一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，该系统可用于面向航天器轨道姿态的半物理仿真研究。
【背景技术】
[0002]人类要进行航天活动，就要完成多种多样的航天任务，由于航天领域高技术、高成本和高风险的特征，使得航天任务设计方案的选取相当慎重。仿真是验证设计方案的主要途径和有效方法，因而奠定了其在空间科学技术发展与应用研究中的重要地位。
[0003]仿真方法可分为数学仿真，半实物仿真和全物理仿真。半物理仿真是指针对仿真研究内容，将被仿真对象系统的一部分以实物(或物理模型)方式引入仿真回路，被仿真对象系统的其余部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型，借助物理效应模型，进行实时数学仿真与物理仿真的联合仿真。半物理仿真自20世纪60年代被提出后，被美国广泛用于航天技术，导弹制导等军事领域。21世纪开始，美国更是将发展“合成仿真环境”作为国际科技发展的7个科技推动领域之一。美国大多数主要的航天和国防承包商都有一个或多个半实物仿真试验室，这些实验室代表了当前世界先进水平。
[0004]从20年代80年代开始，我国研制了一批大规模的半物理仿真系统，但随着航天任务结构复杂度的不断提升，对半物理仿真系统提出了面向航天器轨道姿态进行仿真，以及高运行可靠性和低运行成本的要求。目前用于航天领域的半物理仿真系统多是针对某一特定航天任务进行开发，通过定制系统部件组合而成，存在模块化程度低、开发成本高、可扩展性差、重复利用率低等缺点。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种系统部件模块化程度高、可视化程度高、能够混合编程开发的面向航天器轨道姿态的半物理仿真系统。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统，包括:工作控制机(1)、航天任务载荷模拟器(4)、实时仿真机(5)和轨道姿态控制综合处理系统(6);工作控制机(1)上安装并运行LabVIEW(l-l)和Veristand(1_2)软件，通过LabVIEff(l-l)软件进行航天器轨道姿态自定义模块的开发，自定义模块包括轨道和姿态模块、通信模块；再通过Veristand(l-2)软件将开发的自定义模块部署到实时仿真机(5)中，完成各模块间输出或输入的数据关联；实时仿真机(5)运行轨道和姿态模块、通信模块，完成数据采集和发送，其中轨道和姿态模块进行航天器轨道姿态的实时解算，并通过通信模块将实时数据传输至轨道姿态控制综合处理系统出)；轨道姿态控制综合处理系统(6)针对航天任务载荷模拟器(4)的任务载荷及半物理仿真的工程要求，依据接收到的实时数据进行轨道和姿态控制量的解算，并通过通信模块将相应控制量回传给实时仿真机(5);实时仿真机(5)上的轨道和姿态模块以接收到的控制量数据作为输入进行航天器轨道姿态的实时解算，从而形成航天器轨道姿态的实时控制闭环回路。
[0007]本发明还包括数据接收机(2)与通信模块连接，完成实时数据的接收、显示和存储。
[0008]本发明还包括视景仿真机(3)，与通信模块连接，显示航天器在轨运行的三维视景图像，并对图像进行动态存储。
[0009]轨道和姿态模块通过Visual Stud1与Matlab混合编程生成，具体如下:
[0010](1)在Simulink中通过其中的函数模块建立航天器轨道和姿态动力学模型，并设置数据输入端口和数据输出端口；
[0011](2)在Code Generat1n Opt1ns下选择Visual Stud1的相应编译器版本进行编译，生成C++代码；
[0012](3)在Visual Stud1编译上述C++工程，生成可调用的动态链接库，即为轨道和姿态动力学模块。
[0013]通信模块在LabVIEW(l-l)中的具体开发过程如下:
[0014](1)在前面板中加入数值输入控件，并与接线端相连，设置为“必需”型，从而生成通信模块的输入端口，在部署该通信模块时将其与轨道和姿态模块的输出端口关联，依据变量名进行数据采集；
[0015](2)在程序框图中，按照航天任务所规定的数据格式设置包含所有变量的数组，通过内层for循环和外层while循环完成每一次数据传输中所有变量的采集；
[0016](3)在程序框图中，添加相应的数据通信协议子模块，并将其与变量的数组和前面板数值输入控件连线；数据通信协议子模块实现相应数据传输方式的打开、数据的写入、数据的发送、传输方式的关闭功能；
[0017](4)在程序框图中，添加时钟模块以控制数据发送的速率，并使用while结构对传输方式关闭功能添加容错保护程序，当通信模块发生错误时执行相应的容错保护程序，避免发生错误时硬件一直被占用；
[0018](5)通过 LabVIEW(l-l)中的 “Generate Model From N1."” 生成相应的数据通信模块模型。
[0019]所述数据接收机(2)中运行实时数据接收模块(2-1)，实时数据接收模块(2-1)基于LabVIEW开发生成，完成实时数据的接收、解包、还原、显示和存储，根据通信协议对接收的数据进行解包和还原，通过软件界面实时显示航天器轨道姿态数据，对部分数据绘制二维曲线图，并将数据动态存储。
[0020]本发明所述的一种模块化的航天器轨道姿态半物理仿真系统提供了模块化的系统部件和模块开发平台，其能够解决面向航天器轨道姿态的半物理仿真系统的快速灵活、低成本、高保真搭建和开发，提高系统模块的可移植性和可重复利用性，验证针对不同航天任务的轨道姿态控制精度和航天器视场精度，为面向航天领域的半物理仿真系统的开发研究提供良好的基础，具有广阔的应用前景。
[0021]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0022](1)传统的半物理仿真系统针对特定的航天任务开发而成，本系统面向航天器轨道姿态，由通用的系统模块和部件构成，提供一种模块化程度高、开发成本低、可移植、可重复利用的半物理仿真系统。
[0023](2)本系统包括工作控制机(1)及其搭载的LabVIEW(1-1)和Veristand(1_2)软件，能够对系统模块进行开发和部署。通过LabVIEW(l-l)图形化G语言编程，完成轨道和姿态模块及通信模块的开发，通过Veristand (1-2)和以太网将上述模型部署到实时仿真机(5)中。同时结合Visual Stud1和Matlab/Simulink/RTW等可进行混合编程，提高了系统的适应性和可移植性。
[0024](3)本系统可视化程度高、实时性强、交互界面友好，数据接收机(2)实时显示航天器轨道姿态数据，视景仿真机(3)实时三维展示航天器在轨状态，对航天器轨道姿态进行尚真实度、尚可视化的仿真展不。
[0025](4)本系统模块化程度高、实时性强、可视化程度高，利于混合编程和模块化组建，有效降低开发成本和运行成本，具有重要的工程实用价值。
【附图说明】
[0026]图1为本发明所述的仿真系统整体框架示意图；
[0027]图2为本发明所述的工作控制机功能框图；
[0028]图3为本发明所述的实时仿真机功能框图；
[0029]图4为本发明所述的数据接收机功能框图；
[0030]图5为本发明所述的数据接收机运行时的界面。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明所述的一种模块化的航天器轨道姿态的半物理仿真系统作进一步描述。
[0032]本发明的整体框架示意如图1所述，它由工作控制机1、数据接收机2、视景仿真机
3、航天任务载荷模拟器4、实时仿真机5和轨道姿态控制综合处理系统6组成。工作控制机1通过以太网与实时仿真机5连接；实时仿真机5的信号输出端通过以太网分别与数据接收机2和视景仿真机3连接；轨道姿态控制综合处理系统6的信号输入端通过CAN总线与实时仿真机5连接；轨道姿态控制综合处理系统6的信号输出端通过串口线与实时仿真机5连接；航天任务载荷模拟器4的信号输出或输入端与实时仿真机5的信号输出或输入端相连；工作控制机1上安装并运行LabVIEWl-Ι和Veristandl-2软件；数据接收机2运行实时数据接收模块2-1 ;视景仿真机3运行视景仿真系统3-1 ;实时仿真机5运行轨道和动力学模块，及通信模块。其中轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2，通信模块包括串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4和CAN总线通信模块5_5。
[0033]工作控制机1上安装并运行LabVIEWl-1和Veristandl-2软件，通过LabVIEWl-1软件和Visual Stud1、Matlab、Simulink等软件进行航天器轨道姿态自定义模块的开发，包括轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2、串口通信模块5-3、UDP通信模块5_4、CAN总线通信模块5-5的开发，再通过Veristandl-2软件将开发的即轨道动力学模块、姿态动力学模块、串口通信模块、UDP通信模块、CAN总线通信模块部署到实时仿真机5中，完成各模块间输出或输入的数据关联；实时仿真机5运行轨道动力学模块5-1、姿态动力学模块5-2、串口通信模块5-3、UDP通信模块5-4、CAN总线通信模块5_5，完成数据采集和发送，其中轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2进行航天器轨道姿态的实时解算，并通过CAN总线通信模块5-5将实时数据传输至轨道姿态控制综合处理系统6 ;轨道姿态控制综合处理系统6针对航天任务载荷模拟器4的任务载荷及半物理仿真的工程要求，依据接收到的实时数据进行轨道姿态控制量的解算，即解算出航天器的推力序列，并通过串口模块5-3将相应控制量回传给实时仿真机5 ;实时仿真机5上的轨道动力学模块5-1和姿态动力学模块5-2以接收到的控制量数据作为输入进行航天器轨道姿态的实时解算，从而形成航天器轨道姿态的实时控制闭环回路；UDP通信模块5-4将实时仿真数据通过UDP协议广播到局域网，由数据接收机2和视景仿真机3使用；数据接收机2运行实时数据接收模块2-1，支持通过UDP、CAN总线、串口方式传输，完成实时数据的接收、显示和存储；视景仿真机3运行视景仿真系统3-1显示航天器在轨运行的三维视景图像，并对图像进行动态存储。
[0034]所述的航天任务载荷模拟器4可模拟多种航天任务载荷，针对不同的航天器轨道姿态，可通过LabVIEWl_l、Visual Stud1和Matlab/Simulink/RTW等混合编程开发相应的模块。
[0035]通过Visual Stud1与Matlab混合编程开发动力学模块的具体过程如下:
[0036](1)在Simulink中通过其中的函数模块建立航天器轨道和姿态动力学模型，并设置数据输入端口和数据输出端口；
[0037](2)在Code Generat1n