一種基于即插即用技術(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)控制地面仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)測試領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于即插即用技術(shù)用于小衛(wèi)星姿態(tài)控制測試的地面仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]姿態(tài)控制作為衛(wèi)星設(shè)計(jì)中高復(fù)雜度的系統(tǒng)，其穩(wěn)定性、可靠性的重要不言而喻。衛(wèi)星研制過程中，為確保衛(wèi)星發(fā)射后在真實(shí)的空間環(huán)境下能夠按照設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行，不得不在地面為其進(jìn)行大量的仿真測試，航天器控制系統(tǒng)半物理仿真正是這其中的一種。其利用氣浮轉(zhuǎn)臺作為運(yùn)動模擬器并結(jié)合部分實(shí)物搭建半物理仿真環(huán)境，對衛(wèi)星姿態(tài)控制方案和算法提供仿真驗(yàn)證。氣浮轉(zhuǎn)臺通過平臺與支架之間的高壓氣體使平臺浮于空中，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的平臺與固定臺架之間近似無摩擦的相對轉(zhuǎn)動，據(jù)此模擬衛(wèi)星在太空中的力學(xué)環(huán)境。利用氣浮轉(zhuǎn)臺可以在地面上模擬衛(wèi)星單軸或多軸的姿態(tài)運(yùn)動。
[0003]目前國內(nèi)外針對航天器姿態(tài)控制半物理仿真系統(tǒng)所進(jìn)行研究的很多，大都著重于系統(tǒng)硬件、軟件或者接口的設(shè)計(jì)，一般只適用于一種型號衛(wèi)星的測試，沒有考慮測試的通用性和系統(tǒng)性，成本高且復(fù)用性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種具有通用性的基于即插即用技術(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)控制地面仿真系統(tǒng)。
[0005]—種基于即插即用技術(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)控制地面仿真系統(tǒng)，包括氣浮轉(zhuǎn)臺、嵌入式姿控單元、即插即用部件、地面控制單元和顯示設(shè)備；所述氣浮轉(zhuǎn)臺上搭載有即插即用部件，所述即插即用部件為帶有智能接口單元的星載設(shè)備，星載設(shè)備包括光纖陀螺、反作用飛輪，光纖陀螺為仿真系統(tǒng)的傳感器部件，反作用飛輪為仿真系統(tǒng)的執(zhí)行部件，所述智能接口單元分別與傳感器部件、執(zhí)行部件組合成即插即用節(jié)點(diǎn)后再通過CAN控制總線與嵌入式姿控單元相連，實(shí)現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)、指令的收發(fā)；
[0006]所述嵌入式姿控單元通過智能接口單元間接訪問與控制星載設(shè)備，嵌入式姿控單元負(fù)責(zé)接收光纖陀螺輸出的測量數(shù)據(jù)，計(jì)算衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)并與預(yù)期姿態(tài)相比較，利用PID姿態(tài)控制算法得到飛輪控制量，并發(fā)送控制指令給反作用飛輪，同時(shí)將實(shí)時(shí)姿態(tài)信息發(fā)送至地面控制單元；
[0007]所述地面控制單元和顯示設(shè)備為一臺PC機(jī)，地面控制單元與嵌入式姿控單元通過串口連接無線數(shù)傳模塊，該無線數(shù)傳模塊通過片上系統(tǒng)CC2431的USART接口和片內(nèi)集成的射頻收發(fā)器，采用串行協(xié)議，以無線方式(2.4GHzISM頻帶)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。所述地面控制單元接收嵌入式姿控單元發(fā)送來的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息并將這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲，同時(shí)于顯示設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示衛(wèi)星姿態(tài)信息(即氣浮轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度與轉(zhuǎn)動角速度)以及光纖陀螺輸出的測量數(shù)據(jù)。
[0008]本發(fā)明中，所述光纖陀螺用于采集氣浮轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度以及角速度，輸出給嵌入式姿控單元，嵌入式姿控單元根據(jù)其輸出氣浮臺轉(zhuǎn)動角度與角速度信息進(jìn)行姿態(tài)確定與調(diào)整；
[0009]所述反作用飛輪用于接收嵌入式姿控單元輸出的控制指令，產(chǎn)生對應(yīng)的控制力矩驅(qū)動氣浮轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動以此模擬衛(wèi)星姿態(tài)控制。
[0010]本發(fā)明中:所述智能接口單元包括控制器，存儲器，控制總線接口，星載設(shè)備接口，電源和調(diào)試接口，所述控制總線接口、星載設(shè)備接口、調(diào)試接口以及存儲器均與控制器連接，所述電源為智能接口單元提供工作電壓，所述存儲器上存儲有設(shè)備自描述信息表和智能接口單元程序；所述星載設(shè)備接口用于連接相應(yīng)的星載設(shè)備；所述控制總線接口用于連接CAN控制總線實(shí)現(xiàn)智能接口單元與嵌入式姿控單元的相連；所述控制器選用ATMEL公司ARM架構(gòu)的單片機(jī)SAM3X8C，用于完成嵌入式姿控單元與星載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；所述調(diào)試接口用于智能接口單元程序的調(diào)試及燒錄。
[0011]其中:所述設(shè)備自描述信息表為基于XML語言的xTEDS(extensible ElectronicTransducer Data Sheet)文件，xTEDS文件用于描述星載設(shè)備，定義星載設(shè)備的類型、屬性、能力，定義嵌入式姿控單元與智能接口單元間的通信接口 ；
[0012]所述智能接口單元程序，用于對與其連接的星載設(shè)備的自檢；實(shí)現(xiàn)星載設(shè)備的在線注冊，將星載設(shè)備的設(shè)備信息xTEDS發(fā)送給嵌入式姿控單元；完成星載設(shè)備的初始化；從星載設(shè)備讀取檢測數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給嵌入式姿控單元；轉(zhuǎn)發(fā)嵌入式姿控單元發(fā)送給星載設(shè)備的控制指令。在xTEDS設(shè)計(jì)中，xTEDS定義的操作、變量、消息均定義一個(gè)編號，這樣每次對設(shè)備的訪問，總線只需傳輸特定的編號，可大大減小傳輸數(shù)據(jù)量，從而減小每次對設(shè)備訪問的時(shí)間。
[0013]每個(gè)星載設(shè)備的智能接口單元均會分配一個(gè)獨(dú)立的ID，嵌入式控制單元也分配有一個(gè)獨(dú)立的ID，智能接口單元將屏蔽發(fā)送往其他智能接口的CAN報(bào)文，嵌入式控制單元接收CAN控制總線上所有報(bào)文。
[0014]本發(fā)明中:所述嵌入式姿控單元包括處理器、外擴(kuò)存儲器、控制總線接口 CAN，JTAG調(diào)試接口，USB接口，RS232和RS422，所述外擴(kuò)存儲器、控制總線接口 CAN，JTAG調(diào)試接口，USB接口，RS232和RS422均與處理器連接；控制總線接口 CAN通過總線網(wǎng)絡(luò)和星載設(shè)備的智能接口單元相連接，實(shí)現(xiàn)嵌入式姿控單元和星載設(shè)備的信息交互。
[0015]所述處理器選用ATMEL公司的嵌入式ARM芯片AT91RM9200，其上運(yùn)行版本為2.6.21的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。
[0016]所述外擴(kuò)存儲器包括FLASH存儲器和SDRAM存儲器，F(xiàn)lash存儲器用于存儲操作系統(tǒng)、中間件及應(yīng)用程序(如姿態(tài)控制算法程序)，另外還可以根據(jù)需要存儲數(shù)據(jù)；SDRAM是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、程序執(zhí)行的地方，在啟動過程中需要將操作系統(tǒng)和程序從FLASH中拷貝到SDRAM里執(zhí)行。
[0017]嵌入式姿控單元檢測到有新的星載設(shè)備上線后，將廣播自己的信息即總線ID，新上線的星載設(shè)備的智能接口單元接收到嵌入式姿控單元信息后，將向其發(fā)送注冊請求，得到嵌入式姿控單元注冊確認(rèn)后，再將新上線星載設(shè)備的設(shè)備信息xTEDS發(fā)送給嵌入式姿控單元，完成設(shè)備的注冊；PID姿態(tài)控制算法程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用嵌入式姿控單元調(diào)用相應(yīng)星載設(shè)備其智能接口單元內(nèi)存儲的設(shè)備自描述信息表中定義的通信接口完成星載設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問與動作控制:智能接口單元將CAN控制總線上收到的來自嵌入式自控單元的命令或請求進(jìn)行解析與轉(zhuǎn)換，向星載設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的動作執(zhí)行指令或從星載設(shè)備處獲取測量數(shù)據(jù)，之后智能接口單元再將收到的來自星載設(shè)備的指令反饋與數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過CAN控制總線發(fā)送至嵌入式姿控單元，如此循環(huán)反復(fù)。
[0018]進(jìn)一步的，所述的氣浮轉(zhuǎn)臺，為單軸氣浮轉(zhuǎn)臺可以模擬滾動、俯仰、偏航中的其中任一通道。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]本發(fā)明所述的基于即插即用技術(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)控制地面仿真系統(tǒng)具有較強(qiáng)通用性和系統(tǒng)性，具有較強(qiáng)的可操作性。利用智能接口模塊結(jié)合相應(yīng)軟件使得本發(fā)明所述系統(tǒng)適應(yīng)性大大增加，可以實(shí)現(xiàn)不同類型小衛(wèi)星姿態(tài)控制地面仿真測試，能夠應(yīng)用到基于氣浮轉(zhuǎn)臺的物理仿真系統(tǒng)中，減少了系統(tǒng)硬件的重復(fù)設(shè)計(jì)，只需在軟件上進(jìn)行相關(guān)修改即可用于新應(yīng)用，縮短了研發(fā)周期與成本。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0022]圖2為