一種衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)，尤其涉及一種組成不完備的衛(wèi) 星控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)，適用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)新技術(shù)和產(chǎn)品的在軌試驗驗證。
【背景技術(shù)】
[0002] 長期以來，衛(wèi)星控制系統(tǒng)的新產(chǎn)品（真實的敏感器）在軌試驗都是采用開環(huán)的驗 證系統(tǒng)，如圖1，即通過遙測下傳產(chǎn)品在軌的工作信息和狀態(tài)進行產(chǎn)品性能和功能的驗證考 核，缺少閉環(huán)驗證考核。這主要是由于衛(wèi)星成本高，對可靠性的要求也高。新產(chǎn)品一般都采 用搭載的方式進行首次在軌驗證。也就是產(chǎn)品僅與控制計算機連接，但其信息并不引入控 制系統(tǒng)，僅是由計算機采集其工作信息進行遙測下傳，以免新產(chǎn)品工作不穩(wěn)定，導致控制系 統(tǒng)失效，造成整個衛(wèi)星運行的不正常。
[0003] 但最終產(chǎn)品的工作目標是要接入控制系統(tǒng)閉環(huán)，如圖2所示。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成 要素（被控對象、敏感器、執(zhí)行機構(gòu)、控制器）來說，真實的控制系統(tǒng)除了有被試驗的真實敏 感器、控制器外，還有真實的被控對象（真實衛(wèi)星）和真實的執(zhí)行機構(gòu)，整個系統(tǒng)是完備的。 僅進行開環(huán)驗證對產(chǎn)品的工作性能考核欠缺真實性。但直接將新產(chǎn)品接入真實的控制系統(tǒng) 存在由于敏感器性能不穩(wěn)定，造成真實衛(wèi)星的姿態(tài)失控的風險，可能會造成巨大的經(jīng)濟損 失。
[0004] 衛(wèi)星控制系統(tǒng)的控制技術(shù)（如姿態(tài)控制算法、姿態(tài)確定算法等）的在軌驗證就必 須通過閉環(huán)接入真實衛(wèi)星控制系統(tǒng)的方法進行驗證，見圖2,這就要求研制專門用于控制技 術(shù)驗證的衛(wèi)星，或直接應(yīng)用于飛行任務(wù)。所以衛(wèi)星控制技術(shù)的驗證成本及風險都很高。
[0005] 因此，需要開發(fā)一種驗證系統(tǒng)，既能夠達到閉環(huán)驗證新產(chǎn)品和新技術(shù)的目的，同時 又不能夠使用真實的執(zhí)行機構(gòu)，以免對真實衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道產(chǎn)生影響。由于不使用真實 的執(zhí)行機構(gòu)，也不對真實衛(wèi)星施加控制力和力矩，僅有被試驗的真實敏感器和控制器，因 此，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)組成是不完備的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有衛(wèi)星新產(chǎn)品和新技術(shù)僅能進行開環(huán)驗證的 方法不足，提出了一種適用于組成不完備的控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)，本發(fā)明能夠在保 證新產(chǎn)品或新技術(shù)不影響衛(wèi)星控制系統(tǒng)真實閉環(huán)的條件下，進行新技術(shù)或新產(chǎn)品的閉環(huán)驗 證。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)，其特征在于：由姿 態(tài)控制模塊、姿態(tài)確定模塊、虛擬執(zhí)行機構(gòu)模塊、虛擬動力學與運動學模塊和虛擬敏感器模 塊組成；
[0008] 姿態(tài)控制模塊：運行姿態(tài)控制算法，利用虛擬敏感器測量值與真實敏感器測量值 的差值驅(qū)動姿態(tài)控制算法計算出虛擬執(zhí)行機構(gòu)的控制指令；
[0009] 虛擬執(zhí)行機構(gòu)模塊：根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)控制指令計算出執(zhí)行機構(gòu)作用于虛擬衛(wèi)星的力 與力矩，進而驅(qū)動虛擬衛(wèi)星動力學與運動學模塊；
[0010] 虛擬動力學與運動學模塊：模擬了一顆虛擬衛(wèi)星的運動，這個虛擬的衛(wèi)星作為控 制系統(tǒng)在軌試驗的被控對象，該模塊根據(jù)接收的力和力矩利用衛(wèi)星動力學和運動學方程計 算出虛擬衛(wèi)星的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度信息；
[0011] 虛擬敏感器模塊：運行敏感器測量的數(shù)學模型，對計算出的虛擬衛(wèi)星姿態(tài)角和姿 態(tài)角速度信息進行測量，該虛擬敏感器測量值作為衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌試驗的敏感器信息；
[0012] 姿態(tài)確定模塊：根據(jù)虛擬敏感器測量值運行姿態(tài)確定算法，計算得到由虛擬敏感 器測量信息確定出的虛擬衛(wèi)星的姿態(tài)和姿態(tài)角速度信息。
[0013] 所述利用虛擬敏感器測量值與真實敏感器測量值的差值驅(qū)動姿態(tài)控制模塊、虛擬 執(zhí)行機構(gòu)模塊、虛擬動力學與運動學模塊和虛擬敏感器模塊、姿態(tài)確定模塊，從而構(gòu)成包含 有"真實敏感器"、"姿態(tài)確定模塊"、"姿態(tài)控制模塊"的閉環(huán)運行條件。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：衛(wèi)星控制新技術(shù)及產(chǎn)品經(jīng)常采用搭載的方式 進行在軌試驗，常規(guī)的做法是僅通過開環(huán)的方式遙測下傳產(chǎn)品的工作信息來判定產(chǎn)品的功 能性能，缺少控制系統(tǒng)閉環(huán)后的效果考核，本發(fā)明采用虛擬動力學與運動學模塊、虛擬執(zhí)行 機構(gòu)模塊及虛擬敏感器等模塊，構(gòu)成了虛擬控制系統(tǒng)來構(gòu)造新技術(shù)或產(chǎn)品應(yīng)用于衛(wèi)星控制 系統(tǒng)的閉環(huán)工作條件，達到了在不影響衛(wèi)星控制系統(tǒng)真實閉環(huán)的條件下，可將被驗證的新 技術(shù)或新產(chǎn)品進行在軌閉環(huán)驗證，有效的提高了衛(wèi)星控制系統(tǒng)新技術(shù)和新產(chǎn)品的在軌驗證 真實性。同時本發(fā)明采用在計算機中運行虛擬動力學與運動學模塊、虛擬執(zhí)行機構(gòu)模塊及 虛擬敏感器模塊的方法，為被驗證的技術(shù)或產(chǎn)品提供了閉環(huán)條件，不需要為了驗證而單獨 研制真實的衛(wèi)星，因此大大節(jié)約了新技術(shù)和新產(chǎn)品的驗證成本。采用本發(fā)明在控制計算機 中用數(shù)學模擬的方法建立虛擬的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對新產(chǎn)品和新技術(shù)進行閉環(huán)驗證。從而不 用將新產(chǎn)品和新的控制算法接入真實衛(wèi)星控制系統(tǒng)，達到了降低新產(chǎn)品和新技術(shù)的驗證風 險和成本的目的。
【附圖說明】
[0015] 圖1為常規(guī)敏感器在軌測試系統(tǒng)示意圖；
[0016] 圖2為真實閉環(huán)衛(wèi)星控制系統(tǒng)示意圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明的組成框圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述：
[0019] 在航天控制計算機內(nèi)運行虛擬動力學和運動學模塊，該模塊進行衛(wèi)星的動力學和 運動學計算，具體的參數(shù)可以根據(jù)試驗?zāi)康倪M行靈活設(shè)計。如運動學方程：
【主權(quán)項】
1. 一種衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)，其特征在于：由姿態(tài)控制模塊、姿態(tài)確定模 塊、虛擬執(zhí)行機構(gòu)模塊、虛擬動力學與運動學模塊和虛擬敏感器模塊組成； 姿態(tài)控制模塊：運行姿態(tài)控制算法，利用虛擬敏感器測量值與真實敏感器測量值的差 值驅(qū)動姿態(tài)控制算法計算出虛擬執(zhí)行機構(gòu)的控制指令； 虛擬執(zhí)行機構(gòu)模塊：根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)控制指令計算出執(zhí)行機構(gòu)作用于虛擬衛(wèi)星的力與力 矩，進而驅(qū)動虛擬衛(wèi)星動力學與運動學模塊； 虛擬動力學與運動學模塊：模擬了 一顆虛擬衛(wèi)星的運動，這個虛擬的衛(wèi)星作為控制系 統(tǒng)在軌試驗的被控對象，該模塊根據(jù)接收的力和力矩利用衛(wèi)星動力學和運動學方程計算出 虛擬衛(wèi)星的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度信息； 虛擬敏感器模塊：運行敏感器測量的數(shù)學模型，對計算出的虛擬衛(wèi)星姿態(tài)角和姿態(tài)角 速度信息進行測量，該虛擬敏感器測量值作為衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌試驗的敏感器信息； 姿態(tài)確定模塊：根據(jù)虛擬敏感器測量值運行姿態(tài)確定算法，計算得到由虛擬敏感器測 量信息確定出的虛擬衛(wèi)星的姿態(tài)和姿態(tài)角速度信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)，其特征在于：所述利 用虛擬敏感器測量值與真實敏感器測量值的差值驅(qū)動姿態(tài)控制模塊、虛擬執(zhí)行機構(gòu)模塊、 虛擬動力學與運動學模塊和虛擬敏感器模塊、姿態(tài)確定模塊，從而構(gòu)成包含有"真實敏感 器"、"姿態(tài)確定模塊"、"姿態(tài)控制模塊"的閉環(huán)運行條件。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星控制系統(tǒng)在軌閉環(huán)驗證系統(tǒng)，適用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)新技術(shù)及產(chǎn)品的在軌驗證，發(fā)明通過在控制計算機中運行衛(wèi)星動力學運動學計算模塊、執(zhí)行機構(gòu)控制力或力矩計算模塊及敏感器測量值計算模塊，來構(gòu)造新技術(shù)或產(chǎn)品應(yīng)用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)的閉環(huán)工作條件，使用發(fā)明可以在缺少執(zhí)行機構(gòu)、敏感器甚至是被控對象的條件下，仍可達到對衛(wèi)星控制系統(tǒng)的新技術(shù)和產(chǎn)品進行在軌實時閉環(huán)驗證的目的，顯著提高了新技術(shù)和新產(chǎn)品在軌驗證的真實性。
【IPC分類】G05B23-02
【公開號】CN104571097
【申請?zhí)枴緾N201510036223
【發(fā)明人】于萍, 張洪華, 王鵬基, 王華強, 楊巍, 楊潔
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月23日