[发明专利]卫星多物理场数字孪生半实物仿真平台

说明书

本发明公开了一种卫星多物理场数字孪生半实物仿真平台，包括：热模拟舱，其舱壁温度能够在预设范围内进行调节；热布局板，布置在热模拟舱内，用于模拟卫星PCB板；多个热组件和电子元器件，热组件的发热功率可调，热组件和电子元器件能够插设在热布局板上，用于模拟卫星上的电子元器件；分布式测量模块，与热布局板连接，用于测量热布局板的受力和多个点位的温度；红外热成像模块，用于对热布局板的温度场进行成像；控制模块，用于控制热模拟舱、热布局板、热组件、分布式测量模块和红外热成像模块的工作模式和参数，以及采集、存储和处理舱壁温度数据、压力和温度数据、红外图像数据。本发明能够满足复杂环境、多尺度层级和多工况的卫星仿真需求。

技术领域

本发明涉及卫星工程技术领域，尤其涉及一种卫星多物理场数字孪生半实物仿真平台。

背景技术

卫星顺利完成既定任务依赖于多种星载设备，然而，部分星载设备对环境因素十分敏感。以温度为例，航天级别电子元器件的工作温度要求是-55℃～150℃，热应力和热应变会影响芯片封装的可靠性，也会导致腐蚀、氧化、器件炸裂等现象，一般而言，温度每升高10度，器件寿命缩减一半。并且，某些星上载荷对温度要求也较高，如遥感器的红外光学传感器要求低温工作环境，而星上制冷系统、温差发电系统则需要在高温条件下工作。为此，环境温度作为重要的因素对卫星系统部组件的工作性能和寿命具有重要影响，实时监控星上温度场是进行有效星上热控制重要先决条件。但由于卫星等航天器在轨运行时需面临频繁的热循环，再加上部组件自身相互耦合的发热情况，卫星热环境十分复杂，给卫星温度监控带来了巨大挑战。此外，卫星在轨环境十分复杂多变，多物理场耦合的影响使得精确刻画星载设备工作状态变得十分困难，进一步加大了卫星监控的难度。

卫星作为高价值航天器，对发射质量有着严格的要求，星上只能布置数量有限的传感器，无法对星上物理场进行精确的刻画，而通过建立卫星多物理场数字孪生模型可以有效解决该问题，实现对星上物理场的实时监测。

目前，制约卫星多物理场数字孪生模型建模的最重要一点是缺乏真实的在轨运行数据。在现有的研究中，通常采用数值计算方法或半实物仿真实验获取数据，常见的数值计算方法有有限元法、有限体积法、有限差分法等。然而，传统的数值计算方法存在着各自的弊端，如有限元法难以处理复杂方程和大规模求解问题，有限体积法高阶计算方法十分复杂，有限差分法在处理复杂网格时不够灵活；并且，多物理场的耦合还会进一步加剧了数值仿真的难度。因此，基于数值计算方法获得的物理场仿真精度无法保证卫星多物理场数字孪生模型精确建模的要求。此外，卫星设计、制造、运维是一个不断迭代优化的过程，更改任一模型参数都会使得先前的数值计算结果失效，由此带来的巨大计算成本也是不可接受的。半实物仿真技术通过引入高可靠性的软/硬件地面实验环境，可有效提高数字卫星开发精度和效率。然而，现有的半实物仿真平台的仿真环境多是采用简单的定常设置，忽略了真实运行状态下环境变化带来的影响，无法适用于复杂多变在轨环境下的卫星半实物仿真；现有的半实物仿真平台设计多是针对某一个或少数几个特定工况而设计，无法针对多工况、多尺寸进行灵活的扩展，无法满足复杂环境、多尺度层级、多工况的卫星数字孪生半实物仿真需求。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种卫星多物理场数字孪生半实物仿真平台。

本发明的技术方案如下：

提供了一种卫星多物理场数字孪生半实物仿真平台，包括：

热模拟舱，所述热模拟舱的舱壁温度能够在预设范围内进行调节，用于模拟不同运行状态下的卫星舱体；

热布局板，所述热布局板布置在所述热模拟舱内，所述热布局板上设置有多个插拔式阵脚，用于模拟卫星PCB板；

多个热组件和多个电子元器件，所述热组件的发热功率可调，所述热组件和所述电子元器件能够通过所述插拔式阵脚插设在所述热布局板上，所述热组件和所述电子元器件用于模拟卫星上的电子元器件及其组成的各式电路；