[發明專利]衛星執行機構在線重構的半物理平臺以及控制方法

有效

• 申請號: 201410058500.0
• 申請日: 2014-02-21
• 公開（公告）號: CN103869700B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 成婧;姜斌;程月華;夏青;田靜
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明公開了衛星執行機構在線重構的半物理平臺以及控制方法，屬于航空航天的技術領域。

背景技術

姿態控制系統作為衛星諸多分系統中最復雜的分系統之一，在衛星控制中起到非常關鍵的作用。然而，由于衛星長時間工作在復雜的太空環境中，姿控系統的部件容易發生故障，需要采取一定的措施保證故障情況下姿態控制系統的性能。美國國家航空宇航局(NASA)在1982年首先提出了重構控制的概念，它是在傳統冗余度控制理論的基礎上發展起來的。重構控制是指在系統的一個或多個關鍵部件發生故障或失效時，通過改變系統的結構，利用備用元件或其他工作元件來替代故障元件，以保持系統的性能。針對具有冗余執行機構配置的衛星姿態控制系統，重構控制的實質是運用硬件冗余和解析冗余的方法，充分利用系統自身內在的功能冗余，使執行機構發生故障后仍能完成姿態控制任務。重構控制的研究對提高衛星的安全性、穩定性和生存能力等具有重要的意義。

近年來，國內外很多學者針對衛星執行機構故障，展開了多種重構控制研究，并用數學仿真的方法在理論上驗證了控制策略的有效性。然而，這些重構方法的研究僅局限于理論研究部分，其工程可實現性很少得到驗證。為減小新技術給高投入航天事業所帶來的風險，在重構控制方法實際應用之前，為驗證控制方法的有效性，提高仿真的置信度，半物理仿真驗證是必須進行的一個環節。

衛星姿態控制系統半物理仿真平臺就是將傳感器和執行機構等星上實物和空間環境等數學模型互相聯系起來，再現衛星姿控系統的實際工作過程，可應用于系統的論證和方案設計階段。衛星姿態控制系統是一個硬實時的系統，執行機構需要實時響應控制指令，輸出控制力矩，傳感器需要實時采集星體姿態信息，傳遞給控制器進行控制量解算，因此，需要使用實時半物理仿真平臺以滿足其硬實時性的要求。現有的衛星姿態控制半物理仿真平臺多使用Matlab編寫應用程序，通過RTW將Simulink模型編譯生成代碼，下載到目標機上進行半物理仿真，雖然方法簡單，但是對目標機硬件要求高，代碼可移植性差，而且其實時性不能滿足工程上衛星姿態控制系統的性能要求。因此，使用硬實時操作系統和高可靠性硬件設備，搭建一個高可靠性、高實時性、代碼可移植性、接口豐富、可擴展的衛星姿態控制系統在線重構控制半物理仿真平臺，以驗證重構策略的工程可實現性，對提高衛星姿態控制系統的故障處理能力和重構水平，切實保障系統的可靠性、可維護性和有效性，實現理論研究到工程應用的跨度具有重要的意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了衛星執行機構在線重構的半物理平臺以及控制方法。

本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案：

衛星執行機構在線重構的半物理平臺，包括：

遙控計算機，通過交換機發送目標控制信號至星載控制計算機；

模型仿真計算機，采集執行機構的轉速信號，解算出作用在衛星本體上的控制力矩，然后根據建立的衛星動力學模型、運動學模型得出衛星姿態角和角速度的理論值，接著將根據姿態傳感器模型得到的傳感器姿態測量值發送給星載控制計算機；

星載控制計算機裝有VxWorks操作系統，根據姿態測量值確定衛星姿態角以及角速度，根據控制目標解算控制律得到目標控制信號，再解算分配律得到執行機構的實際控制信號，執行機構在實際控制信號的作用下產生姿態控制力矩，衛星姿態角以及角速度通過交換機傳輸至遙測計算機；

遙測計算機，用于實時動態顯示衛星姿態角、角速度以及執行機構的實際控制信號等。

作為所述衛星執行機構在線重構半物理平臺的進一步優化方案，使用Visual?Studio2005軟件設計遙控計算機界面，使用Visual?Studio2005軟件和Satellite?Tool?Kit軟件聯合設計遙測計算機界面，

遙測計算機使用VS建立遙測界面，并通過STKX組件連接STK衛星仿真工具包，調用STKX組件的應用程序接口函數，實現衛星在軌運行過程的3-D可視化演示。

衛星執行機構在線重構的控制方法，利用如權利要求1或2所述的衛星執行機構在線重構的半物理平臺得到衛星姿態重構控制方案，具體包括如下步驟：

步驟A，在飛輪正常工作時，利用PD控制率u=K_Pα+K_Dω+ω×Jω得出飛輪的實際控制信號u，其中，α、ω為衛星的姿態角和角速率，K_P和K_D為比例和微分系數，J為衛星轉動慣量；