衛(wèi)星姿控系統(tǒng)半物理仿真中轉(zhuǎn)臺控制算法的實現(xiàn)

摘要：衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真是在實驗室中模擬衛(wèi)星在軌運動特性的試驗方法，主要用于驗證衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案和性能指標，是衛(wèi)星控制系統(tǒng)研制中的一個重要環(huán)節(jié)。在衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真中三軸轉(zhuǎn)臺是一種重要的運動仿真器，針對以往轉(zhuǎn)臺控制算法復雜，軟件難實現(xiàn)運行時間長等問題，提出了一種簡單有效的三軸轉(zhuǎn)臺模擬衛(wèi)星姿態(tài)運動控制算法，并給出具體的軟件實現(xiàn)過程，對于轉(zhuǎn)臺在仿真中的應用具有極大的借鑒和指導意義。

引言

　　衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真試驗實際上是衛(wèi)星動力學和運動學的仿真，由于要求硬件接入回路，它通常用于驗證衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案和性能指標，包括動力學仿真和運動學仿真。仿真計算機計算衛(wèi)星的動力學和運動學方程，轉(zhuǎn)臺模擬衛(wèi)星在空間的運動，目標模擬器模擬衛(wèi)星姿態(tài)敏感期的參考目標的環(huán)境特性。本文主要研究轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)接入仿真試驗過程中存在的問題：針對轉(zhuǎn)臺控制算法復雜，地速影響這兩個主要問題，本文給出了具體的轉(zhuǎn)臺控制算法，軟件實現(xiàn)簡單，執(zhí)行效率極高，同時給出了地速補償方案及具體實現(xiàn)方式。本文所介紹的控制算法已成功應用于某衛(wèi)星型號半物理仿真試驗中，文章的最后給出了試驗結果。

1 原理

　　衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真比數(shù)學仿真具有更高的置信度，是衛(wèi)星控制系統(tǒng)研制中的一個重要環(huán)節(jié)。當控制系統(tǒng)研制出來以后，人們最關心的問題是它的功能和性能是否與設計要求相一致，這只有通過對實際系統(tǒng)進行試驗才能確定。但是人造衛(wèi)星控制系統(tǒng)不同于一般的地面設備，它必須在特定條件下才能實現(xiàn)閉路運行，并顯示其性能指標。半物理仿真是將參試的衛(wèi)星控制系統(tǒng)各部件(包括硬件和軟件)接入仿真回路所進行的閉路動態(tài)試驗，它在地面設備(運動仿真器、目標仿真器、仿真計算機等)的配合下，模擬衛(wèi)星在軌道上的各種運行狀態(tài)，達到驗證所設計的控制系統(tǒng)方案，檢驗系統(tǒng)實際性能的目的^[1]。衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真系統(tǒng)構成框圖如圖1所示。

　　運動仿真器的主要功能是提供一種與衛(wèi)星在軌道運行時相似或等價的運動，使衛(wèi)星反饋控制試驗形成回路。

　　三軸伺服轉(zhuǎn)臺實際上是一個高性能的三軸伺服系統(tǒng)。在運行時，它要求每個軸嚴格地跟隨仿真計算機的某項輸出。一個三軸轉(zhuǎn)臺運動的效果是使在其內(nèi)軸試驗臺上的儀器作繞轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動中心的姿態(tài)運動，轉(zhuǎn)臺的動態(tài)環(huán)節(jié)實際上是串接在整個試驗回路中的一個附加環(huán)節(jié)，理想情況下它的傳遞函數(shù)最好等于1，精度由轉(zhuǎn)臺機械臺體和控制系統(tǒng)(測角裝置、電路及控制計算機、馬達等)來保證。因此，它是一個名副其實的運動模擬器，不僅用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的半物理仿真，也廣泛用于其他運動物體的控制仿真(如飛機、導彈、魚類等)和某些專用儀器的性能測試(如陀螺)。某UUT轉(zhuǎn)臺實物如圖2所示。

2 轉(zhuǎn)臺控制鏈路

　　在衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真中，轉(zhuǎn)臺的控制鏈路如圖2所示。動力學仿真計算機將計算得到的星體慣性角速度(在星體系下的表示，本文所述物理量參考坐標系均為星體坐標系)通過網(wǎng)絡(或串口、反射內(nèi)存等)發(fā)送給仿真器控制計算機，仿真器控制計算機從轉(zhuǎn)臺工控機獲取轉(zhuǎn)臺當前框架角信息，將星體慣性角速度轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)臺框架角速度，并通過網(wǎng)絡(或串口、反射內(nèi)存等)發(fā)送至轉(zhuǎn)臺工控機驅(qū)動轉(zhuǎn)臺框架轉(zhuǎn)動。

　　由轉(zhuǎn)臺控制鏈路可知，仿真器控制計算機內(nèi)將星體慣性角速度轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)臺框架角速度算法為轉(zhuǎn)臺應用的核心，也是轉(zhuǎn)臺應用的重點和難點，本文詳細介紹了一種實現(xiàn)簡單完成效率極高的控制算法及其詳細推導過程，易于工程實現(xiàn)。

3 轉(zhuǎn)臺控制算法

　　以UUT轉(zhuǎn)臺為例，設分別為轉(zhuǎn)臺的內(nèi)、中、外框架角，從轉(zhuǎn)臺工控機獲取，轉(zhuǎn)臺零位時，即內(nèi)、中、外框軸正交，構成右手坐標系時，內(nèi)、中、外框軸分別對應于星體坐標系的偏航軸Za、滾動軸Xa、俯仰軸Ya，定義該坐標為星體坐標系，該坐標系與轉(zhuǎn)臺固連。

　　陀螺在轉(zhuǎn)臺上的安裝方向參考陀螺坐標系與星體坐標間關系確定，轉(zhuǎn)臺控制的最終目的是使轉(zhuǎn)臺框架角速度在星體坐標系下的投影值與慣性角速度一致。

　　設繞轉(zhuǎn)臺內(nèi)、中、外軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)換矩陣如下：

　　則星體系下慣性角速度可以表示如下：

(1)

　　得到轉(zhuǎn)臺框架角速度如下：

(2)

(3)

4 地速補償方法

　　由于仿真試驗在地面進行，陀螺輸出還包括了地球自轉(zhuǎn)的速度，這一附加輸出是衛(wèi)星在軌運行時所沒有的，仿真試驗中應予以扣除。

　　首先將地速投影至轉(zhuǎn)臺零位坐標系，然后再投影到轉(zhuǎn)動坐標系(即星體系)，設地速為w_e，λ為轉(zhuǎn)臺所在地的地理緯度，δ為北向逆時針轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)臺零位時Xa軸(中框軸)的角度，得到地速在星體坐標系下的表示如下：

(4)

　　因此，考慮到扣除地速影響后，陀螺輸出慣性角速度的表示如下：

(5)

　　經(jīng)整理得到轉(zhuǎn)臺框架角速度如下，將此公式代入轉(zhuǎn)臺控制算法中，即可完成對于地速的補償：

　(6)

　(7)

5 關鍵技術

　　該算法有以下兩個突出的關鍵技術：

　　(1)轉(zhuǎn)臺控制算法：轉(zhuǎn)臺控制算法不同于常規(guī)的實現(xiàn)方式，該方法不存在矩陣求逆等復雜的矩陣運算、編寫軟件較容易實現(xiàn)、軟件運行時間短，從而極大地提高了仿真的實時性;

　　(2)地速補償算法：地球自轉(zhuǎn)對陀螺的影響與仿真試驗室在地球上所處的緯度以及安裝陀螺的運動模擬器所處的方位有關。地球自轉(zhuǎn)角速度比衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定度大的多，在仿真試驗中，它將投影到每個陀螺的輸入軸上，成為一種附加干擾，必須加以補償，本文所介紹的地速補償方法，扣除地速影響后，大大提高了轉(zhuǎn)臺模擬衛(wèi)星運動的準確度，能夠適用于高穩(wěn)定度衛(wèi)星的姿態(tài)運動仿真要求。

6 試驗結果分析

　　本文介紹的控制算法，已應用于上海航天控制技術研究所某衛(wèi)星型號半物理仿真試驗，轉(zhuǎn)臺控制軟件界面如圖6所示，陀螺輸出衛(wèi)星姿態(tài)角速度，動力學仿真輸出衛(wèi)星姿態(tài)角速度等試驗曲線如圖7~圖10所示?？梢?，陀螺測量得到衛(wèi)星姿態(tài)角速度與動力學仿真輸出一致，說明應用該控制算法，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)能夠精準模擬衛(wèi)星的姿態(tài)運動。

7 結論

　　本文詳細介紹了轉(zhuǎn)臺在衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真中應用的具體實現(xiàn)方法，該方法具有軟件易實現(xiàn)、不存在矩陣求逆等矩陣運算、節(jié)省軟件運行時間、提高控制實時性的優(yōu)點。另外，扣除地速影響后，大大提高了轉(zhuǎn)臺模擬衛(wèi)星運動的準確度，能夠適用于高穩(wěn)定度衛(wèi)星的姿態(tài)運動仿真。目前該方法已經(jīng)在多個衛(wèi)星型號的半物理仿真中得到成功應用，對于其它環(huán)境下的半物理仿真應用也具有極大的借鑒意義。

參考文獻

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。