小卫星姿控系统设备模拟器研制

摘要

小卫星姿控系统用于实现卫星姿态和指向控制，姿控系统的测试是卫星地面测试的首要任务。由于研制周期和研制成本等方面的限制，同时为减少风险，一般采用电模拟器代替姿控系统的各个单机部件，模拟其功能和接口，来配合完成姿控系统的地面闭环仿真测试。然而，现有的模拟器设备体积较大，使用不够便携，且均为针对固定型号卫星配套使用，通用性差。针对上述需求，本文设计了一套具有小型化、通用化特点的小卫星姿控系统设备模拟器。该套设备可实现姿控系统的技术方案前期论证、电测试、故障模拟和在轨故障地面复现等功能，对姿控系统的研制、测试、维护等工作都具有十分重要的意义。
　　本文首先提炼和分析了小卫星姿控系统设备模拟器的需求和技术指标，提出了小卫星姿控系统设备模拟器的总体方案，设备通过自定义开放式底板总线，自研一块具有18个槽位并且槽位通用的开放式总线底板，安装在改装的4U高度CPCI机箱里，并采用后I/O走线，组成了整套设备的基本架构，实现了小型化。根据各个模拟器的设计要求，划分了12个功能模块，对系统中以数字量信号为主的模拟器进行了通用化设计。模拟器的功能模块采用FPGA+DSP协调工作来实现对模块的控制和模型解算，FPGA主要实现对模块电气接口和时序的控制，DSP完成各个模拟器对应的模型解算。系统设计中还采用了大量的隔离技术，包括模拟隔离，数字隔离和电源隔离等设计，很好的实现了星地信号隔离功能，保证了测试的安全性。同时，系统设计时对模型解算的实现方法进行了详细分析，最终采用四级四阶龙格-库塔法实现，并采用了LabWindows/CVI软件对各个模拟器模型进行仿真，将仿真结果与硬件计算结果对比实现模型解算的验证功能。系统的通信总线采用星上设备常用的CAN总线、RS-422总线和RS-485总线，采用星上常用通信总线能方便的将模拟器与星上及地面其它支持设备对接，提高了系统的通用性和技术继承性。
　　小卫星姿控系统设备模拟器可实现对姿态敏感器和姿态执行机构的模拟，设备实现了小型化，具有良好的通用性和可扩展性。该套设备已成功应用于某小卫星姿控系统地面闭环仿真测试中，经现场桌面联调测试，小卫星姿控系统实现了以50ms为周期的闭环测试，其姿态指向精度优于0.01°，稳定度优于10-4（°/s），模拟器运行稳定可靠，完全满足测试要求，为小卫星姿控系统开发节约成本，缩短开发周期，减小风险，提高了可靠性。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2卫星地面闭环仿真测试技术概述

1.3卫星姿控系统设备模拟器发展现状及趋势

1.4小卫星搭载新体制部件及其模拟器发展现状及趋势

1.5主要研究内容及论文结构

第2章 系统总体方案设计

2.1功能要求和技术指标

2.2需求分析

2.3系统总体方案设计

2.4系统关键技术分析

2.5本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1系统底板设计

3.2系统通用化模块硬件设计

3.3通信接口硬件设计

3.4功能模块控制器硬件设计

3.5执行机构采集卡硬件设计

3.6本章小结

第4章 系统固件和软件设计

4.1模型解算实现方法及仿真设计

4.2系统固件和软件总体设计

4.3通信接口固件设计

4.4模型解算程序设计

4.5本章小结

第5章 测试与分析

5.1测试方案及步骤

5.2功能模块测试

5.3系统测试

5.4测试中遇到的问题及解决方法

5.5测试结果及误差分析

5.6本章小结

结论

参考文献

附录

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