[发明专利]一种采用控制力矩陀螺真实力矩的航天器姿控测试系统及方法

摘要

本发明涉及一种航天器姿控测试系统由敏感器模拟器、执行机构模拟器、前置站、外系统等效器和数据显示及存储系统组成。其中前置站负责动力学计算并输出敏感器模拟器激励信号；执行机构模拟器中的静态控制力矩陀螺模拟器通过采用静态力矩测量台测量控制力矩陀螺产生的真实力矩并将其引入动力学计算。静态力矩测量台由底座、台面、四个成对称十字分布的二维力传感器和一个万向节构成，用于测量固定在其上台面的控制力矩陀螺的输出力矩。本发明能够使GNC系统的控制算法得以更真实有效的验证，而相比于半物理仿真和全物理仿真实验，该方法简单易行、成本极低。

主权项

1.一种采用控制力矩陀螺真实力矩的航天器姿控测试系统，其特征在于包括：GNC控制器(1)、执行机构、静态力矩测量台(3)、前置站(6)、敏感器模拟器、敏感器、外系统等效器(21)、数据显示和存储系统(22)，其中：GNC控制器(1)在每个控制周期接收来自敏感器的测量数据，根据敏感器的测量数据和姿态控制算法计算得出执行机构的控制命令并将所述控制命令发送给执行机构；执行机构用于接收并执行来自GNC控制器(1)的控制命令，控制命令包括控制力矩陀螺控制命令、磁力矩器控制命令和推进系统控制命令，根据控制命令产生相应的力矩；执行机构包括控制力矩陀螺(2)、磁力矩器(4)和推进系统(5)；静态力矩测量台(3)，用于测量控制力矩陀螺的输出力矩，根据控制力矩陀螺(2)的实际输出力矩得到测量力矩并输出给前置站(6)；前置站(6)用于磁力矩器控制命令、推进系统控制命令以及静态力矩测量台(3)输出测量力矩的采集和恒流源激励信号、动态星模拟器激励信号以及红外地球模拟器激励信号的输出；前置站由仿真计算机(7)和信号调理模块(8)组成，其采集的推进系统控制命令传递给仿真计算机(7)的推进系统数学模型(9)，采集的磁力矩器控制命令传递给仿真计算机(7)的磁力矩器数学模型(10)，采集的静态力矩测量台(3)输出的测量力矩传递给仿真计算机(7)的力矩计算模块(11)；仿真计算机(7)中的推进系统数学模型(9)用于计算推进系统作用于航天器本体系下的三轴力矩，其接收来自GNC控制器(1)的推进系统控制命令，经过仿真计算出推进系统作用于航天器本体系下的三轴力矩；仿真计算机(7)中的磁力矩器数学模型(10)用于计算磁力矩器作用于航天器本体系下的三轴力矩，接收来自GNC控制器(1)的磁力矩器控制命令，从仿真计算机(7)中的动力学计算模块(12)的动力学输出中提取84坐标系下航天器的位置和姿态四元数，经过仿真计算输出磁力矩器作用于航天器本体系下的三轴力矩；仿真计算机(7)中的力矩计算模块(11)用于计算控制力矩陀螺作用于航天器的实际力矩，接收静态力矩测量台(3)传来的测量力矩，从仿真计算机(7)中的坐标变换模块(13)获得惯性坐标系下航天器的角速度，经过仿真计算得出控制力矩陀螺作用于航天器的航天器本体系下的三轴力矩；仿真计算机(7)中的动力学计算模块(12)用于完成航天器姿态动力学的计算，接收推进系统数学模型(9)、磁力矩器数学模型(10)以及力矩计算模块(11)输出的航天器本体系下的三轴力矩之和，即航天器本体系下的三轴合力矩，经过动力学计算，完成航天器的动力学输出；仿真计算机(7)中的敏感器激励信号计算模块(14)用于完成各敏感器或敏感器模拟器激励信号的计算，敏感器激励信号计算模块(14)接收动力学计算模块(12)的动力学输出，根据动力学输出解算出并输出敏感器和敏感器模拟器的激励信号；前置站(6)的信号调理模块(8)用于敏感器和敏感器模拟器信号的调理，其接收来自仿真计算机(7)中敏感器激励信号计算模块(14)输出的敏感器和敏感器模拟器激励信号，对这些信号进行必要的处理从而输出陀螺、加速度计(17)需要的恒流源激励信号，动态星模拟器(15)需要的动态星模拟器激励信号，红外地球模拟器(16)需要的红外地球模拟器激励信号和太阳敏感器需要的恒流源激励信号；敏感器模拟器包括动态星模拟器(15)和红外地球模拟器(16)，分别用于完成对星空中指定区域星图和对地球红外辐射的模拟，动态星模拟器(15)通过接收前置站信号调理模块(8)输出的动态星模拟器激励信号，模拟出该激励指定的特定区域的星图并用该星图激励星敏感器(18)；红外地球模拟器(16)通过接收前置站信号调理模块(8)输出的红外地球模拟器激励信号，模拟出航天器不同位姿下接收到的地球红外辐射用于激励红外地球敏感器(19)；敏感器包括陀螺、加速度计(17)，星敏感器(18)，红外地球敏感器(19)和太阳敏感器(20)，它们通过接收各自的激励信号完成对航天器姿态和角速度的测量并将测量结果输出给GNC控制器；外系统等效器(21)用于完成对GNC控制器(1)发送指令和注入同时实现对GNC控制器(1)遥测数据的采集；数据显示和存储系统(22)，用于实验过程中测试数据的显示和存储，其接收外系统等效器(21)采集到的遥测数据和发送出的指令和注入，将其实时地显示出来并存储到硬盘中。