[发明专利]卫星执行机构在线重构的半物理平台以及控制方法

说明书

技术领域

本发明公开了卫星执行机构在线重构的半物理平台以及控制方法，属于航空航天的技术领域。

背景技术

姿态控制系统作为卫星诸多分系统中最复杂的分系统之一，在卫星控制中起到非常关键的作用。然而，由于卫星长时间工作在复杂的太空环境中，姿控系统的部件容易发生故障，需要采取一定的措施保证故障情况下姿态控制系统的性能。美国国家航空宇航局(NASA)在1982年首先提出了重构控制的概念，它是在传统冗余度控制理论的基础上发展起来的。重构控制是指在系统的一个或多个关键部件发生故障或失效时，通过改变系统的结构，利用备用元件或其他工作元件来替代故障元件，以保持系统的性能。针对具有冗余执行机构配置的卫星姿态控制系统，重构控制的实质是运用硬件冗余和解析冗余的方法，充分利用系统自身内在的功能冗余，使执行机构发生故障后仍能完成姿态控制任务。重构控制的研究对提高卫星的安全性、稳定性和生存能力等具有重要的意义。

近年来，国内外很多学者针对卫星执行机构故障，展开了多种重构控制研究，并用数学仿真的方法在理论上验证了控制策略的有效性。然而，这些重构方法的研究仅局限于理论研究部分，其工程可实现性很少得到验证。为减小新技术给高投入航天事业所带来的风险，在重构控制方法实际应用之前，为验证控制方法的有效性，提高仿真的置信度，半物理仿真验证是必须进行的一个环节。

卫星姿态控制系统半物理仿真平台就是将传感器和执行机构等星上实物和空间环境等数学模型互相联系起来，再现卫星姿控系统的实际工作过程，可应用于系统的论证和方案设计阶段。卫星姿态控制系统是一个硬实时的系统，执行机构需要实时响应控制指令，输出控制力矩，传感器需要实时采集星体姿态信息，传递给控制器进行控制量解算，因此，需要使用实时半物理仿真平台以满足其硬实时性的要求。现有的卫星姿态控制半物理仿真平台多使用Matlab编写应用程序，通过RTW将Simulink模型编译生成代码，下载到目标机上进行半物理仿真，虽然方法简单，但是对目标机硬件要求高，代码可移植性差，而且其实时性不能满足工程上卫星姿态控制系统的性能要求。因此，使用硬实时操作系统和高可靠性硬件设备，搭建一个高可靠性、高实时性、代码可移植性、接口丰富、可扩展的卫星姿态控制系统在线重构控制半物理仿真平台，以验证重构策略的工程可实现性，对提高卫星姿态控制系统的故障处理能力和重构水平，切实保障系统的可靠性、可维护性和有效性，实现理论研究到工程应用的跨度具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了卫星执行机构在线重构的半物理平台以及控制方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

卫星执行机构在线重构的半物理平台，包括：

遥控计算机，通过交换机发送目标控制信号至星载控制计算机；

模型仿真计算机，采集执行机构的转速信号，解算出作用在卫星本体上的控制力矩，然后根据建立的卫星动力学模型、运动学模型得出卫星姿态角和角速度的理论值，接着将根据姿态传感器模型得到的传感器姿态测量值发送给星载控制计算机；

星载控制计算机装有VxWorks操作系统，根据姿态测量值确定卫星姿态角以及角速度，根据控制目标解算控制律得到目标控制信号，再解算分配律得到执行机构的实际控制信号，执行机构在实际控制信号的作用下产生姿态控制力矩，卫星姿态角以及角速度通过交换机传输至遥测计算机；

遥测计算机，用于实时动态显示卫星姿态角、角速度以及执行机构的实际控制信号等。

作为所述卫星执行机构在线重构半物理平台的进一步优化方案，使用Visual Studio2005软件设计遥控计算机界面，使用Visual Studio2005软件和Satellite Tool Kit软件联合设计遥测计算机界面，

遥测计算机使用VS建立遥测界面，并通过STKX组件连接STK卫星仿真工具包，调用STKX组件的应用程序接口函数，实现卫星在轨运行过程的3-D可视化演示。

卫星执行机构在线重构的控制方法，利用如权利要求1或2所述的卫星执行机构在线重构的半物理平台得到卫星姿态重构控制方案，具体包括如下步骤：

步骤A，在飞轮正常工作时，利用PD控制率u=K_Pα+K_Dω+ω×Jω得出飞轮的实际控制信号u，其中，α、ω为卫星的姿态角和角速率，K_P和K_D为比例和微分系数，J为卫星转动惯量；