本發(fā)明涉及一種超靜控制系統(tǒng)地面仿真驗(yàn)證方法，屬于超靜控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、小衛(wèi)星超靜控制系統(tǒng)是一種角加速度功率譜密度極低的控制系統(tǒng)，星上控制系統(tǒng)采用沒有振動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般包括冷氣推進(jìn)系統(tǒng)和磁力矩器。在軌科學(xué)觀測(cè)模式下，冷氣推進(jìn)系統(tǒng)一般處于不工作狀態(tài)，衛(wèi)星姿態(tài)控制僅利用磁力矩器控制。

2、超靜控制系統(tǒng)的指標(biāo)通常由利用衛(wèi)星質(zhì)心處加速度計(jì)輸出的角加速度計(jì)算的功率譜密度來評(píng)價(jià)，即衛(wèi)星受力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的能量隨著頻率的分布情況來評(píng)價(jià)。由于超靜控制系統(tǒng)主動(dòng)控制力矩與環(huán)境干擾力矩量級(jí)均比較微小，所以主動(dòng)控制力矩信號(hào)采集精度以及環(huán)境干擾力矩仿真模型精度將對(duì)地面仿真精度的產(chǎn)生較大影響，因此這兩項(xiàng)對(duì)超靜控制系統(tǒng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)非常重要。其次，由于超靜控制系統(tǒng)在科學(xué)觀測(cè)模式時(shí)長期僅有磁力矩器參與姿態(tài)控制，星體所受力矩比較單一，因此磁力矩器磁矩輸出模型的準(zhǔn)確性也將對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生較大影響。在超靜控制系統(tǒng)地面仿真驗(yàn)證過程中，遇到以下四個(gè)問題：

3、第一，傳統(tǒng)的地面仿真系統(tǒng)仿真周期通常為100ms，仿真周期長，數(shù)據(jù)迭代慢，導(dǎo)致空間環(huán)境干擾力矩等信息更新慢，實(shí)時(shí)性差

4、第二，磁力矩器磁矩輸出模型不夠精準(zhǔn)，與真實(shí)產(chǎn)品狀態(tài)存在較大差異，使仿真結(jié)果不夠準(zhǔn)確；

5、第三，傳統(tǒng)的地面仿真試驗(yàn)得到的星體質(zhì)心處角加速度沒有考慮測(cè)量噪聲，數(shù)據(jù)不夠客觀準(zhǔn)確；

6、第四，數(shù)據(jù)處理公式繁瑣，處理數(shù)據(jù)耗時(shí)，實(shí)時(shí)性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，建立精準(zhǔn)的磁力矩器磁矩輸出模型，得到高精度的控制力矩信息；通過引入精準(zhǔn)的加速度計(jì)模型更加客觀準(zhǔn)確的計(jì)算出星體真實(shí)的角加速度；自動(dòng)化生成角加速度功率譜密度曲線，可實(shí)時(shí)查看衛(wèi)星質(zhì)心處功率譜密度情況。

2、本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種超靜控制系統(tǒng)地面仿真驗(yàn)證方法，包括兩部分；

4、第一部分包括：

5、衛(wèi)星地面仿真試驗(yàn)開始，控制系統(tǒng)加電后，衛(wèi)星進(jìn)入正常控制模式，星地之間進(jìn)行正常數(shù)據(jù)交互，交互過程如下：

6、(一)衛(wèi)星控制系統(tǒng)通過采集地面仿真系統(tǒng)敏感器的輸出信息，預(yù)估衛(wèi)星姿態(tài)并計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)偏差的控制量，通過衛(wèi)星姿態(tài)偏差的控制量計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令信息；本方法中執(zhí)行機(jī)構(gòu)專指磁力矩器，控制命令信息專指控制指令電壓mcv；

7、(二)地面仿真系統(tǒng)采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信息并建立磁矩輸出模型，通過地面仿真系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出星體所受的控制力矩；計(jì)算過程如下：

8、①建立磁力矩器執(zhí)行機(jī)構(gòu)磁矩輸出模型

9、根據(jù)磁力矩器及其線路的工作原理，地面仿真系統(tǒng)采集的控制信息包括控制指令電壓mcv和真實(shí)磁力矩器線圈中的電流遙測(cè)值tmv，其中tmv為電壓值，可表示真實(shí)磁力矩器的磁矩輸出。為了準(zhǔn)確反映出真實(shí)磁力矩器的輸出磁矩，做以下計(jì)算處理：

10、地面仿真周期起始時(shí)刻采集到的電流遙測(cè)值記為tmv0，預(yù)估地面仿真周期結(jié)束時(shí)電流遙測(cè)值tmv1，可得：tmv1＝tmv0+mcv/(lm×t)，其中已知t為地面仿真周期、lm為磁力矩器等效電感值；

11、計(jì)算仿真周期t時(shí)間內(nèi)平均的電流遙測(cè)值:tmv01＝(tmv0+tmv0)/2；

12、建立磁力矩器輸出磁矩m關(guān)于自變量tmv01方程：m＝f(tmv01)；

13、②星體所受的控制力矩計(jì)算：

14、地面仿真系統(tǒng)通過磁力矩器磁矩與地球磁場模型，產(chǎn)生作用在星體上的控制力矩tm＝[tmx?tmy?tmz]，其中tmx為在x軸方向產(chǎn)生的控制力矩，tmy為在y軸方向產(chǎn)生的控制力矩，tmz為在z軸方向產(chǎn)生的控制力矩，計(jì)算公式如下：

15、tmx＝mybbzb-mzbbyb

16、tmy＝mzbbxb-mxbbzb

17、tmz＝mxbbyb-mybbxb…(1)

18、磁力矩器磁矩m＝[mxb?myb?mzb]，其中mxb為x軸方向磁矩，myb為y軸方向磁矩，mzb為z軸方向磁矩，b＝[bxb?byb?bzb]為地磁場在衛(wèi)星本體系三個(gè)軸的分量。

19、(三)地面仿真系統(tǒng)通過軌道信息與空間環(huán)境力矩模型計(jì)算出星體所受的空間環(huán)境干擾力矩td，td包括衛(wèi)星重力梯度力矩tdg、氣動(dòng)力矩tda、剩磁力矩tdm、太陽光壓tds。

20、td＝tdg+tda+tdm+tds…(2)

21、(四)地面仿真系統(tǒng)將控制力矩tm和空間環(huán)境干擾力矩td之和t作為衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)方程的輸入，計(jì)算出t時(shí)刻星體真實(shí)姿態(tài)信息和衛(wèi)星質(zhì)心處理想角加速度計(jì)算過程如下：

22、

23、為t時(shí)刻衛(wèi)星質(zhì)心相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角加速度在衛(wèi)星本體系的滾動(dòng)軸x、俯仰軸y、偏航軸z的三軸分量，i是衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i-1是i的逆矩陣。

24、(五)地面仿真系統(tǒng)中裝入加速度計(jì)模型，將角加速度信息引入到加速度計(jì)模型中，計(jì)算出星體質(zhì)心處真實(shí)的角加速度。步驟如下：

25、①地面仿真系統(tǒng)中的加速度計(jì)模型可通過指令開啟。

26、②加速度計(jì)模型開啟后，地面仿真系統(tǒng)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的控制力矩與空間環(huán)境干擾力矩共同作用下產(chǎn)生的星體質(zhì)心處真實(shí)的角加速度帶入加速度計(jì)模型中：

27、y(t)＝a(t)+b(t)+η1(t)+f1·a(t)+f2·a2(t)…(5)

28、其中，式中y(t)是加速度計(jì)測(cè)量輸出星體質(zhì)心處真實(shí)角加速度；a(t)是地面仿真系統(tǒng)計(jì)算的星體角速度信息，即第一部分步驟(四)中計(jì)算出的理論角加速度b(t)是加速度計(jì)角加速度測(cè)量常值漂移，f1·a(t)、f2·a2(t)分別為線性和非線性誤差，f1、f2為已知一次項(xiàng)和二次項(xiàng)的系數(shù)；η1(t)為近似為三維高斯白噪聲向量。

29、通過地面仿真系統(tǒng)中搭建的加速度計(jì)模型，得到了客觀真實(shí)的星體質(zhì)心處角加速度y(t)。

30、(六)地面仿真系統(tǒng)通敏感器模型將星體真實(shí)姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換成敏感器的輸出信息，并輸出給衛(wèi)星控制系統(tǒng)；

31、整個(gè)仿真過程結(jié)束。

32、第二部分包括：

33、(一)地面仿真系統(tǒng)將加速度計(jì)模型輸出的角加速度y(t)存入數(shù)據(jù)庫；

34、(二)通過角加速度信息計(jì)算衛(wèi)星質(zhì)心處角加速度的功率譜密度，計(jì)算公式如下：

35、

36、利用上述公式開發(fā)功率譜密度計(jì)算程序，功率譜密度計(jì)算過程為：①取衛(wèi)星真實(shí)輸出的角加速度y(t)在時(shí)間區(qū)間[-t,t]的截?cái)?；②?jì)算y(t)的fourier變換，記為y(ω)；③在2t時(shí)間區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行全部頻率下功率和計(jì)算，e[y(ω)2]表示y(ω)2的求和運(yùn)算；④計(jì)算2t時(shí)間內(nèi)平均功率；⑤平均功率值開根號(hào)。

37、利用公式(6)進(jìn)行衛(wèi)星角加速度y(t)的平均功率的計(jì)算，也即角加速度的功率譜密度值。

38、(三)通過功率譜密度曲線來評(píng)價(jià)衛(wèi)星超靜控制效果和指標(biāo)達(dá)到情況。

39、通過上述流程進(jìn)行仿真驗(yàn)證測(cè)試，取采樣周期10ms數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)11152個(gè)，進(jìn)行三軸角加速度功率譜密度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果繪制曲線如圖4至圖6所示。圖中藍(lán)色曲線代表[0.2×10-3hz～0.1hz]頻率范圍內(nèi)的指標(biāo)要求值上限，紅色曲線為利用本發(fā)明所述方法得到的控制系統(tǒng)真實(shí)的角加速度功率譜密度值。如果紅色曲線在要求頻率范圍內(nèi)全部或部分超出藍(lán)色曲線，則認(rèn)定為指標(biāo)未達(dá)到；相反，如果紅色曲線在要求頻率范圍內(nèi)全部位于藍(lán)色曲線下方，則認(rèn)定為指標(biāo)達(dá)標(biāo)。上述評(píng)價(jià)方法可用于仿真驗(yàn)證結(jié)果的評(píng)價(jià)。本示例圖中可直觀看到要求的頻率范圍內(nèi)真實(shí)的角加速度功率譜密度曲線均在藍(lán)色曲線下方，認(rèn)定滿足指標(biāo)要求。

40、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：

41、(1)本發(fā)明方法具有獨(dú)立不影響正常地面仿真驗(yàn)證的特點(diǎn)，采用了引入外系統(tǒng)真實(shí)角速度信息，進(jìn)而達(dá)到客觀準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

42、(2)本發(fā)明在保證衛(wèi)星正常軟件任務(wù)正常運(yùn)行的同時(shí)，更加準(zhǔn)確的模擬了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作機(jī)制，可以快速準(zhǔn)確的反饋星體姿態(tài)信息。

43、(3)本發(fā)明采用自動(dòng)計(jì)算質(zhì)心處功率譜密度來評(píng)價(jià)超靜平臺(tái)控制指標(biāo)，可以高效完成系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

44、(4)本發(fā)明可評(píng)估星體質(zhì)心處所受到力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的能量隨頻率的分布情況，進(jìn)而反應(yīng)超靜控制系統(tǒng)的控制情況。