一种卫星姿态控制一体化仿真的系统及实现方法与流程

技术特征：

1.一种卫星姿态控制一体化仿真系统，其特征在于，包括一台仿真计算机和接口扩展板，其中，仿真计算机内含有在Matlab/Simulink环境下用于卫星姿态控制的数学仿真软件，接口扩展板用于提供仿真系统与被测试硬件的通用标准接口，仿真计算机与接口扩展板通过Uart串口连接。

2.根据权利要求1所述的卫星姿态控制一体化仿真系统，其特征在于，所述的被测试硬件包括：姿控部组件、姿控板、整星。

3.根据权利要求1所述的卫星姿态控制一体化仿真系统，其特征在于，所述的数学仿真软件采用分层设计，自上至下依次划分为用户层、算法层、物理层、数据处理层共4个层次，高层软件对下一层软件实施调用直至最底层，每层可按需添加模块进行扩展。

所述用户层包括仿真系统功能配置、交互操作、分析报告/图表用户直接接触的三类操作，用户也可以根据应用进行功能扩展；其中功能配置包括仿真系统工作模式的配置、仿真参数配置、仿真方案配置，交互操作包括仿真界面控制和3D动态显示，分析报告/图表部分可输出包括定姿与控制结果、磁场测量结果、太阳矢量测量结果的标准分析报告和图表。

所述算法层含有姿态确定算法和姿态控制算法两部分，其中姿态确定算法包含双矢量(TRIAD)定姿算法、扩展卡尔曼滤波(EKF)定姿算法和俯仰轴定姿算法，姿态控制算法包含B-dot磁阻尼算法、反作用轮PD控制算法、磁卸载算法、偏置轮控制算法和磁力矩器PD控制算法。

所述物理层分为轨道环境、敏感器模型、卫星姿态动力学模型、执行机构模型四个部分；其中轨道环境包含轨道计算模块、卫星空间位置计算模块、干扰力矩计算模块、轨道坐标系下太阳矢量和磁场矢量计算模块，敏感器模型包含磁强计模型、太阳敏感器模型和陀螺模型，卫星姿态动力学模型包含卫星姿态控制的挠性动力学模型和刚体动力学模型，执行机构模型包含反作用轮模型、偏置轮模型、磁力矩器模型。

所述数据处理层包括数学运算、数据存储、3D显示、图表生成四个部分；其中数学运算包含矩阵运算、四元数运算和坐标系转换，数据存储包含了数据保存、数据导出和生成报告三大功能，3D显示部分具体分为窗口调用、数据组包和数据调用三项常用模块，图表生成对应用户层需求包含了定姿与控制结果、磁场测量结果和太阳矢量测量结果图表生成模块。

4.应用权利要求1-3任一项所述的系统进行卫星姿态控制一体化仿真的方法，其特征在于，将所述的仿真系统与不同的被测试硬件组合连接，可以实现以下5种工作模式下的仿真应用：

1)全数学仿真：仿真系统不连接被测试硬件，仅使用仿真计算机进行卫星姿态控制数学仿真；实现基于数学模型的卫星姿态控制系统方案设计与仿真验证；

2)部件级半实物仿真：将仿真计算机、接口扩展板、姿控部组件顺次相连，将姿控部组件中敏感器的实际采样值和/或执行机构的实际输出值代入数学仿真循环中，实现基于某种或几种姿控部组件的半实物仿真验证；

3)姿控全系统级半实物仿真：将仿真计算机、接口扩展板、姿控板、姿控部组件顺次相连，用数学仿真模型提供轨道环境和姿态动力学解算，实现基于姿控全系统的半实物仿真验证；

4)整星半实物仿真：将仿真计算机、接口扩展版、整星顺次相连：用数学仿真模型提供轨道环境和姿态动力学解算，进行整星半实物仿真验证；

5)星地联合仿真及在轨姿态可视化：将卫星在轨遥测数据按照标准TCP/IP协议接入仿真计算机端的仿真软件，实现卫星姿态控制的实时仿真验证和异常监测，也可将卫星在轨姿态信息可视化。

5.根据权利要求4所述的卫星姿态控制一体化仿真的方法，其特征在于，所述的全数学仿真模式，包括如下步骤：

1)仿真系统中仅使用仿真计算机进行卫星姿态控制数学仿真；2)首先设置仿真步长、总时长、初始轨道信息、初始姿态、目标姿态、算法参数和模型参数；3)轨道环境模块接入初始轨道信息，输出轨道环境信息和环境干扰力矩；4)卫星姿态动力学模型接收环境干扰力矩和控制力矩，代入刚性动力学模型或挠性动力学模型，更新卫星姿态的理论值；5)将轨道环境信息和卫星姿态理论值代入敏感器模型，得到敏感器的测量数据；6)将敏感器的测量数据和轨道环境信息输入姿态确定算法，计算卫星姿控系统对卫星当前姿态的估计值；7)姿态控制算法接收设置的目标姿态和姿态估计值，由当前姿态与控制目标的偏差计算并输出执行机构的控制量；8)将控制量接入执行机构模型，得到执行机构的控制力矩输出值，完成一个仿真步长内的计算；9)触发新的仿真步长内的轨道环境计算，并结合上一步长内的控制力矩输出值，代入当前仿真步长内卫星姿态动力学模型，重复开始新一轮的仿真计算。

6.根据权利要求4所述的卫星姿态控制一体化仿真的方法，其特征在于，所述的部件级半实物仿真模式，包括如下步骤：

1)将仿真计算机、接口扩展板、姿控部组件顺次相连；2)若接入的部件为敏感器，则仿真计算机将结合了卫星姿态的轨道环境信息通过接口扩展板输出，并接收敏感器的实际采样数据代入姿态确定算法，继续后续循环计算；若接入的部件为执行机构，则仿真计算机将应施加的控制量通过接口扩展板发送至执行机构，并接收控制力矩实际输出值代入卫星姿态动力学模型，继续后续循环计算。

7.根据权利要求4所述的卫星姿态控制一体化仿真的方法，其特征在于，所述的姿控全系统级半实物仿真模式，包括如下步骤：

1)将仿真计算机、接口扩展板、姿控板、姿控部组件顺次相连；2)仿真计算机将结合了卫星姿态的轨道环境信息输出，并接入控制力矩实际输出值代入卫星姿态动力学模型，继续后续循环计算。

8.根据权利要求4所述的卫星姿态控制一体化仿真的方法，其特征在于：所述的整星半实物仿真模式，包括如下步骤：

1)将仿真计算机、接口扩展版、整星顺次相连；2)向卫星发送遥控指令，将其切换至半实物仿真状态；3)仿真计算机将结合了卫星姿态的轨道环境信息输出，并接入控制力矩实际输出值代入卫星姿态动力学模型，继续后续循环计算。

9.根据权利要求4所述的卫星姿态控制一体化仿真的方法，其特征在于：所述的星地联合仿真及在轨姿态可视化模式，包括如下步骤：

1)将卫星在轨遥测数据按照标准TCP/IP协议接入仿真计算机端的仿真软件；2)将遥测姿态数据接入演示界面，进行实时动态的三维演示；用遥测数据替换仿真数学仿真软件中的初始轨道信息、初始姿态、目标姿态，导入与卫星在轨状态一致的模型参数，设置仿真步长、总时长；3)轨道环境模块接入初始轨道信息，输出轨道环境信息和环境干扰力矩；4)卫星姿态动力学模型接收环境干扰力矩和控制力矩，代入刚性动力学模型或挠性动力学模型，更新卫星姿态的理论值；5)将轨道环境信息和卫星姿态理论值代入敏感器模型，得到敏感器的测量数据；6)将敏感器的测量数据和轨道环境信息输入姿态确定算法，计算卫星姿控系统对卫星当前姿态的估计值；7)姿态控制算法接收设置的目标姿态和姿态估计值，由当前姿态与控制目标的偏差计算并输出执行机构的控制量；8)将控制量接入执行机构模型，得到执行机构的控制力矩输出值，完成一个仿真步长内的计算；9)触发新的仿真步长内的轨道环境计算，并结合上一步长内的控制力矩输出值，代入当前仿真步长内卫星姿态动力学模型，重复开始新一轮的仿真计算；10)将每个仿真步长内的计算结果与接收的在轨遥测数据进行实时对比，两者之间的偏差超过可接受范围时触发警报。