基于气浮台的微小卫星姿态控制实时仿真

小卫星方面

2010年7月

第36卷第7期

北京航空航天大学学报

JournalofBeiinniversitfAeronauticsandAstronauticsjgUyo

Jul 2010y

Vol.36 No.7

基于气浮台的微小卫星姿态控制实时仿真

()()北京航空航天大学宇航学院,北京1哈尔滨工业大学空间智能系统研究所,哈尔滨10019153001

王新升 韩建斌梁 斌 李基勇

以单轴气浮台为仿真平台,对单刚体微小卫 摘 要:针对某在研卫星项目任务需求,星的姿态控制问题进行了气浮台实时仿真研究.介绍了微小卫星仿真气浮台系统的硬件组成,论述了仿真系统软件实现的机制,分析了姿态控制系统的基本原理.根据任务要求,对微小卫星三轴正常姿态稳定控制,大角度机动姿态控制模式进行了仿真实验.实验结果表明姿态控制系统的控制精度能够满足任务要求,从而验证了姿态控制系统方案的正确性和可行性.

关 键 词:姿态控制;单轴气浮台;实时仿真;微小卫星中图分类号:TP273

()文献标识码:A 文章编号:1001-5965201007-0767-04

Micro-satelliteattitudecontrolreal-timesimulation

basedonmono-axisair-bearintableg

(,,)SchoolofAstronauticsBeiinniversitfAeronauticsandAstronauticsBeiin00191,ChinajgUyojg1

(,H,H)SaceIntellienceSstemInstitutearbinInstituteofTechnoloarbin153001,Chinapgygy

Waninshen HanJianbingXg

Lianin LiJiongByg

:MAbstracticrosatelliteattitudecontrolrealtimesimulationwasstudiedbasedonthemonoaxis---,airbearinablewhichwassuortedbicrosatelliteproect.Thehardwarestructureofthemigtppyamj---crosatelliteairbearinablewasintroducedandthesoftwarearchitectureforthesimulationsstemgty--;wasdescribedRealmicrosatelliteattitudecontrolsstemwasanalzed.Accordintothemissionreyyg--linndthelareanleattitudemaneuverproblem.Thesimulationresultsshowthatthemicrosatelgagg--liteattitudecontrolschemeisimlementedandthecontrolprecisionissatisfiedtomeetthemissionpfied.

:;m;;mKeordsattitudecontrolonoaxisairbearinablerealtimesimulationicrosatellitegtyw----近似无摩擦的环境.气浮台依靠压缩气体在气浮轴承与轴承座之间形成气膜,使台体浮起,从而实现气浮台近似无摩擦的相对运动,可模拟卫星在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境.与卫星的半物理仿真(即硬件接入回路)相比,气浮台仿真不需要卫星动力学仿真计算机,卫星动力学由气浮台来模拟.而执行机构飞轮产生的力矩直接作用于气浮台上,实现对气浮台的姿态控制.气浮台能够在地面上更真实地模拟卫星在空间中的姿

reuirements.Thefeasibilitndreliabilitfthemicrosatelliteattitudecontrolschemeisalsoveriqyayo--,uirementstherealtimesimulationfocusedonthemicrosatellitethreeaxisattitudestablecontrolq----

卫星姿态控制仿真是卫星控制系统设计过程

]1-2

中一个必不可少的环节[从卫星控制系统方.

案设计,卫星控制系统在轨运行时的故障对策,都需要通过仿真的方法进行验证.通过各种类型的仿真实验(数字仿真、半物理仿真、全物理仿真)全面验证卫星控制系统技术设计的正确性,优化系统参数,对系统进行鉴定,进行故障分析仿真等,以保证卫星设计的各项指标达到相应的要求.

卫星姿态运动的物理仿真,主要考虑到空间

收稿日期:2009-05-10

) 基金项目:国家863计划资助项目(2007AA704340,2007AA704115

,男,黑龙江伊春人,讲师, 作者简介:王新升(1973-)xswan@http://doc.guandang.net.g

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态动力学、动量交换、通道间动量耦合问题,可以深入分析所建立的数学模型中可能存在的问

3]题[.

本文针对某在研微小卫星的典型姿态控制问

题进行了深入研究,对卫星姿态控制系统进行实时仿真,给出并分析了仿真结果.

1 气浮台卫星姿态仿真系统

1.1 系统硬件组成

单轴气浮台卫星姿态仿真系统的硬件包括台上仿真控制系统、台上技术系统以及地面支持设备

[4-6

]实物组.台上系统主要由俯仰轴姿态控制的仿真成,以气浮台为卫星本体,飞轮为执行机构,陀螺为速度敏感器构成了俯仰轴闭环控制的全物理仿真回路;台上技术系统是指除了卫星仿真控制系统以外,为保证系统仿真而装载在气浮台上的其它设备;地面支持设备包括气浮台本身及其配套设备、气浮台气源、地面监控系统以及目标仿真器等.如图1所示.

S485和RS)为无线访问节点图232为串行总线;1 单轴气浮台仿真系统硬件组成

AP(AccessPoint

..2 气浮台姿态仿真系统软件

气浮台卫星姿态仿真实验系统的软件运行在台上计算机上,主要用于实现卫星姿态控制系统的实时仿真.其主要功能包括:完成气浮台一些技术指标的测试;系统设备性能指标的测试;系统数学模型及系统控制模型的实现;仿真试验数据存储、显示、控制等.基本功能框图如图2所示仿真服务软件为数学模型和控制模块提供程

.

序调度接口,执行数学仿真以及气浮台台体姿态的控制算法,实现气浮台仿真试验的周期控制,保证系统设备间读写数据的完整和同步,完成仿真数据通过网络进行周期传送,达到进行数据后处理的目标块、飞轮模块.仿真服务软件的结构主要分为陀螺模、网络通信模块、仿真任务定时模块、

图2 气浮台仿真实验系统功能框图

数学仿真及控制模块VxWorks的互斥信号.在所有模块中,均采用了

量,

用于保证任务间的同步.仿真系统服务软件流程如图3所示.

图3 仿真系统服务软件流程图

仿真服务软件提供设备数据读写的接口,同时能直接与数学模型进行数据的通信,从总体上

实现了仿真任务的周期执行实现,通过保持接口协议一致.数学模型用,就能直接移植到该C语言服务软件中.

数学模型及控制算法设计

对滚动和俯仰通道的控制律,采用比例微分控制,以姿态角和姿态角速度作为控制的输入,两轴之间考虑动力学的耦合特性整个数学模块中,对滚动、.

偏航的动力学和运

动学模型所用到的积分采用四阶龙格算法计算.系统的仿真由给定的初始条件开始-库塔积分,周期地执行,直到仿真的结果达到控制方案设计所提出的控制精度结束,仿真的流程如图4所示控制模块的主要功能包括敏感器信息采.

集、

执行机构信息采集及驱动、环境矢量计算、轨道计算、姿态确定以及姿态控制算法解算卫星姿态控制系统通过采集感应同步器与陀

.

R12

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图4 系统仿真流程图

螺的信号,根据控制算法产生控制指令,然后向执行机构飞轮发出控制指令,生成相应的控制力矩,物理仿真的控制框图见图5.

图5 气浮台控制系统框图

该控制模块实现正常姿态运行控制和大角度姿态机动控制两方面的功能.1 正常姿态运行控制

.

即三轴稳定的姿态控制,控制力矩的数学表达式可写为

Tcy=KPyθ+KDθ·

T·

y

(1

)式中,Tcyc为控制力矩;K=-Phwy

(2)控制系数,由控制率设计时求得并在实际调试中,KD分别为比例和微分优化;θ,θ·

分别为姿态角和角速度,由气浮台感应同步器和陀螺分别输出.此外,在滚动、偏航轴的数学模型中也用相应

的比例微分控制.