[发明专利]一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法

说明书

本发明涉及一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法，包括下列步骤：使用力矩测量系统测量反作用轮的输出力并且确定输出力矩，其中所述力矩测量系统包括力传感器和单轴气浮轴承；在仿真的稳定工况的情况下，采用均值算法确定力矩测量系统的偏差并进行补偿；以及使用力矩测量系统的输出结果进行仿真。本发明还涉及一种用于卫星控制系统的半物理仿真系统。通过本发明的方法或系统，可以精确地测量反作用轮的输出力矩并且实时地补偿反作用轮的所测量的输出力矩与实际力矩之间的误差，由此避免反作用轮超速旋转，并提高仿真试验的有效性和精确性。

技术领域

本发明总体而言涉及航天控制领域，具体而言涉及一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法。此外，本发明还涉及一种用于卫星控制系统的半物理仿真系统。

背景技术

针对卫星姿轨控制的半物理仿真试验是验证卫星的姿轨控系统设计的重要方法。半物理仿真系统是采用多台实时仿真计算机来分别模拟卫星轨道、姿态动力学、卫星在轨运行环境、星载计算机、姿态敏感器、执行机构等，并能实现各单机的电性能接口模拟。在全部单机交付后，将实物配合模拟器，替换原实时仿真机，接入闭环，形成台架测试。而反作用轮作为卫星姿态控制的重要执行机构，在被引入半物理仿真试验闭环以后可使试验更加接近真实系统，从而更好地测试各个姿轨控分系统的设计。然而，在传统卫星姿轨控仿真试验中，仅将反作用轮利用遥测采集转速引入闭环，或采用交叉线使卫星动力学模型闭环而反作用轮开环只接收遥测指令，这两种方法延时大，对系统动态影响大。为取得更好的实时性以提高仿真结果与真实系统的一致性，目前采用高精度力传感器测量反作用轮输出力矩以将反作用轮引入半物理仿真闭环试验。

但是，在采用高精度力传感器测量反作用轮输出力矩过程中，由于初始输出存在显著误差，因此导致测量系统最终反馈给卫星动力学模型中的反作用轮实时力矩出现偏差，从而造成动力学模型中有外力矩引入。在半物理试验进入长时间卫星对地后的稳定工作阶段，为了抵消外力矩的干扰，在卫星姿态稳定的情况下，反作用轮的转速却以一定的加速度进行加速，致使转速沿某一方向上升，直至超出转速阈值，影响半物理闭环仿真试验的有效性，并且易对反作用轮造成伤害。通常使用的人为手动初始校准方法存在较大缺陷，无法判断力矩测量系统何时达到平稳输出，需反复进行校准，且容易造成较大的输出振荡，进而影响半物理仿真试验的结果。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是提供一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法以及一种用于卫星控制系统的半物理仿真系统，通过该方法或该系统，可以精确地测量反作用轮的输出力矩并且实时地补偿反作用轮所测量的输出力矩与实际力矩之间的误差，由此避免反作用轮超速旋转，并提高仿真试验的有效性和精确性。

在本发明的第一方面，前述任务通过一种采用反作用轮的卫星控制系统半物理仿真方法来解决，该方法包括下列步骤：

使用力矩测量系统测量反作用轮的输出力并且确定输出力矩，其中所述力矩测量系统包括力传感器和单轴气浮轴承；

在仿真的稳定工况的情况下，采用均值算法确定力矩测量系统的偏差并进行补偿；以及

使用力矩测量系统的输出结果进行仿真。

在本发明的一个优选方案中规定，使用力矩测量系统测量反作用轮的输出力并且确定输出力矩包括下列步骤：

由气浮轴承提供干扰力矩；

由力传感器测量反作用轮的输出力；以及

根据所述输出力和回转中心半径确定输出力矩。

通过该优选方案，可以精确地确定反作用轮的初始输出力矩，从而提高仿真精度，这是因为通过由单轴气浮轴承支承反作用轮，可以可靠地抵消重力，使得其回转精度和非理想力力矩满足系统要求。

在本发明的另一优选方案中规定，采用均值算法确定力矩测量系统的偏差并进行补偿包括下列步骤：