基于組態建模的航天器姿軌控數學仿真系統*

胡海霞，涂俊峰，曾海波，李明群，王大軼

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

基于組態建模的航天器姿軌控數學仿真系統*

胡海霞1，2，涂俊峰1，2，曾海波1，2，李明群1，2，王大軼1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

數學仿真是研究航天器姿態軌道控制系統常用的手段，目前常用人工編程的方式建模，花費時間長且軟件的可讀性、可維護性較差.提出一套基于組態建模的航天器姿態軌道控制仿真系統，該系統通用性強、可支持自動建模及代碼生成.仿真實例表明，該系統模塊化、自動化程度較高，大大提高了研究人員的工作效率.

航天器；組態建模；姿態軌道控制；仿真系統

航天器姿態軌道控制系統非常復雜，需要對航天器對象動力學、姿態測量部件、執行機構部件以及控制器算法等進行建模和仿真［1-3］.傳統上研究人員采用人工編程的建模方式，利用程序語言(如Fortran、Matlab、C/C++等)進行編程實現和仿真.這種方式對研究人員的個人能力依賴性較高，往往需要花費大量的人力、物力和較長的時間才能完成一個系統的建模工作，并且軟件的可讀性、可維護性都較差.隨著航天技術的迅速發展，航天器的性能要求逐步提高、結構與構型日益復雜化、研制周期也大為縮短，原有人工建模的方式已經不能滿足需要.軍用仿真技術發展趨勢是網絡化、提高模型表達的權威性、標準化、人機界面的多媒體化等.國內外航天部門的經驗表明，為了得到符合工程實際的仿真結果必須努力建立自己的仿真環境［4-5］.

正是在這種背景下，本文提出開發一套功能齊全、通用性強的航天器姿態軌道控制設計仿真系統，該集成環境采用標準化的仿真模型、支持組態建模、仿真分析和演示驗證等整個仿真生命周期.此仿真系統的建立將為航天器姿態軌道控制系統方案設計和仿真提供良好的技術支持.

1 功能設計

航天器姿態軌道控制設計仿真系統的目標是建立起基于可靠模型、網絡環境、軟件資源共享的開發環境，主要由仿真模型庫、可視化組態建模仿真平臺和演示驗證軟件等三部分組成.

航天器姿態軌道控制系統由動力學、敏感器、控制器和執行機構四部分組成，因此也決定了仿真系統可以分為動力學模型(含姿態動力學模型、軌道動力學模型、外干擾力和力矩模型)、敏感器模型、控制器模型(星上算法)和執行機構模型等，控制系統的閉環反饋結構如圖1所示.

1.1 仿真模型庫的建立和管理

航天器仿真的核心是仿真對象的數學模型，包括姿態動力學模型、軌道動力學模型、敏感器模型、執行機構模型、控制器模型、空間環境模型、常用基礎算法模型等.所有應用于航天器控制系統仿真的模型都必須是經過充分驗證的、可靠的模型，這些仿真模型是完成一個具體算法或者操作的是不可再分的執行單元.

圖1 航天器姿態軌道控制系統結構

在姿態軌道控制仿真系統中，仿真模型表現為C/C++語言編寫的具體的可執行文件或者動態鏈接庫文件及其相關信息與文檔的集合，仿真模型庫則指的是上述仿真模型的集合.

仿真模型庫需要實現對模型的多種管理功能，因此需要建立模型庫管理系統，以便實現模型的規范化管理和使用、訂立統一的模型使用標準.

模型庫管理首先實現模型規范化入庫功能.根據實際規范對入庫模型的內容進行統一標準要求，規范模型的輸入輸出接口.除了模型的入庫功能外，還應具備模型的修改、刪除、使用、查詢和檢索等功能，為不同目的系統仿真提供服務.在模型庫的瀏覽上，可采用類似W indows瀏覽器的方式，方便設計人員選取和使用.

1.2 可視化組態建模仿真平臺

有了接口統一、規范的仿真模型庫，航天器姿態軌道控制系統仿真中必備的各項單元要素就具備了.但為了方便快捷地提取模型、搭建航天器專用的仿真程序，還有必要建立一個組態建模仿真平臺.具體而言，該平臺可實現以下功能：

(1)支持組態建模技術.設計人員可以根據航天器的特性和部件配置情況，從仿真模型庫中選取所需的動力學模型、敏感器模型、執行機構模型的圖標，通過可視化的操作將模型圖標拖至建模平臺上.

(2)可視化組態建模平臺可以實現對所選取部件的安裝和性能指標進行界面操作設置的功能.建模過程操作簡便，設計參數易于調整.

(3)除了部件的搭建和參數配置外，建模平臺還可以由客戶端設計人員自由選擇仿真運行時需要實時顯示的數據和曲線.

(4)建模完成后，可利用代碼生成技術自動生成代碼實現對應的仿真功能模塊，并按照圖1所示的航天器姿態軌道控制系統結構自動搭建仿真程序框架，并預留出控制器(星上算法)接口，供設計人員增加星上程序代碼、調試和仿真使用.

1.3 演示驗證軟件

為了直觀演示數學仿真的結果，還需要演示驗證軟件.該軟件可以在數學仿真數據的驅動下，正確直觀地以三維動畫的形式顯示航天器入軌后的姿態軌道運動情況和航天器上光學敏感器的視場范圍、太陽翼等可運動部件的運動情況、有效載荷的作用范圍等.

2 系統方案設計

從系統實現角度看，航天器姿態軌道控制設計仿真系統的目標是實現一個在多用戶并行操作使用環境下對數據進行存儲、傳輸、處理和顯示的軟件平臺.

本系統采用客戶端服務器結構，客戶端與服務器之間采用網絡進行通信.服務器作為數據庫服務器，負責數據存儲，存放各種航天器模型以及各個用戶的用戶信息.客戶端指系統建模仿真人員所使用的計算機，作為用戶搭建系統模型的平臺，提供用戶使用人機交互界面，并完成整個數學仿真與演示過程.另外系統中存在多臺客戶端，可滿足多個建模仿真人員同時進行系統建模與仿真工作.

整個系統由4大部分軟件組成，即數據庫軟件、數據庫與客戶端連接(即 CS中間件，以下均稱為CS中間件)、可視化組態建模仿真平臺、演示驗證軟件.本系統的數據流向示意見圖2，其中數據庫軟件及CS中間件運行在數據庫服務器，完成數據服務與系統管理等功能.可視化組態建模仿真平臺、自動生成的仿真程序以及演示驗證軟件運行在客戶端計算機中，完成系統建模、仿真與演示等功能.

圖2 系統數據流向圖

2.1 數據庫軟件

數據庫軟件作為系統資源的提供者，存放各類仿真模型信息、用戶信息(包括登陸信息和權限信息)、仿真流程信息和仿真運行數據等.整個系統的所有數據原則上都是存儲在數據庫中，系統在運行過程中根據需要和權限從數據庫中讀入需要的數據，根據系統定義的邏輯設計仿真的數據結構，通過人機交互界面展現給用戶.

用戶對數據進行操作后，數據將最終存放回數據庫.對于系統中長期不變的、變動量小的、以及變動時效性要求低且總量比較大的，同時不涉及到用戶權限管理的部分數據，可以根據實際情況確定選擇存儲在數據庫中、或者直接存儲在客戶端以避免不必要的網絡負荷.

2.2 CS中間件

CS中間件的作用是增強數據庫中存放的模型以及用戶信息的安全性，增強系統的可擴展性.增加了CS中間件，用來接收客戶端請求，并由其對數據庫進行操作，將結果返回客戶端.

由于CS中間件運行在數據庫服務器上，其對數據庫的操作均為本地操作，是系統中唯一能夠獲取數據庫安全信息的節點，且客戶端訪問數據庫均由CS中間件進行合法性判斷，因此該方法大大提高了系統的安全性.

2.3 可視化組態建模仿真平臺

可視化組態建模仿真平臺是整個系統的核心部分，主要用來完成可視化的系統建模，并自動生成仿真程序.

2.3.1 組態建模模塊

系統的組態建模模塊使用Windows標準的列表控件作為用戶搭建仿真程序的主視圖.提供連接數據庫服務器上仿真模型庫的接口，通過與模型庫的連接，客戶端可以完成模型庫的瀏覽，使用標準鼠標拖放操作，將模型從模型庫窗口拖放到主視圖中.效果如圖3和圖4所示.

圖3 組態建?！Ｐ屯戏攀疽鈭D

組態建模模塊可以獲取被拖放模型的服務器路徑，將模型的描述文件下載到本地臨時目錄，然后解析描述文件，創建一個列表的item表示模型的一個新實例.

在XP或更高版本的 W indows系統中，標準列表控件支持新的Group風格，支持將模型自動分為四類，即動力學、敏感器、執行器、通用與共享組件，分別對應模型的類別.比如圖4中，拖放的兩個星敏感器模型被自動分類到敏感器類下面.

由此可見，客戶端的設計人員可以根據航天器的特性和實際的部件配置情況，從仿真模型庫中選取所需的動力學模型、敏感器模型、執行機構模型，一一拖至建模平臺的主視圖上，可以直觀地看到所配置的航天器具備哪些星上部件.

2.3.2 模型配置模塊

在完成航天器的部件組態建模之后，需要完成軌道參數的設置、所選各敏感器的安裝和性能指標的配置等.航天器的軌道動力學、姿態動力學特性不同，敏感器安裝不同，這些均可通過界面進行設置.以數字太陽敏感器為例，圖5給出了模型配置示意圖.

每個模型都有自身獨特的可配置參數，例如對于星敏感器模型，配置參數包括安裝矩陣、噪聲特性、視場范圍等，而對于推力器模型，則需配置推力方向、推力大小等.

除了上述參數外，模型配置模塊還可針對不同模型的解算周期進行設定.

2.3.3 仿真變量及曲線實時顯示模塊

為了實時監控仿真運行情況，仿真平臺提供仿真數據顯示功能.仿真人員可以根據航天器的特點，選擇任意感興趣的狀態變量，通過數據顯示和圖形曲線繪制進行實時顯示.圖6給出了監視變量選擇示意圖，設計人員可以從所有的系統變量中選擇需要監視的變量，同樣可以選擇需要實時曲線顯示的變量.

2.3.4 代碼自動生成模塊

代碼自動生成模塊的功能是將數學建模仿真工具目錄下的仿真程序模板復制到用戶指定的任務文件存放目錄下，根據生成的任務文件中的描述，將圖形化建模的系統模型轉換為VC代碼，生成仿真程序.

生成的VC++仿真程序中預留有控制器(星上算法)的接口，客戶端設計人員可以在此程序上加入星上算法，并可以進行跟蹤調試.

圖6 組態建?！枰M行監視的仿真變量選擇

2.4 演示驗證軟件

演示驗證軟件在仿真數據的驅動下，對航天器的姿態和軌道控制過程進行可視化演示驗證.

該軟件通過加載航天器在軌飛行過程中的空間和地球背景的場景模型，可實現空間以及空間對象物的渲染；通過網絡通信協議實時接收航天器數學仿真軟件發送過來的姿態數據和軌道數據，能夠動態演示航天器的軌道、姿態、敏感器/天線視場、天線、帆板等信息.

該軟件采用模塊化結構，按照功能劃分為如下模塊：用戶界面模塊、二維電子地圖模塊、曲線圖模塊、三維驅動引擎模塊、驅動數據處理模塊、地景數據處理模塊、飛行器模型數據處理模塊、網絡通信模塊、動畫控制模塊，結構圖如圖7所示.

圖7 航天器姿軌控演示驗證軟件結構圖

3 仿真系統應用實例

為了驗證上述總體設計思想是否可行，基于上述設計思想開發了航天器姿態軌道控制設計仿真系統.這里以某典型衛星的仿真為實例，給出基于該衛星的姿軌控數學仿真系統的配置、仿真和演示驗證過程.

利用可視化組態建模仿真平臺，對該衛星的系統進行建模，建模結果如圖8所示.

圖8 某衛星系統建模視圖

對每個模型進行配置、選擇需要監視和實時曲線顯示的變量后，即可自動生成VC++程序，設計人員增加控制器(星上算法)代碼后，最可進行仿真運算.最終仿真軟件及演示軟件的運行情況如圖9～圖11所示.圖9是仿真軟件的運行情況，左側實時顯示了需要顯示的數據，右側以圖形曲線的形式顯示了仿真過程中航天器的姿態變化；圖10和圖11則以動畫形式實時顯示航天器在軌飛行的姿態，并顯示了軌道坐標系、本體坐標系等.演示系統可以根據仿真條件的不同，實時直觀地顯示多種仿真效果.

由上述應用實例可以看出，該系統在模型建立、連接搭建仿真系統、運行仿真程序并分析結果、實時動畫演示仿真過程等各個環節，均以可視化技術實現，操作簡單，應用方便.

圖9 仿真軟件運行情況

圖10 演示驗證軟件運行情況——正常運行

圖11 演示驗證軟件運行情況——推力器調姿

4 結 論

未來的航天器工程將朝著復雜撓性多體、數量大、研制周期短的方向發展，本文通過對航天器姿態軌道控制設計和仿真需求的分析，給出了包括規范化的仿真模型庫的建立和管理、可視化組態建模仿真平臺和可視化演示驗證等多種功能為一體的航天器姿軌控制數學仿真系統.該系統可以在保證質量的前提下，大大提高設計和仿真人員的工作效率.

基于組態建模的航天器姿軌控數學仿真系統對航天器的姿態軌道控制的數學仿真和驗證有著十分重要的意義.

［1］劉良棟.航天器控制系統仿真技術［M］.北京：宇航出版社，2003

［2］張新邦，林來興，索旭華.航天器控制系統仿真技術［J］.計算機仿真，2000，17(2)：57-59

［3］屠善澄.航天器姿態動力學與控制［M］.北京：宇航出版社，2001

［4］涂俊峰，李智斌，邢琰.航天器姿態控制故障診斷與系統重構仿真框架［J］.控制工程，2003，10(增刊)：40-42

［5］張銀，索旭華，郭明姝.基于混合編程技術的 AOCC應用軟件快速仿真平臺［J］.空間控制技術與應用，2010，36(1)：56-62

A Con figuration M odeling-Based M athem atic Sim u lation System for Spacecraft A ttitude and O rbit Control

HU Haixia1，2，TU Junfeng1，2，ZENG Haibo1，2，LIMingqun1，2，WANG Dayi1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190，China；2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

Mathematic simulation is a usefulmethod in the design of spacecraft attitude and orbit control system.Traditionally， researchers establish mathematical model by manual work， which is time-consum ing and of low readability and maintainability.A kind of spacecraft attitude and orbit control simulation system based on configuration modeling is proposed in this paper.This system has a high expansibility and usability，and supports automatic modeling and coding.Simulation indicates that the system achieves a high degree ofmodularization and automatization，and helps researchers to improve efficiency greatly.

spacecraft； configuration modeling； attitude and orbit control；simulation system

V44

A

1674-1579(2011)01-0011-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.01.003

*預先研究仿真課題(513040301)資助項目.

2010-09-16

胡海霞(1977—)，女，河南人，高級工程師，研究方向為航天器控制與仿真技術 (e-mail：jwhhx502@sina.com).