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　　2、) 摘要 一種微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí) 現(xiàn)方法， 平臺(tái)有仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)、 仿真主星、 多個(gè)仿真從星和與多個(gè)仿真從星相對(duì)應(yīng)的多個(gè)衛(wèi) 星控制器， 仿真主星和仿真從星通過以太網(wǎng)與仿 真與驗(yàn)證主控平臺(tái)進(jìn)行通信， 仿真主星與衛(wèi)星控 制器通過無線 Wifi 通信， 仿真從星與衛(wèi)星控制器 通過 RS232 接口相連接。方法是仿真與驗(yàn)證主控 平臺(tái)啟動(dòng)仿真進(jìn)程， 構(gòu)建主從結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)仿真環(huán) 境 ； 仿真主星運(yùn)行編隊(duì)控制， 并發(fā)送控制指令到 控制器， 控制器經(jīng)過仿真計(jì)算通過串口發(fā)送控制 信號(hào)給仿真從星， 仿真從星模擬衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型 和環(huán)境模型， 提供衛(wèi)星的狀態(tài)信息， 仿真數(shù)據(jù)傳到 仿線、 進(jìn)行統(tǒng)一的管理和分析。 本 發(fā)明為衛(wèi)星編隊(duì)飛行提供全面、 復(fù)雜的仿線)Int.Cl. 權(quán)利要求書 2 頁 說明書 8 頁 附圖 6 頁 (19)中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 (12)發(fā)明專利申請(qǐng) 權(quán)利要求書2頁 說明書8頁 附圖6頁 (10)申請(qǐng)公布號(hào) CN 103092212 A CN 103092212 A *CN103092212A* 1/2 頁 2 1. 一種微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)， 其特征在于， 包括 ： 用于下載仿真模型和 進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)監(jiān)控的仿線） 、 仿線） 、 多個(gè)仿線） 和與多個(gè) 仿線） ， 其中， 所述的仿線） 和多個(gè)仿線） 通過以太網(wǎng)與仿線） 進(jìn)行通信， 所述的仿線） 與多個(gè)衛(wèi)星控制器 （4） 通過無線 Wifi 通信， 所述的多個(gè)仿線） 與多個(gè)衛(wèi)星控制器 （4） 一一對(duì)應(yīng)的通過 RS232 接口相連接。 2. 根據(jù)權(quán)利要求 1 所述的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)， 其特征在于， 所述的衛(wèi) 星控制器 （4） 包括有主控制器 （5） ， 與主控制器 （5） 通過 RS232 串口相連的 Wifi 無線） ， 與主控制器 （5） 相連的輔控制器 （7） 以及分別向主控制器 （5

　　5、） 和輔控制器 （7） 提 供電源的電源模塊 （8） ， 其中主控制器 （5） 通過 Wifi 無線） 與所述的仿線） 進(jìn)行通信， 所述的輔控制器 （7） 的輸出通過 RS232 串口連接所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星控制器 （4） 。 3. 根據(jù)權(quán)利要求 1 所述的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)， 其特征在于， 所述 的輔控制器 （7）包括有 FPGA 輔控制器 （7a） ， 分別與 FPGA 輔控制器 （7a）相連的由 3 片 SN74ALVC164245 芯片組成電壓匹配電路 （7b）和由 ADUM1400 芯片構(gòu)成的電壓隔離電路 （7c） ， 其中， 所述的3片SN74ALVC1

　　6、64245芯片分別對(duì)應(yīng)的通過控制線、 數(shù)據(jù)線和地址線） ， 所述的 ADUM1400 芯片通過 RS232 串口連接所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星控制器 （4） 。 4. 一種用于權(quán)利要求 1 所述的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)的運(yùn)行方法， 其特征 在于， 通過仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)啟動(dòng)仿真進(jìn)程， 提供編隊(duì)任務(wù)的初始化條件， 構(gòu)建主從結(jié)構(gòu) 的實(shí)時(shí)仿真環(huán)境 ； 仿真主星運(yùn)行編隊(duì)控制軟件， 通過無線通訊方式發(fā)送控制指令到控制器， 控制器經(jīng)過仿真計(jì)算通過串口發(fā)送控制信號(hào)給仿真從星， 仿真從星模擬衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型和 環(huán)境模型， 提供衛(wèi)星的狀態(tài)信息， 與衛(wèi)星控制器形成控制閉環(huán)， 仿真數(shù)據(jù)回傳到仿線、主控平臺(tái)上， 通過數(shù)據(jù)庫， 進(jìn)行統(tǒng)一的管理和分析 ； 其中， 所述的仿線） 的運(yùn)行方法包括如下步驟 ： 1） 建立仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)與仿真主星和仿真從星的連接， 并下載實(shí)時(shí)仿線） 啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿線） 判斷是否發(fā)布新任務(wù)， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則進(jìn)入步驟 6） ； 5） 發(fā)布編隊(duì)任務(wù)至仿線） 進(jìn)行仿真監(jiān)控， 并判斷仿真是否結(jié)束， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則返回步驟 4） ； 7） 斷開仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)與仿真主星和仿線） 進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)管理 ； 所述的衛(wèi)星控制器 （4） 的運(yùn)行方法包括如下步驟 ： 1） 接收仿

　　8、真主星的參考指令和仿線） 根據(jù)所接收的參考指令和狀態(tài)量采用滑模控制方法進(jìn)行衛(wèi)星控制模型運(yùn)算 ； 3） 根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)送衛(wèi)星控制指令至仿線） 判斷仿真是否結(jié)束， 是則退出， 否則返回該衛(wèi)星控制器 （4） 運(yùn)行方法的步驟 1） 繼續(xù) 運(yùn)行。 5. 根據(jù)權(quán)利要求 4 所述的用于微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)的運(yùn)行方法， 其特征 在于， 當(dāng)仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿真時(shí)， 仿真主星運(yùn)行如下步驟 ： 權(quán) 利 要 求 書 CN 103092212 A 2 2/2 頁 3 1） 判斷是否從接收串口接收到有新編隊(duì)的任務(wù)， 有則接收編隊(duì)任務(wù)， 否則進(jìn)入下一步 驟 ； 2） 根據(jù)

　　9、編隊(duì)任務(wù)采用 Legendre 偽譜法進(jìn)行軌跡規(guī)劃運(yùn)算 ； 3） 通過發(fā)送串口分別向仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)和衛(wèi)星控制器發(fā)送仿真主星的參考指 令 ； 4） 判斷仿真是否結(jié)束， 是退出， 否則返回步驟 1） 繼續(xù)運(yùn)行。 6. 根據(jù)權(quán)利要求 4 所述的用于微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)的運(yùn)行方法， 其特征 在于， 當(dāng)仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿真時(shí)， 仿真從星運(yùn)行如下步驟 ： 1） 通過接收串口接收衛(wèi)星控制器的控制指令 ； 2） 根據(jù)控制指令按照衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) ； 3） 通過發(fā)送串口分別向仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)和衛(wèi)星控制器發(fā)送衛(wèi)星狀態(tài)信息 ； 4） 判斷仿真是否結(jié)束， 是則退出

　　“九游娛樂會(huì)員有什么福利？”

　　10、， 否則返回步驟 1） 。 7. 根據(jù)權(quán)利要求 5 或 6 所述的用于微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)的運(yùn)行方法， 其 特征在于， 所述的接收串口的運(yùn)行步驟是 ： 1） 設(shè)置串口通訊參數(shù) ； 2） 判斷串口通訊是否中斷， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則繼續(xù)判斷 ； 3） 判斷是否有新數(shù)據(jù)， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則返回步驟 2） ； 4） 寫入緩沖區(qū) ； 5） 查找數(shù)據(jù)字頭 ； 6） 判斷是否找到需要的數(shù)據(jù)， 是則輸出數(shù)據(jù)后退出， 否則返回步驟 5） 。 8. 根據(jù)權(quán)利要求 5 或 6 所述的用于微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)的運(yùn)行方法， 其 特征在于， 所述的發(fā)送串口的運(yùn)行步驟是 ： 1） 設(shè)置串口

　　11、通訊參數(shù) ； 2） 數(shù)據(jù)打包 ； 3） 數(shù)據(jù)發(fā)送后退出。 權(quán) 利 要 求 書 CN 103092212 A 3 1/8 頁 4 微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法 技術(shù)領(lǐng)域 0001 本發(fā)明涉及一種航空航天領(lǐng)域的控制方法仿真與驗(yàn)證。 特別是涉及一種微小衛(wèi)星 編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法。 背景技術(shù) 0002 空間環(huán)境已經(jīng)成為與人類發(fā)展息息相關(guān)除陸?？盏牡谒沫h(huán)境， 相較于傳統(tǒng)的單顆 衛(wèi)星而言， 多衛(wèi)星以其具有的在軌冗余性、 穩(wěn)健性、 可靠性和抗毀性等特點(diǎn)倍受人們的關(guān) 注， 有助于提高空間的探測(cè)能力， 保證我國(guó)有效和平利用空間， 成為許多航天任務(wù)的首選方 案。衛(wèi)星編隊(duì)飛行能夠簡(jiǎn)化空間探測(cè)

　　12、任務(wù)， 擴(kuò)大觀測(cè)域， 同時(shí)通過系統(tǒng)重構(gòu)及時(shí)地清除損 壞個(gè)體， 還可以根據(jù)任務(wù)的變更替換系統(tǒng)中的衛(wèi)星載荷， 提高衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的適應(yīng)性。 由 此， 一個(gè)由微小衛(wèi)星組成的編隊(duì)飛行系統(tǒng)就可以完成天基的任務(wù)更換， 從而可以以極短的 周期、 極低的成本和極高的可靠性來完成新舊任務(wù)的更替。目前國(guó)內(nèi)衛(wèi)星編隊(duì)控制系統(tǒng)的 研究仍處于起步階段。并且相關(guān)的控制方案和算法缺少實(shí)際的分析環(huán)境， 而實(shí)物環(huán)境在科 研初期需要投入大量風(fēng)險(xiǎn)成本， 因此搭建一個(gè)衛(wèi)星編隊(duì)仿真驗(yàn)證環(huán)境對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的理 論研究和方法驗(yàn)證是十分重要的。 0003 衛(wèi)星編隊(duì)控制系統(tǒng)不同于普通航天飛行器， 其系統(tǒng)的功能是由多個(gè)航天器互相協(xié) 同完成， 因此

　　13、存在著復(fù)雜的信息交互。 這對(duì)衛(wèi)星位置姿態(tài)控制及衛(wèi)星任務(wù)管理、 調(diào)度控制提 出了新的要求?；趩我活I(lǐng)域仿真模型集成的方法不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展 , 集成后系統(tǒng)仿真結(jié) 果置信度低;基于統(tǒng)一建模語言方法需要對(duì)已有模型重新用數(shù)學(xué)方程描述,無法充分利用 已有研究成果,并且有些模型無法用方程描述;基于異構(gòu)仿真環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)靈活 構(gòu)建 , 有效提高仿真效率 , 集成現(xiàn)有研究成果 ; 基于分布式建模與仿真方案具有一定的靈 活性、 可擴(kuò)展性 , 減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)冗余 , 最大限度保證數(shù)據(jù)一致性 , 并可將真實(shí)仿真、 虛擬仿 真等集成到統(tǒng)一的仿線 微小衛(wèi)星仿真平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真和嵌入式軟硬件技術(shù)

　　14、實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星編隊(duì)的控 制方法仿真與驗(yàn)證， 其最大的特色在于仿真模型可以快速高效的移植到平臺(tái)上， 符合微小 衛(wèi)星仿真的應(yīng)用需求和發(fā)展趨勢(shì)。 發(fā)明內(nèi)容 0005 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是， 提供一種能夠支持多微小衛(wèi)星系統(tǒng)從編隊(duì)控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)到實(shí)時(shí)仿真測(cè)試的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法。 0006 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 ： 一種微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方 法， 微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)， 包括 ： 用于下載仿真模型和進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)監(jiān)控的仿 真與驗(yàn)證主控平臺(tái)、 仿真主星、 多個(gè)仿真從星和與多個(gè)仿真從星相對(duì)應(yīng)的多個(gè)衛(wèi)星控制器， 其中， 所述的仿真主星和多個(gè)仿線、與仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)進(jìn)行通信， 所述 的仿真主星與多個(gè)衛(wèi)星控制器通過無線 Wifi 通信， 所述的多個(gè)仿真從星與多個(gè)衛(wèi)星控制 器一一對(duì)應(yīng)的通過 RS232 接口相連接。 說 明 書 CN 103092212 A 4 2/8 頁 5 0007 所述的衛(wèi)星控制器包括有主控制器， 與主控制器通過RS232串口相連的Wifi無線 通信模塊， 與主控制器相連的輔控制器以及分別向主控制器和輔控制器提供電源的電源模 塊， 其中主控制器通過 Wifi 無線通信模塊與所述的仿真主星進(jìn)行通信， 所述的輔控制器的 輸出通過 RS232 串口連接所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星控制器。 0008 所述的輔控制器包括有 FPGA 輔控制器

　　16、， 分別與 FPGA 輔控制器相連的由 3 片 SN74ALVC164245 芯片組成電壓匹配電路和由 ADUM1400 芯片構(gòu)成的電壓隔離電路， 其中， 所 述的 3 片 SN74ALVC164245 芯片分別對(duì)應(yīng)的通過控制線、 數(shù)據(jù)線和地址線連接主控制器， 所 述的 ADUM1400 芯片通過 RS232 串口連接所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星控制器。 0009 一種用于微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)的運(yùn)行方法， 通過仿真與驗(yàn)證主控平 臺(tái)啟動(dòng)仿真進(jìn)程， 提供編隊(duì)任務(wù)的初始化條件， 構(gòu)建主從結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)仿真環(huán)境 ； 仿真主星運(yùn) 行編隊(duì)控制軟件， 通過無線通訊方式發(fā)送控制指令到控制器， 控制器經(jīng)過仿線、口發(fā)送控制信號(hào)給仿真從星， 仿真從星模擬衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型和環(huán)境模型， 提供衛(wèi)星的狀態(tài) 信息， 與衛(wèi)星控制器形成控制閉環(huán)， 仿真數(shù)據(jù)回傳到仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)上， 通過數(shù)據(jù)庫， 進(jìn)行統(tǒng)一的管理和分析 ； 0010 其中， 所述的仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)的運(yùn)行方法包括如下步驟 ： 0011 1） 建立仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)與仿真主星和仿真從星的連接， 并下載實(shí)時(shí)仿線） 啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿線） 判斷是否發(fā)布新任務(wù)， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則進(jìn)入步驟 6） ； 0015 5） 發(fā)布編隊(duì)任務(wù)至仿線） 進(jìn)行仿真監(jiān)控， 并判斷仿線、結(jié)束， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則返回步驟 4） ； 0017 7） 斷開仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)與仿真主星和仿線） 進(jìn)行仿線 所述的衛(wèi)星控制器的運(yùn)行方法包括如下步驟 ： 0020 1） 接收仿真主星的參考指令和仿線） 根據(jù)所接收的參考指令和狀態(tài)量采用滑模控制方法進(jìn)行衛(wèi)星控制模型運(yùn)算 ； 0022 3） 根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)送衛(wèi)星控制指令至仿線） 判斷仿真是否結(jié)束， 是則退出， 否則返回該衛(wèi)星控制器運(yùn)行方法的步驟 1） 繼續(xù) 運(yùn)行。 0024 當(dāng)仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿真時(shí)， 仿真主星運(yùn)行如下步驟 ：

　　19、0025 1） 判斷是否從接收串口接收到有新編隊(duì)的任務(wù)， 有則接收編隊(duì)任務(wù)， 否則進(jìn)入下 一步驟 ； 0026 2） 根據(jù)編隊(duì)任務(wù)采用 Legendre 偽譜法進(jìn)行軌跡規(guī)劃運(yùn)算 ； 0027 3） 通過發(fā)送串口分別向仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)和衛(wèi)星控制器發(fā)送仿真主星的參考 指令 ； 0028 4） 判斷仿真是否結(jié)束， 是退出， 否則返回步驟 1） 繼續(xù)運(yùn)行。 0029 當(dāng)仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿真時(shí)， 仿真從星運(yùn)行如下步驟 ： 0030 1） 通過接收串口接收衛(wèi)星控制器的控制指令 ； 說 明 書 CN 103092212 A 5 3/8 頁 6 0031 2） 根據(jù)控制指令按照衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)

　　20、模型計(jì)算出衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) ； 0032 3） 通過發(fā)送串口分別向仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)和衛(wèi)星控制器發(fā)送衛(wèi)星狀態(tài)信息 ； 0033 4） 判斷仿真是否結(jié)束， 是則退出， 否則返回步驟 1） 。 0034 所述的接收串口的運(yùn)行步驟是 ： 0035 1） 設(shè)置串口通訊參數(shù) ； 0036 2） 判斷串口通訊是否中斷， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則繼續(xù)判斷 ； 0037 3） 判斷是否有新數(shù)據(jù)， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則返回步驟 2） ； 0038 4） 寫入緩沖區(qū) ； 0039 5） 查找數(shù)據(jù)字頭 ； 0040 6） 判斷是否找到需要的數(shù)據(jù)， 是則輸出數(shù)據(jù)后退出， 否則返回步驟 5） 。 0041 所述的發(fā)送

　　21、串口的運(yùn)行步驟是 ： 0042 1） 設(shè)置串口通訊參數(shù) ； 0043 2） 數(shù)據(jù)打包 ； 0044 3） 數(shù)據(jù)發(fā)送后退出。 0045 本發(fā)明的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法， 具有如下特點(diǎn) ： 0046 （1） 仿真系統(tǒng)具備單顆衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)仿真功能， 即在給定一顆衛(wèi)星的歷元時(shí) 刻、 初始軌道、 姿態(tài)參數(shù)和攝動(dòng)力配置參數(shù)的情況下， 能夠計(jì)算出任意仿真時(shí)刻的衛(wèi)星軌道 和姿態(tài)數(shù)據(jù)。 0047 （2） 仿真系統(tǒng)具備多顆衛(wèi)星高穩(wěn)定隊(duì)形的初始化與優(yōu)化設(shè)計(jì)功能， 開發(fā)編隊(duì)飛行 構(gòu)形設(shè)計(jì)軟件。 仿真系統(tǒng)要能夠接收構(gòu)形設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的編隊(duì)飛行參數(shù)作為仿真系統(tǒng)的部 分初始化參數(shù)， 并根據(jù)編隊(duì)隊(duì)形需求，

　　22、 采用 Legendre 偽譜法求解最優(yōu)軌跡路徑。 0048 （3） 仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星編隊(duì)飛行過程中姿態(tài)指向一致控制功能的仿真。在 仿真系統(tǒng)中嵌入姿態(tài)計(jì)算模塊和姿態(tài)指向一致控制模塊， 并將以上提到的這些模塊有機(jī)結(jié) 合， 為仿線） 仿真系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)輸出和分析能力， 對(duì)小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的構(gòu)型設(shè)計(jì)和仿真計(jì) 算模型進(jìn)行測(cè)試， 對(duì)與仿真任務(wù)精度分析有關(guān)的數(shù)據(jù)采用圖表和文本的形式輸出， 同時(shí)進(jìn) 行分析統(tǒng)計(jì)， 并輸出結(jié)果。 0050 本發(fā)明的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法， 不僅可以提高微小衛(wèi)星 編隊(duì)控制系統(tǒng)開發(fā)初期的仿真可信度， 大大縮短研究周期 ； 同時(shí)為進(jìn)

　　23、一步的研究提供寶貴 的仿真數(shù)據(jù)， 并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同編隊(duì)控制方法的仿真驗(yàn)證， 有效提高了衛(wèi)星編隊(duì)控制的理論研 究水平和仿真試驗(yàn)水平， 為多衛(wèi)星協(xié)同控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展打下良好的試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)。 0051 本發(fā)明通過實(shí)時(shí)仿真和控制器的軟硬件結(jié)合， 增強(qiáng)了系統(tǒng)控制策略的實(shí)時(shí)性和可 移植性， 能夠簡(jiǎn)化空間探測(cè)任務(wù)， 擴(kuò)大觀測(cè)域， 提高系統(tǒng)健壯性， 還可以根據(jù)任務(wù)的變更替 換系統(tǒng)中的衛(wèi)星載荷， 提高衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的適應(yīng)性， 具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值， 在軍事和民用 方面都具有很大的潛在應(yīng)用。該仿真與驗(yàn)證平臺(tái)針對(duì)微小衛(wèi)星編隊(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 不 僅可以為未來衛(wèi)星編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)開發(fā)提供更加全面、 復(fù)雜的仿線、 ； 同時(shí)可以 作為研究衛(wèi)星編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)的快速原型化平臺(tái)， 解決仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制策略驗(yàn)證問 題， 既快速高效又節(jié)省開支。 說 明 書 CN 103092212 A 6 4/8 頁 7 附圖說明 0052 圖 1 是本發(fā)明的仿真與驗(yàn)證平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)框圖 ； 0053 圖 2 是本發(fā)明仿真與驗(yàn)證平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)流程圖 ； 0054 圖 3 是本發(fā)明衛(wèi)星控制器的構(gòu)成框圖 ； 0055 圖 4 是本發(fā)明仿真與驗(yàn)證平臺(tái)運(yùn)行示意圖 ； 0056 圖 5 是本發(fā)明仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)運(yùn)行流程圖 ； 0057 圖 6 是本發(fā)明衛(wèi)星編隊(duì)飛行軌跡優(yōu)化和跟蹤控制過程示意圖 ； 0058 圖 7 是本發(fā)明仿線 是本發(fā)明衛(wèi)星控制器運(yùn)行流程圖 ； 0060 圖 9 是本發(fā)明仿線 是本發(fā)明仿真主星和仿真從星串口接收通信流程圖 ； 0062 圖 11 是本發(fā)明仿真主星和仿真從星串口發(fā)送通信流程圖。 0063 圖中 0064 1 ： 仿線 ： 仿線 ： Wifi 無線 ： 電源模塊 具體實(shí)施方式 0068 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方 法做出詳細(xì)說明。 0069 本發(fā)

　　26、明的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法， 基于 xPC 實(shí)時(shí)仿真技術(shù) 進(jìn)行開發(fā)， xPC 實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé) Matlab 仿真程序的實(shí)時(shí)仿真功能， 其通過以太網(wǎng) 與仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)連接， 實(shí)現(xiàn)仿真程序的自動(dòng)編譯和下載， 同時(shí)仿真結(jié)果實(shí)時(shí)在仿真 與驗(yàn)證主控平臺(tái)上進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)保存， 便于后期分析處理。xPC 目標(biāo)機(jī)分別模擬仿真主 星和仿真子星的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型， 仿真主星上運(yùn)行基于 Matlab/Simulink 開發(fā)的 飛行構(gòu)形軟件， 通過無線 Wifi 通訊模塊與各仿真子星的控制器相連， 實(shí)現(xiàn)對(duì)子星的編隊(duì)控 制。 0070 仿真與驗(yàn)證平臺(tái)主控軟件設(shè)計(jì)采用 MFC 編程技術(shù)

　　27、、 Matlab 引擎技術(shù)、 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 開發(fā)， 主控軟件界面采用 MFC 設(shè)計(jì)， 集成 Matlab/Simulink 仿真功能， 以及 xPC 實(shí)時(shí)仿真功 能， 仿真數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。其中主控軟件的 xPC 實(shí)時(shí)仿真功能基于 Matlab RTI 驅(qū) 動(dòng)程序和 xPC target 編程函數(shù)庫開發(fā)。Matlab RTI 驅(qū)動(dòng)程序庫實(shí)現(xiàn) Simulink 仿真程序 到 C 代碼程序的自動(dòng)編譯和下載， xPC target 編程實(shí)現(xiàn)對(duì) xPC 實(shí)時(shí)仿真內(nèi)存的讀取， 將實(shí) 時(shí)仿真數(shù)據(jù)通過主控軟件進(jìn)行繪圖顯示。數(shù)據(jù)管理功能基于 MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)， 保存 Matlab 離線、PC 實(shí)時(shí)仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)， 便于仿線 工控機(jī)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星控制器， 運(yùn)行衛(wèi)星位置與姿態(tài)控制模塊， 通過無線 Wifi 通訊模塊接收仿真主星的編隊(duì)控制指令， 計(jì)算出控制信號(hào)， 并通過串口傳遞給對(duì)應(yīng)的 仿真子星， 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星編隊(duì)控制回路。運(yùn)行 LINUX 嵌入式操作系統(tǒng)， 支持多線程任務(wù)和應(yīng)用程 序的開發(fā)， 可擴(kuò)展性強(qiáng)， 支持后期開發(fā)各種控制策略軟件應(yīng)用程序。 說 明 書 CN 103092212 A 7 5/8 頁 8 0072 本發(fā)明的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)硬件包括 ： 仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)， xPC 實(shí)時(shí)仿真主星和 xPC 實(shí)時(shí)仿線、工控機(jī)構(gòu)成的衛(wèi)星控制器， 以及無線 Wifi 通 訊模塊。 0073 如圖 1、 圖 2 所示， 本發(fā)明的微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)， 包括 ： 用于下載仿 真模型和進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)監(jiān)控的仿線、 仿線、 多個(gè)仿線 和與多 個(gè)仿線 相對(duì)應(yīng)的多個(gè)衛(wèi)星控制器 4， 其中， 所述的仿線 和多個(gè)仿線 通過 以太網(wǎng)與仿線 進(jìn)行通信， 所述的仿線 通過無 線 Wifi 通信， 所述的多個(gè)仿線 一一對(duì)應(yīng)的通過 RS232 接口相連 接。所述的仿線、 仿線 和多個(gè)仿線 均是采用計(jì)算機(jī)， 所述的 衛(wèi)星控制器采用 PC/104 工控機(jī)。 0074 如圖 3 所示， 所述的衛(wèi)星控制器包括有主控制器 5， 與主控制器 5 通過 RS232 串口 相連的 Wifi 無線 以及分別向主控制器 5 和輔 控制器 7 提供電源的電源模塊 8， 其中主控制器 5 通過 Wifi 無線 與所述的仿線 進(jìn)行通信， 所述的輔控制器 7 的輸出通過 RS232 串口連接所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星控制器 4。 0075 所述的輔控制器 7 包括有 FPGA 輔控制器 7a， 分別與 FPGA 輔控制器

　　31、7a 相連的由 3 片SN74ALVC164245芯片組成電壓匹配電路7b和由ADUM1400芯片構(gòu)成的電壓隔離電路7c， 其中， 所述的 3 片 SN74ALVC164245 芯片分別對(duì)應(yīng)的通過控制線、 數(shù)據(jù)線和地址線 串口連接所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星控制器 4。 0076 以 PC104 工控機(jī)為主控制器， FPGA 為輔控制器， 基于 PC104 設(shè)計(jì)衛(wèi)星編隊(duì)仿真 控制器， 采用 Linux 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理及資源分配， 將控制策略編寫成 C 代碼運(yùn)行在控制 器中， 實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)飛行的控制仿真， 仿線 總線、給 FPGA， 為了實(shí)現(xiàn) FPGA3.3V電壓與PC104接口5V電壓的匹配， 由3片SN74ALVC164245組成電壓匹配電路， 由 FPGA 產(chǎn)生實(shí)際的衛(wèi)星控制信號(hào)。經(jīng)過 ADUM1400 轉(zhuǎn)換成串口電平， 開發(fā) Wifi 模塊用于各控 制器之間的無線數(shù)據(jù)通訊， 利用串口與仿線 仿線， 運(yùn)行仿真主控軟件， 負(fù)責(zé)將編隊(duì)構(gòu)型控制軟件、 Matlab/ Simulink 衛(wèi)星仿真模型， 數(shù)據(jù)通訊模型等下載到 xPC 實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)中， 形成主從結(jié)構(gòu)的 衛(wèi)星編隊(duì)控制實(shí)時(shí)仿真環(huán)境， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)的仿真進(jìn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫管理等 功能。 0078 x

　　33、PC 實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī) ： 基于 DOS 環(huán)境， 構(gòu)建實(shí)時(shí)仿真環(huán)境， 用以模擬編隊(duì)仿真主星 和仿真從星。 仿真主星上運(yùn)行構(gòu)型控制軟件， 將軌跡信息發(fā)送給各子星控制器， 組成主從控 制仿真結(jié)構(gòu) ； 仿真從星模擬衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)環(huán)境和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)環(huán)境， 接收衛(wèi)星控制器產(chǎn)生 的控制指令， 進(jìn)行軌道和姿態(tài)計(jì)算， 并向衛(wèi)星控制器提供衛(wèi)星自身的軌道、 姿態(tài)、 編隊(duì)狀態(tài) 信息， 和衛(wèi)星控制器構(gòu)成衛(wèi)星控制閉環(huán)。 0079 衛(wèi)星控制器 ： 基于 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)， 運(yùn)行衛(wèi)星位置與姿態(tài)控制模塊， 實(shí)現(xiàn)衛(wèi) 星編隊(duì)控制， 通過無線 Wifi 通訊模塊接收仿真主星的編隊(duì)控制指令， 計(jì)算出控制信號(hào)， 并 通過串口傳遞

　　34、給對(duì)應(yīng)的仿真從星， 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星編隊(duì)控制回路。 0080 圖 4 所示為仿真與驗(yàn)證平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)示意圖， 仿真與驗(yàn)證平臺(tái)的功能是實(shí)現(xiàn)微小 衛(wèi)星編隊(duì)控制系統(tǒng)從控制器方案設(shè)計(jì)到離線仿真、 實(shí)時(shí)仿真， 最后進(jìn)行仿真分析的全過程。 仿真平臺(tái)技術(shù)層采用多種技術(shù)支撐仿真功能的實(shí)現(xiàn)， 利用多線程 Matlab 引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì) 說 明 書 CN 103092212 A 8 6/8 頁 9 基于 Matlab/Simulink 開發(fā)的仿真模型以及編隊(duì)控制軟件的支持， 同時(shí)允許預(yù)先進(jìn)行離線 仿真。利用 Matlab 針對(duì) xPC target 提供的 RTI 驅(qū)動(dòng)程序完成仿真程序向 C 語言代碼的 自動(dòng)轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)

　　35、代碼的下載。仿真參數(shù)解析技術(shù)用于獲取 C 代碼程序仿真參數(shù)變量與 Matlab 編寫的仿真參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真數(shù)據(jù)信息。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將 離線仿真數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)均保存到數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表單中。 0081 本發(fā)明的用于微小衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證平臺(tái)的運(yùn)行方法， 是通過仿真與驗(yàn)證 主控平臺(tái)啟動(dòng)仿真進(jìn)程， 提供編隊(duì)任務(wù)的初始化條件， 構(gòu)建主從結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)仿真環(huán)境 ； 仿真 主星運(yùn)行編隊(duì)控制軟件， 通過無線通訊方式發(fā)送控制指令到控制器， 控制器經(jīng)過仿真計(jì)算 通過串口發(fā)送控制信號(hào)給仿真從星， 仿真從星模擬衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型和環(huán)境模型， 提供衛(wèi)星 的狀態(tài)信息， 與衛(wèi)星控制器形成控制閉環(huán)，

　　36、仿真數(shù)據(jù)回傳到仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)上， 通過數(shù) 據(jù)庫， 進(jìn)行統(tǒng)一的管理和分析 ； 0082 其中， 如圖 5 所示， 所述的仿線 的運(yùn)行方法， 是利用 Matlab 提 供的 xPC API 函數(shù)庫編程實(shí)現(xiàn)對(duì) xPC 目標(biāo)機(jī)的控制功能。首先， 需要用應(yīng)用程序注冊(cè)函數(shù) 對(duì) xPC 應(yīng)用程序進(jìn)行注冊(cè)， 建立仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)與 xPC 仿真機(jī)的通訊連接 ； 然后， 將基 于 Matlab 開發(fā)的編隊(duì)控制軟件以及衛(wèi)星仿真模型加載到相應(yīng)的 xPC 仿真機(jī)中 ； 對(duì)仿真系 統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置， 啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿真， 仿真過程中可以完成編隊(duì)任務(wù)的發(fā)布， 同時(shí)進(jìn)行仿真監(jiān) 控 ； 判斷仿線、如果沒有則進(jìn)入仿真監(jiān)控循環(huán)， 如果仿真結(jié)束則斷開仿真與驗(yàn)證主 控平臺(tái)與 xPC 仿真機(jī)的連接， 完成本次仿真過程。仿真完成后， 將獲得的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)保存 到數(shù)據(jù)庫中， 供后期分析處理。具體包括如下步驟 ： 0083 1） 建立仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)與仿真主星和仿真從星的連接， 并下載實(shí)時(shí)仿線） 啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿線） 判斷是否發(fā)布新任務(wù)， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則進(jìn)入步驟 6） ； 0087 5） 發(fā)布編隊(duì)任務(wù)至仿線） 進(jìn)行仿真監(jiān)控， 并判斷仿真是否結(jié)束， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則返回步驟 4） ； 0089

　　38、7） 斷開仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)與仿真主星和仿線） 進(jìn)行仿線 所示是衛(wèi)星編隊(duì)飛行軌跡優(yōu)化和跟蹤控制結(jié)構(gòu)圖， 對(duì)于構(gòu)型初始化以及構(gòu)型 保持中的軌跡優(yōu)化和控制問題， 核心思想是將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)非線性規(guī)劃問題， 求解出最優(yōu)軌跡， 然后采取相應(yīng)的軌跡跟蹤控制策略， 生成期望構(gòu)型并進(jìn)行構(gòu)型保持。 具體 是 ： 首先建立相應(yīng)的軌跡優(yōu)化模型， 然后利用 Legendre 偽譜法對(duì)該問題進(jìn)行離散化處理， 轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題 （NLP） ， 并基于序列二次規(guī)劃 （SQP） 對(duì)構(gòu)建的 NLP 進(jìn)行求解， 獲得最 優(yōu)飛行軌跡。最后采用滑?？刂品椒▽?duì)從衛(wèi)

　　39、星進(jìn)行軌跡跟蹤控制， 形成并保持期望的編隊(duì) 構(gòu)型。 0092 如圖 8 所示， 本發(fā)明的衛(wèi)星控制器 4 的運(yùn)行方法具有快速響應(yīng)、 精度高、 物理實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)， 控制器設(shè)計(jì)可以根據(jù)具體任務(wù)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先接收參考指令和衛(wèi)星狀 態(tài)量， 按照控制器模型進(jìn)行計(jì)算， 將得到的控制指令通過串口程序發(fā)送給對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星仿真 計(jì)算機(jī) ； 判斷仿真是否結(jié)束， 如果沒有， 進(jìn)入循環(huán)， 否則退出程序。具體包括如下步驟 ： 說 明 書 CN 103092212 A 9 7/8 頁 10 0093 1） 接收仿真主星的參考指令和仿線）根據(jù)所接收的參考指令和狀態(tài)量采用滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行衛(wèi)星

　　40、控制模型運(yùn) 算 ；（具體運(yùn)算是根據(jù)不同衛(wèi)星的控制需求進(jìn)行不同的運(yùn)算， 請(qǐng)參考 Gao Youtao.A new sliding mode control for satellite formationC.Proceedingsof the 6th WSEAS International Conference on Circuits,Systems,Electronics,Control & Signal Proc essing(CSECS07),2007:258-263.(UT ISI:)） 。 0095 3） 根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)送衛(wèi)星控制指令至仿線） 判斷仿真是否結(jié)束， 是則退出， 否則返回該衛(wèi)星控制器 4 運(yùn)行方法的步驟 1） 繼 續(xù)運(yùn)行。 0097 本發(fā)明涉及的編隊(duì)控制策略采用主從星的工作模式， 主星針對(duì)編隊(duì)任務(wù)完成軌跡 規(guī)劃。首先判斷是否有新的編隊(duì)任務(wù)， 如果有接收新任務(wù) ； 按照編隊(duì)任務(wù)進(jìn)行軌跡優(yōu)化， 處 理過程參見圖 5 ； 計(jì)算出的參考指令按照串口方式發(fā)送， 通過 Wifi 無線模塊傳送給衛(wèi)星控 制器 ； 判斷仿真是否結(jié)束， 如果沒有， 進(jìn)入循環(huán)， 否則退出程序。 0098 具體如圖 7 所示， 當(dāng)仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)啟動(dòng)實(shí)時(shí)仿真時(shí)， 仿真主星運(yùn)行如下步 驟 ： 0099 1） 判斷是否從接收串口接收到有新編隊(duì)的任務(wù)， 有

　　43、,AND DYNAMICS Vol.32,No.4,JulyAugust2009） 0101 3） 通過發(fā)送串口分別向仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)和衛(wèi)星控制器發(fā)送仿真主星的參考 指令 ； 0102 4） 判斷仿真是否結(jié)束， 是退出， 否則返回步驟 1） 繼續(xù)運(yùn)行。 0103 本發(fā)明涉及的微小衛(wèi)星模型為通用的衛(wèi)星模型， 不具備特殊性， 可以依據(jù)實(shí)際仿 真對(duì)象進(jìn)行修改和替換。首先通過串口接收衛(wèi)星控制器發(fā)送的控制指令， 按照衛(wèi)星模型進(jìn) 行仿真計(jì)算， 并將得到的衛(wèi)星狀態(tài)量輸出給系統(tǒng)回路， 最后判斷仿真是否結(jié)束， 如果沒有， 進(jìn)入循環(huán)， 否則退出程序。 0104 具體如圖 9 所示， 當(dāng)仿真與驗(yàn)證主控平臺(tái)啟動(dòng)實(shí)時(shí)

　　46、 串口接收程序， 首先設(shè)置通訊參數(shù)， 串 口讀取模塊先判斷接收到的中斷是否為指定的 COM 端口中斷請(qǐng)求標(biāo)志， 如果是則表示有新 數(shù)據(jù)接收， 將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)， 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)字頭查找， 待找到指定的數(shù)據(jù)字頭將數(shù)據(jù)進(jìn)行 輸出。 串口發(fā)送程序， 首先設(shè)置通訊參數(shù)， 按照通訊需求進(jìn)行打包， 然后即可完成數(shù)據(jù)發(fā)送。 具體如下 ： 0110 如圖 10 所示， 所述的接收串口的運(yùn)行步驟是 ： 0111 1） 設(shè)置串口通訊參數(shù) ； 0112 2） 判斷串口通訊是否中斷， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則繼續(xù)判斷 ； 0113 3） 判斷是否有新數(shù)據(jù)， 是則進(jìn)入下一步驟， 否則返回步驟 2） ； 0114 4） 寫

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