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1、2005年12月中国空间科学技术第6期CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY43微小卫星姿态控制系统半物理仿真设计及验证张世杰曹喜滨王峰(哈尔滨工业大学卫星技术研究所,哈尔滨150080)摘要针对利用反作用飞轮作为执行机构的微小卫星姿态控制系统,详细讨论了基于dSPACE实时仿真机、单轴气浮转台、星载计算机及陀螺和反作用飞轮实物的卫星姿态控制系统半物理仿真的方案设计;并利用该系统对仅用反作用飞轮的卫星姿态大角度机动控制模式进行了半物理仿真验证。仿真结果表明根据陀螺和反作用飞轮现有精度,设计的大角度姿态机动控
2、制算法能够满足分系统技术要求,同时验证了半物理仿真系统方案设计合理、可靠。主题词姿态控制半物理仿真小型卫星设计验证1引言微小卫星地面半/全物理仿真系统对加快微小型卫星的研制进度、缩短研制周期、提高所研制系统的可靠性,同时对通过仿真系统验证微小型卫星及其分系统设计的科学性都具有十[1]分重要的意义。但建立整套复杂的全物理仿真系统需要大量资金和很长的开发周期,不能满足现代小卫星/快、好、省0的要求。因此深入研究适合于微小卫星的仿真系统具有重要的工程实践意义。随着仿真技术的发展以及计算机性能的提高,实时仿真器计算性能得到极大地改善,为/快
3、、好、省0地实现微小卫星仿真系统提供了坚实的基础。哈尔滨工业大学卫星技术研究所早在/试验卫星一号0微小卫星的方案论证阶段即已利用AC-104实时仿真器建立了包括数学仿真系统和以单[2]轴气浮台等组成的小卫星一体化仿真演示验证系统。这一系统的建立为/试验卫星一号0微小卫星关键技术的论证和演示验证起到了非常关键的作用。[3]本文利用先进的dSPACE实时仿真机、单轴气浮转台和星载计算机、光纤陀螺、反作用飞轮等实物,设计了仅用反作用飞轮控制的微小卫星姿态控制系统半实物仿真总体方案,并详细讨论了卫星姿态三轴耦合特性、仿真系统物理特性测试等问
4、题。最后利用该系统对仅用反作用飞轮的微小卫星大角度姿态机动控制模式进行了仿真验证。2半物理仿真系统设计微小卫星姿态控制系统半物理仿真是在数学仿真的基础上,通过将数学仿真中的某些关键模块,如星载计算机、反作用飞轮和光纤陀螺等用实物代替,其他模块用Matlab仿真软件的Simulink建立数学模型,将上述数学模型下载到dSPACE实时仿真机,将星载计算机及部分I/O接口板联进回路。通过对姿态控制系统方案设计中的关键技术进行演示验证,达到如下目的:收稿日期:2004-08-14。收修改稿日期:2004-10-1044中国空间科学技术200
5、5年12月1)对星载计算机部分性能指标进行考核验证;2)对利用反作用飞轮进行卫星姿态控制的各模式进行仿真验证,检验控制算法设计的可行性与可靠性;3)对姿态控制系统设备的电接口与机械接口进行验证,检验姿态控制系统设计方案中的部分部件和系统的总体性能指标。211半物理仿真系统组成半物理仿真系统由软件和硬件两部分组成。硬件包括:单轴气浮台、星载计算机(386EX、犃犚犕９犜犇犕犐、犆８０５１犉０２０、１６位A/D、16位D/A、脉冲计数器、串行通信口等)、反作用飞轮、光纤陀螺、dSPACE实时仿真器、电源模块无线网桥以及与dSPACE仿
6、真器连接的HOST计算机等;软件包括dSPACE实时仿真机控制软件ControlDesk、开发编译环境Matlab/Simulink/RTW以及星载计算机操作系统软件VxWorks等。根据微小卫星姿态控制半物理仿真系统设计要求,给出了半物理仿真系统体系结构示意图,如图1所示。(1)单轴气浮台单轴气浮转台是姿态控制系统半物理仿真的支承平台,卫星的惯性姿态敏感器光纤陀螺和执行机构反作用飞轮、星载计算机、dSPACE仿真计算机以及其他配套硬件安装在单轴气浮台面上,单轴气浮台的转动模拟了卫星在空间的姿态变化。根据图1给出的仿真系统体系结构示
7、意图,布置单轴气浮台台面如图2所示。气浮台的台面水平以及台图1卫星姿态控制半物理仿真系统体系结构示意图面平衡调整非常重要,确保为卫星姿态控制系统仿真营造一个无扰环境,调整的精度决定了半物理仿真结果的精度和可靠性。(2)dSPACE实时仿真系统dSPACE实时仿真系统主要包括两大部分,一是硬件系统,二是软件环境。其中硬件系统的主要特点就是具有高速计算能力,包括处理器和I/O接口等;软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试验/调试等工作。dSPACE具有强大的功能,可以很好的完成控制算法的设计、测试与实现,并为这一套并行工程提供了良好的
8、环境。dSPACE为流线型控制系统开发提供了一套计算机辅助控制系统设计的工具包-CDP(ControlDevelopmentPackage)。利用CDP,用户可以完成从系统建模、分析、离线仿真直到实时仿真的全过程。dSPACE仿真系统
