趙琳　施天博

【摘 要】介紹了小衛(wèi)星控制系統(tǒng)地面半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。PC104 實(shí)時(shí)仿真機(jī)作為平臺(tái)核心，在氣浮臺(tái)上與星載計(jì)算機(jī)、敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等實(shí)物組成閉環(huán)控制回路。引入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，聯(lián)合地面顯示終端實(shí)現(xiàn)了仿真數(shù)據(jù)的可視化及仿真過(guò)程的回放。利用建立的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制半物理仿真，結(jié)果表明本仿真驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)的正確性。

【Abstract】The software-hardware design of the hardware-in-loop simulation platform for a small satellite control system was introduced and the simulation for the attitude control system was performed. As the keystone of the simulation platform， the PC104 real-time simulator together with the on-board computer， sensors and actuators constitute a closed-loop control simulation system on an air-bearing table. A database was designed for the unified management of the simulation data ，and it combines with the ground display terminals to achieve the simulation data visualization and the playback of simulation process. Based on the established real-time simulation system， the hardware-in-loop simulation for satellite three-axis attitude control was done. The result of the simulation shows that the software-hardware architecture of this simulation platform is correct.

【關(guān)鍵詞】小衛(wèi)星；半物理仿真；PC104

【Keywords】small satellite； hardware-in-loop simulation； PC104

【中圖分類號(hào)】TP391.9 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0134-03

1 引言

建立一套完整的衛(wèi)星控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)信息調(diào)整的需求有很重要的意義，該系統(tǒng)應(yīng)具有快速且準(zhǔn)確地反應(yīng)衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)信息的功能，及時(shí)將信息發(fā)送給衛(wèi)星系統(tǒng)，使得衛(wèi)星系統(tǒng)迅速做出相應(yīng)的調(diào)整。

衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是一衛(wèi)星控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，可以掌握衛(wèi)星的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，并且可以自己找到適合的辦法進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，達(dá)到預(yù)計(jì)要求。建立一個(gè)可靠和實(shí)時(shí)的姿控系統(tǒng)是衛(wèi)星系統(tǒng)能正常運(yùn)行的關(guān)鍵，不過(guò)由于衛(wèi)星整體系統(tǒng)造價(jià)高，不方便調(diào)試等缺陷，因而本文提出應(yīng)用半物理仿真系統(tǒng)替代全物理系統(tǒng)。

衛(wèi)星研究過(guò)程中具有投入高、風(fēng)險(xiǎn)高的特殊性，決定了衛(wèi)星從可行性論證到正樣設(shè)計(jì)的研制過(guò)程中必然要經(jīng)歷各式各樣的仿真試驗(yàn)[1，2]。其中，衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的半物理仿真設(shè)計(jì)對(duì)于衛(wèi)星的研制具有重要作用。在控制系統(tǒng)半物理仿真中為提高可靠度，需要將衛(wèi)星控制系統(tǒng)的核心星載計(jì)算機(jī)接入半物理仿真回路。先進(jìn)的xPC實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為快速低成本地模擬在地面搭建星載計(jì)算機(jī)外部實(shí)時(shí)工作環(huán)境提供了一種快速原型化的途徑。xPC Target是基于MATLAB/Simulink在實(shí)時(shí)環(huán)境下的開(kāi)發(fā)及測(cè)試的工具箱，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的無(wú)縫連接[3]，在當(dāng)前半物理系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[4，5]。

本文針對(duì)小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用單軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、反作用飛輪、PC104板卡、MATLAB/Simulink xPC Target實(shí)時(shí)工具等軟件，建立了小衛(wèi)星半物理實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

2 xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境

xPC實(shí)仿真機(jī)采用研華PC104板卡及串口卡數(shù)據(jù)采集卡。該套板卡由CAN卡、主機(jī)卡、串口卡、數(shù)據(jù)采集卡四張板卡組成[6，7]，具有體積小、實(shí)時(shí)性高接口豐富等特點(diǎn)。

xPC Target系統(tǒng)在美國(guó)日本以應(yīng)用在機(jī)器人、航空航天、導(dǎo)彈及工業(yè)控制領(lǐng)域，但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的還不是很多，有些應(yīng)用也只是停留在初使階段。如利用xPC Target構(gòu)造中空液壓馬達(dá)司服實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的下載、采集，完成了模型參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，生成了馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的運(yùn)動(dòng)曲線圖[8]。利用xPC Target平臺(tái)提供了一種用于數(shù)據(jù)記錄機(jī)制，將實(shí)時(shí)任務(wù)在運(yùn)行過(guò)程中的有關(guān)數(shù)據(jù)保存為磁盤(pán)文件以便今后進(jìn)行離線分析[9]。應(yīng)用xPC Target環(huán)境建立一個(gè)基于衛(wèi)星自主智能控制技術(shù)的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制硬件在回路仿真系統(tǒng)[10]。以上的應(yīng)用主要是兩個(gè)部分，一個(gè)是主要應(yīng)用快速原型設(shè)計(jì)，另一個(gè)是xPC Target Embeded Option主要用于構(gòu)建嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。西北工業(yè)大學(xué)已成功將這一技術(shù)運(yùn)用于無(wú)人機(jī)的研制與開(kāi)發(fā)。當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)憑借其自身的優(yōu)越性，已受到越來(lái)越多的關(guān)注，有越來(lái)越多的科研、技術(shù)人員投身其中。在將來(lái)基于MATLAB/xPC Target的快速原型設(shè)計(jì)技術(shù)必將在控制、制導(dǎo)與導(dǎo)航，射頻仿真系統(tǒng)，汽車電子等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

xPC Target是一種方便靈活的快速原型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)。xPC Target是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)MATLAB/Simulink下的一個(gè)工具箱，可將目標(biāo)機(jī)變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速原型化和系統(tǒng)的半物理仿真等功能。xPC Target采用了“雙機(jī)”技術(shù)途徑，宿主機(jī)可以采用安有MATLAB/Simlulink的普通計(jì)算機(jī)，目標(biāo)機(jī)可以采用工控機(jī)，兩者間通過(guò)以太網(wǎng)或者串口進(jìn)行通信。

在xPC Target仿真環(huán)境下，宿主機(jī)中采用Simulink建立仿真系統(tǒng)中所需要的數(shù)學(xué)模型并在Windows下進(jìn)行非實(shí)時(shí)仿真，然后應(yīng)用RTW代碼生成器和C編輯器可以將Simulink中所搭建的模型自動(dòng)生成高效可移植的C代碼，然后通過(guò)半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。該系統(tǒng)環(huán)境方便，只需要兩臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以搭建簡(jiǎn)易的仿真環(huán)境[11]，如圖1。

3 半物理仿真平臺(tái)

以數(shù)學(xué)模型仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)衛(wèi)星總體仿真的需求，建立了基于xPC的敏捷衛(wèi)星半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)。該平臺(tái)以xPC Target實(shí)時(shí)仿真機(jī)為核心，在氣浮臺(tái)上將星載計(jì)算機(jī)、陀螺儀、反作用飛輪等實(shí)物通過(guò)CAN總線構(gòu)成“臺(tái)上閉環(huán)回路”，并通過(guò)采集管理仿真數(shù)據(jù)將曲線、指令顯示在目標(biāo)機(jī)的圖形界面上，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2。

依據(jù)上圖將飛輪實(shí)物與陀螺實(shí)物等通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，終端顯示計(jì)算機(jī)與xPC實(shí)時(shí)仿真機(jī)通過(guò)TCP/IP進(jìn)行通訊。

4 地面顯示終端

采用VS2010編寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，其目的為打到接收與管理大量實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)。在臺(tái)上閉環(huán)回路進(jìn)行仿真時(shí)，“地面終端系統(tǒng)”通過(guò)無(wú)線信號(hào)接收“臺(tái)上閉環(huán)回路”的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)（軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)等），以ADO的方式訪問(wèn)SQL Sever數(shù)據(jù)源HIT_SAT，完成仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并通過(guò)UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將仿真數(shù)據(jù)廣播到局域網(wǎng)，以發(fā)出地面指令、曲線、動(dòng)畫(huà)顯示終端，完成數(shù)據(jù)的曲線繪制。當(dāng)平臺(tái)仿真結(jié)束時(shí)，地面終端顯示系統(tǒng)可以通過(guò)讀取數(shù)HIT_SAT中的仿真數(shù)據(jù)，按一定的速率傳到局域網(wǎng)，再次展現(xiàn)每個(gè)階段的仿真過(guò)程，完成數(shù)據(jù)的回放；利用SQL Sever查詢分析器，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析與管理功能，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，起到對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)、系統(tǒng)參數(shù)、關(guān)鍵技術(shù)等快速高效地驗(yàn)證與優(yōu)化的作用。

5 結(jié)果與討論

微小衛(wèi)星的研發(fā)制備過(guò)程中，半物理技術(shù)是一種常用的設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段。本文面向采用Simulink中的 xPC Target實(shí)時(shí)內(nèi)核和姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)物搭建的仿真平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。xPC Target實(shí)時(shí)內(nèi)核功能豐富，搭建容易，節(jié)約了成本，對(duì)大型仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)非常適用。但也有實(shí)物仿真過(guò)程中數(shù)據(jù)滯后的情況，因此還有待進(jìn)一步深入研究。

本文基于xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境建立了小衛(wèi)星半物理實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)建立過(guò)程中氣浮臺(tái)與地面終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞、使用STK軟件進(jìn)行場(chǎng)景實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)的顯示和采用MFC繪制曲線。在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的成功搭建后，進(jìn)行了小衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制半物理仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明半物理仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)性和可靠性，可以作為衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證過(guò)程中有效的驗(yàn)證手段，也可作為以后類似的仿真系統(tǒng)的平臺(tái)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】張新邦， 林來(lái)興， 索旭華. 衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2000， 17（2）：57-59.

【2】原勁鵬， 楊滌， 翟坤， 等. 某型大柔性多體結(jié)構(gòu)衛(wèi)星半實(shí)物仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2006， 18（5）： 1204-1207. （YUAN Jin-peng，YANG Di， ZHAI Kun， ZHANG Zi-long. xPC-based Hardware-inthe-Loop Simulation of Certain Large Flexible Multi-body Structure Satellite [J]. Journal of System Simulation （S1004-731X）， 2006，18（5）： 1204-1207.）

【3】楊滌， 李立濤， 楊旭， 等. 系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2002.

【4】R Watkins， B Agrawal， Y Shin， H Chen. Jitter Control of Space and Airborne Laser Beams [C]// 22nd AIAA International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit 2004 （ICSSC）. USA： AIAA， 2004， 5： 9-12.

【5】Y Yang， X Cao. Design and Development of the Small Satellite Attitude Control System Simulator [C]// AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit， 2006. USA： AIAA，2006， 8： 21-24.

【6】余涌濤. 基于 SIM U LINK 的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)[ J] .計(jì)算機(jī)仿真， 2006（ 11）：71-74.

【7】邢 超，李言俊， 張 科.基于 M ATLAB/ Simulink 的實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2004， 21（3）： 66-67.

【8】張樂(lè)飛，劉利，王旭永.基于x PC實(shí)時(shí)控制的中空液壓馬達(dá)伺服系統(tǒng)的研究[J]. 液壓與氣動(dòng)，2005（6）：46-47.

【9】王超， 王仕成， 劉志國(guó).基于Matlab/x PC Target 的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)研究[J]. 控制工程，2007（2）：50-51.

【10】朱承元，楊滌，翟坤. SAR 衛(wèi)星姿態(tài)控制實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2004，21（4）：151-154.

【11】Wang Heng. On the development of a real time control system by using xPC Target： solution to robotic system control. The 2005 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering.2005，8：345-350.