小卫星姿态控制地面仿真装置及方法

专利名称：小卫星姿态控制地面仿真装置及方法
技术领域：
本发明涉及卫星姿态控制系统测试领域，尤其涉及一种用于小卫星姿态控制系统
测试的地面仿真装置。
背景技术：
姿态控制系统是卫星设计中复杂度最高的子系统之一。在地面研制过程中，由于 缺乏真实空间环境，姿态控制系统无法直接测试，只能进行仿真。卫星姿态控制系统仿真分 为数学仿真、半物理仿真、全物理仿真三种。对于小卫星研制，基于气浮台的全物理仿真，由 于成本过高，一般很少采用。数学仿真和半物理仿真是小卫星姿态控制系统的主要仿真手 段。 数学仿真是一种通过计算机建模对系统进行定量研究实验的仿真方式。半物理仿 真是一种在仿真中将控制系统的部分或全部硬件接入回路的闭路动态仿真实验。数学仿真 经济、方便、灵活，半物理仿真则具有更高的置信度。目前，卫星姿态控制系统数学仿真通 常采用PC机作为仿真计算机，同时采用Windows操作系统，以及Matlab、 STK等专业仿真 软件。半物理仿真则大都采用具有实时操作系统的专用仿真计算机，并需应用FORTAN、 C、 PASCAL等语言编写专用仿真软件。此外，半物理仿真还需要转台、目标(地球、太阳等)模 拟器、激励装置、采集装置、接口装置等一系列设备支持。根据仿真测试的需求以及研制开 发的成本，半物理仿真有无转台、单转台、多转台等多种仿真方式。各种方式所需的设备不 同，组成的硬件结构不同，需要的软件功能也不一样。针对一种方式设计的半物理仿真装 置， 一般只适用于一种仿真方式，而且受限于仿真接口的结构和数量，往往只适用于一种型 号卫星的测试。这种半物理仿真装置成本高、设计复杂、通用性差，适宜于型号固化的大卫 星测试，但是对于设计灵活、成本有限的小卫星，不很适宜。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可适用于多种卫星型号的小卫星姿态控 制地面仿真装置。 本发明解决其技术问题所采取的技术手段是该小卫星姿态控制地面仿真装置， 包括仿真支持模块和卫星受测模块，其特征是所述仿真支持模块包括仿真计算机、嵌入式 处理器和现场可编程门阵列，所述卫星受测模块包括姿控处理器、测量部件和执行部件，所 述仿真计算机、嵌入式处理器和现场可编程门阵列依次相连，所述姿控处理器、各测量部件
和各执行部件分别与现场可编程门阵列连接。 进一步地，本发明还包括环境模拟模块，该环境模拟模块包括转台和目标模拟器， 所述测量部件固定在转台上，转台和目标模拟器分别与仿真计算机连接。
进一步地，在本发明装置中，
所述仿真计算机包括 用于接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据以得到关于小卫星的姿态信息
4和环境信息并发送给嵌入式处理器的数据处理装置；
所述嵌入式处理器包括 用于控制该嵌入式处理器和仿真计算机实时工作的时序控制装置， 用于读取由现场可编程门阵列转接的关于各测量部件的采集数据并将该采集数
据与姿态信息和环境信息进行处理得到各测量部件等效数据的等效数据生成装置， 用于接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控处理器发送的控制指令得到所述
控制力矩数据的力矩采集装置； 所述现场可编程门阵列包括 用于将等效数据生成装置发送的各测量部件等效数据进行存储并发送给姿控处
理器的等效数据发送装置。 进一步地，在本发明装置中， 所述仿真计算机包括 用于接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据以得到关于小卫星的姿态信息 和环境信息并发送给嵌入式处理器的数据处理装置， 用于根据所述姿态信息和环境信息向转台和目标模拟器发送控制命令的控制输 出装置； 所述嵌入式处理器包括 用于控制该嵌入式处理器和仿真计算机实时工作的时序控制装置， 用于读取由现场可编程门阵列转接的关于各测量部件的采集数据并将该采集数
据与姿态信息和环境信息进行处理得到各测量部件等效数据的等效数据生成装置， 用于接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控处理器发送的控制指令得到所述
控制力矩数据的力矩采集装置； 所述现场可编程门阵列包括 用于将等效数据生成装置发送的各测量部件等效数据进行存储并发送给姿控处 理器的等效数据发送装置。 进一步地，本发明所述仿真计算机还包括对数据处理装置发送的数据进行存储和 绘图的存储绘图装置。 本发明进行小卫星姿态控制地面仿真的方法主要包括 仿真计算机接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据以得到关于小卫星的姿 态信息和环境信息并发送给嵌入式处理器的步骤； 嵌入式处理器读取由现场可编程门阵列转接的关于各测量部件的采集数据并将
该采集数据与姿态信息和环境信息进行处理得到各测量部件等效数据的步骤； 现场可编程门阵列将嵌入式处理器发送的各测量部件等效数据进行存储并发送
给姿控处理器的步骤， 姿控处理器对各测量部件等效数据进行处理并输出控制指令的步骤， 嵌入式处理器接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控处理器发送的控制指令
得到所述控制力矩数据的步骤。 进一步地，本发明还包括所述仿真计算机根据所述姿态信息和环境信息向转台和 目标模拟器发送控制命令的步骤。
进一步地，本发明还包括所述仿真计算机对所述控制力矩数据、姿态信息和环境 信息进行存储和绘图的步骤。 与现有技术相比，本发明具有如下优点 1)本发明采用现场可编程门阵列(FPGA)与姿控处理器、测量部件、执行部件分别 连接。具体的连接方式是将姿控处理器与其各测量部件、各执行部件的连接在数字信号接 口处断开，断开处的接口全部与FPGA连接。这一设计使仿真装置适应于多种型号卫星的仿 真需求。由于FPGA具有良好的扩展性，对于不同类型的接口，FPGA都可以通过编程进行转
换。因此只要受测卫星的姿控处理器与其各测量、执行部件之间存在可断开的数字接口，那 么本发明仿真装置不需要任何硬件改动，就能满足该型号卫星的仿真需求。 2)本发明在FPGA与姿控处理器、测量部件、执行部件分别连接的基础上，通过生
成等效数据的方法来模拟测量部件的采集数据。这一设计使仿真装置能同时满足多种方式
的半物理仿真需求。根据这一设计，无转台、单转台、多转台等多种半物理仿真方式的区别，
仅在于嵌入式处理器生成测量部件等效数据的方式不同。因此，只需改动嵌入式处理器的
等效数据生成装置的具体实施方式
，就可以支持各种方式的半物理仿真。 3)在本发明中，仿真时序控制的任务由嵌入式处理器的时序控制装置承担。这一
设计降低了仿真装置对仿真计算机的实时性要求，致使采用非实时操作系统的通用PC机，
也可作为仿真计算机使用。这样一来，基于Matlab等专业软件的数学仿真程序，增加一些
接口功能，就可以直接用于半物理仿真。相对于在专用仿真计算机上应用FORTAN、C、PASCAL
等语言编写的专用仿真软件，本发明仿真计算机软件的开发维护更为简单，仿真过程的操
作以及仿真结果的分析也更加灵活、方便。 4)本发明的仿真支持模块采用仿真计算机、嵌入式处理器、FPGA三者组合的方 式。这一设计将原本苛刻的仿真支持模块设计要求(运算量大、存储量大、实时运行、实时 响应等)分担在多个部件上，即仿真计算机负责运算和存储、嵌入式处理器负责时序控制， FPGA负责实时响应。这样一来，使用常见的商用器件即可满足仿真装置的设计要求，仿真装 置实现简单、成本低廉，极大的縮减了卫星姿态控制地面仿真装置的开发时间和开发成本。


图1为典型卫星姿态控制系统的工作原理框图； 图2为无转台仿真方式下本发明小卫星姿态控制地面仿真装置的结构及其工作 原理框图； 图3为有转台仿真方式下本发明小卫星姿态控制地面仿真装置的结构及其工作 原理框图； 图4为无转台仿真方式下本发明仿真装置仿真支持模块的处理装置结构及其工 作原理框图； 图5为有转台仿真方式下本发明仿真装置仿真支持模块的处理装置结构及其工 作原理框图； 图6为本发明仿真计算机的工作流程图；
图7为本发明嵌入式处理器的工作流程图。
具体实施例方式
如图1所示，典型的卫星姿控系统包括姿控处理器、测量部件、执行部件、以及卫 星本体。姿控处理器是卫星姿控系统的核心运算单元。测量部件包括受测卫星搭载的各姿 态敏感器及其接口装置，例如陀螺、太阳敏感器、磁强计、星敏感器等。执行部件包括受测卫 星搭载的各控制机构及其接口装置，例如磁力矩器、动量轮、喷气机构等。卫星本体包括卫 星壳体以及其它所有星上装置。卫星姿控系统工作时，姿控处理器读取测量部件的采集数 据，通过应用星上姿态测量、控制算法，发送控制指令，驱动执行部件输出控制力矩。控制力 矩作用于卫星本体，导致卫星本体姿态变化。卫星姿态的运动又会改变测量部件的输出。姿 控处理器读取改变后的测量部件采集数据，判断姿态控制效果，调整控制指令。以上操作周 而复始，贯穿卫星姿控系统运行的全过程。 如图2所示，在无转台仿真方式下，本发明小卫星姿态控制地面仿真装置包括仿
真支持模块和卫星受测模块。仿真状态下，卫星受测模块只包括姿控处理器、测量部件和执
行部件。卫星受测模块工作所需的卫星本体以及空间环境则由仿真支持模块代替。 仿真支持模块包括仿真计算机、嵌入式处理器和现场可编程门阵列(FPGA)。具体
实施中，仿真计算机可使用基于Windows操作系统的通用PC机；嵌入式处理器可使用常见
的单片机、DSP或ARM芯片，例如AD公司的ADuC841单片机；FPGA可使用一般的商用可擦写
FPGA或CPLD芯片，例如XILINX公司的XC2C512CoolRunner II CPLD芯片。 仿真支持模块的仿真计算机、嵌入式处理器和FPGA三者依次相连。仿真计算机与
嵌入式处理器的接口 一般采用PC机的常用接口 ，例如RS232或者USB接口 。嵌入式处理器
的所有外部通信接口 ，例如串口 、并口 、地址数据总线等，均与FPGA连接。 卫星受测模块的姿控处理器、各测量部件和各执行部件分别与FPGA连接。具体的
连接方式是将姿控处理器与各测量部件、各执行部件的连接在数字信号接口处断开，断开
处的接口全部与FPGA连接。 如图3所示，在有转台仿真方式下，小卫星姿态控制地面仿真装置还包括环境模 拟模块，该环境模拟模块包括转台和目标模拟器。转台的功能是通过自身转动提供一种模 拟卫星在轨运行的等价运动过程，单轴、双轴或三轴转台都可用于半物理仿真；目标模拟器 的功能是在实验室条件下模拟空间天体的光学特性以及运动特征，例如太阳仿真器、地球 仿真器、星仿真器等。 卫星受测模块的测量部件固定在转台上，而转台和目标模拟器则分别与仿真计算 机连接。根据不同的仿真要求和仿真方式，测量部件的固定方式有多种，例如各测量部件 均固定于同一个转台上，或各测量部件分别固定于多个不同的转台上等。转台、目标模拟器 与仿真计算机连接的接口类型由设备的具体型号决定。例如九江6354所出产的2TD-200 单轴转台，与PC机之间的接口为RS232。 如图4所示，在无转台仿真方式下，小卫星姿态控制地面仿真装置的仿真计算机 包括数据处理装置和存储绘图装置；嵌入式处理器包括时序控制装置、等效数据生成装置 和力矩采集装置；FPGA包括等效数据发送装置。 仿真计算机在具体实施中可使用基于Windows操作系统的通用PC机，其软件在 Matlab/Simulink平台上编程实现。Matlab/Simulink作为专业仿真软件，具有强大的建模 仿真、运算处理、数据分析功能，还可以集成用户自行开发的(:、0++程序。仿真计算机软件在此平台上开发，不仅灵活方便，而且运算的精度和效率都可以得到保证。
仿真计算机的数据处理装置，用于接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据， 以得到关于小卫星的姿态信息和环境信息，并将姿态信息和环境信息发送给嵌入式处理 器。控制力矩数据指小卫星执行部件的施加力矩；姿态信息包括小卫星三轴姿态角度、姿 态角速度；环境信息包括例如小卫星、地球的相对位置信息，小卫星接收太阳光的方向和强 度，小卫星接收星光的方向和强度，小卫星所处位置地球磁场的方向和强度等。当仿真计算 机和嵌入式处理器之间是RS232接口时，仿真软件可以直接调用Mat lab集成的串口操作函 数，实现接收控制力矩数据、发送姿态信息和环境信息的功能；当不是RS232接口时，由于 Matlab未提供现成的接口函数，需要基于C++开发接口通信程序，并按照S函数的格式，集 成入Simulink以实现通信功能。仿真计算机对控制力矩数据的处理，主要是依照控制力矩 数据进行小卫星轨道、动力学、空间环境的递推计算，计算的结果即是关于小卫星的姿态信 息和环境信息。计算所需的数学模型可以参考《卫星姿态动力学与控制(1)》(屠善澄主编， 中国宇航出版社，1999年9月出版，第22-73页)禾P《航天器轨道动力学与控制(上)》(杨 嘉墀主编，中国宇航出版社，1995年12月出版，第79-151页)。 仿真计算机的存储绘图装置，用于对数据处理装置发送的数据进行存储和绘图。 数据的存储基于Simulink集成的ToWorkspace模块即可直接实现；数据的绘图则可基于 Simulink集成的Scope模块以及Matlab提供的2D、3D图形绘制函数实现。具体实施中，哪 些数据需要存储，哪些数据需要绘图，可以视用户需要而定。 嵌入式处理器在具体实施中使用一般常见的MCU、 DSP或ARM芯片，其软件一般 使用C或汇编语言，参照具体芯片的设计要求编写。由于仿真计算机承担了资源消耗最大 的数学计算、数据存储任务，嵌入式处理器的工作频率并不要求很高。而另一方面，由于 Windows操作系统并非实时操作系统，控制仿真计算机工作时序的任务需由嵌入式处理器 承担，这就要求嵌入式处理器具有较为准确的工作时钟，而一般嵌入式芯片的工作频率精 度是完全能满足仿真要求的。此外，嵌入式处理器要求具有较为全面的外设接口 ，因为其要 进行测量部件采集数据、姿控处理器控制指令的数据采集的操作。 嵌入式处理器的时序控制装置，用于控制该嵌入式处理器和仿真计算机实时工 作。实时工作是一般卫星姿态控制地面仿真装置的最基本要求之一，本发明由于采用基于 非实时操作系统的通用PC机作为仿真计算机，仿真计算机不再具有准确的时序控制能力， 因此时序控制的任务由嵌入式处理器承担。时序控制装置的具体实现方式如下嵌入式处 理器采用定时器触发中断的工作模式，即每次定时器中断，嵌入式处理器的力矩采集装置 进行一次控制指令采集；连续若干次中断后，力矩采集装置对采集到的控制指令进行处理， 计算出控制力矩数据，并发起与仿真计算机的通信，发送接收数据，然后执行等效数据生成 装置的操作。嵌入式处理器和仿真计算机之间的数据通信，触发仿真计算机的数据处理装 置、存储绘图装置工作，即每一仿真周期，嵌入式处理器计算一次控制力矩数据，发起一次 接口通信，计算一次各测量部件等效数据，仿真计算机响应一次接口通信，执行一次数据处 理，一次存储绘图。仿真计算机的递推周期和嵌入式处理器的控制力矩数据计算周期保持 一致，即可保证两者的同步实时运行。具体实施中，仿真周期一般设置为定时器中断周期的 几十到一百倍，而定时器中断周期是与受测卫星执行部件的具体类型密切相关的，例如执 行部件为磁力矩器的卫星，控制力矩小，控制响应慢，此时中断周期可以设置较长，而对于
8执行部件为喷气装置的卫星，控制力矩大，控制响应快，此时的中断周期就必须较短才行。 另外，由于仿真周期等同于各测量部件等效数据的生成周期，为了保证测量部件等效数据 的时效性，仿真周期不宜取的过长，否则会增加地面仿真装置的系统误差。例如1秒的仿真 周期，意味着测量部件等效数据的刷新周期为1秒，即姿控处理器读取到的等效数据滞后 时间最长为1秒；如果1秒内卫星的姿态、环境变化都很小的话，这一周期的选取就是合理 的。反之，仿真周期也不宜取的过短，过短的仿真周期一方面会增加仿真计算机、嵌入式处 理器的工作负担，另一方面，仿真计算机进行过于频繁的模型递推计算，数值计算误差的累 积也会增加地面仿真装置的系统误差。 嵌入式处理器的等效数据生成装置，用于读取由现场可编程门阵列转接的关于各 测量部件的采集数据，并将该采集数据与姿态信息和环境信息进行处理，得到各测量部件 等效数据。采集数据指对各测量部件采集获得的数据，例如太阳敏感器的太阳矢量测量数 据、磁强计的磁场矢量测量数据等。等效数据指由嵌入式处理器生成的，用于等效模拟各测 量部件在对应姿态、环境信息下的输出数据。姿态信息和环境信息的来源是仿真计算机的 数据处理装置，嵌入式处理器通过对应接口的通信获得这些数据。各测量部件等效数据的 生成方式如下在无转台仿真方式下，由于各测量部件均静止放置，其测量数据的理想输出
是已知的，例如陀螺静置时三轴输出理想值均为o度/秒，磁强计静置时理想输出应等于该
位置的地球磁场矢量。嵌入式处理器读取各测量部件的采集数据，减去其理想输出，即可得
到各测量部件的输出零偏、噪声数据。另一方面，嵌入式处理器根据小卫星姿态信息和环境
信息，计算出各测量部件在对应姿态和环境信息下的理论输出，例如陀螺的理论输出为卫
星角速度，磁强计的理想输出为卫星所处位置地球磁场矢量。嵌入式处理器将各测量部件
的输出零点、噪声数据与其理论输出相加，就得到了最终的各测量部件的等效数据。 嵌入式处理器的力矩采集装置，用于接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控
处理器发送的控制指令，得到控制力矩数据。对于开关控制的执行部件，例如磁力矩器、喷
气装置等，控制指令指该执行部件的开关状态，具体而言即是控制信号线的'0'、 'l'状态；
对于非开关控制的执行部件，例如动量轮，控制指令指是该执行部件的力矩相关信息，例如
动量轮的转速数据。如前所述，力矩采集装置在时序控制装置的控制下，每次定时器中断
时读取一次控制指令并记录，每个仿真周期根据该周期内的记录结果计算一次控制力矩数
据。控制力矩数据指该周期内执行部件的平均施加力矩，其计算依照执行部件的力矩模型
进行。得到的控制力矩数据，需要发送给仿真计算机的数据处理装置。如前所述，与仿真计
算机的通信由嵌入式处理器发起的，仿真计算机响应通信，而后再进行其它操作。 FPGA在具体实施中可使用商用的可擦写FPGA或CPLD芯片，FPGA的工作程序一般
采用Verilog或VHDL语言，参照具体芯片的设计要求编写。具体实施中，由于要同时连接
姿控处理器、测量部件、执行部件，以及嵌入式处理器，FPGA要求具有较多的管脚数量。对
于测量部件、执行部件数量多、且接口复杂的受测卫星，可以使用多块FPGA芯片，分别连接
若干部件，共同实现功能。 FPGA的等效数据发送装置用于将等效数据生成装置发送的各测量部件等效数据 进行存储，并发送给姿控处理器。等效数据生成后，嵌入式处理器通过数据、地址总线将其 发送给FPGA。 FPGA接收后，对等效数据进行存储，并等待姿控处理器的数据采集指令。等 效数据的存储采用二级缓冲结构，以此避免数据接收和响应发送对同一缓冲区数据操作的冲突。在姿控处理器采集测量部件时，FPGA依照该测量部件的通信协议格式发送等效数据。 对于姿控处理器而言，FPGA即是各测量部件的等效存在。FPGA为硬件逻辑单元，所有模块 均为并行工作。使用FPGA而非嵌入式处理器做等效测量部件，可以保证采样指令的实时响 应，同时简化嵌入式处理器的工作流程，从而确保仿真装置的实时性指标。对于不同型号的 卫星，其测量部件的接口、协议大都不同，因此在具体实施中，FPGA需要编写对应的等效接 口模块。等效模块的功能即是模拟测量部件的接口类型和通信协议，辨识姿控处理器的采 样指令，发送预先存储的等效数据。 另外，FPGA还承担嵌入式处理器的接口扩展功能。 一般情况下，嵌入式处理器具 备采集测量部件数据所需的通信接口 ，此时FPGA的接口扩展即是将嵌入式处理器的输入 输出接口与测量部件的输出输入接口分别连接。当存在多个同样接口的测量部件时，FPGA 还需要实现各接口的选通功能。当嵌入式处理器不具备采集测量部件数据所需的通信接 口时，FPGA需要还需要进一步编写对应接口的转换模块。例如嵌入式处理器只有UART接 口 ，而测量部件要求是SPI接口时，FPGA需要先接收嵌入式处理器UART接口的指令，转换 为SPI接口的通信格式，发送给测量部件，然后读取测量部件SPI接口的返回数据，转换为 UART接口的通信格式，发送给嵌入式处理器。这一过程较为繁琐，因此在具体实施中，建议 选用接口类型广泛的嵌入式处理器。在仿真装置中，FPGA与姿控处理器、各测量部件、各执 行部件均相连接。对于不同型号的卫星，这些部件的接口往往是不同的，但是由于FPGA具 有可擦除再编程的功能，针对受测卫星型号的改变，仿真装置只需要改变FPGA内烧写的程 序，即可满足改变后的仿真需求。仿真装置硬件不需要任何改动，因此具有良好的通用性。
如图5所示，在有转台仿真方式下，小卫星姿态控制地面仿真装置的仿真计算机 还包括指令输出装置。此外，嵌入式处理器的等效数据生成装置，具体实施方法也与无转台 仿真方式下的不同。 仿真计算机的指令输出装置，用于根据所述姿态信息和环境信息向转台和目标模 拟器发送控制命令。仿真计算机和转台、目标模拟器的接口通信，其实施方法可以参考前述 仿真计算机与嵌入式处理器的接口实施方法。转台和目标模拟器的控制策略、模拟方法是
有转台半物理仿真的基本技术，具体内容可以参考《卫星控制系统仿真技术》(刘良栋主编， 宇航出版社，2003年12月出版，第311-414页)。 嵌入式处理器的等效数据生成装置，在有转台仿真方式下，实施方法有所不同，具 体而言，就是等效数据的计算方法是不一样的。等效数据的计算方法是和具体的仿真方式 相关联的，而使用何种具体的有转台仿真方式，是与开发成本密切相关的，因为多轴转台以 及高性能的目标模拟器普遍价格昂贵。根据不同的仿真预算，有以下几种常见的具体仿真 方式 1.使用三轴转台以及三轴目标模拟器的半物理仿真。这种方式下，固定于转台上 的测量部件，其运动特性和测量环境均与卫星在轨运行时的状态等价。仿真装置工作时，嵌 入式处理器的等效数据生成装置将读取到的测量部件采集数据直接作为该测量部件的等 效数据发送给FPGA。 2.使用三个单轴转台以及三个单轴目标模拟器的半物理仿真。这种方式下，三个 同型号的测量部件分别固定于三个单轴转台上，其各有一轴的运动特性和测量环境和卫星 在轨运动时的状态等价。仿真装置工作时，嵌入式处理器的等效数据生成装置读取三个测量部件的采集数据，各取一轴，组成一个完整的测量部件等效数据发送给FPGA。 3.使用一到两个单轴转台以及一到两个单轴目标模拟器的半物理仿真。这种方式
下，三个同型号的测量部件，每个转台上固定一个，余下的静置。仿真装置工作时，嵌入式处
理器的等效数据生成装置读取静置测量部件的单轴输出零点、噪声，与由仿真计算机输出
的卫星姿态信息及环境信息计算出的理论输出数据相叠加，再与转台上测量部件的采集数
据相组合，各取一轴，生成最终的等效数据发送给FPGA。 上述三种仿真方式所需转台、目标模拟器的级别依次降低，仿真成本也依次减少。 具体实施中，受测卫星常有多个不同的测量部件，例如同时具有陀螺、太阳敏感器、磁强计。 不同的测量部件可以根据仿真要求，采用不同的仿真方式分别仿真，例如陀螺可固定于一 个三轴转台上，太阳敏感器通过三个单轴转台和三个太阳模拟器仿真，磁强计则静置，采用 无转台仿真方式生成等效数据。这种情况下，小卫星姿态控制地面仿真装置的环境模拟模 块就包括一个三轴转台，三个单轴转台，以及三个太阳模拟器。 如图6所示，仿真计算机的工作流程如下仿真软件运行后，首先进行仿真参数、 通信接口的初始化操作。初始化完成后，仿真软件进入接口轮询等待状态。在该状态下仿 真计算机反复查询与嵌入式处理器的接口状态，直至嵌入式处理器发送数据时跳出。跳出 后，仿真计算机进行与嵌入式处理器的数据交互，即接收卫星控制力矩数据，并发送上一周
期运算得出的卫星姿态信息、环境信息。之后仿真软件根据接收到的控制力矩，进行下一周 期的数据处理运算(即轨道、动力学、空间环境计算)，以获得在下一次通信时发送的卫星 姿态信息、环境信息。数学计算完成后，仿真软件还需根据需求进行数据存储、图形绘制。在 有转台仿真方式下，仿真计算机还需要对转台、目标模拟器输出控制，使其模拟出卫星在轨 运动时测量部件的等价运动、测量环境。 如图7所示，嵌入式处理器的工作流程如下嵌入式处理器软件运行后，首先进行 参数、接口，以及定时器的初始化。初始化完成后，嵌入式处理器软件进入定时器触发的工 作状态。每次定时器触发后，嵌入式处理器进行一次姿控处理器输出控制指令的采集，同时 计数定时器触发次数，当定时器触发次数累积到某一值时， 一个仿真周期的时间到达，定时 器触发次数清零，同时嵌入式处理器对该周期内采集到的控制指令进行处理，计算出卫星 在该周期内的控制力矩数据，然后发起与仿真计算机的接口通信。通信中嵌入式处理器发 送控制力矩数据，接收姿态信息、环境信息。通信完毕后，嵌入式处理器读取各测量部件的 采集数据，同时根据当前仿真的具体方式，对各测量部件的采集数据处理，生成各测量部件 的等效数据。等效数据的生成方法有多种，具体可以参考前文所述。等效数据生成后，嵌入 式处理器将其发送给FPGA。 FPGA对数据进行存储，并发送给姿控处理器。
在无转台仿真方式下，小卫星姿态控制地面仿真装置的仿真方法如下首先按照 前述方法连接好仿真装置的各部件，然后小卫星姿态控制地面仿真装置上电，仿真计算机 程序开始运行，之后同时开始运行嵌入式处理器和姿控处理器程序，仿真开始。仿真中，仿 真计算机接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据，得到关于小卫星的姿态信息和环 境信息，并发送给嵌入式处理器；嵌入式处理器读取由现场可编程门阵列转接的关于各测 量部件的采集数据，并将该采集数据与姿态信息和环境信息进行处理，得到各测量部件等 效数据；现场可编程门阵列将嵌入式处理器发送的各测量部件等效数据进行存储，并发送 给姿控处理器；姿控处理器对各测量部件等效数据进行处理，并输出控制指令；嵌入式处理器接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控处理器发送的控制指令，得到控制力矩数 据；控制力矩数据再次由仿真计算机接收，并进行处理。整个仿真过程依此循环，直至仿真 结束。 在有转台仿真方式下，小卫星姿态控制地面仿真装置的仿真方法还可包括仿真计 算机根据姿态信息和环境信息向转台和目标模拟器发送控制命令的步骤。该步骤在仿真计 算机得出姿态信息和环境信息后进行，转台和目标仿真器接收到控制命令后，会根据命令 调整固定于转台上测量部件的工作环境。工作环境的改变会导致测量部件输出的采集数据 改变。嵌入式处理器根据采集数据生成等效数据的方法也要随之改变，但整个仿真方法的 步骤仍与无转台仿真方式相同。 另外，本发明小卫星姿态控制地面仿真装置的仿真方法还可包括仿真计算机对控 制力矩数据、姿态信息和环境信息进行存储和绘图的步骤。数据存储是为了仿真结束后进 一步分析仿真结果，数据绘图是为了在仿真进行中可实时观测受测卫星的工作状态。
权利要求
一种小卫星姿态控制地面仿真装置，包括仿真支持模块和卫星受测模块，其特征是所述仿真支持模块包括仿真计算机、嵌入式处理器和现场可编程门阵列，所述卫星受测模块包括姿控处理器、测量部件和执行部件，所述仿真计算机、嵌入式处理器和现场可编程门阵列依次相连，所述姿控处理器、各测量部件和各执行部件分别与现场可编程门阵列连接。
2. 根据权利要求1所述的小卫星姿态控制地面仿真装置，其特征是它还包括环境模 拟模块，该环境模拟模块包括转台和目标模拟器，所述测量部件固定在转台上，转台和目标 模拟器分别与仿真计算机连接。
3. 根据权利要求1所述的小卫星姿态控制地面仿真装置，其特征是 所述仿真计算机包括用于接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据以得到关于小卫星的姿态信息和环 境信息并发送给嵌入式处理器的数据处理装置； 所述嵌入式处理器包括用于控制该嵌入式处理器和仿真计算机实时工作的时序控制装置，用于读取由现场可编程门阵列转接的关于各测量部件的采集数据并将该采集数据与 姿态信息和环境信息进行处理得到各测量部件等效数据的等效数据生成装置，用于接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控处理器发送的控制指令得到所述控制 力矩数据的力矩采集装置；所述现场可编程门阵列包括用于将等效数据生成装置发送的各测量部件等效数据进行存储并发送给姿控处理器 的等效数据发送装置。
4. 根据权利要求2所述的小卫星姿态控制地面仿真装置，其特征是 所述仿真计算机包括用于接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据以得到关于小卫星的姿态信息和环 境信息并发送给嵌入式处理器的数据处理装置，用于根据所述姿态信息和环境信息向转台和目标模拟器发送控制命令的控制输出装置；所述嵌入式处理器包括用于控制该嵌入式处理器和仿真计算机实时工作的时序控制装置，用于读取由现场可编程门阵列转接的关于各测量部件的采集数据并将该采集数据与 姿态信息和环境信息进行处理得到各测量部件等效数据的等效数据生成装置，用于接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控处理器发送的控制指令得到所述控制 力矩数据的力矩采集装置；所述现场可编程门阵列包括用于将等效数据生成装置发送的各测量部件等效数据进行存储并发送给姿控处理器 的等效数据发送装置。
5. 根据权利要求3或4所述的小卫星姿态控制地面仿真装置，其特征是所述仿真计 算机还包括对数据处理装置发送的数据进行存储和绘图的存储绘图装置。
6. —种使用权利要求1的装置进行小卫星姿态控制地面仿真的方法，其特征是包括 仿真计算机接收、处理嵌入式处理器发送的控制力矩数据以得到关于小卫星的姿态信息和环境信息并发送给嵌入式处理器的步骤；嵌入式处理器读取由现场可编程门阵列转接的关于各测量部件的采集数据并将该采 集数据与姿态信息和环境信息进行处理得到各测量部件等效数据的步骤；现场可编程门阵列将嵌入式处理器发送的各测量部件等效数据进行存储并发送给姿 控处理器的步骤，姿控处理器对各测量部件等效数据进行处理并输出控制指令的步骤， 嵌入式处理器接收、处理由现场可编程门阵列转接的姿控处理器发送的控制指令得到 所述控制力矩数据的步骤。
7. 根据权利要求6所述的进行小卫星姿态控制地面仿真的方法，其特征是还包括所 述仿真计算机根据所述姿态信息和环境信息向转台和目标模拟器发送控制命令的步骤。
8. 根据权利要求6或7所述的进行小卫星姿态控制地面仿真的方法，其特征是还包 括所述仿真计算机对所述控制力矩数据、姿态信息和环境信息进行存储和绘图的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种小卫星姿态控制地面仿真装置及方法，主要包括仿真支持模块和卫星受测模块，所述仿真支持模块包括仿真计算机、嵌入式处理器和现场可编程门阵列，所述卫星受测模块包括姿控处理器、测量部件和执行部件，所述仿真计算机、嵌入式处理器和现场可编程门阵列依次相连，所述姿控处理器、各测量部件和各执行部件分别与现场可编程门阵列连接。本发明适应于多种型号卫星的仿真需求；同时满足多种方式的半物理仿真需求；仿真计算机软件的开发维护更为简单，仿真过程的操作以及仿真结果的分析也更加灵活、方便；实现简单、成本低廉，极大的缩减了卫星姿态控制地面仿真装置的开发时间和开发成本。
文档编号G05D1/08GK101739031SQ20091015579
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者向甜, 屠斌杰, 朱小丰, 王昊, 金仲和, 韩柯 申请人:浙江大学