衛(wèi)星姿控系統(tǒng)半物理仿真中轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法的實(shí)現(xiàn)

摘要：衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真是在實(shí)驗(yàn)室中模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)特性的試驗(yàn)方法，主要用于驗(yàn)證衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案和性能指標(biāo)，是衛(wèi)星控制系統(tǒng)研制中的一個(gè)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(tái)是一種重要的運(yùn)動(dòng)仿真器，針對(duì)以往轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法復(fù)雜，軟件難實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)單有效的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制算法，并給出具體的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)在仿真中的應(yīng)用具有極大的借鑒和指導(dǎo)意義。

引言

　　衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)實(shí)際上是衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真，由于要求硬件接入回路，它通常用于驗(yàn)證衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案和性能指標(biāo)，包括動(dòng)力學(xué)仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真計(jì)算機(jī)計(jì)算衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，轉(zhuǎn)臺(tái)模擬衛(wèi)星在空間的運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)模擬器模擬衛(wèi)星姿態(tài)敏感期的參考目標(biāo)的環(huán)境特性。本文主要研究轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)接入仿真試驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題：針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法復(fù)雜，地速影響這兩個(gè)主要問(wèn)題，本文給出了具體的轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率極高，同時(shí)給出了地速補(bǔ)償方案及具體實(shí)現(xiàn)方式。本文所介紹的控制算法已成功應(yīng)用于某衛(wèi)星型號(hào)半物理仿真試驗(yàn)中，文章的最后給出了試驗(yàn)結(jié)果。

1 原理

　　衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真比數(shù)學(xué)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(gè)重要環(huán)節(jié)。當(dāng)控制系統(tǒng)研制出來(lái)以后，人們最關(guān)心的問(wèn)題是它的功能和性能是否與設(shè)計(jì)要求相一致，這只有通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)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(shè)備，它必須在特定條件下才能實(shí)現(xiàn)閉路運(yùn)行，并顯示其性能指標(biāo)。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(jìn)行的閉路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，它在地面設(shè)備(運(yùn)動(dòng)仿真器、目標(biāo)仿真器、仿真計(jì)算機(jī)等)的配合下，模擬衛(wèi)星在軌道上的各種運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)方案，檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際性能的目的^[1]。衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

　　運(yùn)動(dòng)仿真器的主要功能是提供一種與衛(wèi)星在軌道運(yùn)行時(shí)相似或等價(jià)的運(yùn)動(dòng)，使衛(wèi)星反饋控制試驗(yàn)形成回路。

　　三軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)高性能的三軸伺服系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，它要求每個(gè)軸嚴(yán)格地跟隨仿真計(jì)算機(jī)的某項(xiàng)輸出。一個(gè)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的效果是使在其內(nèi)軸試驗(yàn)臺(tái)上的儀器作繞轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)實(shí)際上是串接在整個(gè)試驗(yàn)回路中的一個(gè)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(tái)機(jī)械臺(tái)體和控制系統(tǒng)(測(cè)角裝置、電路及控制計(jì)算機(jī)、馬達(dá)等)來(lái)保證。因此，它是一個(gè)名副其實(shí)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)物體的控制仿真(如飛機(jī)、導(dǎo)彈、魚(yú)類等)和某些專用儀器的性能測(cè)試(如陀螺)。某UUT轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物如圖2所示。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)控制鏈路

　　在衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真中，轉(zhuǎn)臺(tái)的控制鏈路如圖2所示。動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算機(jī)將計(jì)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(biāo)系均為星體坐標(biāo)系)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(或串口、反射內(nèi)存等)發(fā)送給仿真器控制計(jì)算機(jī)，仿真器控制計(jì)算機(jī)從轉(zhuǎn)臺(tái)工控機(jī)獲取轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前框架角信息，將星體慣性角速度轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)臺(tái)框架角速度，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(或串口、反射內(nèi)存等)發(fā)送至轉(zhuǎn)臺(tái)工控機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)框架轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　由轉(zhuǎn)臺(tái)控制鏈路可知，仿真器控制計(jì)算機(jī)內(nèi)將星體慣性角速度轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)臺(tái)框架角速度算法為轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用的核心，也是轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文詳細(xì)介紹了一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單完成效率極高的控制算法及其詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程，易于工程實(shí)現(xiàn)。

3 轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法

　　以UUT轉(zhuǎn)臺(tái)為例，設(shè)分別為轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)、中、外框架角，從轉(zhuǎn)臺(tái)工控機(jī)獲取，轉(zhuǎn)臺(tái)零位時(shí)，即內(nèi)、中、外框軸正交，構(gòu)成右手坐標(biāo)系時(shí)，內(nèi)、中、外框軸分別對(duì)應(yīng)于星體坐標(biāo)系的偏航軸Za、滾動(dòng)軸Xa、俯仰軸Ya，定義該坐標(biāo)為星體坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)固連。

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

　　設(shè)繞轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)、中、外軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)框架角速度如下：

(2)

(3)

4 地速補(bǔ)償方法

　　由于仿真試驗(yàn)在地面進(jìn)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(yùn)行時(shí)所沒(méi)有的，仿真試驗(yàn)中應(yīng)予以扣除。

　　首先將地速投影至轉(zhuǎn)臺(tái)零位坐標(biāo)系，然后再投影到轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系(即星體系)，設(shè)地速為w_e，λ為轉(zhuǎn)臺(tái)所在地的地理緯度，δ為北向逆時(shí)針轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)臺(tái)零位時(shí)Xa軸(中框軸)的角度，得到地速在星體坐標(biāo)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(tái)框架角速度如下，將此公式代入轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法中，即可完成對(duì)于地速的補(bǔ)償：

　(6)

　(7)

5 關(guān)鍵技術(shù)

　　該算法有以下兩個(gè)突出的關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法：轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法不同于常規(guī)的實(shí)現(xiàn)方式，該方法不存在矩陣求逆等復(fù)雜的矩陣運(yùn)算、編寫(xiě)軟件較容易實(shí)現(xiàn)、軟件運(yùn)行時(shí)間短，從而極大地提高了仿真的實(shí)時(shí)性;

　　(2)地速補(bǔ)償算法：地球自轉(zhuǎn)對(duì)陀螺的影響與仿真試驗(yàn)室在地球上所處的緯度以及安裝陀螺的運(yùn)動(dòng)模擬器所處的方位有關(guān)。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(yàn)中，它將投影到每個(gè)陀螺的輸入軸上，成為一種附加干擾，必須加以補(bǔ)償，本文所介紹的地速補(bǔ)償方法，扣除地速影響后，大大提高了轉(zhuǎn)臺(tái)模擬衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度，能夠適用于高穩(wěn)定度衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真要求。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　本文介紹的控制算法，已應(yīng)用于上海航天控制技術(shù)研究所某衛(wèi)星型號(hào)半物理仿真試驗(yàn)，轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)力學(xué)仿真輸出衛(wèi)星姿態(tài)角速度等試驗(yàn)曲線如圖7~圖10所示。可見(jiàn)，陀螺測(cè)量得到衛(wèi)星姿態(tài)角速度與動(dòng)力學(xué)仿真輸出一致，說(shuō)明應(yīng)用該控制算法，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)模擬衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

7 結(jié)論

　　本文詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)臺(tái)在衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真中應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)方法，該方法具有軟件易實(shí)現(xiàn)、不存在矩陣求逆等矩陣運(yùn)算、節(jié)省軟件運(yùn)行時(shí)間、提高控制實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。另外，扣除地速影響后，大大提高了轉(zhuǎn)臺(tái)模擬衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度，能夠適用于高穩(wěn)定度衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真。目前該方法已經(jīng)在多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)的半物理仿真中得到成功應(yīng)用，對(duì)于其它環(huán)境下的半物理仿真應(yīng)用也具有極大的借鑒意義。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第61頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。