專利名稱：偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真方法及平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器可靠性技術(shù)中衛(wèi)星故障模擬的領(lǐng)域。本發(fā)明可以用于偏置動量 小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)部件故障模擬、控制對部件故障的應(yīng)急處理、姿態(tài)控制系統(tǒng)方案的可 行性論證以及姿態(tài)控制軟件的可靠性驗證。
背景技術(shù)：
故障模擬和故障注入是衛(wèi)星研制中的一個重要環(huán)節(jié)，也是開展衛(wèi)星可靠性驗證的 重要手段。姿態(tài)控制系統(tǒng)方案研制過程中，針對部件可能發(fā)生的各種故障情況開展故障分 析和應(yīng)對策略，但是這些分析是否合理，故障應(yīng)對策略是否切實可行，需要在地面開展多種 試驗反復(fù)驗證設(shè)計方案的可行性。故障模擬和故障注入則提供了一種用于方案驗證的有效 手段。故障模擬和故障注入是一種測評容錯機制的有效試驗方法，它通過有意識地向系 統(tǒng)中引入故障來加速測評容錯機制的試驗過程。目前針對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障模擬和 故障注入的研究，在姿態(tài)控制系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺的基礎(chǔ)上，采用軟件方法實現(xiàn)的故障注入 和故障模擬技術(shù)。但基于軟件故障模擬和故障注入方法，無法接入物理部件，不能實現(xiàn)姿態(tài) 控制閉環(huán)回路中部件發(fā)生故障情況下系統(tǒng)電性能接口特性、故障應(yīng)急反應(yīng)能力、各功能模 塊協(xié)調(diào)性的功能驗證。而直接基于硬件的故障模擬和故障注入方法，會對部件造成物理破 壞，這對昂貴的航天器設(shè)備來說是不可取的。本專利結(jié)合軟件和硬件故障注入方法，將故障 模擬信號從傳感器激勵源端引入，同時將動量輪接入精密單軸空氣轉(zhuǎn)臺，模擬衛(wèi)星動力學 特性，此方案在不造成部件物理損失的情況下，實現(xiàn)了偏置動量控制衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可 靠性驗證的半物理仿真功能。通過磁強計和動量輪故障注入的研究對小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯機制以及故障 處理對策的設(shè)計和應(yīng)用起到了重要作用，它可以加速系統(tǒng)部件的失效，并分析系統(tǒng)對故障 的反應(yīng)，為偏置動量控制方式姿態(tài)控制系統(tǒng)在地面開展故障應(yīng)急處理的可行性驗證和部件 故障模擬措施、星載容錯控制技術(shù)的可行性驗證提供了手段。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平 臺的仿真方法及平臺。技術(shù)方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺的仿真方法，其特征在于包括如下步驟1)將軸系氣浮臺置于初始運行狀態(tài)；2)在故障模擬功能模塊中，設(shè)定擬模擬的部件故障類型；3)采用測角裝置獲取軸系氣浮臺初始角度、角速度信息即姿態(tài)信息，并發(fā)送到軌道模型中；4)采用軌道模型根據(jù)小衛(wèi)星當前運行軌道信息和接收到的姿態(tài)信息，解算出小衛(wèi) 星在當前軌道和當前姿態(tài)條件下的磁強計安裝軸下的磁場強度信息，并生成地磁模擬器指 令信息，輸出到故障模擬功能模塊；5)故障模擬模塊根據(jù)步驟2)設(shè)定的磁強計故障類型，對采集的地磁模擬器指令 信息進行預(yù)定的數(shù)字信號處理，并將結(jié)果輸出到地磁模擬器；6)磁強計敏感地磁模擬器內(nèi)的磁場強度信息，輸出到姿態(tài)確定與控制器；7)姿態(tài)確定與控制器根據(jù)磁強計敏感到的安裝軸下的磁場強度信息，采用姿態(tài)確 定算法得到當前小衛(wèi)星的姿態(tài)信息，并根據(jù)給定的姿態(tài)控制算法，將控制結(jié)果輸出到動量 輪故障模擬功能模塊；8)動量輪故障模擬模塊根據(jù)設(shè)定動量輪故障情況，將動量輪指令信號進行處理， 并輸出到動量輪；9)動量輪接收指令信號，輸出控制力矩作用到軸系氣浮臺；重復(fù)上述步驟2)_9)。優(yōu)選地，磁強計故障模擬的方法如下將故障模擬功能模塊中的磁強計故障模擬 模塊注入到地磁模擬器，由地磁模擬器產(chǎn)生故障的磁場強度信號，實現(xiàn)磁強計故障模擬。優(yōu)選地，動量輪故障模擬的方法如下故障模擬功能模塊中的動量輪故障模擬模 塊截取控制指令信號，并根據(jù)需模擬的執(zhí)行機構(gòu)故障類型，對控制指令進行信號處理，輸出 到動量輪，實現(xiàn)動量輪故障模擬。偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺，包括軸系氣浮臺、地磁模擬器、動量輪、磁強 計、故障模擬功能模塊、姿態(tài)確定與控制器、測角裝置和軌道模型，其中磁強計置于地磁模 擬器中心工作區(qū)域，動量輪置于軸系氣浮臺上，地磁模擬器的輸出端依次串接磁強計、姿態(tài) 確定與控制器后接故障模擬功能模塊的輸入端，動量輪的輸出端依次串接軸系氣浮臺、測 角裝置、軌道模型后接故障模擬功能模塊的輸入端，故障模擬功能模塊的輸出端分別接地 磁模擬器和動量輪的輸入端。優(yōu)選地，所述故障模擬功能模塊包括動量輪故障模擬模塊和磁強計故障模擬模 塊，其中動量輪故障模擬模塊的輸入端接姿態(tài)確定與控制器的輸出端，動量輪故障模擬模 塊的輸出端接動量輪的輸入端，磁強計故障模擬模塊的輸入端接軌道模型的輸出端，磁強 計故障模擬模塊的輸出端接地磁模擬器的輸入端。有益效果1.本發(fā)明在精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺和地磁模擬器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了磁強計和動量輪故 障模擬半物理仿真平臺，本平臺能夠在地面實現(xiàn)偏置動量控制方式的小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng) 的故障模擬功能，并能檢驗姿態(tài)控制系統(tǒng)在磁強計和動量輪多種故障情況下姿態(tài)控制軟件 的運行情況和對故障的判斷、處理能力，以及姿態(tài)控制器的應(yīng)急處理措施和故障應(yīng)對策略。2.本發(fā)明采用將故障信號注入到地磁模擬器，由地磁模擬器產(chǎn)生故障的磁場強度 信號，實現(xiàn)傳感器故障模擬。采用這種方法，可以在不對磁強計造成物理破壞的條件下，實 現(xiàn)故障模擬功能。3.本發(fā)明可完整實現(xiàn)偏置角動量控制方式下微小衛(wèi)星的故障模擬功能和姿態(tài)控 制方案的可行性驗證功能。偏置角動量控制方式下，俯仰通道可以解耦，故精密軸系氣浮轉(zhuǎn) 臺可以模擬微小衛(wèi)星的俯仰軸動力學特性，并驗證基于偏置動量輪的控制方案。


圖1 本發(fā)明平臺結(jié)構(gòu)圖。圖2 本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明如圖1所示，本發(fā)明偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺，磁強計故障模擬的方法如 下將故障模擬功能模塊注入到地磁模擬器，由地磁模擬器產(chǎn)生故障的磁場強度信號，實現(xiàn) 傳感器故障模擬；動量輪故障模擬的方式是故障模擬功能模塊截取控制指令信號，并根 據(jù)需模擬的執(zhí)行機構(gòu)故障類型，對控制指令進行信號處理，輸出到動量輪，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)多 種故障模擬。該仿真平臺硬件組成包括精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺、地磁模擬器、動量輪、磁強計、 故障模擬功能模塊、姿態(tài)確定與控制器、測角裝置，其中磁強計置于磁模擬器中心工作區(qū) 域，動量輪置于精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺上。一、平臺組成(1)軌道模型軌道模型根據(jù)當前軌道信息和姿態(tài)信息，解算出衛(wèi)星在飛行軌道上某一姿態(tài)狀態(tài) 下的磁強計安裝坐標系下的地球磁場強度，并生成指令輸出到地磁模擬器。(2)地磁模擬器地磁模擬器根據(jù)輸入的指令，產(chǎn)生目標地磁場。(3)精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺對于偏置角動量控制方式的小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，俯仰軸與其它兩個軸解耦，故 可以單獨采用偏置動量輪來實現(xiàn)俯仰軸的姿態(tài)控制。精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺用于模擬偏置角動 量控制方式下的小衛(wèi)星俯仰軸動力學特性。(4)磁強計和動量輪磁強計作為姿態(tài)測量部件，敏感地磁模擬器產(chǎn)生的當前軌道下的磁場強度信號， 并將此信號輸出到姿態(tài)控制器；動量輪作為偏置角動量控制方式小衛(wèi)星的重要執(zhí)行機構(gòu)， 接收控制指令，輸出控制力矩作用于精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺，實現(xiàn)小衛(wèi)星姿態(tài)控制。(5)姿態(tài)確定與控制器姿態(tài)確定與控制器包括兩方面內(nèi)容姿態(tài)確定和姿態(tài)控制。本專利中采用磁強計 實現(xiàn)姿態(tài)確定，根據(jù)磁強計敏感到的當前磁場信息，與飛行軌道標稱狀態(tài)下的磁場強度比 較，可以獲取小衛(wèi)星姿態(tài)信息。姿態(tài)控制器根據(jù)姿態(tài)信息，采用控制律計算得到執(zhí)行機構(gòu)控 制指令并輸出。(6)故障模擬功能模塊故障模擬模塊根據(jù)當前需要模擬的故障類型，對輸入信號進行處理，輸出故障模 擬信號，實現(xiàn)設(shè)定故障的模擬。本專利中故障模擬功能模塊包括磁強計故障模擬和動量輪 故障模擬兩部分。二、如圖2所示，以偏置角動量控制方式的某微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)組成為例，傳 感器采用磁強計，執(zhí)行機構(gòu)采用偏置動量輪，采用該平臺來模擬動量輪停轉(zhuǎn)故障來說明本發(fā)明的工作步驟。下面取動量輪發(fā)生停轉(zhuǎn)故障為例來說明本發(fā)明詳細實施步驟。1.給各工作模塊加電，并啟動各模塊運行程序；2.將精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺(1)置于某一初始運行狀態(tài)；3.在執(zhí)行機構(gòu)故障模擬(8)功能模塊中，設(shè)定模擬故障類型為動量輪(4)停轉(zhuǎn) 故障；4.測角裝置(2)獲取精密軸系氣浮轉(zhuǎn)臺(4)初始角度、角速度信息，發(fā)送到軌道模 型⑶功能模塊；5.軌道模型(3)功能模塊根據(jù)小衛(wèi)星當前運行軌道信息和接收到的姿態(tài)信息，解 算出小衛(wèi)星在當前軌道和當前姿態(tài)條件下的磁強計(6)安裝軸下的磁場強度信息，并生成 地磁模擬器(5)指令信息，輸出到傳感器故障模擬模塊(4)；6.由于當前磁強計(6)無模擬故障，故地磁模擬器(5)指令信號無需經(jīng)過特殊處 理，磁強計(6)故障模擬功能模塊直接將輸入的地磁模擬器(5)指令信號輸出到并將結(jié)果 輸出到地磁模擬器(5)；7.磁強計(6)敏感地磁模擬器(5)內(nèi)的磁場強度信息，輸出到姿態(tài)確定與控制器 (7)；8.姿態(tài)確定與控制器(7)根據(jù)磁強計敏感到的安裝軸下的磁場強度信息，采用姿 態(tài)確定算法得到當前小衛(wèi)星的姿態(tài)信息，并根據(jù)給定的姿態(tài)控制算法，將控制結(jié)果輸出到 動量輪故障模擬(8)功能模塊；9.動量輪故障模擬⑶功能模塊根據(jù)設(shè)定的動量輪(9)停轉(zhuǎn)故障模擬要求，將動 量輪(9)指令信號進行處理，輸出0指令電壓給動量輪(9)。10.動量輪(9)接收到指令信號，輸出控制力矩作用到氣浮臺(1)。重復(fù)上述3-10。上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得 的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺的仿真方法，其特征在于包括如下步驟1)將軸系氣浮臺置于初始運行狀態(tài)；2)在故障模擬功能模塊中，設(shè)定擬模擬的部件故障類型；3)采用測角裝置獲取軸系氣浮臺初始角度、角速度信息即姿態(tài)信息，并發(fā)送到軌道模型中；4)采用軌道模型根據(jù)小衛(wèi)星當前運行軌道信息和接收到的姿態(tài)信息，解算出小衛(wèi)星在當前軌道和當前姿態(tài)條件下的磁強計安裝軸下的磁場強度信息，并生成地磁模擬器指令信息，輸出到故障模擬功能模塊；5)故障模擬模塊根據(jù)步驟2)設(shè)定的磁強計故障類型，對采集的地磁模擬器指令信息進行預(yù)定的數(shù)字信號處理，并將結(jié)果輸出到地磁模擬器；6)磁強計敏感地磁模擬器內(nèi)的磁場強度信息，輸出到姿態(tài)確定與控制器；7)姿態(tài)確定與控制器根據(jù)磁強計敏感到的安裝軸下的磁場強度信息，采用姿態(tài)確定算法得到當前小衛(wèi)星的姿態(tài)信息，并根據(jù)給定的姿態(tài)控制算法，將控制結(jié)果輸出到動量輪故障模擬功能模塊；8)動量輪故障模擬模塊根據(jù)設(shè)定動量輪故障情況，將動量輪指令信號進行處理，并輸出到動量輪；9)動量輪接收指令信號，輸出控制力矩作用到軸系氣浮臺；重復(fù)上述步驟2)-9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺的仿真方法，其特征在于磁 強計的故障模擬的方法如下將故障模擬功能模塊中的磁強計故障模擬模塊注入到地磁模 擬器，由地磁模擬器產(chǎn)生故障的磁場強度信號，實現(xiàn)磁強計故障模擬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺的仿真方法，其特征在于動 量輪的故障模擬的方法如下故障模擬功能模塊中的動量輪故障模擬模塊截取控制指令信 號，并根據(jù)需模擬的執(zhí)行機構(gòu)故障類型，對控制指令進行信號處理，輸出到動量輪，實現(xiàn)動 量輪故障模擬。
4.一種偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺，其特征在于包括軸系氣浮臺、地磁模擬器、 動量輪、磁強計、故障模擬功能模塊、姿態(tài)確定與控制器、測角裝置和軌道模型，其中磁強計 置于地磁模擬器中心工作區(qū)域，動量輪置于軸系氣浮臺上，地磁模擬器的輸出端依次串接 磁強計、姿態(tài)確定與控制器后接故障模擬功能模塊的輸入端，動量輪的輸出端依次串接軸 系氣浮臺、測角裝置、軌道模型后接故障模擬功能模塊的輸入端，故障模擬功能模塊的輸出 端分別接地磁模擬器和動量輪的輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺，其特征在于所述故障模擬 功能模塊包括動量輪故障模擬模塊和磁強計故障模擬模塊，其中動量輪故障模擬模塊的輸 入端接姿態(tài)確定與控制器的輸出端，動量輪故障模擬模塊的輸出端接動量輪的輸入端，磁 強計故障模擬模塊的輸入端接軌道模型的輸出端，磁強計故障模擬模塊的輸出端接地磁模 擬器的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種偏置動量衛(wèi)星故障模擬仿真平臺的仿真方法及平臺，所述方法采用故障模擬功能模塊，實現(xiàn)動量輪和磁強計的故障模擬。所述平臺包括軸系氣浮臺、地磁模擬器、動量輪、磁強計、故障模擬功能模塊、姿態(tài)確定與控制器、測角裝置和軌道模型。本發(fā)明能夠在地面實現(xiàn)偏置動量控制方式的小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障模擬功能，并能檢驗姿態(tài)控制系統(tǒng)在磁強計和動量輪多種故障情況下姿態(tài)控制軟件的運行情況和對故障的判斷、處理能力，以及姿態(tài)控制器的應(yīng)急處理措施和故障應(yīng)對策略。
文檔編號G05B23/02GK101859143SQ201010159040
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者華冰, 姜斌, 康國華, 程月華, 郁豐, 鄭峰嬰 申請人:南京航空航天大學