一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法与流程

本发明总体而言涉及航天控制领域，具体而言涉及一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法。此外，本发明还涉及一种用于卫星控制系统的半物理仿真系统。

背景技术

针对卫星姿轨控制的半物理仿真试验是验证卫星的姿轨控系统设计的重要方法。半物理仿真系统是采用多台实时仿真计算机来分别模拟卫星轨道、姿态动力学、卫星在轨运行环境、星载计算机、姿态敏感器、执行机构等，并能实现各单机的电性能接口模拟。在全部单机交付后，将实物配合模拟器，替换原实时仿真机，接入闭环，形成台架测试。而反作用轮作为卫星姿态控制的重要执行机构，在被引入半物理仿真试验闭环以后可使试验更加接近真实系统，从而更好地测试各个姿轨控分系统的设计。然而，在传统卫星姿轨控仿真试验中，仅将反作用轮利用遥测采集转速引入闭环，或采用交叉线使卫星动力学模型闭环而反作用轮开环只接收遥测指令，这两种方法延时大，对系统动态影响大。为取得更好的实时性以提高仿真结果与真实系统的一致性，目前采用高精度力传感器测量反作用轮输出力矩以将反作用轮引入半物理仿真闭环试验。

但是，在采用高精度力传感器测量反作用轮输出力矩过程中，由于初始输出存在显著误差，因此导致测量系统最终反馈给卫星动力学模型中的反作用轮实时力矩出现偏差，从而造成动力学模型中有外力矩引入。在半物理试验进入长时间卫星对地后的稳定工作阶段，为了抵消外力矩的干扰，在卫星姿态稳定的情况下，反作用轮的转速却以一定的加速度进行加速，致使转速沿某一方向上升，直至超出转速阈值，影响半物理闭环仿真试验的有效性，并且易对反作用轮造成伤害。通常使用的人为手动初始校准方法存在较大缺陷，无法判断力矩测量系统何时达到平稳输出，需反复进行校准，且容易造成较大的输出振荡，进而影响半物理仿真试验的结果。

技术实现要素：

从现有技术出发，本发明的任务是提供一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法以及一种用于卫星控制系统的半物理仿真系统，通过该方法或该系统，可以精确地测量反作用轮的输出力矩并且实时地补偿反作用轮所测量的输出力矩与实际力矩之间的误差，由此避免反作用轮超速旋转，并提高仿真试验的有效性和精确性。

在本发明的第一方面，前述任务通过一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法来解决，该方法包括下列步骤：

使用力矩测量系统测量反作用轮的输出力并且确定输出力矩，其中所述力矩测量系统包括力传感器和单轴气浮轴承；

在仿真的稳定工况的情况下，采用均值算法确定力矩测量系统的偏差并进行补偿；以及

使用力矩测量系统的输出结果进行仿真。

在本发明的一个优选方案中规定，使用力矩测量系统测量反作用轮的输出力并且确定输出力矩包括下列步骤：

由气浮轴承提供干扰力矩；

由力传感器测量反作用轮的输出力；以及

根据所述输出力和回转中心半径确定输出力矩。

通过该优选方案，可以精确地确定反作用轮的初始输出力矩，从而提高仿真精度，这是因为通过由单轴气浮轴承支承反作用轮，可以可靠地抵消重力，使得其回转精度和非理想力力矩满足系统要求。

在本发明的另一优选方案中规定，采用均值算法确定力矩测量系统的偏差并进行补偿包括下列步骤：

在所预定的时间间隔内，在多个采样时刻计算力矩测量系统的输出力矩与反作用轮的转速差分力矩之间的差值，其中转速差分力矩是根据反作用轮转动惯量、反作用轮在当前采用时刻的转速与在上一采用时刻的转速之差、以及采用时间间隔确定的；以及

对多个采样时刻的差值取平均以得到平均差值。

通过该优选方案，可以及时、精确地补偿力矩测量系统的偏差，从而良好地防止反作用轮超速，并保证仿真系统的精度。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述采样时刻间隔为1秒，并且对每500个采样时刻的差值取平均。

在本发明另一扩展方案中规定，方法还包括下列步骤：

将力矩测量系统的输出结果通过光纤传输给半物理仿真系统。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于卫星控制系统的半物理仿真系统来解决，该系统包括：

反作用轮，其被配置为提供相应的反作用力；

力矩测量系统，其被配置为测量反作用轮的输出力，其中所述力矩测量系统包括力传感器和单轴气浮轴承，并且其中单轴气浮轴承支承反作用轮以抵消重力；以及

控制器，其被配置为

根据反作用轮的输出力确定输出力矩；以及

在仿真的稳定工况的情况下采用均值算法确定力矩测量系统的偏差并根据所述偏差进行补偿。

在本发明的一个优选方案中规定，力传感器的精度为1.12至3.37毫牛顿。由于力传感器到回转中心的半径为固定值89mm，因此在力传感器的精度为1.12至3.37毫牛顿的情况下，可以保证对输出力矩的测量精度保证在0.1毫牛顿米至0.3毫牛顿米(mnm)。

本发明至少达到下列有益效果：通过利用高精度力传感器测量反作用轮输出力的大小，再乘以回转中心半径，可得到输出力矩测量信号，并通过移动平均算法对测量常值偏差进行在线补偿后引入半物理试验闭环，能够获得更好的实时性，提高了仿真结果与真实系统的一致性。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法的流程图；

图2示出了根据本发明的用于卫星控制系统的半物理仿真系统的示意图；以及

图3-7示出了使用本发明方法或系统的某型号卫星的在轨运行工况的试验结果。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，所述方法步骤可以以不同顺序执行。

图1示出了根据本发明的采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法100的流程图，其中虚线框表示可选步骤。

在步骤102，使用力矩测量系统测量反作用轮的输出力并且确定输出力矩。所述力矩测量系统包括力传感器和单轴气浮轴承，并且其中单轴气浮轴承支承反作用轮以抵消重力，使得反作用轮的回转精度、非理想力矩(0.2mnm)满足系统要求。确定输出力矩的过程例如为：由气浮轴承提供干扰力矩；由力传感器测量反作用轮的输出力；以及根据所述输出力和回转中心半径确定输出力矩。高精度力传感器到回转中心的半径为固定值(89mm)，按照系统要求测量精度选取测量范围满足条件的力传感器，测量得到的反作用轮的力大小乘以高精度力传感器到回转中心的半径得到输出力矩测量信号，力矩测量精度可达0.2mnm。高精度力传感器信号微弱，因此可以对此信号进行放大，再传至采样计算机，由力矩测量系统软件进行数据处理、图形显示、数据分发等操作。

在步骤104，在仿真的稳定工况的情况下，采用均值算法确定力矩测量系统的偏差并进行补偿。确定偏差的过程例如为：在所预定的时间间隔内，在多个采样时刻计算力矩测量系统的输出力矩与反作用轮的转速差分力矩之间的差值，其中转速差分力矩是根据反作用轮转动惯量、反作用轮在当前采用时刻的转速与在上一采用时刻的转速之差、以及采用时间间隔确定的；以及对多个采样时刻的差值取平均以得到平均差值。也就是说，采用移动平均算法对力矩测量系统的常值偏差进行在线补偿，即对一段时间内力矩测量系统实时输出与反作用轮实时反馈转速差分力矩所得差值平均，每秒采用滑动窗口平均方式利用平均差值对力矩测量系统输出进行补充校准，从而保证力矩测量系统数据准确输出。具体方法是实时采集力矩测量系统输出数据，结合反作用轮输出轮速，计算实时测量系统的偏差值。该过程可以由如下公式来表征：

tder＝tout-jw(ωnow-ωpre)/δt

其中tder为力矩测量系统输出误差，tout为力矩测量系统输出值，jw为反作用轮转动惯量，ωnow、ωpre为当前时刻及以上一采样时刻反作用转速，δt为采样间隔时间。

根据上述公式实时计算力矩测量系统输出偏差值，例如每500秒对500个每秒采集的力矩测量系统输出偏差值进行平均，将得到的平均偏差值对系统输出进行补偿校准，从而保证系统数据准确输出。

在可选步骤106，将力矩测量系统的输出结果通过光纤传输给半物理仿真系统。通过光纤网络的信号传输，可显著提高半物理仿真试验的实时性。应当指出，其它传输方式也是可设想的。

在步骤108，使用力矩测量系统的输出结果进行仿真。将校准后的力矩信号引入半物理仿真系统，例如半物理仿真动力学模拟器运行周期为5ms，例如反作用轮力矩测量系统的驱动频率可以达到100hz。

图2示出了根据本发明的用于卫星控制系统的半物理仿真系统200的示意图。

如图2所示，半物理仿真系统200主要包括多个反作用轮、由力传感器和单轴气浮轴承构成的力矩测量系统、控制器(如星载计算机)、仿真平台等。

由力矩测量系统测量反作用轮的力矩，并传输给星载计算机，星载计算机计算反作用轮的误差，星载计算机通过与各个计算机和传感器的交互来确定转速、力矩指令以便对误差进行补偿。姿轨控半物理仿真平台使用经修正的反作用轮的输出力矩进行仿真。

图3-7示出了使用本发明的方法或系统的某型号卫星的在轨运行工况的试验结果。如图3-7所示，卫星在进入稳定运行工况后，反作用轮转速稳定在要求范围内，卫星姿态稳定，卫星x、y轴方向外力矩误差均小于0.002nm，可见采用高精度反作用轮力矩测量系统完成半物理仿真试验结果更接近真实系统。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的指导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。