专利名称：一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法
技术领域：
本发明涉及ー种摆动式红外地球敏感器的模拟器，可应用于航天器控制系统各种试验中，也可以应用在控制分系统桌面联试、数学仿真、软件测试以及卫星模拟器中。
背景技术：
摆动式红外地球敏感器以其优良的性能在地球同步轨道三轴稳定卫星上有很广泛的应用。我国已研制的地球同步轨道卫星测试中所使用的红外地球敏感器模拟器中，基本上直接使用姿态数据构造红外地球敏感器的输出，这种方法可以满足系统测试和数学仿真的使用，但其未能完全反应红外地球敏感器的物理特性。
摆动式数字地球敏感器研制成功后，已广泛地应用于我国新一代同步轨道通信卫星。其EP逻辑、測量输出与探头禁止状态及受日月干扰情况有夫。摆动式数字地球敏感器在卫星本体中安装位置一定的情况下，对于不同的轨道位置、姿态大小、探头禁止状态、日月干扰状态其输出不同。因此研制与实际部件物理特性、输入输出接ロ完全一致的模型，对于保证控制系统测试、仿真的正确性非常重要。目前尚未发现有关摆动式数字地球敏感器故障模拟方面的公开资料。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，根据摆动扫描式红外地球敏感器的物理特性，基于功能划分进行模块故障建模，建立功能完善的覆盖正常工作状态和故障状态的动扫描式红外地球敏感器的模拟器，可以在卫星控制系统测试、数学仿真和卫星模拟器中使用，验证卫星控制系统的故障处理设计和在轨故障应急预案的正确性。本发明的技术解决方案是ー种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，采用ニ次电源、复合视场地球探头、四路模拟通道、扫描轴系及驱动电路、扫描角读出电路、俯仰和滚动角逻辑计算单元、接ロ电路七个功能模块分别进行模拟，每ー个功能模块均采用正常和故障两种情况分别进行模拟，对于二次电源米用一个标志位P 11表不二次电源的外部一次电压输入情况，米用四个标志位？0￥6132、？0￥61'15、？0￥6が、？0￥61'11ロ5分别表示二次电源输出的32V、15V、5V和11. 5V电压情況，当相应标志位为逻辑I时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压正常，当相应标志位为逻辑0时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压故障；对于复合视场地球探头正常情况下，若cos'BoVecM) < a，则探测器输出0. 14mV，否则探测器输出OmV，探測器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到复合视场地球探头的输出，其中地球半张角a = sirT1 (6400/DisFromECenToSat),DisFromECenToSat为探测器的高度,= (7こ*5Z Fec >C为探测器的方向余弦阵的转置，BoVec [2]为探测器在轨道坐标系Z轴上的投影，BbVec为探测器在地球敏感器坐标系中的坐标；故障情况下，通过在复合视场地球探头正常输出上叠加噪声发生函数模拟输出异常，通过将复合视场地球探头输出置0模拟无输出；
对于四路模拟通道正常情况下，以探测器电平为输入信号，依次经过时间常数Is的微分200倍预放大环节、时间常数为470ms的微分5倍放大环节、时间常数为3. 3ms的实际微分25倍放大环节得到四路探测器输出的微分信号，所述微分信号经过充电时间常数为2. 2ms的滤波环节得到地弦信号EC，所述微分信号经过放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC的非信号N_EC，所述微分信号经过整形处理得到穿越脉冲信号S/E、E/S信号；故障情况下，地弦信号EC及地弦信号非信号N_EC通过置I操作或者置O操作模拟有无输出，穿越脉冲信号S/E和E/S通过叠加噪声发生函数或者置O操作模拟异常或者无输出；对于扫描轴系及驱动电路正常情况下，由正弦振荡器产生驱动信号，驱动信号叠加扫描角读出电路的输出信号后依次通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号，由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以驱动信号的频率沿俯仰轴方向扫描，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化；故障情况下，通过叠加反映扫描速度的脉冲噪声发生函数或者置O操作模拟扫描轴速度异常或无扫描；对于扫描角读出电路正常情况下，利用两路光敏三极管敏感透过光栅速度反馈电路中光栅的发光信号，根据光栅的图案配置得到两路不同的时序信号，通过这两路时序信号得到扫描方向、基准脉冲以及光栅摆动速度输出；在故障情况下，通过置I操作或者置O操作模拟扫描方向、基准脉冲及光栅摆动速度测量有无输出，通过设置乘积参数设置输出的转动角度输出脉冲为多脉冲、少脉冲或无脉冲输出；对于俯仰和滚动角逻辑计算单元正常情况下，根据探头宽窄扫、探头禁止信号、地弦信号、方向信号、基准方波信号及穿越脉冲，求出四路探测器的弦宽信号，由探头宽窄扫标志和地弦信号求出EP电平输出；根据EP电平信号、探头宽窄扫标志和四路弦宽信号确定出地球敏感器姿态输出；故障情况下可以采用叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出；对于接口电路正常情况下，接口电路接收外部指令，送给俯仰和滚动角逻辑计算单元；接收遥测数据时钟，根据俯仰和滚动角逻辑计算单元计算给出的姿态信息以及EP信号，通过驱动电路将姿态角、EP信号以及自身的探头禁止信息送给外部；故障情况下，通过叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出，模拟探头禁止信号及宽窄扫输出不稳或无输出。本发明与现有技术相比的优点在于本发明方法按照真实的红外地球敏感器进行功能模块划分，对每一功能模块的正常运行过程进行建模，在正常运行模型的基础上根据故障模式分析结果，叠加非线性函数和相应开关，模拟各种故障表现，把每个功能模块的故障模型串联即可得到摆动式红外地球敏感器的整机的故障模拟器。采用本发明方法得到的红外地球敏感器模拟器可以涵盖已有的正常工作的各种模型，同时对于各种故障模式进行了理论建模，可以百分百覆盖已知故障，在验证卫星控制系统故障处理设计的正确性和在轨飞控预案处理的正确性方面，可以发挥重要作用。
图1为GEO摆动式红外地球敏感器基于功能的模拟模块划分图；图2为GEO摆动式红外地球敏感器的信息流图3为GEO摆动式红外地球敏感器的二次电源模块对外接口关系及信息流图；图4为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头模块对外接口关系及信息流图；图5为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道电路模块对外接口关系及信息流图；图6为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路模块对外接口关系及信息流图；图7为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描角读出电路模块对外接口关系及信息流图；图8为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及/[目息流图；图9为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及/[目息流图；图10为GEO摆动式红外地球敏感器的二次电源模块模拟图；图11为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头正常模拟图；图12为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头故障模拟图；图13为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道模块正常模拟图；图14为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道模块故障模拟图；图15为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路正常模拟图；图16为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路故障模拟图；图17为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描角读出电路故障模拟图；图18为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元故障模拟图；图19为GEO摆动式红外地球敏感器的接口电路故障模拟图；图20为GEO摆动式红外地球敏感器的模拟图。
具体实施例方式本发明方法针对某一体式摆动红外地球敏感器的故障模式，基于功能对该产品进行了模块划分，分析了该类型产品所有的输入信号，输出信号，分析了各个模块的输入、输出信息流，建立了模块级故障对其它各模块的功能影响及对整个产品输出测点的影响。由此针对每一个功能模块进行了故障建模，根据其工作原理，形成了这类敏感器的故障模拟器，故障模拟器对于控制系统设计仿真，验证设计的正确性具有重要的作用。本发明方法的思路是，首先只考虑摆动式红外地球敏感器的工作原理，根据外部的输入，得到该部件的理论信号输出，建立基于物理原理的数学模型。其次，对每一个功能模块进行输入输出建模，再通过附加增益模块和非线性模块对正常模型进行故障模型叠力口，得到每一个模块的故障模型。最后，根据各个模块的输入输出相互影响，把数学模型、各模块故障模型有机综合，得到完整的部件故障模拟器。一、基于功能进行模拟功能模块划分GEO红外地球敏感器为光、机、电一体化结构。整个敏感器主要由以下几个部分组成
>复合视场地球探头(含偏置电源)>四路模拟通道>扫描轴系及驱动电路>扫描角读出装置>俯仰和滚动逻辑计算单元>命令和数据接口电路>二次电源据此，可以把GEO红外地球敏感器分为如图1所示的7个功能模拟模块。在图1 的基础上，对各个模块进行信息流分析，可以得到如图2所示的GEO红外地球敏感器信息流向图。在图2的基础上，结合各个模块的对内对外接口情况，可以得到各功能模块详细的信息流图分别如图3 图9所示，其中图3为二次电源模块的对外接口关系及信息流图，图4为复合视场地球探头模块对外接口关系及信息流图，图5为四路模拟通道电路模块对外接口关系及信息流图，图6为扫描轴系及驱动电路模块对外接口关系及信息流图，图7为扫描角读出电路模块对外接口关系及信息流图，图8为滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及信息流图，图9为滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及信息流图。二、对每个功能模块进行故障建模针对所有模块，分析其故障对该模块输出的影响，进而分析对整机输出的影响，采用加入增益模块，非线性模块，模拟各种故障形式，这些故障设置可以作为模型输入信号进行设置，达到根据需要模拟各种故障的应用要求。根据故障模式分析建立各个模块故障模型1、二次电源模块二次电源正常模型为SecondPowerSim()；二次电源正常模型接收一次电源输入和指令，输出各个模块电源的电压值，在正常建模中用不同的标志是O或I表示各类电压是否输出正常，用如下逻辑表示。若指令加电则Power32 = I ；Powerl5 = I ；Power5 = I ；Powerllp5 = I ；否则Power32 = 0 ；Powerl5 = 0 ；Power5 = 0 ；Powerllp5 = 0 ；建立故障模型ESecondPowerSimO如图10所不,其中β 11表不一次电源故障选择标志,若一次电源无输入，β 11 = O,否则为I ;β 12为±32V是否有输出，若无输出可设β 12 = 0，否则设为I ;β 13为±15V是否有输出，若无输出可设β 13 = 0，否则设为I ;β 14为+5V是否有输出，若无输出可设β 14 = 0，否则设为I ;β 15为±11. 5V是否有输出，若无输出可设β 15 = 0，否则设为I ;2、复合视场地球探头复合视场地球探头的正常模型为=BolometerSimO如图11所示，正常模型中第一个方块的探测器电平信号输出可以计算得到，如下所述输入探测器在地球敏感器坐标系中的坐标BbVec[3](等价于扫描角度)，高度信息 DisfromECenToSat,方向余弦阵 Cbo [3] [3]；红外地球敏感器含有四个探测器，定义红外地球敏感器坐标与卫星本体坐标系三个轴重合，实际在轨也是这样安装的，每个探测器在地敏坐标系中是摆动的，摆动的规律是已知的，探测器在卫星本体系中的坐标为BoVec (时刻在变，IOOms扫描一个周期)，三个元素分别为(BoVec
，BoVec[l]，BoVec[2])；则5oFee= CTho * BbVec，上标 T 表示转置；地球半张角ct = sin-1 (6400/DisFromECenToSat)若cos—1 (BoVec [2]) < α，则探测器输出O. 14mV,否则探测器输出OmV。探测器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到真正的探测器输出。上述计算中，用到了轨道坐标系、本体坐标系及地球敏感器坐标系，地球敏感器坐标系与卫星本体坐标系三轴一致，原点在卫星质心，沿卫星东面为X轴，沿对地面方向为Z 轴，Y轴可由右手螺旋法则得到。轨道坐标系原点在卫星质心，沿轨道前进方向为X轴，指向地心方向为z轴，y轴沿轨道面负方向，本体坐标系相对于轨道坐标系的方向余弦阵为 。。根据故障模式分析建立故障模型EBolometerSimO如图12所示,其中β 21表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β 21 = 0，否则为I ;β 22表示探测器电平输出选择，如果无输出置0，若正常则置I ;β 23表示外加噪声选择，若选择β 23 = 1，则噪声发生函数Gl (t)叠加给探测器输出，若选择β 23 = 0，噪声函数不起作用。3、四路模拟通道四路模拟通道模块的正常模型为=FourAnalogSimO如图13所示，正常模型中，以探测器电平为输入信号，经过时间常数Is的微分200倍预放大环节，再经过时间常数为470ms的微分5倍(实际电路可调)放大环节，由于地球波频率高于10Hz，因此前述环节的微分效应明显，主要是放大倍数起作用，最后经过时间常数为3. 3ms的实际微分25倍放大得到四路探测器输出的微分信号，该环节真正实现了地球波的微分；微分信号分别经过充电时间常数为2. 2ms，放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC及N EC(EC的非信号)，通过整形处理得到S/E、E/S信号，这几路信号送给滚动、俯仰逻辑处理单元进行处理计算。根据故障模式分析建立故障模型EFourAnalogSimO如图14所示,其中，β 31表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β 31 = 0，否则为I ;β 32表示地弦电平输出选择，如果无输出置0，若正常则置I ;β 33表示有无地/空穿越脉冲信号；如果无脉冲输出置0，否则置I ;β 34表示是否有地/空穿越信号多脉冲产生，Gl⑴为多脉冲产生函数，该函数由随机噪声函数发生器产生；β 35表示有无空/地穿越脉冲信号；如果无输出置0，否则置I ;β 36表示是否有空/地穿越信号多脉冲产生，G2(t)为多脉冲产生函数，该函数由随机噪声函数发生器产生。4、扫描轴系及驱动电路扫描轴系及驱动电路的正常模型为=ScanMotorSim O如图15所示，正常模型中，由IOHz正弦振荡器产生驱动信号，通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号。由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以IOHz的扫描频率沿俯仰轴方向扫描。根据窄、宽扫描状态，扫描幅度分别为土 6°和土 11°。扫描轴系带动光栅转动，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化。图15中，各参数如下Ke是反电势系数，大小为
权利要求
1.一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，其特征在于采用二次电源、复合视场地球探头、四路模拟通道、扫描轴系及驱动电路、扫描角读出电路、俯仰和滚动角逻辑计算单元、接口电路七个功能模块分别进行模拟，每一个功能模块均采用正常和故障两种情况分别进行模拟， 对于二次电源米用一个标志位β 11表不二次电源的外部一次电压输入情况，米用四个标志位Power32、Power 15, Power5、Powerl 1ρ5分别表示二次电源输出的32V、15V、5V和11.5V电压情况，当相应标志位为逻辑I时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压正常，当相应标志位为逻辑O时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压故障； 对于复合视场地球探头正常情况下，若cos—1 (BoVec [2]) < α，则探测器输出O. 14mV,否则探测器输出OmV，探测器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到复合视场地球探头的输出，其中地球半张角 α = sirT1 (6400/DisFromECenToSat), DisFromECenToSat为探测器的高度，=4为探测器的方向余弦阵的转置，BoVec[2]为探测器在轨道坐标系Z轴上的投影，BbVec为探测器在地球敏感器坐标系中的坐标；故障情况下，通过在复合视场地球探头正常输出上叠加噪声发生函数模拟输出异常，通过将复合视场地球探头输出置O模拟无输出； 对于四路模拟通道正常情况下，以探测器电平为输入信号，依次经过时间常数Is的微分200倍预放大环节、时间常数为470ms的微分5倍放大环节、时间常数为3. 3ms的实际微分25倍放大环节得到四路探测器输出的微分信号，所述微分信号经过充电时间常数为2.2ms的滤波环节得到地弦信号EC，所述微分信号经过放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC的非信号N_EC，所述微分信号经过整形处理得到穿越脉冲信号S/E、E/S信号；故障情况下，地弦信号EC及地弦信号非信号N_EC通过置I操作或者置O操作模拟有无输出，穿越脉冲信号S/E和E/S通过叠加噪声发生函数或者置O操作模拟异常或者无输出；对于扫描轴系及驱动电路正常情况下，由正弦振荡器产生驱动信号，驱动信号叠加扫描角读出电路的输出信号后依次通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号，由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以驱动信号的频率沿俯仰轴方向扫描，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化；故障情况下，通过叠加反映扫描速度的脉冲噪声发生函数或者置O操作模拟扫描轴速度异常或无扫描； 对于扫描角读出电路正常情况下，利用两路光敏三极管敏感透过光栅速度反馈电路中光栅的发光信号，根据光栅的图案配置得到两路不同的时序信号，通过这两路时序信号得到扫描方向、基准脉冲以及光栅摆动速度输出；在故障情况下，通过置I操作或者置O操作模拟扫描方向、基准脉冲及光栅摆动速度测量有无输出，通过设置乘积参数设置输出的转动角度输出脉冲为多脉冲、少脉冲或无脉冲输出； 对于俯仰和滚动角逻辑计算单元正常情况下，根据探头宽窄扫、探头禁止信号、地弦信号、方向信号、基准方波信号及穿越脉冲，求出四路探测器的弦宽信号，由探头宽窄扫标志和地弦信号求出EP电平输出；根据EP电平信号、探头宽窄扫标志和四路弦宽信号确定出地球敏感器姿态输出；故障情况下可以采用叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出； 对于接口电路正常情况下，接口电路接收外部指令，送给俯仰和滚动角逻辑计算单元；接收遥测数据时钟，根据俯仰和滚动角逻辑计算单元计算给出的姿态信息以及EP信号，通过驱动电路将姿态角、EP信号以及自身的探头禁止信息送给外部；故障情况下，通过 叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出，模拟探头禁止信号及宽窄扫输出不稳或无输出。
全文摘要
一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，首先按照真实的红外地球敏感器进行功能模块划分，对每一功能模块的正常运行过程进行建模，在正常运行模型的基础上根据故障模式分析结果，叠加非线性函数和相应开关，模拟各种故障表现，把每个功能模块的故障模型串联即可得到摆动式红外地球敏感器的整机的故障模拟器。故障模拟器可以根据需要，输入故障置参数模拟各种故障，在卫星控制系统方案设计、数学仿真及分系统试验中可以应用，检验卫星控制系统故障诊断、故障重构设计及实现的正确性。
文档编号G01C25/00GK103017789SQ201210519779
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者刘新彦, 田信灵, 刘旭力, 王南华 申请人:北京控制工程研究所