模塊化航天器姿態控制系統仿真研究

賀廣松 李新洪 王謙 張治彬 安繼萍

摘 要： 以快速響應為背景，對模塊化航天器姿態控制系統進行研究。首先建立集成干擾力矩、姿態運動學、姿態動力學、控制律及飛輪、推力器兩種執行機構的Simulink模型，然后應用實時仿真機對模型進行仿真。結果表明：不同執行機構的姿態控制系統能夠完成對衛星姿態的實時控制并且在進行姿態調整時各有優勢，最后以實時仿真機為基礎設計了模塊化航天器顯示系統，實現了模塊化航天器分系統狀態和運行場景可視化。

關鍵詞： 模塊化航天器； 姿態控制； Simulink； 執行機構； 顯示系統； 可視化

中圖分類號： TN876?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0131?04

Simulation research on attitude control system for modular spacecraft

HE Guangsong1， LI Xinhong2， WANG Qian1， ZHANG Zhibin1， AN Jiping1

（1. School of Graduate， Aerospace Engineering University， Beijing 101416， China；

2. Department of Space Equipment， Aerospace Engineering University， Beijing 101416， China）

Abstract： Taking rapid response as the background， an attitude control system for the modular spacecraft is studied. The Simulink model integrating the disturbance torque， attitude kinematics， attitude dynamics， control law， and two actuators of flywheel and thruster is established. The real?time simulation machine is applied to simulate the model. The result shows that the attitude control system with different actuators can accomplish real?time control of satellite attitudes and each actuator has its own advantage in attitude adjustment. On the basis of the real?time simulator， the display system of the modular spacecraft is designed to realize visualization for subsystem status and operation scenario of the modular spacecraft.

Keywords： modular spacecraft； attitude control； Simulink； actuator； display system； visualization

當今世界空間信息支援能力已經成為國家綜合實力的體現，美國更是認為空間信息是贏得戰爭的根本[1]。模塊化航天器就是一種快速響應航天器，其功能獨立、物理獨立，通過標準接口集成在一起，實現整個航天器系統的功能[2]。模塊化航天器姿態系統的控制能力直接決定著任務的成敗。故本文對模塊化航天器姿態控制系統進行研究。衛星姿態系統中控制律一直是研究的熱點，基于四元數的姿態控制律被廣泛應用于控制律的研究中。文獻[3]應用四元數法，但是其姿控系統過于簡化，模型不完整。文獻[4]建立了衛星姿控系統模型，對衛星姿態噴氣控制進行驗證，但其沒有建立具體的執行器模型。本文從部件級進行建模，分析使用不同執行器時的姿態控制效果，最大程度地考慮模型完整性與可靠性。

1 模塊化航天器

模塊化航天器模塊間可以進行靈活組裝，滿足不同的任務。具有代表性的模塊化航天器有基于多個功能模塊協同工作的智能模塊化平臺SMARTBus[5]（見圖1），日本進行的PETSAT（Panel Extension Satellite）模塊化航天器研究項目[6]，以及對分離模塊概念進行技術研發和演示驗證的F6計劃[7]等。

2 姿態控制系統建模仿真與分析

2.1 仿真平臺

本文通過搭建Simulink模型進行仿真。同時衛星子系統仿真對計算機的性能有很高的要求，所以本文采用實時仿真機。該機器運算能力強，實時性好，還具有良好的擴展能力。

2.2 姿態控制系統建模

本文首先對干擾力矩進行建模，然后對衛星姿態控制系統進行建模。

2.2.1 干擾力矩建模

衛星在軌運行期間會受到空間環境的影響，空間環境力矩會對航天器的姿態產生擾動。假定本文衛星仿真軌道為低軌，故本文將考慮重力梯度力矩和氣動力矩，這里不再詳細論述，由參考文獻[8?9]可得其數學模型。

2.2.2 衛星姿態運動學及動力學建模

本文采用四元數法描述姿態運動學方程。設[q]表示軌道坐標系到本體坐標系的四元數矢量，衛星姿態運動學方程表示為[9]：

[q=12q?ωbo] （1）

或表示成矩陣形式：

[q0q1q2q3=12q0-q1-q2-q3q1q0-q3q2q2q3q0-q1q3-q2q1q0 0ωbo1ωbo2ωbo3] （2）

式中，[ωbo]表示星體坐標系相對于軌道坐標系的角速度。

衛星的姿態動力學方程是描述衛星在各種力矩作用下繞其質心的轉動運動。假設衛星是一剛體，則根據剛體動量矩定理和公式可得剛體衛星的動力學方程為[9]：

[H+ω×H=Tc+Td] （3）

式中：[H=H1H2H3T=Iω]，為衛星的角動量矢量；[I]為衛星慣量矩陣；[ω]表示星體坐標系相對于慣性坐標系的角速度；[Tc]，[Td]分別為衛星所受到控制力矩和干擾力矩。

2.2.3 姿態系統執行器建模

本文建立了反作用飛輪和推力器兩種姿態執行器模型。

1） 反作用飛輪。反作用飛輪是通過改變飛輪轉速來改變旋轉剛體動量矩，產生與剛體動量矩變化率成正比的控制力矩。當使用飛輪進行姿態調整時，需要對飛輪多余角動量進行卸載，否則飛輪很有可能飽和失去控制功能。本文飛輪工作模式為力矩模式下的速率反饋補償控制，采用基于四元數的PD反饋控制律，由于本文衛星在低軌運行，故可采用磁力矩對飛輪進行卸載。由文獻[3，10]可得上述數學模型。

2） 推力器。推力器是通過噴射質量，把多余角動量排出星體外部，達到調整姿態的目的。本文采用脈沖調制技術（PWPF），通過恒定推力產生變推力的控制量，由參考文獻[8]可以得到其具體數學模型。

2.3 仿真與分析

本文建立了衛星姿態系統的Simulink模型，下面首先對模型進行仿真，然后對仿真結果進行分析。

假定衛星運行軌道為低軌，考慮重力梯度力矩和氣動力矩，由于本文研究的是姿態控制系統，故對姿態系統中的姿態確定系統進行簡化，把理論值進行加噪來模擬由姿態敏感器和姿態確定算法決定的測量值，期望的歐拉角為[20° 40° 80°]，模型仿真參數如表1所示。

分別以反作用飛輪和推力器作為姿態系統執行器進行仿真，目的是要分析不同執行機構的作用效果并且驗證模型的準確性。其Simulink模型如圖2、圖3所示。

對模型進行仿真，其仿真結果如圖4所示。由圖4可知，無論是飛輪調姿還是推力器調姿都可以達到調姿的目的，效果較好，噴氣調姿的速度比飛輪調姿快。對兩種調姿方式的指向精度和穩定度進行分析，結果如圖5，圖6所示。

由圖5，圖6可知，雖然噴氣調姿作用時間短，但其姿態指向精度和姿態穩定度低于飛輪調姿，兩者各有優勢。

3 模塊化航天器顯示系統的設計與實現

3.1 顯示系統設計

實時仿真機系統以服務器?客戶端為框架，主要包括實時仿真機和SimWB實時仿真工作臺，如圖7所示。其與顯示系統通過駐留于SimWB仿真工作臺的實時數據庫（Real?Time Data Base， RTDB）進行連接。下面首先描述RTDB的生成過程，然后介紹顯示系統的應用過程。

1） 登錄軟件。

2） 導入模型。單擊SimWB主控制面板上的Launch Matlab圖標，之后導入存儲在實時仿真機上的Simulink模型。

3） 生成RTDB。導入模型后，點擊Run運行模型；然后點擊SimWB中的Toolkit，進入到SimWB Toolkit GUI界面，之后按步驟配置RTDB變量參數，點擊生成RTDB變量。由于顯示系統與仿真機接口要通過test文件來實現，所以要將RTDB轉換成test文件。

4） 生成test文件。選擇RTDB，點擊Create test即可建立一個test仿真實驗。Test sessions可完成仿真實驗的設置，參數配置好后，點擊Run運行仿真實驗。

最后，選擇已保存test文件的RTDB進行參數配置。參數配置分為兩部分：配置輸出參數和配置輸入參數。顯示系統中的Java程序決定了仿真機中各個參數的配置順序，只有按照順序配置才能保證系統正確運行。

對顯示系統應用過程如下：

1） 用戶登錄系統，進行身份驗證，如果驗證成功執行下一步，否則系統退出；

2） 系統登錄成功，用戶進行仿真參數設置；

3） 根據用戶參數，實時仿真機執行相關計算；

4） 實時仿真機將計算的結果數據通過接口實時發送給顯示系統；

5） 基于發送的數據進行衛星分系統信息展示、仿真模擬系統總控展示、衛星星下點展示和全過程展示；

6） 用戶點擊結束仿真；

7） 系統結束。

3.2 顯示系統結果

模塊化航天器顯示系統以實時仿真機為核心，以一機四屏的方式進行展示，如圖8所示。

4 結 語

本文立足快速響應，以模塊化航天器姿態控制系統為出發點進行建模仿真，考慮模型完整性，從部件級開始建模，建立了飛輪和噴氣兩種調姿方式。由仿真結果可知兩種執行機構能夠較好地完成調姿任務，且人員可根據實際情況選擇執行機構。最后，以實時仿真機為平臺，設計了模塊化航天器顯示系統，方便地面操作人員對衛星進行監控。

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