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卫星姿态控制系统半物理仿真中转台控制算法的


摘要 卫星控制系统半物理仿真是实验室模拟卫星在轨运动特性的一种测试方法。 主要用于验证卫星控制系统的方案和性能指标,是卫星控制系统发展的重要环节。。 三轴转台是卫星控制系统半实物仿真中的重要运动模拟器 转台控制算法 由于软件的复杂性和运行时间长,提出了一种简单有效的三轴转台仿真卫星姿态运动控制算法,并给出了具体的软件实现过程,对转台在仿真中的应用具有重要的参考和指导意义。。

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介绍

   卫星控制系统的半物理仿真试验实际上是卫星动力学和运动学的仿真。由于需要硬件接入环路,通常用于验证卫星控制系统的方案和性能指标,包括动力学仿真和运动学仿真。仿真计算机计算卫星的动力学和运动学方程,转台模拟卫星在空间的运动,目标模拟器模拟参考目标在卫星姿态敏感期的环境特征。本文主要研究转台系统接入仿真测试过程中存在的问题:针对 转台控制算法 复杂,地速影响这两个主要问题,本文给出了具体 转台控制算法 该软件实现简单,执行效率高 地面速度补偿 计划和具体实施模式。本文介绍的控制算法已成功应用于某卫星模型的半实物仿真试验,并给出了试验结果。

原则1

   卫星控制系统的半物理仿真比数学仿真具有更高的可信度,是卫星控制系统发展的重要环节。在开发控制系统时,人们最关心的是其功能和性能是否符合设计要求,这只能通过测试实际系统来确定。然而,人造卫星控制系统不同于一般的地面设备。它必须在闭合电路中运行,并在特定条件下显示其性能指标。半物理仿真是通过将卫星控制系统的各种组件(包括硬件和软件)连接到仿真回路而进行的闭路动态测试。它在地面设备(运动模拟器、目标模拟器、模拟计算机等)的配合下模拟卫星在轨的各种运行状态。),从而验证所设计的控制系统方案并验证系统的实际性能。[ 1 ]。卫星控制系统半物理仿真系统的框图如图2所示。1。。

   运动模拟器的主要功能是提供与在轨卫星相似或等效的运动,以便卫星反馈控制测试形成一个环路。

   三轴伺服转台实际上是一个高性能的三轴伺服系统。在运行时,它要求每个轴严格遵循模拟计算机的输出。三轴转台运动的效果是使其内轴测试台上的仪器以围绕转台旋转中心的姿态运动。转台的动态连杆实际上是整个测试回路中串联的附加连杆。理想情况下,它的传递函数应该等于1。精度由转台机械台体和控制系统(角度测量装置、电路、控制计算机、电机等)保证。)。因此,它是一个真正的运动模拟器,不仅用于 卫星姿态控制 该系统的半物理仿真也广泛用于其它运动物体(如飞机、导弹、鱼等)的控制仿真。)和一些特殊仪器(如陀螺仪)的性能测试。UUT转台的物理对象如图2所示。

2转盘控制链接

   在卫星控制系统的半物理仿真中,转台的控制链路如图1所示。2。动态仿真计算机通过网络(或串口、反射存储器等)将计算出的恒星惯性角速度(在恒星系统的表示中,本文提到的物理量参考坐标系都是恒星坐标系)发送给模拟器控制计算机。),模拟器控制计算机从转台工业控制计算机获取转台当前帧角信息,将恒星惯性角速度转换为转台帧角速度,并通过网络(或串口、反射存储器等)发送给转台工业控制计算机。)来驱动转盘框架旋转。

   从转台控制环节可以看出,在模拟器控制计算机中将星惯性角速度转换为转台框架角速度的算法是转台应用的核心,也是转台应用的重点和难点。本文详细介绍了一种在工程中易于实现的高效控制算法及其详细推导过程。

3转台控制算法

   以UUT转台为例,建立 转台的内、中、外框角度分别从转台的工控计算机获得。当转盘处于零位时,我。e。内、中、外框轴正交,当形成右手坐标系时,内、中、外框轴分别对应于星形坐标系的偏航轴Za、滚动轴Xa和俯仰轴ya。坐标系定义为星形坐标系,坐标系与转台固定连接。

   陀螺仪在转台上的安装方向参照陀螺仪坐标系和星形坐标系之间的关系来确定。转台控制的最终目的是使转台框架在星坐标系中的角速度投影值与惯性角速度一致。

   按如下方式设置围绕转盘内、中、外轴旋转的转换矩阵:

   那么恒星系统中惯性角速度可以表示如下:

( 1 )

   转台框架的角速度通过以下方式获得:

( 2 )

( 3 )

4。 地面速度补偿 方法

   由于模拟测试是在地面上进行的,陀螺仪输出还包括地球的旋转速度。当卫星在轨道上时,这种额外的输出是不可用的,应该从模拟测试中扣除。

   首先,地面速度被投影到转台的零坐标系,然后投影到旋转坐标系(即。e。星系统),地面速度设置在西。e ,λ是转台位置的地理纬度,δ是转台沿北向逆时针转零时Xa轴(中间框架轴)的角度,地面速度在星形坐标系中表示如下:

( 4 )

   因此,考虑到地面速度的影响,陀螺仪输出的惯性角速度表示如下:


( 5 )

   完成后,转台框架的角速度如下。通过将该公式代入转台控制算法,可以完成对地面速度的补偿:

  ( 6 )

  ( 7 )

5项关键技术

   该算法有以下两个突出的关键技术:

   ( 1 )转台控制算法:转台控制算法不同于传统的实现方法。该方法不需要矩阵求逆等复杂的矩阵运算,易于编写软件实现,软件运行时间短,大大提高了仿真的实时性;

  ( 2 ) 地面速度补偿 算法:地球自转对陀螺的影响与地球上模拟实验室的纬度和安装陀螺的运动模拟器的方位有关。地球自转的角速度比卫星的姿态稳定性大得多。在模拟测试中,它将被投射到每个陀螺仪的输入轴上,这将成为额外的干扰,必须进行补偿。本文介绍的地球速度补偿方法在扣除地球速度的影响后,大大提高了转台模拟卫星运动的精度,可应用于高稳定性卫星的姿态运动模拟要求。

测试结果分析

   本文介绍的控制算法已应用于上海航天控制技术研究所卫星模型的半物理仿真试验。转台控制软件界面如图6所示。陀螺输出卫星姿态角速度和动态仿真输出卫星姿态角速度的测试曲线如图7 - 10所示。可以看出,陀螺测得的卫星姿态角速度与动态仿真输出一致,表明转台系统应用控制算法可以准确地模拟卫星姿态运动。

结论

   详细介绍了转台在卫星控制系统半物理仿真中应用的具体实现方法。该方法软件实现简单,不需要矩阵求逆等矩阵运算,节省了软件运行时间,提高了控制的实时性。另外,扣除地速的影响后,转台模拟卫星运动的精度大大提高,适用于高稳定卫星姿态运动模拟。目前,该方法已成功应用于多种卫星模型的半物理仿真,对其他环境下的半物理仿真应用具有重要的参考意义。

参考

  [ 1 ]刘梁冬、刘赵昚、孙承启。卫星控制系统仿真技术[。航天出版社,2013。twelve。

  [ 2 ]张任是。卫星姿态动力学和控制[。北京航空航天大学出版社,1998

  [ 3 ]刘赵昚。卫星控制系统仿真[。系统模拟杂志,1995

  [ 4 ]刘赵昚。卫星控制系统多转台多模拟器半物理仿真方法[。空间控制,2004年。8


本文来源于中国核心科技期刊《电子产品世界》。2016年2麒麟城娱乐注册 时期 61岁 第页,欢迎在撰写论文时引用,并注明出处。