有技術的不足和缺陷，以滿足飛行器初始入軌的太陽捕獲和飛行 器任意異常姿態下的太陽帆板重新對日定向控制的仿真測試，本發明提出了一種任意姿態 下飛行器對日定向控制的半物理仿真測試系統。
[0011] 本發明的技術解決方案是：一種任意姿態下飛行器對日定向控制的半物理仿真測 試系統，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、動力學仿真機、數據分發單元、遙測遙控遙注機、數據庫、顯示終端、CAN總線 電纜網、光纖反射內存網和TCP/IP網絡，其特征在于太陽敏感器等效器采用壓控電流源模 擬飛行器各種姿態下太陽敏感器受太陽輻照的狀態，采用動態地磁場模擬生成飛行器在軌 磁場，采用CAN總線網絡實現星地遙測、遙控和遙注信息交互，采用光纖反射內存網實現閉 環仿真測試系統各目標模擬器和地面設備之間的分布式實時仿真和時間同步。
[0012] 本發明具有以下特點及良好效果： 本發明根據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的特性，擯棄傳統采用復雜燈陣光學太陽模擬器模擬多光譜 太陽目標特性的方式，直接根據飛行器在軌狀態下各太陽敏感器感光面與太陽入射矢量的 相對關系，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下太陽帆板面法線矢量和太陽矢量的相 對角度關系，實現姿軌控系統的對日定向控制半物理仿真，這是區別于現有對日定向控制 半物理仿真測試系統的創新點之一； 本發明根據動力學仿真機生成的飛行器在軌軌道參數，利用高精度地磁場模型驅動 地磁場模擬器動態生成飛行器在軌地磁場目標特性，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，這是區別于現有對日定向控制半物理仿真測試系統的創新點之 -* * 本發明采用光纖反射內存網絡和中斷握手機制進行多力學仿真機、PXI采集控制設備、 遙測遙控遙注機、以及多個目標模擬器(運動模擬器、地磁場模擬器、星模擬器、地球模擬器 等）之間的實時數據通訊和同步，實現了多目標分布式同步實時仿真，這是區別于現有對日 定向控制半物理仿真測試系統的創新點之三 采用上述發明后，飛行器對日定向控制仿真測試系統具有如下優點： 1)可實現任意異常姿態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、運動模擬器結構以及空間場地的限制，導致的對太陽敏感器入射光照的遮擋而不 能實現任意異常姿態下對太陽全姿態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的異常抖動，提高了姿軌控系統地面仿真驗證的 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半 物理仿真測試，可以通過動力學改變太敏等效器的輸出狀態實現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敏感面的概率和目標模擬器建造的成本，縮短 了姿軌控系統半物理仿真環境搭建的周期，同時也降低了設備操作的復雜度。
[0014] 3)通過地磁場模擬器動態生成飛行器在軌地磁場環境，解決了以往不能將三軸磁 強計接入姿軌控系統進行姿態確定和姿態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)通過光纖反射內存網絡和中斷握手機制解決了多個模擬器之間數據不同步以 及傳統TCP/IP網絡阻塞和傳輸延時的問題，同時也解決了網絡信息阻塞和傳輸延遲導致 的運動模擬器抖動問題，提高了仿真測試系統的實時性，實現了多目標分布式同步仿真。
[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描述，本發明的其它 特征、目的和優點將會變得更明顯： 圖1為傳統對日定向控制半物理仿真測試系統組成框圖； 圖2為本發明對日定向控制的半物理閉環仿真測試系統框圖； 圖3為太陽敏感器等效器組成框圖； 圖4為動態地磁場模擬器組成框圖。
[0018] 附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。
[0019]
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細的描述。應理解，以下實施例僅用 于說明本發明而非用于限定本發明的范圍。
[0021] 發明的任意姿態下對日定向控制的半物理仿真測試系統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、動力學仿真機、數據分發單元、遙測遙控遙注機、數據庫、顯示終端、CAN總 線電纜網、光纖反射內存網和TCP/IP網絡，以及星上產品（星載計算機系統、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)，動力學仿真計