[发明专利]一种用于航天器姿态控制算法的集成测试仿真系统

摘要

本发明涉及一种应用于控制算法集成测试的航天器姿态仿真系统，属于计算机仿真技术及应用领域。其包括控制器(模式管理模块、路径优化模块、闭环控制模块和附件监控模块)、测量模型、执行机构模型、航天器姿态动力学模型、天线模型、帆板模型和载荷模型。系统中各组成部分均是基于通用的卫星平台配置，对典型姿态控制相关的系统设备与动力学特性进行建模，为控制算法提供支持模块化应用的模拟在轨仿真环境。模式管理模块中预置近地轨道卫星任务模式，用户通过选择一种近地轨道卫星任务模式快速建立仿真场景，测试数据具有实际意义。路径优化模块提供对航天器姿态机动的路径进行规划功能，提升闭环控制机制的性能。

主权项

一种用于航天器姿态控制算法的集成测试仿真系统，其特征在于：其包括：控制器、测量模型、执行机构模型、航天器姿态动力学模型、天线模型、帆板模型和载荷模型；所述控制器包括：模式管理模块、路径优化模块、闭环控制模块和附件监控模块；控制器的主要功能是：①模式管理模块中预置近地轨道卫星任务模式，用户通过选择一种近地轨道卫星任务模式快速建立仿真场景；②模式管理模块根据用户选择的近地轨道卫星任务模式和测量模型输出的当前航天器姿态动力学模型的姿态和轨道信息，建立目标姿态，并发送给闭环控制模块；③路径优化模块接收模式管理模块生成的目标姿态，以及测量模型输出的当前航天器姿态，实现通过在线规划机制生成航天器姿态动力学模型从当前姿态至目标姿态的连续轨迹，并输出至闭环控制模块；④闭环控制模块具有实时控制编程接口，用户通过所述实时控制编程接口实现待测试控制模型；⑤模式管理模块发送来的目标姿态、路径优化模块发送来的航天器姿态动力学模型当前姿态至目标姿态的连续轨迹、测量模型发送来的当前航天器姿态动力学模型的姿态、附件监控模块发送来的天线模型、帆板模型和载荷模型的工作状态信息输入到待测试控制模型，经过处理后，得到控制力矩，并输出给执行机构模型；⑥附件监控模块监控所述仿真系统中天线模型、帆板模型和载荷模型的工作状态，并分别发送给模式管理模块和闭环控制模块；所述测量模型的主要功能是：测量航天器姿态动力学模型的位置和姿态信息，发送给控制器；所述执行机构模型的主要功能是：利用闭环控制模块发送来的控制力矩，以及航天器姿态动力学模型发送来的模拟航天器姿态动力学模型的姿态和轨道信息，模拟控制力矩的输出，并将输出信号发送给航天器姿态动力学模型；航天器姿态动力学模型的主要功能是：接收执行机构模型发送来的控制力矩以及天线、帆板模型的工作状态信息，模拟航天器姿态动力学模型的姿态动力学与运动学动态特性，得到模拟航天器姿态动力学模型的姿态和轨道信息，并分别发送给测量模型和执行机构模型；所述航天器姿态动力学模型得到模拟航天器姿态动力学模型的姿态和轨道信息的具体方法为：航天器姿态动力学模型以刚体姿态动力学与运动学方程作为所述仿真系统的被控对象，同时基于动量和力矩的耦合关系，将挠性附件的动力学耦合，偏置角动量陀螺效应耦合以及环境力场产生的干扰力矩集成在姿态动力学模型姿态动力学与运动学动态特性计算过程中，得到姿态和轨道信息；所述天线模型的主要功能是：根据输入的航天器姿态动力学模型的姿态和轨道信息，得到天线模型在航天器本体坐标系及惯性坐标系下的动力学特性信息，以及天线模型的工作状态，并发送给航天器姿态动力学模型和模式管理模块；所述帆板模型的主要功能是：根据输入的航天器姿态动力学模型的姿态和轨道信息，得到帆板模型在航天器本体坐标系及惯性坐标系下的动力学特性信息，并发送给航天器姿态动力学模型和模式管理模块；所述载荷模型的主要功能是：根据输入的航天器姿态动力学模型的姿态和轨道信息，得到载荷模型在航天器本体坐标系及惯性坐标系下的姿态信息，以及载荷模型的工作状态，并发送给航天器姿态动力学模型和模式管理模块；各模块的连接关系为：控制器的模式管理模块的输出端分别与路径优化模块、闭环控制模块和附件监控模块的输入端连接；路径优化模块的输出端与闭环控制模块的输入端连接；闭环控制模块的输出端与执行机构模型的输入端连接；附件监控模块的输出端分别与闭环控制模块和模式管理模块的输入端连接；测量模型的输出端分别与模式管理模块、路径优化模块、闭环控制模块、附件监控模块的输入端连接；执行机构模型的输出端与航天器姿态动力学模型的输入端连接；天线模型的输出端分别与附件监控模块和执行机构模型的输入端连接；帆板模型的输出端分别与附件监控模块和执行机构模型的输入端连接；载荷模型的输出端与附件监控模块的输入端连接；航天器姿态动力学模型的输出端分别与测量模型和执行机构模型的输入端连接。