基于PC104的小衛星半物理仿真驗證平臺

趙琳　施天博

【摘 要】介紹了小衛星控制系統地面半物理仿真驗證平臺的系統軟硬件設計，并進行了姿態控制系統仿真驗證。PC104 實時仿真機作為平臺核心，在氣浮臺上與星載計算機、敏感器、執行機構等實物組成閉環控制回路。引入數據庫系統對仿真數據統一管理，聯合地面顯示終端實現了仿真數據的可視化及仿真過程的回放。利用建立的實時仿真系統，進行了衛星三軸姿態控制半物理仿真，結果表明本仿真驗證平臺系統軟硬件結構的正確性。

【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.

【關鍵詞】小衛星；半物理仿真；PC104

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

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

1 引言

建立一套完整的衛星控制系統來適應衛星系統對動態信息調整的需求有很重要的意義，該系統應具有快速且準確地反應衛星當前姿態信息的功能，及時將信息發送給衛星系統，使得衛星系統迅速做出相應的調整。

衛星姿態控制系統是一衛星控制系統中的一個重要部分，可以掌握衛星的實時姿態信息，并且可以自己找到適合的辦法進行姿態調整，達到預計要求。建立一個可靠和實時的姿控系統是衛星系統能正常運行的關鍵，不過由于衛星整體系統造價高，不方便調試等缺陷，因而本文提出應用半物理仿真系統替代全物理系統。

衛星研究過程中具有投入高、風險高的特殊性，決定了衛星從可行性論證到正樣設計的研制過程中必然要經歷各式各樣的仿真試驗[1，2]。其中，衛星姿控系統的半物理仿真設計對于衛星的研制具有重要作用。在控制系統半物理仿真中為提高可靠度，需要將衛星控制系統的核心星載計算機接入半物理仿真回路。先進的xPC實時仿真系統為快速低成本地模擬在地面搭建星載計算機外部實時工作環境提供了一種快速原型化的途徑。xPC Target是基于MATLAB/Simulink在實時環境下的開發及測試的工具箱，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的無縫連接[3]，在當前半物理系統中得到了廣泛的應用[4，5]。

本文針對小衛星姿控系統的半物理仿真平臺進行設計，利用單軸氣浮轉臺、反作用飛輪、PC104板卡、MATLAB/Simulink xPC Target實時工具等軟件，建立了小衛星半物理實時仿真系統。

2 xPC Target實時仿真環境

xPC實仿真機采用研華PC104板卡及串口卡數據采集卡。該套板卡由CAN卡、主機卡、串口卡、數據采集卡四張板卡組成[6，7]，具有體積小、實時性高接口豐富等特點。

xPC Target系統在美國日本以應用在機器人、航空航天、導彈及工業控制領域，但在國內應用的還不是很多，有些應用也只是停留在初使階段。如利用xPC Target構造中空液壓馬達司服實時控制系統，實現了數據的下載、采集，完成了模型參數的實時調整，生成了馬達轉動角位移的運動曲線圖[8]。利用xPC Target平臺提供了一種用于數據記錄機制，將實時任務在運行過程中的有關數據保存為磁盤文件以便今后進行離線分析[9]。應用xPC Target環境建立一個基于衛星自主智能控制技術的三軸穩定衛星姿態控制硬件在回路仿真系統[10]。以上的應用主要是兩個部分，一個是主要應用快速原型設計，另一個是xPC Target Embeded Option主要用于構建嵌入式實時系統。西北工業大學已成功將這一技術運用于無人機的研制與開發。當前這項技術憑借其自身的優越性，已受到越來越多的關注，有越來越多的科研、技術人員投身其中。在將來基于MATLAB/xPC Target的快速原型設計技術必將在控制、制導與導航，射頻仿真系統，汽車電子等領域有著廣闊的發展前景。

xPC Target是一種方便靈活的快速原型開發設計技術。xPC Target是MathWorks公司開發的一個MATLAB/Simulink下的一個工具箱，可將目標機變為一個實時系統，來實現控制系統的快速原型化和系統的半物理仿真等功能。xPC Target采用了“雙機”技術途徑，宿主機可以采用安有MATLAB/Simlulink的普通計算機，目標機可以采用工控機，兩者間通過以太網或者串口進行通信。

在xPC Target仿真環境下，宿主機中采用Simulink建立仿真系統中所需要的數學模型并在Windows下進行非實時仿真，然后應用RTW代碼生成器和C編輯器可以將Simulink中所搭建的模型自動生成高效可移植的C代碼，然后通過半物理仿真平臺進行驗證。該系統環境方便，只需要兩臺計算機就可以搭建簡易的仿真環境[11]，如圖1。

3 半物理仿真平臺

以數學模型仿真系統為基礎，根據衛星總體仿真的需求，建立了基于xPC的敏捷衛星半物理仿真驗證平臺。該平臺以xPC Target實時仿真機為核心，在氣浮臺上將星載計算機、陀螺儀、反作用飛輪等實物通過CAN總線構成“臺上閉環回路”，并通過采集管理仿真數據將曲線、指令顯示在目標機的圖形界面上，系統總體結構如圖2。

依據上圖將飛輪實物與陀螺實物等通過CAN總線進行數據傳輸，終端顯示計算機與xPC實時仿真機通過TCP/IP進行通訊。

4 地面顯示終端

采用VS2010編寫數據庫系統，其目的為打到接收與管理大量實時仿真數據。在臺上閉環回路進行仿真時，“地面終端系統”通過無線信號接收“臺上閉環回路”的實時仿真數據（軌道參數、姿態參數、控制參數等），以ADO的方式訪問SQL Sever數據源HIT_SAT，完成仿真數據的實時存儲并通過UDP網絡協議將仿真數據廣播到局域網，以發出地面指令、曲線、動畫顯示終端，完成數據的曲線繪制。當平臺仿真結束時，地面終端顯示系統可以通過讀取數HIT_SAT中的仿真數據，按一定的速率傳到局域網，再次展現每個階段的仿真過程，完成數據的回放；利用SQL Sever查詢分析器，具有很強的數據分析與管理功能，與仿真數據進行對比分析，起到對衛星系統、系統參數、關鍵技術等快速高效地驗證與優化的作用。

5 結果與討論

微小衛星的研發制備過程中，半物理技術是一種常用的設計驗證手段。本文面向采用Simulink中的 xPC Target實時內核和姿態控制系統實物搭建的仿真平臺進行了設計與實現。xPC Target實時內核功能豐富，搭建容易，節約了成本，對大型仿真系統的開發非常適用。但也有實物仿真過程中數據滯后的情況，因此還有待進一步深入研究。

本文基于xPC Target實時仿真環境建立了小衛星半物理實時仿真平臺，實現了仿真系統建立過程中氣浮臺與地面終端的實時數據傳遞、使用STK軟件進行場景實時動畫的顯示和采用MFC繪制曲線。在實時仿真系統的成功搭建后，進行了小衛星三軸姿態控制半物理仿真驗證，仿真結果表明半物理仿真平臺的實時性和可靠性，可以作為衛星控制系統仿真驗證過程中有效的驗證手段，也可作為以后類似的仿真系統的平臺。

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