[发明专利]一种具有冷备份功能的飞轮模拟器

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞轮模拟器，可用于卫星姿态控制系统的地面仿真测试环节，适用于航空航天领域及深空探测环节。

背景技术

卫星工程是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的系统工程，研制一个卫星的控制系统，虽然数学仿真可以大概模拟姿态控制系统的性能，但是由于数学模型很难精确地概括全部细节，有时候某些局部地细节误差有可能使系统性能发生质的变化；某些环境或干扰对器部件性能的影响很难建立准确的数学模型，由此引起的系统性能的改变也只能通过试验发现；一个已研制出来的复杂卫星控制系统在上天之前非常有必要在地面对它做出综合性能的定量评价，为了实现某种指标，试验过程中常常对控制系统的硬件或软件参数进行局部修改，于是半物理仿真便成为系统性能鉴定和优化设计的一种手段。而且由于卫星姿控系统具有造价昂贵，在地面难以调试等特性，因而建立卫星姿控系统的实时仿真系统，用半物理仿真来代替全物理仿真，及时地发现方案设计所忽略和不足的地方，检测方案和技术实现方面的可行性和合理性，对卫星的研制具有十分重要的意义。

在半物理仿真的初级阶段，模拟卫星器部件运动学和动力学模型的电模拟器倍受青睐。首先，电模拟器由实际需要出发，可以根据需要的信号和接口类型设计不同的输入输出接口；其次，电模拟器比数字仿真具有更好的效果，更贴近实际；最后，电模拟器是承接数字仿真和真实器件的重要环节，若直接由整个系统的数字仿真到气浮台、飞轮等半实物系统，可能会遇到很多不可预知的问题，通过电模拟器组成的电信号测试环节过渡，可以由浅入深的解决各个问题。飞轮作为卫星常用的执行机构，在姿态控制系统的验证环节必不可少，其动力学模型比较简单适于数字信号处理，飞轮电模拟器成为姿态运动学与动力学半物理仿真环节的重要组成部分。

飞轮电模拟器在相关领域已有使用，如基于定点型数字信号处理器的飞轮电模拟器和基于FPGA的飞轮电模拟器，也取得了良好的效果。然而现有的飞轮模拟器均存在以下三方面的不足：首先，现有飞轮模拟器仅能实现实物飞轮的电性能模拟功能，但是无法完成飞轮的故障注入及后续的故障切换功能，无法更真实的模拟飞轮在轨运行过程中可能出现的故障情况；其次，现有飞轮模拟器无法实现飞轮之间的冷备份功能，进而无法验证航天器姿控系统中的容错控制及重构算法；最后，现有的飞轮模拟器主控制器以定点数字信号处理器为主，但是定点信号处理器具有不善于处理浮点数的缺陷，不能很好的满足航空航天领域的高精度要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对卫星姿态控制系统的执行机构飞轮难以进行地面仿真的问题，设计了具有冷备份功能的飞轮模拟器，通过对飞轮数学模型的高精度解算模拟真实飞轮的输入输出关系；同时为了模拟飞轮出现故障时切换到备份飞轮的动作，采用冷备份原理，当主飞轮出现故障时，可由选通信号选通备份飞轮的内核电源和输出，切换至备份飞轮工作。

本发明提供一种具有冷备份功能的飞轮模拟器电路板，所述控制电路板包括：信号调理模块、串口电平转换模块、主飞轮模块、备份飞轮模块、信号选通模块和电源管理模块；所述电源管理模块与主飞轮模块、备份飞轮模块和信号选通模块相连，用于提供电源电压；所述信号调理模块与主飞轮模块和备份飞轮模块连接，用于将输入电压的范围转换为模数转换模块的允许输入电压范围；所述串口电平转换模块与主飞轮模块和备份飞轮模块相连，用于串口通信的电平转换；所述信号选通模块与主飞轮模块和备份飞轮模块相连，用于选通主飞轮与备份飞轮模块中的一个模块运行；所述主飞轮模块与信号调理模块、数模转换模块、串口电平转换模块相连，用于对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据;所述备份飞轮模块与信号调理模块、数模转换模块、串口电平转换模块相连，用于在主飞轮模块出现故障时对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据。

所述主飞轮模块由主模数转换模块、主TTL脉冲输出控制模块、主高精度信号处理模块、主串口通信模块、主数模转换控制模块组成，所述主模数转换模块、主TTL脉冲输出控制模块、主高精度信号处理模块、主串口通信模块、主数模转换控制模块通过数据指令总线互相连接，主模数转换模块与主串口通信模块将接收到得外部模拟信息和故障信息分别处理后传输给主高精度信号处理模块，主高精度信号处理模块经过相应的信息处理后，解算出实时的TTL脉冲输出控制信息和数模转换控制信息，并分别发送给主TTL脉冲输出控制模块和主数模转换控制模块，主数模转换控制模块进一步将处理后的指令传送给主数模转换模块完成数字量和模拟量之间的转换。