基于SOC的衛星姿軌控系統通用電模擬器設計

胡迪 董云峰

(北京航空航天大學,北京100191)

1 引言

在衛星地面電聯系統中,對于測量系統和執行系統,通常按照各真實設備的電接口規范和功能要求由各種電路板來模擬,該電路板被稱為各設備的電模擬器[1]。地面電聯試階段采用電模擬器可降低成本、縮短開發周期、能有效提升衛星功能測試以及方便電模擬器的升級改造;可方便地模擬各部件工作狀態以滿足測試要求和驗證的需要;還可以在電模擬器程序中加入故障模式,方便地進行故障仿真,提升衛星控制系統的可靠性和冗余性。而目前大部分研究著重于如何構建衛星仿真平臺、測試網絡及星載計算機的總線化設計[2-5],對于地面電聯試如何構建通用型電模擬器關注較少。文獻[1]提出采用PXI總線構建通用衛星電模擬器平臺是基于標準總線的電模擬器,適合數字式仿真,不適合電信號故障模式下的仿真應用。文獻[6]采用CAN總線和以太網構建衛星和火箭控制系統地面測試平臺,電模擬器采用各種板卡實現,并未實現通用化設計。文獻[7]只針對反作用飛輪提出了基于C8051F040的電模擬器設計,此模擬器設計針對性太強,核心芯片處理能力有限,不適合進行復雜的精確的模型計算和故障模式注入仿真。文獻[8]提出采用 TM320F2812和C8051F040構建電模擬器,對于各模擬非標準接口并未進行詳細說明,不能仿真各種電信號的故障模式。文獻[1]、[8]均不能直接用于采用PCM碼構成串行移位接口的仿真應用。

本文采用基于ARM7內核的片上系統(SystemonaChip,SOC)微控制器設計通用型電模擬器,芯片處理能力強大適合精確復雜模型計算,接口豐富覆蓋了各部件接口特性,適合電信號仿真;并且所有部件模擬器采用相同的硬件設計,只需修改配置表即可完成對不同模擬器的配置。分系統閉環測試表明該通用型電模擬器采用統一化硬件設計,提高了系統的可靠性,減少了開發成本,增加了系統的可擴展性,提升了可維修性,對其他衛星的地面電聯試有較高的參考價值。

2 通用電模擬器硬件設計

2.1 硬件接口分析及方案設計

在該型衛星技術改進電聯式系統研制過程中,姿態軌道控制分系統的電聯系統是其核心組成部分。針對該型衛星姿態軌道控制分系統的接口特性,將分系統電模擬器分為:星載計算機模擬器、通用接口箱模擬器、敏感器模擬器、執行機構模擬器,與動力學仿真系統和遙測遙控系統構成閉環電聯試系統。星載計算機模擬器通過CAN總線控制通用接口箱采集敏感器數據和控制執行機構動作,通用接口箱采用與真實部件一致的接口與敏感器模擬器、執行機構模擬器相連,敏感器模擬器與執行機構模擬器采用CAN總線與動力學計算機進行數據交換,遙測遙控分系統通過串行移位接口與通用接口箱相連,采集星載計算機模擬器的遙測數據和對部件模擬器進行遙控操作。

根據接口定義(IDS)表,星載計算機接口分別與敏感器、執行機構、檢測和遙測遙控接口對應,其中敏感器由速率陀螺、二浮陀螺、太陽敏感器、地球敏感器組成,執行機構由推力器、磁力矩器、反作用輪組成。整個系統組成信號達兩百多條,如果按一對一進行電模擬器設計,將帶來極高的設計成本。設計通用型電模擬器可有效解決接口眾多,信號差異大的缺點,并且可有效降低設計成本,增加系統可靠性。

經過分析統計,該型衛星信號種類可分為如下幾大類:0/12V數字量輸入輸出、0/5V數字量輸入輸出、0/12V開關量輸出、0/7V脈沖量輸入輸出、0/12V脈沖量輸入輸出、-10～+10V模擬量輸入輸出、0～+5V模擬量輸入輸出、RS422接口、SPI接口、AD/DA接口、串行移位接口等。根據信號類型統計,通用型電模擬器信號類型覆蓋全面,不僅能通過相同的硬件配置成不同的敏感器模擬器和執行機構模擬器,而且對星載計算機接口進行配置形成通用接口箱,對星載計算機進行接口分離。

總體方案設計采用集成度較高的SOC設計,組成結構如圖1所示。

圖1 組成結構圖

2.2 硬件通用設計

本文中SOC芯片選擇Atmel公司生產的AT91SAM7X256,片上集成256kbyte的Flash和64kbyte的SRAM,集成2個串口和一個調試串口,集成CAN總線控制器,可用IO口線達64條,其IO口線可通過軟件配置進行不同功能使用。具體實現方式如下。

輸入輸出接口:基本的輸入輸出接口、要求輸入與輸出兼容12V電平,其中輸入輸出接口采用7X256自帶的通用并行IO,通過跳線選擇輸入或輸出方式,并經過ULN2803作電壓調理,通過改變其上拉電壓可使其兼容+12V、+5V、+3.3V的電平。為了滿足大電流輸出的要求,PB口采用兩個三極管組成的射極跟隨電路用以驅動開關量控制繼電器。

PWM信號:PWM信號采用單片機內部的4路16位PWM信號發生器產生,經ULN2803調理后輸出0～12V的電壓。

脈沖捕獲輸入和波形輸出:脈沖捕獲輸入和波形輸出采用單片機內部的2個16位定時器計數器,每個可以有兩個捕獲輸入或波形輸出引腳(TIOA、TIOB)。經ULN2803電壓調理后輸出0～12V電壓。

模擬量輸入輸出:模擬量輸入采用AD公司的積分型模數轉換芯片AD7708,它具有8路16位的輸入通道,控制總線采用SPI接口;模擬量輸出采用AD公司的4通道16位的芯片AD5564,SPI接口的控制總線,經過測試精度符合設計要求。

總線接口:由于SAM7X256片上集成一個CAN總線接口,兩個USART串行口,通過配置不同的收發芯片即可實現CAN總線、RS422總線和 RS232總線,同時將DEBUG串口和 USB、JTAG口引出便于調試。

采用AT91SAM7X256核心芯片,其片上集成接口眾多,電路設計簡單,工作頻率為48MHz,能適應各種復雜模型計算和故障模式仿真。接口覆蓋不同種類信號,可有效進行不同電模擬器的配置,電路板選擇標準的4U尺寸規格,電路板大小為220mm×145mm。

3 通用電模擬器的不同配置

3.1 硬件可配置性

采用通用電模擬器平臺可方便地實現對不同部件進行配置,本文針對陀螺和反作用輪的接口特性及數據流向給出基于通用電模擬器的硬件配置說明。

陀螺模擬器的配置:星載計算機模擬器通過開關量控制陀螺部件模擬器的繼電器打開或關閉陀螺模擬器,陀螺模擬器將電源狀態通過電平信號反饋給星載計算機模擬器,陀螺部件模擬器通過CAN總線從動力學與環境計算機獲取角速度信息,從而將角速度轉成角度脈沖和模擬量輸出給星載計算機模擬器;從數據流向分析可以看出,可從通用電模擬器將CAN總線接口、數字量輸出接口、開關量輸入接口、脈沖信號輸出接口和模擬量輸出接口提取出即可配置成陀螺電模擬器。

反作用輪模擬器的配置:星載計算機模擬器通過開關量控制反作用輪模擬器的繼電器打開或關閉反作用輪,反作用輪模擬器將電源狀態通過電平信號反饋給星載計算機模擬器,星載計算機計算出指令電壓通過DA輸出給反作用輪模擬器,反作用輪模擬器計算出力矩通過CAN總線傳送給動力學與環境計算機,同時反作用輪輸出轉速脈沖及速度方向給星載計算機模擬器;從數據流向分析可以得出,可從通用電模擬器將CAN總線接口、數字量輸出接口、開關量輸入接口以及脈沖信號輸出接口和模擬量輸入接口即可配置成反作用輪電模擬器。

星載計算機模擬器由于接口眾多,采用通用接口箱將星載計算機模擬器應用層軟件與接口分開,針對陀螺電模擬器和反用輪電模擬器,可從通用電模擬器將CAN總線接口、數字量輸入接口、脈沖量捕獲接口、模擬量輸入輸出接口以及開關量輸出接口即可實現接口模塊的配置,如圖2所示采用通用硬件平臺,配置成3+1SX軸陀螺電模擬器和反作用輪A的電模擬器,以及配置成通用接口箱的接口模塊,用于采集陀螺模擬器輸出的數據和控制反作用輪模擬器。

圖2 通用電模擬器的不同配置

3.2 軟件的可配置性

通用電模擬器軟件的設計根據需求分成驅動層、配置層和應用層,驅動層負責實現對端口的操作,同時向應用層提供統一的驅動接口函數;配置層負責實現不同的電模擬器;應用層負責實現各模擬器的原理模型、誤差模型和失效模型,這些模型可以先在Windows平臺下調試通過,本文在此不做分析。

配置層分兩部分,一部分負責提取該電模擬器所需驅動函數,稱為設備配置,采用預編譯方式實現,通過定義不同的宏定義實現不同驅動函數的編譯;另一部分負責配置具體操作端口稱為端口配置層,端口配置層根據上一節的硬件配置實現;通過應用層的調用關系即可實現所需電模擬器功能配置。

如陀螺電模擬器需要CAN總線,產生電平信號和脈沖信號以及模擬量信號,設備配置層從驅動層提取出CAN總線驅動、端口操作驅動、脈沖信號產生驅動以及模擬量ADDA驅動,端口配置層負責將陀螺電模擬器所需端口配置到具體的端口上。

4 通用電模擬器的特點

該通用電模擬器具有下列特點:

1)硬件平臺統一化,所有電模擬器采用相同硬件平臺,電路完全統一,因此電路調試簡單,可隨時更改配置。由于硬件平臺采用統一配置,因此軟件驅動只需編寫測試一次即可,節約時間,同時通過裁剪軟件即可實現不同模擬器的使用。

2)可擴展性好,硬件平臺覆蓋所有部件的信號特征,如果新加入部件,只需根據新加部件進行硬件配置即可實現新加部件的仿真測試,加快了算法及模型的驗證周期。

3)可維修性好,采用通用化硬件和軟件平臺,出現故障即可及時進行對比分析或更換硬件板子。

4)可使仿真人員更加專注于模型及算法的開發,可快速驗證算法的有效性,同時也可以通過故障注入等方式進行故障仿真,提高算法的可靠性。

5 通用電模擬器閉環測試

采用該通用電模擬器完成某型衛星的通用接口箱配置及敏感器模擬器配置和執行機構模擬器配置,接入地面電聯試仿真系統,從星箭分離后開始仿真,星載計算機控制周期設置為64ms,動力學與環境計算仿真步長為4ms,整個控制系統采用通用電模擬器共配置了速率陀螺電模擬器、二浮陀螺電模擬器、地球敏感器電模擬器、太陽敏感器電模擬器、反作用輪電模擬器和推力器電模擬器,在不同的模式下采用不同的姿態控制方案,通過仿真達到了控制要求。

太陽捕獲模式下采用推力器和速率陀螺姿態確定及控制方案,配置推力器和3+1S速率陀螺電模擬器和接口箱模塊。從速率阻尼模式開始,經過太陽搜索、對日調整姿態到對日巡航結束,仿真初始參數為:滾動角為10°,俯仰角為10°,偏航角為-50°,X軸角速度為1.5(°)/s,Y軸角速度為-2.1(°)/s,Z軸角速度為2(°)/s。圖3為太陽捕獲模式下3個姿態角與角速度的變化情況,可看到3個姿態角速度均趨向于0,符合設計要求。

圖3 太陽捕獲模式下的姿態角與角速度變化

地球捕獲模式采用地球敏感器、太陽敏感器、速率陀螺和推力器的姿態確定和控制方案。從太陽捕獲模式轉入地球捕獲模式,加入地球敏感器電模擬器以及接口箱模塊,依次進行地球搜索、兩軸對地、三軸對地到地球指向結束。仿真初始參數設定為:滾動角為10°,俯仰角為10°,偏航角為-50°,X軸角速度為1.5(°)/s,Y軸角速度為-2.1(°)/s,Z軸角速度為 2(°)/s。圖4是地球捕獲模式下角度與角速度的變化,3個姿態角最終變化趨向于0,3個姿態角速度也在控制要求范圍內。

圖4 地球捕獲模式下的姿態角與角速度變化

正常模式采用二浮陀螺、太陽敏感器和地球敏感器及反作用輪姿態確定和控制方案,在完成三軸對地定向后轉入,加入二浮陀螺電模擬器和反作用輪電模擬器及接口箱模塊,采用反作用輪進行姿態控制,仿真初始參數設定為:滾動角為0.5°,俯仰角為-0.6°,偏航角為0.3°,X軸角速度為0.1(°)/s,Y軸角速度為-0.1(°)/s,Z軸角速度為0.1(°)/s。圖5是正常模式下的控制效果,3個姿態角和角速度均達到了控制要求。

圖5 正常模式下的姿態角與角速度變化

6 結束語

通過對某型衛星姿態軌道控制系統的電聯系所需接口進行信號統計分析,采用SOC芯片將電模擬器進行通用化設計,不僅降低了開發成本,而且縮短了開發周期。并通過不同配置將通用型電模擬器配置成姿軌控制系統所需的模擬設備,接入閉環仿真測試系統,進行了太陽捕獲、地球捕獲和正常三種模式的閉環測試,與單機全數字仿真結果進行了比較,采用該設計方法對控制精度沒有影響,達到了設計要求。基于該電模擬器的通用化設計,可廣泛應用于不同衛星平臺的電聯試電模擬器設計當中,對地面衛星電聯試應用具有很好的參考價值。

[1]孫亞非,梁斌,李成,等.基于衛星通用電模擬器開發平臺的目標測量系統電模擬器研制[J].宇航學報,2008,29(2):705-709.

[2]蘭盛昌,趙丹,徐國棟.星載電子系統數字化設計仿真平臺[J].系統仿真學報,2008,20(2):314-317.

[3]吳文昭,李想,陳琪鋒,等.分布式衛星系統仿真平臺研究現狀與技術分析[J].航天控制,2007,25(4):57-62.

[4]VINCENTDUBOURG,JEANLOUISCARAVON,PASCALEDANTO,etal.AnInnovativeOnboardComputerForCNESMicrosatellites[C].DigitalAvionicsSystemsConference2002ProceedingsThe21st,IEEE:2002,9B2-1-9B2-11vol.2.

[5]WUXIAOFENG,TANYAVLADIMIROVA.Hardware-in-LoopSimulationofaSatelliteSensorNetworkfor DistributedSpaceApplications[C].NASA/ESA ConferenceonApaptiveHardwareandSystem.2008:424-431.

[6]楊希祥,張為華,肖凱.基于CAN總線的控制系統地面仿真測試平臺研究[J].中國空間科學技術,2009,29(2):38-45.

[7]李冬柏.反作用飛輪電模擬器設計與應用[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[8]孫亞非,梁斌,李成,等.基于TM320F2812和C8051F040的目標測量系統電模擬器研制[J].電子測量技術,2008,31(4):142-145.