一種模塊化的航天器軌道姿態(tài)半物理仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模塊化的航天器軌道姿態(tài)半物理仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于面向航天器軌道姿態(tài)的半物理仿真研究。
【背景技術(shù)】
[0002]人類要進(jìn)行航天活動(dòng)，就要完成多種多樣的航天任務(wù)，由于航天領(lǐng)域高技術(shù)、高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的特征，使得航天任務(wù)設(shè)計(jì)方案的選取相當(dāng)慎重。仿真是驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的主要途徑和有效方法，因而奠定了其在空間科學(xué)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究中的重要地位。
[0003]仿真方法可分為數(shù)學(xué)仿真，半實(shí)物仿真和全物理仿真。半物理仿真是指針對仿真研究內(nèi)容，將被仿真對象系統(tǒng)的一部分以實(shí)物(或物理模型)方式引入仿真回路，被仿真對象系統(tǒng)的其余部分以數(shù)學(xué)模型描述，并把它轉(zhuǎn)化為仿真計(jì)算模型，借助物理效應(yīng)模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)仿真與物理仿真的聯(lián)合仿真。半物理仿真自20世紀(jì)60年代被提出后，被美國廣泛用于航天技術(shù)，導(dǎo)彈制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域。21世紀(jì)開始，美國更是將發(fā)展“合成仿真環(huán)境”作為國際科技發(fā)展的7個(gè)科技推動(dòng)領(lǐng)域之一。美國大多數(shù)主要的航天和國防承包商都有一個(gè)或多個(gè)半實(shí)物仿真試驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室代表了當(dāng)前世界先進(jìn)水平。
[0004]從20年代80年代開始，我國研制了一批大規(guī)模的半物理仿真系統(tǒng)，但隨著航天任務(wù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的不斷提升，對半物理仿真系統(tǒng)提出了面向航天器軌道姿態(tài)進(jìn)行仿真，以及高運(yùn)行可靠性和低運(yùn)行成本的要求。目前用于航天領(lǐng)域的半物理仿真系統(tǒng)多是針對某一特定航天任務(wù)進(jìn)行開發(fā)，通過定制系統(tǒng)部件組合而成，存在模塊化程度低、開發(fā)成本高、可擴(kuò)展性差、重復(fù)利用率低等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種系統(tǒng)部件模塊化程度高、可視化程度高、能夠混合編程開發(fā)的面向航天器軌道姿態(tài)的半物理仿真系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種模塊化的航天器軌道姿態(tài)半物理仿真系統(tǒng)，包括:工作控制機(jī)(1)、航天任務(wù)載荷模擬器(4)、實(shí)時(shí)仿真機(jī)(5)和軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)(6);工作控制機(jī)(1)上安裝并運(yùn)行LabVIEW(l-l)和Veristand(1_2)軟件，通過LabVIEff(l-l)軟件進(jìn)行航天器軌道姿態(tài)自定義模塊的開發(fā)，自定義模塊包括軌道和姿態(tài)模塊、通信模塊；再通過Veristand(l-2)軟件將開發(fā)的自定義模塊部署到實(shí)時(shí)仿真機(jī)(5)中，完成各模塊間輸出或輸入的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；實(shí)時(shí)仿真機(jī)(5)運(yùn)行軌道和姿態(tài)模塊、通信模塊，完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，其中軌道和姿態(tài)模塊進(jìn)行航天器軌道姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算，并通過通信模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)出)；軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)(6)針對航天任務(wù)載荷模擬器(4)的任務(wù)載荷及半物理仿真的工程要求，依據(jù)接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道和姿態(tài)控制量的解算，并通過通信模塊將相應(yīng)控制量回傳給實(shí)時(shí)仿真機(jī)(5);實(shí)時(shí)仿真機(jī)(5)上的軌道和姿態(tài)模塊以接收到的控制量數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行航天器軌道姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算，從而形成航天器軌道姿態(tài)的實(shí)時(shí)控制閉環(huán)回路。
[0007]本發(fā)明還包括數(shù)據(jù)接收機(jī)(2)與通信模塊連接，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)。
[0008]本發(fā)明還包括視景仿真機(jī)(3)，與通信模塊連接，顯示航天器在軌運(yùn)行的三維視景圖像，并對圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。
[0009]軌道和姿態(tài)模塊通過Visual Stud1與Matlab混合編程生成，具體如下:
[0010](1)在Simulink中通過其中的函數(shù)模塊建立航天器軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，并設(shè)置數(shù)據(jù)輸入端口和數(shù)據(jù)輸出端口；
[0011](2)在Code Generat1n Opt1ns下選擇Visual Stud1的相應(yīng)編譯器版本進(jìn)行編譯，生成C++代碼；
[0012](3)在Visual Stud1編譯上述C++工程，生成可調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫，即為軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊。
[0013]通信模塊在LabVIEW(l-l)中的具體開發(fā)過程如下:
[0014](1)在前面板中加入數(shù)值輸入控件，并與接線端相連，設(shè)置為“必需”型，從而生成通信模塊的輸入端口，在部署該通信模塊時(shí)將其與軌道和姿態(tài)模塊的輸出端口關(guān)聯(lián)，依據(jù)變量名進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
[0015](2)在程序框圖中，按照航天任務(wù)所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式設(shè)置包含所有變量的數(shù)組，通過內(nèi)層for循環(huán)和外層while循環(huán)完成每一次數(shù)據(jù)傳輸中所有變量的采集；
[0016](3)在程序框圖中，添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議子模塊，并將其與變量的數(shù)組和前面板數(shù)值輸入控件連線；數(shù)據(jù)通信協(xié)議子模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸方式的打開、數(shù)據(jù)的寫入、數(shù)據(jù)的發(fā)送、傳輸方式的關(guān)閉功能；
[0017](4)在程序框圖中，添加時(shí)鐘模塊以控制數(shù)據(jù)發(fā)送的速率，并使用while結(jié)構(gòu)對傳輸方式關(guān)閉功能添加容錯(cuò)保護(hù)程序，當(dāng)通信模塊發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的容錯(cuò)保護(hù)程序，避免發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)硬件一直被占用；
[0018](5)通過 LabVIEW(l-l)中的 “Generate Model From N1."” 生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信模塊模型。
[0019]所述數(shù)據(jù)接收機(jī)(2)中運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收模塊(2-1)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收模塊(2-1)基于LabVIEW開發(fā)生成，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、解包、還原、顯示和存儲(chǔ)，根據(jù)通信協(xié)議對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包和還原，通過軟件界面實(shí)時(shí)顯示航天器軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)，對部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制二維曲線圖，并將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。
[0020]本發(fā)明所述的一種模塊化的航天器軌道姿態(tài)半物理仿真系統(tǒng)提供了模塊化的系統(tǒng)部件和模塊開發(fā)平臺，其能夠解決面向航天器軌道姿態(tài)的半物理仿真系統(tǒng)的快速靈活、低成本、高保真搭建和開發(fā)，提高系統(tǒng)模塊的可移植性和可重復(fù)利用性，驗(yàn)證針對不同航天任務(wù)的軌道姿態(tài)控制精度和航天器視場精度，為面向航天領(lǐng)域的半物理仿真系統(tǒng)的開發(fā)研究提供良好的基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022](1)傳統(tǒng)的半物理仿真系統(tǒng)針對特定的航天任務(wù)開發(fā)而成，本系統(tǒng)面向航天器軌道姿態(tài)，由通用的系統(tǒng)模塊和部件構(gòu)成，提供一種模塊化程度高、開發(fā)成本低、可移植、可重復(fù)利用的半物理仿真系統(tǒng)。
[0023](2)本系統(tǒng)包括工作控制機(jī)(1)及其搭載的LabVIEW(1-1)和Veristand(1_2)軟件，能夠?qū)ο到y(tǒng)模塊進(jìn)行開發(fā)和部署。通過LabVIEW(l-l)圖形化G語言編程，完成軌道和姿態(tài)模塊及通信模塊的開發(fā)，通過Veristand (1-2)和以太網(wǎng)將上述模型部署到實(shí)時(shí)仿真機(jī)(5)中。同時(shí)結(jié)合Visual Stud1和Matlab/Simulink/RTW等可進(jìn)行混合編程，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和可移植性。
[0024](3)本系統(tǒng)可視化程度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、交互界面友好，數(shù)據(jù)接收機(jī)(2)實(shí)時(shí)顯示航天器軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)，視景仿真機(jī)(3)實(shí)時(shí)三維展示航天器在軌狀態(tài)，對航天器軌道姿態(tài)進(jìn)行尚真實(shí)度、尚可視化的仿真展不。
[0025](4)本系統(tǒng)模塊化程度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可視化程度高，利于混合編程和模塊化組建，有效降低開發(fā)成本和運(yùn)行成本，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明所述的仿真系統(tǒng)整體框架示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明所述的工作控制機(jī)功能框圖；
[0028]圖3為本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)仿真機(jī)功能框圖；
[0029]圖4為本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)接收機(jī)功能框圖；
[0030]圖5為本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)接收機(jī)運(yùn)行時(shí)的界面。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的一種模塊化的航天器軌道姿態(tài)的半物理仿真系統(tǒng)作進(jìn)一步描述。
[0032]本發(fā)明的整體框架示意如圖1所述，它由工作控制機(jī)1、數(shù)據(jù)接收機(jī)2、視景仿真機(jī)
3、航天任務(wù)載荷模擬器4、實(shí)時(shí)仿真機(jī)5和軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)6組成。工作控制機(jī)1通過以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)仿真機(jī)5連接；實(shí)時(shí)仿真機(jī)5的信號輸出端通過以太網(wǎng)分別與數(shù)據(jù)接收機(jī)2和視景仿真機(jī)3連接；軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)6的信號輸入端通過CAN總線與實(shí)時(shí)仿真機(jī)5連接；軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)6的信號輸出端通過串口線與實(shí)時(shí)仿真機(jī)5連接；航天任務(wù)載荷模擬器4的信號輸出或輸入端與實(shí)時(shí)仿真機(jī)5的信號輸出或輸入端相連；工作控制機(jī)1上安裝并運(yùn)行LabVIEWl-Ι和Veristandl-2軟件；數(shù)據(jù)接收機(jī)2運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收模塊2-1 ;視景仿真機(jī)3運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)3-1 ;實(shí)時(shí)仿真機(jī)5運(yùn)行軌道和動(dòng)力學(xué)模塊，及通信模塊。其中軌道動(dòng)力學(xué)模塊5-1、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊5-2，通信模塊包括串口通信模塊5-3、UDP通信模塊5-4和CAN總線通信模塊5_5。
[0033]工作控制機(jī)1上安裝并運(yùn)行LabVIEWl-1和Veristandl-2軟件，通過LabVIEWl-1軟件和Visual Stud1、Matlab、Simulink等軟件進(jìn)行航天器軌道姿態(tài)自定義模塊的開發(fā)，包括軌道動(dòng)力學(xué)模塊5-1、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊5-2、串口通信模塊5-3、UDP通信模塊5_4、CAN總線通信模塊5-5的開發(fā)，再通過Veristandl-2軟件將開發(fā)的即軌道動(dòng)力學(xué)模塊、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊、串口通信模塊、UDP通信模塊、CAN總線通信模塊部署到實(shí)時(shí)仿真機(jī)5中，完成各模塊間輸出或輸入的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；實(shí)時(shí)仿真機(jī)5運(yùn)行軌道動(dòng)力學(xué)模塊5-1、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊5-2、串口通信模塊5-3、UDP通信模塊5-4、CAN總線通信模塊5_5，完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，其中軌道動(dòng)力學(xué)模塊5-1和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊5-2進(jìn)行航天器軌道姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算，并通過CAN總線通信模塊5-5將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)6 ;軌道姿態(tài)控制綜合處理系統(tǒng)6針對航天任務(wù)載荷模擬器4的任務(wù)載荷及半物理仿真的工程要求，依據(jù)接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道姿態(tài)控制量的解算，即解算出航天器的推力序列，并通過串口模塊5-3將相應(yīng)控制量回傳給實(shí)時(shí)仿真機(jī)5 ;實(shí)時(shí)仿真機(jī)5上的軌道動(dòng)力學(xué)模塊5-1和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊5-2以接收到的控制量數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行航天器軌道姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算，從而形成航天器軌道姿態(tài)的實(shí)時(shí)控制閉環(huán)回路；UDP通信模塊5-4將實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議廣播到局域網(wǎng)，由數(shù)據(jù)接收機(jī)2和視景仿真機(jī)3使用；數(shù)據(jù)接收機(jī)2運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收模塊2-1，支持通過UDP、CAN總線、串口方式傳輸，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)；視景仿真機(jī)3運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)3-1顯示航天器在軌運(yùn)行的三維視景圖像，并對圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。
[0034]所述的航天任務(wù)載荷模擬器4可模擬多種航天任務(wù)載荷，針對不同的航天器軌道姿態(tài)，可通過LabVIEWl_l、Visual Stud1和Matlab/Simulink/RTW等混合編程開發(fā)相應(yīng)的模塊。
[0035]通過Visual Stud1與Matlab混合編程開發(fā)動(dòng)力學(xué)模塊的具體過程如下:
[0036](1)在Simulink中通過其中的函數(shù)模塊建立航天器軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，并設(shè)置數(shù)據(jù)輸入端口和數(shù)據(jù)輸出端口；
[0037](2)在Code Generat1n