专利名称：编队卫星姿态协同控制仿真装置及其仿真验证方法
技术领域：
本发明涉及编队卫星姿态协同控制仿真装置及其仿真验证方法，属于航空航天领 域。
背景技术：
编队飞行技术是航天器发展实现系统应用的创新手段，通常航天器编队飞行是由 物理上不相连的、共同实现同一空间任务的多个航天器构成的空间系统，是21世纪空间技 术发展的必然。根据编队卫星的任务需求，要求编队卫星在整个任务周期内实现姿态高精 度一致指向观测目标，因此姿态协同控制技术成为卫星编队一项重要技术。卫星控制系统物理仿真是研制卫星过程中特有的一种仿真方法，它利用气浮台作 为运动模拟器，也称气浮台仿真。卫星控制系统物理仿真采用气浮台模拟卫星本体作为控 制对象，控制系统采用卫星控制系统实物进行仿真。空间飞 行器进行物理仿真时，就要在地 面上利用气浮来模拟失重或无阻力等重要的空间环境。为减小新技术给高投入航天事业所带来的风险，在实际的姿态协同控制算法实际 应用之前，为验证控制算法有效性，提高仿真的置信度，物理仿真验证是必须进行的一个环 节。同时由于国内编队航天器系统的研究尚处于起步阶段，同时物理仿真实验存在仿真模 拟设备复杂、开发资金过高等原因，国内编队航天器系统仿真关键技术验证大都采用数学 仿真方式进行。现有卫星姿态协同控制问题只能停留在数学仿真的层面上。
发明内容
本发明目的是为了解决现有卫星姿态协同控制问题只能停留在数学仿真的层面 上的问题，提供了 一种编队卫星姿态协同控制仿真装置及其仿真验证方法。本发明一种编队卫星姿态协同控制仿真装置由基础平台单元、η个气浮转台系统、 相机定位系统和地面控制单元组成，η > 2，其中
基础平台单元，包括1个抛光铸铁平台，抛光铸铁平台用于承载η个气浮转台系统； 气浮转台系统，用于接收地面控制单元的控制指令，并根据所述控制指令完成仿真验 证，用于与地面控制单元之间通过无线网络交互信息，还用于通过蓝牙无线通信方式与其 它气浮转台系统进行交互信息，
气浮转台系统包括1个气浮转台，气浮转台上配置有PC104仿真计算机、光纤陀螺和推 力器，PC104仿真计算机配置有η个蓝牙模块，所述η个蓝牙模块用于与照片处理计算机和其它气浮转台系统之间的信息交互，
光纤陀螺用于测量气浮转台的角度， 推力器由“十字形”对称安装的8个喷嘴构成。相机定位系统，包括照片处理计算机和安装在抛光铸铁平台上空的宽视场的照相 机，用于获取任意时刻各气浮转台系统的角度信息；
地面控制单元，由地面控制计算机和数据记录计算机组成，用于完成用户和气浮转台 系统之间的数据交换，还用于控制气浮转台系统进行仿真验证。基于上述编队卫星姿态协同控制仿真装置进行的仿真验证方法包括以下步骤 步骤一地面控制计算机根据姿态协同控制方案下达控制指令给相应的气浮转台系统
中的PC104仿真计算机，所述PC104仿真计算机根据接收的控制指令计算相应的控制力矩， 步骤二 所述PC104仿真计算机根据所述控制力矩为推力器设计合适的力矩分配方 法，以产生的相应的控制力矩作用到气浮转台上，使所述气浮转台按设定的姿态协同控制 方案进行仿真运动，
步骤三照相机以每秒10幅的速度拍摄整个抛光铸铁平台的照片，并把照片信息传送 给照片处理计算机；
步骤四照片处理计算机根据所述照片信息获取每个气浮转台系统的角度信息，每个 气浮转台系统通过蓝牙交互从照片处理计算机获取其自身的角度信息； 步骤五根据光纤陀螺获取每个气浮转台的角速度信息；
步骤六每个气浮转台系统将其自身的角度和角速度姿态信息通过蓝牙交互给其它气 浮转台系统，使得每个气浮转台系统知晓所有气浮转台系统的姿态信息，以便使每个气浮 转台系统按姿态协同控制方案完成协同控制；
步骤七地面控制计算机接收所有气浮转台系统的姿态信息，并将其记录在数据记录 计算机中，根据记录结果验证姿态协同控制方案仿真的正确性。本发明的优点本发明针对气浮台这一仿真环境，通过设计完整的硬件配置及信 息链路，使用其可以来验证姿态协同控制算法，解决了以往只能在数学仿真层面上来验证 姿态协同控制算法的问题，提高算法的置信度。使用者可以在不了解硬件配置的情况下就 可用其来验证姿态协同控制算法。
图1是本发明方法流程图，图2是本发明装置流程图，图3是气浮转台上安装8个 喷嘴推力器的结构示意图，图4本发明装置原理框图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式由基础平台单元、η个气浮转台系统4、相机定位系统和地面控制单元组成，η彡2，其中
基础平台单元，包括1个抛光铸铁平台1，抛光铸铁平台1用于承载η个气浮转台系统
4； 气浮转台系统4，用于接收地面控制单元的控制指令，并根据所述控制指令完成仿真验 证，用于与地面控制单元之间通过无线网络交互信息，还用于通过蓝牙无线通信方式与其 它气浮转台系统4进行交互信息，
相机定位系统，包括照片处理计算机3和安装在抛光铸铁平台1上空的宽视场的照相 机2，用于获取任意时刻各气浮转台系统4的角度信息；
地面控制单元，由地面控制计算机5和数据记录计算机6组成，用于完成用户和气浮转 台系统4之间的数据交换，还用于控制气浮转台系统4进行仿真验证。气浮转台系统4包括1个气浮转台4-1，气浮转台4-1上配置有PC104仿真计算机 4-2、光纤陀螺4-3和推力器4-4，
照相机2选用宽视场的CMOS相机。PC104仿真计算机4-2配置有η个蓝牙模块4_5，所述η个蓝牙模块4_5用于与照 片处理计算机3和其它气浮转台系统4之间的信息交互，
光纤陀螺4-3用于测量气浮转台4-1的角度， 推力器4-4由“十字形”对称安装的8个喷嘴构成。每个气浮转台系统4的PC104仿真计算机4-2与地面控制计算机5之间无线交互， 为了节省成本，也可以将数据记录计算机6取消，只用地面控制计算机5来完成控制及记录 存储的任务。本发明是这样实现的将需要物理验证的姿态协同控制方案写成Matlab语言程 序存储在地面控制计算机5中，当需要对此方案进行仿真验证时，通过无线局域网将该程 序从地面控制机5注入到相应气浮转台系统4上的PC104仿真计算机4-2中。运行整个系 统中的设备完成物理仿真的验证工作，最后导出仿真结果。下面给出一个具体实施例，设定η=2，即2个气浮转台系统4，仿真过程中具体的数 据获取及控制实现的实施方式由以下给出
1)利用计算机处理宽视场CMOS相机照片获得两个气浮转台4-1的角度分别力《!和
2 ；通过光纤陀螺4-3获取两个气浮转台4-1的角速度分别为 i和。2)通过蓝牙交互两个气浮转台4-1的姿态信息，使得一个气浮转台4-1能够获得 另一个气浮转台4-1的姿态信息；
3)这里以比较常见的主从式姿态协同控制算法为例说明气浮转台的验证效果。为了方 便说明，将两个气浮转台分别叫第1个气浮转台和第2个气浮转台，主从式姿态协同控制方 案的主要任务是第2个气浮转台跟踪第1个气浮转台的转动状态以完成姿态的协同工作。 这里第1个气浮转台没有控制力矩输入，只给定初始角度和角速度。第2个气浮转台的控 制方案如下
T2=P* - S2)+ ,(^m)
其中Γ2表示气浮转台2的控制力矩，沪和刃分别为比例和微分控制参数。
4)将上一步计算得到的控制力矩，设计合适的力矩分配方法，即8个喷嘴开关方 案，以产生相应的控制力矩作用到第2个气浮转台上。仿真中气浮转台4-1上安装的喷嘴如3所示，所能产生的喷气输出为
喷囔I、 IIL \ 和擺打开 —1 喷養I与VI或III与通打开 u = < 0 不打开任何喷嘴
-I喷嘴II与通或V与IX打开 Γ2喷嘴II、Y、\1和IX打开
其中a为气浮转台4-1上喷嘴的输出情况。由于在仿真中采用较小的50ms控制周期，在控制过程中喷嘴可 以直接采用开关 控制。控制力矩的开关方案如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中/力喷气产生力矩的最小值(如喷嘴ι和5打开时)；j；为控制算法计算得到的控
制力矩。在此实施例中，在设计第2个气浮转台的控制力矩1*2时,/=2。
具体实施方式
二 下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式所 述的编队卫星姿态协同控制仿真装置进行的仿真验证方法，该方法包括以下步骤
步骤一地面控制计算机5根据姿态协同控制方案下达控制指令给相应的气浮转台系 统4中的PC104仿真计算机4-2，所述PC104仿真计算机4_2根据接收的控制指令计算相应 的控制力矩，
步骤二 所述PC104仿真计算机4-2根据所述控制力矩为推力器4-4设计合适的力矩 分配方法，以产生的相应的控制力矩作用到气浮转台4-1上，使所述气浮转台4-1按设定的 姿态协同控制方案进行仿真运动，
步骤三照相机2以每秒10幅的速度拍摄整个抛光铸铁平台1的照片，并把照片信息 传送给照片处理计算机3 ；
步骤四照片处理计算机3根据所述照片信息获取每个气浮转台系统4的角度信息，每 个气浮转台系统4通过蓝牙交互从照片处理计算机3获取其自身的角度信息； 步骤五根据光纤陀螺4-3获取每个气浮转台4-1的角速度信息； 步骤六每个气浮转台系统4将其自身的角度和角速度姿态信息通过蓝牙交互给其它 气浮转台系统4，使得每个气浮转台系统4知晓所有气浮转台系统4的姿态信息，以便使每 个气浮转台系统4按姿态协同控制方案完成协同控制；
步骤七地面控制计算机5接收所有气浮转台系统4的姿态信息，并将其记录在数据记录计算机6中，根据记录结果验证姿态协同控制方案仿真的正确性.
权利要求
一种编队卫星姿态协同控制仿真装置，其特征在于，它由基础平台单元、n个气浮转台系统(4)、相机定位系统和地面控制单元组成，n≥2，其中基础平台单元，包括1个抛光铸铁平台(1)，抛光铸铁平台(1)用于承载n个气浮转台系统(4)；气浮转台系统(4)，用于接收地面控制单元的控制指令，并根据所述控制指令完成仿真验证，用于与地面控制单元之间通过无线网络交互信息，还用于通过蓝牙无线通信方式与其它气浮转台系统(4)进行交互信息，相机定位系统，包括照片处理计算机(3)和安装在抛光铸铁平台(1)上空的宽视场的照相机(2)，用于获取任意时刻各气浮转台系统(4)的角度信息；地面控制单元，由地面控制计算机(5)和数据记录计算机(6)组成，用于完成用户和气浮转台系统(4)之间的数据交换，还用于控制气浮转台系统(4)进行仿真验证。
2.根据权利要求1所述的编队卫星姿态协同控制仿真装置，其特征在于，气浮转台系 统(4)包括1个气浮转台(4-1)，气浮转台(4-1)上配置有PC104仿真计算机(4-2)、光纤陀 螺(4-3)和推力器(4-4)，PC104仿真计算机(4-2)配置有n个蓝牙模块(4-5)，所述n个蓝牙模块(4_5)用于与 照片处理计算机(3)和其它气浮转台系统(4)之间的信息交互， 光纤陀螺(4-3)用于测量气浮转台(4-1)的角度， 推力器(4-4)由“十字形”对称安装的8个喷嘴构成。
3.基于权利要求2所述的编队卫星姿态协同控制仿真装置进行的仿真验证方法，其特 征在于，该方法包括以下步骤步骤一地面控制计算机(5)根据姿态协同控制方案下达控制指令给相应的气浮转台 系统(4)中的PC104仿真计算机(4-2)，所述PC104仿真计算机(4_2)根据接收的控制指令 计算相应的控制力矩；步骤二 所述PC104仿真计算机(4-2)根据所述控制力矩为推力器(4-4)设计合适的 力矩分配方法，以产生的相应的控制力矩作用到气浮转台(4-1)上，使所述气浮转台(4-1) 按设定的姿态协同控制方案进行仿真运动；步骤三照相机(2)以每秒10幅的速度拍摄整个抛光铸铁平台(1)的照片，并把照片 信息传送给照片处理计算机(3)；步骤四照片处理计算机(3)根据所述照片信息获取每个气浮转台系统(4)的角度信 息，每个气浮转台系统(4)通过蓝牙交互从照片处理计算机(3)获取其自身的角度信息； 步骤五根据光纤陀螺(4-3)获取每个气浮转台(4-1)的角速度信息； 步骤六每个气浮转台系统(4)将其自身的角度和角速度姿态信息通过蓝牙交互给其 它气浮转台系统(4)，使得每个气浮转台系统(4)知晓所有气浮转台系统(4)的姿态信息， 以便使每个气浮转台系统(4)按姿态协同控制方案完成协同控制；步骤七地面控制计算机(5)接收所有气浮转台系统(4)的姿态信息，并将其记录在数 据记录计算机(6)中，根据记录结果验证姿态协同控制方案仿真的正确性。
全文摘要
一种编队卫星姿态协同控制仿真装置及其仿真验证方法，属于航空航天领域，本发明为解决现有卫星姿态协同控制问题只能停留在数学仿真的层面上的问题。本发明装置由基础平台单元、n个气浮转台系统、相机定位系统和地面控制单元组成，基于上述装置进行的仿真验证方法地面控制计算机根据方案下达控制指令，PC104仿真计算机计算控制力矩；为推力器设计力矩分配方法，使气浮转台按设定方案进行仿真；照相机拍照后的信息传送给照片处理计算机，获得了角度信息；利用光纤陀螺获取其角速度信息；每个气浮转台系统将其自身的角度信息及角速度信息通过蓝牙进行交互；地面控制计算机接收所有姿态信息，并记录在数据记录计算机中，并验证方案的正确性。
文档编号G05B17/02GK101833285SQ201010199440
公开日2010年9月15日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者兰盛昌, 刑雷, 刘源, 叶东, 孙兆伟, 张锦绣, 李晖, 杨明, 杨正贤, 王峰, 董晓光, 邬树楠, 陈长春, 陈雪芹 申请人:哈尔滨工业大学