微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法

摘要

一种微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法，平台有仿真与验证主控平台、仿真主星、多个仿真从星和与多个仿真从星相对应的多个卫星控制器，仿真主星和仿真从星通过以太网与仿真与验证主控平台进行通信，仿真主星与卫星控制器通过无线Wifi通信，仿真从星与卫星控制器通过RS232接口相连接。方法是仿真与验证主控平台启动仿真进程，构建主从结构的实时仿真环境；仿真主星运行编队控制，并发送控制指令到控制器，控制器经过仿真计算通过串口发送控制信号给仿真从星，仿真从星模拟卫星动力学模型和环境模型，提供卫星的状态信息，仿真数据传到仿真与验证主控平台，进行统一的管理和分析。本发明为卫星编队飞行提供全面、复杂的仿真验证功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空航天领域的控制方法仿真与验证。特别是涉及一种微小卫星编队系 统的仿真验证平台及实现方法。

背景技术

空间环境已经成为与人类发展息息相关除陆海空的第四环境，相较于传统的单颗卫星而 言，多卫星以其具有的在轨冗余性、稳健性、可靠性和抗毁性等特点倍受人们的关注，有助 于提高空间的探测能力，保证我国有效和平利用空间，成为许多航天任务的首选方案。卫星 编队飞行能够简化空间探测任务，扩大观测域，同时通过系统重构及时地清除损坏个体，还 可以根据任务的变更替换系统中的卫星载荷，提高卫星系统对任务的适应性。由此，一个由 微小卫星组成的编队飞行系统就可以完成天基的任务更换，从而可以以极短的周期、极低的 成本和极高的可靠性来完成新旧任务的更替。目前国内卫星编队控制系统的研究仍处于起步 阶段。并且相关的控制方案和算法缺少实际的分析环境，而实物环境在科研初期需要投入大 量风险成本，因此搭建一个卫星编队仿真验证环境对卫星编队系统的理论研究和方法验证是 十分重要的。

卫星编队控制系统不同于普通航天飞行器，其系统的功能是由多个航天器互相协同完成， 因此存在着复杂的信息交互。这对卫星位置姿态控制及卫星任务管理、调度控制提出了新的 要求。基于单一领域仿真模型集成的方法不利于系统的扩展,集成后系统仿真结果置信度低; 基于统一建模语言方法需要对已有模型重新用数学方程描述,无法充分利用已有研究成果, 并且有些模型无法用方程描述;基于异构仿真环境可以实现仿真系统灵活构建,有效提高仿 真效率,集成现有研究成果;基于分布式建模与仿真方案具有一定的灵活性、可扩展性,减 少网络数据冗余,最大限度保证数据一致性,并可将真实仿真、虚拟仿真等集成到统一的仿 真环境中。

微小卫星仿真平台采用计算机实时仿真和嵌入式软硬件技术实现卫星编队的控制方法仿 真与验证，其最大的特色在于仿真模型可以快速高效的移植到平台上，符合微小卫星仿真的 应用需求和发展趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够支持多微小卫星系统从编队控制系统设计 到实时仿真测试的微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法。

本发明所采用的技术方案是：一种微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法，微小 卫星编队系统的仿真验证平台，包括：用于下载仿真模型和进行仿真数据监控的仿真与验证 主控平台、仿真主星、多个仿真从星和与多个仿真从星相对应的多个卫星控制器，其中，所 述的仿真主星和多个仿真从星通过以太网与仿真与验证主控平台进行通信，所述的仿真主星 与多个卫星控制器通过无线Wifi通信，所述的多个仿真从星与多个卫星控制器一一对应的通 过RS232接口相连接。

所述的卫星控制器包括有主控制器，与主控制器通过RS232串口相连的Wifi无线通信 模块，与主控制器相连的辅控制器以及分别向主控制器和辅控制器提供电源的电源模块，其 中主控制器通过Wifi无线通信模块与所述的仿真主星进行通信，所述的辅控制器的输出通过 RS232串口连接所对应的卫星控制器。

所述的辅控制器包括有FPGA辅控制器，分别与FPGA辅控制器相连的由3片 SN74ALVC164245芯片组成电压匹配电路和由ADUM1400芯片构成的电压隔离电路，其中， 所述的3片SN74ALVC164245芯片分别对应的通过控制线、数据线和地址线连接主控制器，所 述的ADUM1400芯片通过RS232串口连接所对应的卫星控制器。

一种用于微小卫星编队系统的仿真验证平台的运行方法，通过仿真与验证主控平台启动 仿真进程，提供编队任务的初始化条件，构建主从结构的实时仿真环境；仿真主星运行编队 控制软件，通过无线通讯方式发送控制指令到控制器，控制器经过仿真计算通过串口发送控 制信号给仿真从星，仿真从星模拟卫星动力学模型和环境模型，提供卫星的状态信息，与卫 星控制器形成控制闭环，仿真数据回传到仿真与验证主控平台上，通过数据库，进行统一的 管理和分析；

其中，所述的仿真与验证主控平台的运行方法包括如下步骤：

1）建立仿真与验证主控平台与仿真主星和仿真从星的连接，并下载实时仿真程序；

2）初始化设置；

3）启动实时仿真；

4）判断是否发布新任务，是则进入下一步骤，否则进入步骤6）；

5）发布编队任务至仿真主星；

6）进行仿真监控，并判断仿真是否结束，是则进入下一步骤，否则返回步骤4）；

7）断开仿真与验证主控平台与仿真主星和仿真从星的连接；

8）进行仿真数据管理；

所述的卫星控制器的运行方法包括如下步骤：

1）接收仿真主星的参考指令和仿真从星的状态量；

2）根据所接收的参考指令和状态量采用滑模控制方法进行卫星控制模型运算；

3）根据运算结果发送卫星控制指令至仿真从星；

4）判断仿真是否结束，是则退出，否则返回该卫星控制器运行方法的步骤1）继续运行。

当仿真与验证主控平台启动实时仿真时，仿真主星运行如下步骤：

1）判断是否从接收串口接收到有新编队的任务，有则接收编队任务，否则进入下一步 骤；

2）根据编队任务采用Legendre伪谱法进行轨迹规划运算；

3）通过发送串口分别向仿真与验证主控平台和卫星控制器发送仿真主星的参考指令；

4）判断仿真是否结束，是退出，否则返回步骤1）继续运行。

当仿真与验证主控平台启动实时仿真时，仿真从星运行如下步骤：

1）通过接收串口接收卫星控制器的控制指令；

2）根据控制指令按照卫星的运动学和动力学模型计算出卫星的运动状态；

3）通过发送串口分别向仿真与验证主控平台和卫星控制器发送卫星状态信息；

4）判断仿真是否结束，是则退出，否则返回步骤1）。

所述的接收串口的运行步骤是：

1）设置串口通讯参数；

2）判断串口通讯是否中断，是则进入下一步骤，否则继续判断；

3）判断是否有新数据，是则进入下一步骤，否则返回步骤2）；

4）写入缓冲区；

5）查找数据字头；

6）判断是否找到需要的数据，是则输出数据后退出，否则返回步骤5）。

所述的发送串口的运行步骤是：

1）设置串口通讯参数；

2）数据打包；

3）数据发送后退出。

本发明的微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法，具有如下特点：

（1）仿真系统具备单颗卫星的轨道和姿态仿真功能，即在给定一颗卫星的历元时刻、初 始轨道、姿态参数和摄动力配置参数的情况下，能够计算出任意仿真时刻的卫星轨道和姿态 数据。

（2）仿真系统具备多颗卫星高稳定队形的初始化与优化设计功能，开发编队飞行构形设 计软件。仿真系统要能够接收构形设计软件设计的编队飞行参数作为仿真系统的部分初始化 参数，并根据编队队形需求，采用Legendre伪谱法求解最优轨迹路径。

（3）仿真系统可以实现小卫星编队飞行过程中姿态指向一致控制功能的仿真。在仿真系 统中嵌入姿态计算模块和姿态指向一致控制模块，并将以上提到的这些模块有机结合，为仿 真系统的目标服务。

（4）仿真系统具有数据输出和分析能力，对小卫星编队飞行的构型设计和仿真计算模型 进行测试，对与仿真任务精度分析有关的数据采用图表和文本的形式输出，同时进行分析统 计，并输出结果。

本发明的微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法，不仅可以提高微小卫星编队控 制系统开发初期的仿真可信度，大大缩短研究周期；同时为进一步的研究提供宝贵的仿真数 据，并实现对不同编队控制方法的仿真验证，有效提高了卫星编队控制的理论研究水平和仿 真试验水平，为多卫星协同控制系统的研究与发展打下良好的试验平台基础。

本发明通过实时仿真和控制器的软硬件结合，增强了系统控制策略的实时性和可移植性， 能够简化空间探测任务，扩大观测域，提高系统健壮性，还可以根据任务的变更替换系统中 的卫星载荷，提高卫星系统对任务的适应性，具有较高的经济价值，在军事和民用方面都具 有很大的潜在应用。该仿真与验证平台针对微小卫星编队控制系统进行设计，不仅可以为未 来卫星编队飞行控制系统开发提供更加全面、复杂的仿真验证功能；同时可以作为研究卫星 编队飞行控制系统的快速原型化平台，解决仿真优化设计及控制策略验证问题，既快速高效 又节省开支。

附图说明

图1是本发明的仿真与验证平台的整体结构框图；

图2是本发明仿真与验证平台功能实现流程图；

图3是本发明卫星控制器的构成框图；

图4是本发明仿真与验证平台运行示意图；

图5是本发明仿真与验证主控平台运行流程图；

图6是本发明卫星编队飞行轨迹优化和跟踪控制过程示意图；

图7是本发明仿真主星运行流程图；

图8是本发明卫星控制器运行流程图；

图9是本发明仿真从星运行流程图

图10是本发明仿真主星和仿真从星串口接收通信流程图；

图11是本发明仿真主星和仿真从星串口发送通信流程图。

图中

1：仿真与验证主控平台   2：仿真主星

3：仿真从星             4：卫星控制器

5：主控制器             6：Wifi无线通信模块

7：辅控制器             8：电源模块

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法做出详 细说明。

本发明的微小卫星编队系统的仿真验证平台及实现方法，基于xPC实时仿真技术进行开 发，xPC实时仿真计算机主要负责Matlab仿真程序的实时仿真功能，其通过以太网与仿真与 验证主控平台连接，实现仿真程序的自动编译和下载，同时仿真结果实时在仿真与验证主控 平台上进行显示和数据保存，便于后期分析处理。xPC目标机分别模拟仿真主星和仿真子星 的运动学模型和动力学模型，仿真主星上运行基于Matlab/Simulink开发的飞行构形软件， 通过无线Wifi通讯模块与各仿真子星的控制器相连，实现对子星的编队控制。

仿真与验证平台主控软件设计采用MFC编程技术、Matlab引擎技术、数据库技术开发， 主控软件界面采用MFC设计，集成Matlab/Simulink仿真功能，以及xPC实时仿真功能，仿 真数据通过数据库进行管理。其中主控软件的xPC实时仿真功能基于Matlab RTI驱动程序和 xPC target编程函数库开发。Matlab RTI驱动程序库实现Simulink仿真程序到C代码程序 的自动编译和下载，xPC target编程实现对xPC实时仿真内存的读取，将实时仿真数据通过 主控软件进行绘图显示。数据管理功能基于MySQL数据库进行开发，保存Matlab离线仿真和 xPC实时仿真的结果数据，便于仿真分析。

基于PC/104工控机设计的卫星控制器，运行卫星位置与姿态控制模块，通过无线Wifi 通讯模块接收仿真主星的编队控制指令，计算出控制信号，并通过串口传递给对应的仿真子 星，实现卫星编队控制回路。运行LINUX嵌入式操作系统，支持多线程任务和应用程序的开 发，可扩展性强，支持后期开发各种控制策略软件应用程序。

本发明的微小卫星编队系统的仿真验证平台硬件包括：仿真与验证主控平台，xPC实时 仿真主星和xPC实时仿真从星，由PC104工控机构成的卫星控制器，以及无线Wifi通讯模块。

如图1、图2所示，本发明的微小卫星编队系统的仿真验证平台，包括：用于下载仿真 模型和进行仿真数据监控的仿真与验证主控平台1、仿真主星2、多个仿真从星3和与多个仿 真从星3相对应的多个卫星控制器4，其中，所述的仿真主星2和多个仿真从星3通过以太 网与仿真与验证主控平台1进行通信，所述的仿真主星2与多个卫星控制器4通过无线Wifi 通信，所述的多个仿真从星3与多个卫星控制器4一一对应的通过RS232接口相连接。所述 的仿真与验证主控平台1、仿真主星2和多个仿真从星3均是采用计算机，所述的卫星控制 器采用PC/104工控机。

如图3所示，所述的卫星控制器包括有主控制器5，与主控制器5通过RS232串口相连 的Wifi无线通信模块6，与主控制器5相连的辅控制器7以及分别向主控制器5和辅控制器 7提供电源的电源模块8，其中主控制器5通过Wifi无线通信模块6与所述的仿真主星2进 行通信，所述的辅控制器7的输出通过RS232串口连接所对应的卫星控制器4。

所述的辅控制器7包括有FPGA辅控制器7a，分别与FPGA辅控制器7a相连的由3片 SN74ALVC164245芯片组成电压匹配电路7b和由ADUM1400芯片构成的电压隔离电路7c，其中， 所述的3片SN74ALVC164245芯片分别对应的通过控制线、数据线和地址线连接主控制器5， 所述的ADUM1400芯片通过RS232串口连接所对应的卫星控制器4。

以PC104工控机为主控制器，FPGA为辅控制器，基于PC104设计卫星编队仿真控制器， 采用Linux系统实现任务管理及资源分配，将控制策略编写成C代码运行在控制器中，实现 对卫星编队飞行的控制仿真，仿真结果通过PC104总线传递给FPGA，为了实现FPGA3.3V电 压与PC104接口5V电压的匹配，由3片SN74ALVC164245组成电压匹配电路，由FPGA产生实 际的卫星控制信号。经过ADUM1400转换成串口电平，开发Wifi模块用于各控制器之间的无 线数据通讯，利用串口与仿真卫星进行通讯。

仿真与验证主控平台1，运行仿真主控软件，负责将编队构型控制软件、Matlab/Simulink 卫星仿真模型，数据通讯模型等下载到xPC实时仿真计算机中，形成主从结构的卫星编队控 制实时仿真环境，同时实现编队飞行控制系统的仿真进程监控和数据库管理等功能。

xPC实时仿真计算机：基于DOS环境，构建实时仿真环境，用以模拟编队仿真主星和仿 真从星。仿真主星上运行构型控制软件，将轨迹信息发送给各子星控制器，组成主从控制仿 真结构；仿真从星模拟卫星轨道动力学环境和姿态动力学环境，接收卫星控制器产生的控制 指令，进行轨道和姿态计算，并向卫星控制器提供卫星自身的轨道、姿态、编队状态信息， 和卫星控制器构成卫星控制闭环。

卫星控制器：基于Linux嵌入式操作系统，运行卫星位置与姿态控制模块，实现卫星编 队控制，通过无线Wifi通讯模块接收仿真主星的编队控制指令，计算出控制信号，并通过串 口传递给对应的仿真从星，实现卫星编队控制回路。

图4所示为仿真与验证平台软件结构示意图，仿真与验证平台的功能是实现微小卫星编 队控制系统从控制器方案设计到离线仿真、实时仿真，最后进行仿真分析的全过程。仿真平 台技术层采用多种技术支撑仿真功能的实现，利用多线程Matlab引擎技术实现对基于 Matlab/Simulink开发的仿真模型以及编队控制软件的支持，同时允许预先进行离线仿真。 利用Matlab针对xPC target提供的RTI驱动程序完成仿真程序向C语言代码的自动转换， 实现实时代码的下载。仿真参数解析技术用于获取C代码程序仿真参数变量与Matlab编写的 仿真参数的对应关系，从而可以实时监控仿真数据信息。利用数据库技术将离线仿真数据与 实时仿真数据均保存到数据库对应的数据表单中。

本发明的用于微小卫星编队系统的仿真验证平台的运行方法，是通过仿真与验证主控平 台启动仿真进程，提供编队任务的初始化条件，构建主从结构的实时仿真环境；仿真主星运 行编队控制软件，通过无线通讯方式发送控制指令到控制器，控制器经过仿真计算通过串口 发送控制信号给仿真从星，仿真从星模拟卫星动力学模型和环境模型，提供卫星的状态信息， 与卫星控制器形成控制闭环，仿真数据回传到仿真与验证主控平台上，通过数据库，进行统 一的管理和分析；

其中，如图5所示，所述的仿真与验证主控平台1的运行方法，是利用Matlab提供的 xPC API函数库编程实现对xPC目标机的控制功能。首先，需要用应用程序注册函数对xPC 应用程序进行注册，建立仿真与验证主控平台与xPC仿真机的通讯连接；然后，将基于Matlab 开发的编队控制软件以及卫星仿真模型加载到相应的xPC仿真机中；对仿真系统进行初始化 设置，启动实时仿真，仿真过程中可以完成编队任务的发布，同时进行仿真监控；判断仿真 是否结束，如果没有则进入仿真监控循环，如果仿真结束则断开仿真与验证主控平台与xPC 仿真机的连接，完成本次仿真过程。仿真完成后，将获得的实时仿真数据保存到数据库中， 供后期分析处理。具体包括如下步骤：

1）建立仿真与验证主控平台与仿真主星和仿真从星的连接，并下载实时仿真程序；

2）初始化设置；

3）启动实时仿真；

4）判断是否发布新任务，是则进入下一步骤，否则进入步骤6）；

5）发布编队任务至仿真主星；

6）进行仿真监控，并判断仿真是否结束，是则进入下一步骤，否则返回步骤4）；

7）断开仿真与验证主控平台与仿真主星和仿真从星的连接；

8）进行仿真数据管理；

图6所示是卫星编队飞行轨迹优化和跟踪控制结构图，对于构型初始化以及构型保持中 的轨迹优化和控制问题，核心思想是将最优控制问题转化为一个非线性规划问题，求解出最 优轨迹，然后采取相应的轨迹跟踪控制策略，生成期望构型并进行构型保持。具体是：首先 建立相应的轨迹优化模型，然后利用Legendre伪谱法对该问题进行离散化处理，转化为非线 性规划问题（NLP），并基于序列二次规划（SQP）对构建的NLP进行求解，获得最优飞行轨迹。 最后采用滑模控制方法对从卫星进行轨迹跟踪控制，形成并保持期望的编队构型。

如图8所示，本发明的卫星控制器4的运行方法具有快速响应、精度高、物理实现简单 等优点，控制器设计可以根据具体任务的需求进行设计。首先接收参考指令和卫星状态量， 按照控制器模型进行计算，将得到的控制指令通过串口程序发送给对应的卫星仿真计算机； 判断仿真是否结束，如果没有，进入循环，否则退出程序。具体包括如下步骤：

1）接收仿真主星的参考指令和仿真从星的状态量；

2）根据所接收的参考指令和状态量采用滑模控制方法进行卫星控制模型运算；（具体运 算是根据不同卫星的控制需求进行不同的运算，请参考Gao Youtao.A new sliding mode  control for satellite formation[C].Proceedingsof the 6^th WSEAS International  Conference on Circuits,Systems,Electronics,Control & Signal Processing(CSECS07), 2007:258-263.(UT ISI:000253218500042)）。

3）根据运算结果发送卫星控制指令至仿真从星；

4）判断仿真是否结束，是则退出，否则返回该卫星控制器4运行方法的步骤1）继续运 行。

本发明涉及的编队控制策略采用主从星的工作模式，主星针对编队任务完成轨迹规划。 首先判断是否有新的编队任务，如果有接收新任务；按照编队任务进行轨迹优化，处理过程 参见图5；计算出的参考指令按照串口方式发送，通过Wifi无线模块传送给卫星控制器；判 断仿真是否结束，如果没有，进入循环，否则退出程序。

具体如图7所示，当仿真与验证主控平台启动实时仿真时，仿真主星运行如下步骤：

1）判断是否从接收串口接收到有新编队的任务，有则接收编队任务，否则进入下一步 骤；

2）根据编队任务采用Legendre伪谱法进行轨迹规划运算；（具体运算是根据不同的卫星 任务需求进行不同的运算，请参考Baolin Wu，Danwei Wang，Guangyan Xu，Nonlinear  Optimization of Low-Thrust Trajectory for Satellite Formation:Legendre  Pseudospectral Approach，JOURNAL OF GUIDANCE,CONTROL,AND DYNAMICS Vol.32,No.4, July–August2009）

3）通过发送串口分别向仿真与验证主控平台和卫星控制器发送仿真主星的参考指令；

4）判断仿真是否结束，是退出，否则返回步骤1）继续运行。

本发明涉及的微小卫星模型为通用的卫星模型，不具备特殊性，可以依据实际仿真对象 进行修改和替换。首先通过串口接收卫星控制器发送的控制指令，按照卫星模型进行仿真计 算，并将得到的卫星状态量输出给系统回路，最后判断仿真是否结束，如果没有，进入循环， 否则退出程序。

具体如图9所示，当仿真与验证主控平台启动实时仿真时，仿真从星运行如下步骤：

1）通过接收串口接收卫星控制器的控制指令；

2）根据控制指令按照卫星的运动学和动力学模型计算出卫星的运动状态；（具体计算是 根据不同的卫星进行不同的计算，请参考Gao Youtao.A new sliding mode control for  satellite formation[C].Proceedings of the 6^th WSEAS International Conference on  Circuits,Systems,Electronics,Control & Signal Processing(CSECS07), 2007:258-263.(UT ISI:000253218500042)）

3）通过发送串口分别向仿真与验证主控平台和卫星控制器发送卫星状态信息；

4）判断仿真是否结束，是则退出，否则返回步骤1）。

本发明设计的串口通讯模型是在Matlab/Simulink环境下，利用xPC Target库中的RS232 子库来驱动的。其中使用到的主要模块有Baseboard Serial F，FIFO bin Read，Pack，Unpack， 串口接收模块通过串口中断进行触发。串口接收程序，首先设置通讯参数，串口读取模块先 判断接收到的中断是否为指定的COM端口中断请求标志，如果是则表示有新数据接收，将数 据写入缓冲区，然后进行数据字头查找，待找到指定的数据字头将数据进行输出。串口发送 程序，首先设置通讯参数，按照通讯需求进行打包，然后即可完成数据发送。具体如下：

如图10所示，所述的接收串口的运行步骤是：

1）设置串口通讯参数；

2）判断串口通讯是否中断，是则进入下一步骤，否则继续判断；

3）判断是否有新数据，是则进入下一步骤，否则返回步骤2）；

4）写入缓冲区；

5）查找数据字头；

6）判断是否找到需要的数据，是则输出数据后退出，否则返回步骤5）。

如图11所示，所述的发送串口的运行步骤是：

1）设置串口通讯参数；

2）数据打包；

3）数据发送后退出。