[發明專利]航天器智能自主控制研究與驗證系統

有效

• 申請號: 202011268513.2
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112363410B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 張斌斌;張育林
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;G05B23/02;B64G7/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種航天器智能自主控制研究與驗證系統，系統由航天器動力學仿真器、智能自主控制器、器件模擬器以及航天器運動狀態三維動態顯示終端四部分組成。在研究與驗證系統中，直接引入嵌入式航天器控制處理單元作為控制計算機，實現了對航天器智能自主控制的半實物仿真。本發明具有以下優點：綜合考慮了航天器在軌運行受到的復雜動力學環境和控制系統設備單機特性；采用了基于高頻廣播和請求應答相結合的數據交換方式，確保了智能自主控制器數據交換的實時性和可靠性；提供了控制系統單機設備故障自主檢測和處理方案，可驗證控制自主應急策略；可對控制算法、時序調度、設備訪問管理等全方面的測試和驗證，系統構建成本低，實用性較強。

技術領域

本發明屬于智能自主控制研究與驗證系統與方法領域，尤其涉及一種航天器智能自主控制研究與驗證系統。

背景技術

控制系統是航天器最關鍵的分系統，主要完成航天器的飛行控制、任務管理規劃等功能，是航天器的大腦和靈魂。由于控制系統通常由控制計算單元、控制軟件以及眾多傳感器和執行器設備，且需要與其它分系統進行繁復的信息交互，導致控制系統組成和接口都較為復雜，是出現異常或故障概率最大的分系統。為了保證航天器控制系統能夠可靠正常的工作，需要在研制過程中對其進行充分的測試和驗證。

在開展航天器智能自主控制研究中，建立相應的驗證系統，對確保控制算法的正確可靠性至關重要。由于航天器是在太空中特定的軌道和引力約束下運行，在地面上模擬其運行環境是一個重要的挑戰。通常有三種實現方式：數字仿真、實物仿真和半實物仿真。其中數字仿真是通過建立航天器運行動力學模型、執行器模型以及傳感器模型來實現的，是純數字化的模擬方法，可以對控制系統的算法、功能、流程進行測試檢驗，但很難驗證系統的時序調度、接口訪問、設備管理等功能。實物仿真中，利用氣浮臺等裝置模擬航天器在太空中零重力狀態，利用太陽模擬器、星模擬器、磁環境模擬器等裝置模擬控制系統各種傳感設備的輸入，從而形成閉環的控制系統。實物仿真是對航天器在軌運行狀態最逼近的一種模擬測試，但其系統復雜，需要大量設備和時間才能實現，總體付出代價較高。半實物仿真是在數字仿真中引入部分實物單機來實現的。一般會將控制計算機引入半實物仿真閉環，從而可以對控制系統實時性、接口訪問等進行驗證，避免了全數字仿真的不足和實物仿真的復雜。

面向航天器智能自主控制問題，構建研究與驗證系統，是全新的問題，利用已有的相關技術實現需要解決的問題有：

1.基于半實物仿真構建航天器智能自主控制研究與驗證系統，可以對控制系統進行較為全面的測試與驗證，但需要突破智能自主控制器與仿真器之間實時性數據交互；

2.需要滿足智能自主控制的驗證需要，包括要能開展自主在軌控制任務和自主應急策略的測試。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種航天器智能自主控制研究與驗證系統，用于解決以下問題：

1.航天器智能自主控制的算法開發、測試以及系統集成驗證；

2.半實物仿真中智能自主控制器數據的實時和可靠通信問題；

3.航天器智能自主控制中單機的自主故障檢測與處理測試問題。

本發明采用的技術方案如下：

本發明公開了一種航天器智能自主控制研究與驗證系統，該系統包括航天器動力學仿真器、智能自主控制器、器件模擬器以及航天器運動狀態三維動態顯示終端等四部分；

S1，所述的航天器動力學仿真器：綜合考慮了航天器在軌運行受到的空間力和力矩作用，其中空間力主要有地球中心引力和空間攝動力，空間力矩主要有重力梯度力矩和氣動力矩；結合智能自主控制器輸出的控制量，采用高效的數值計算積分器，數值計算得到航天器當前的運動狀態。

S2，所述的智能自主控制器：由嵌入式計算機和控制計算軟件兩部分組成，可直接對控制系統的敏感器、執行器進行管理和訪問控制，是負責航天器平臺飛行控制和任務控制的模塊。