偏置动量卫星故障模拟仿真方法及平台

摘要

本发明公布了一种偏置动量卫星故障模拟仿真平台的仿真方法及平台，所述方法采用故障模拟功能模块，实现动量轮和磁强计的故障模拟。所述平台包括轴系气浮台、地磁模拟器、动量轮、磁强计、故障模拟功能模块、姿态确定与控制器、测角装置和轨道模型。本发明能够在地面实现偏置动量控制方式的小卫星姿态控制系统的故障模拟功能，并能检验姿态控制系统在磁强计和动量轮多种故障情况下姿态控制软件的运行情况和对故障的判断、处理能力，以及姿态控制器的应急处理措施和故障应对策略。

说明书

技术领域

本发明属于航天器可靠性技术中卫星故障模拟的领域。本发明可以用于偏置动量小卫星姿态控制系统部件故障模拟、控制对部件故障的应急处理、姿态控制系统方案的可行性论证以及姿态控制软件的可靠性验证。

背景技术

故障模拟和故障注入是卫星研制中的一个重要环节，也是开展卫星可靠性验证的重要手段。姿态控制系统方案研制过程中，针对部件可能发生的各种故障情况开展故障分析和应对策略，但是这些分析是否合理，故障应对策略是否切实可行，需要在地面开展多种试验反复验证设计方案的可行性。故障模拟和故障注入则提供了一种用于方案验证的有效手段。

故障模拟和故障注入是一种测评容错机制的有效试验方法，它通过有意识地向系统中引入故障来加速测评容错机制的试验过程。目前针对卫星姿态控制系统的故障模拟和故障注入的研究，在姿态控制系统数字仿真平台的基础上，采用软件方法实现的故障注入和故障模拟技术。但基于软件故障模拟和故障注入方法，无法接入物理部件，不能实现姿态控制闭环回路中部件发生故障情况下系统电性能接口特性、故障应急反应能力、各功能模块协调性的功能验证。而直接基于硬件的故障模拟和故障注入方法，会对部件造成物理破坏，这对昂贵的航天器设备来说是不可取的。本专利结合软件和硬件故障注入方法，将故障模拟信号从传感器激励源端引入，同时将动量轮接入精密单轴空气转台，模拟卫星动力学特性，此方案在不造成部件物理损失的情况下，实现了偏置动量控制卫星姿态控制系统可靠性验证的半物理仿真功能。

通过磁强计和动量轮故障注入的研究对小卫星姿态控制系统容错机制以及故障处理对策的设计和应用起到了重要作用，它可以加速系统部件的失效，并分析系统对故障的反应，为偏置动量控制方式姿态控制系统在地面开展故障应急处理的可行性验证和部件故障模拟措施、星载容错控制技术的可行性验证提供了手段。

发明内容

技术问题

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种偏置动量卫星故障模拟仿真平台的仿真方法及平台。

技术方案

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明偏置动量卫星故障模拟仿真平台的仿真方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将轴系气浮台置于初始运行状态；

2)在故障模拟功能模块中，设定拟模拟的部件故障类型；

3)采用测角装置获取轴系气浮台初始角度、角速度信息即姿态信息，并发送到轨道模型中；

4)采用轨道模型根据小卫星当前运行轨道信息和接收到的姿态信息，解算出小卫星在当前轨道和当前姿态条件下的磁强计安装轴下的磁场强度信息，并生成地磁模拟器指令信息，输出到故障模拟功能模块；

5)故障模拟模块根据步骤2)设定的磁强计故障类型，对采集的地磁模拟器指令信息进行预定的数字信号处理，并将结果输出到地磁模拟器；

6)磁强计敏感地磁模拟器内的磁场强度信息，输出到姿态确定与控制器；

7)姿态确定与控制器根据磁强计敏感到的安装轴下的磁场强度信息，采用姿态确定算法得到当前小卫星的姿态信息，并根据给定的姿态控制算法，将控制结果输出到动量轮故障模拟功能模块；

8)动量轮故障模拟模块根据设定动量轮故障情况，将动量轮指令信号进行处理，并输出到动量轮；

9)动量轮接收指令信号，输出控制力矩作用到轴系气浮台；重复上述步骤2)-9)。

优选地，磁强计故障模拟的方法如下：将故障模拟功能模块中的磁强计故障模拟模块注入到地磁模拟器，由地磁模拟器产生故障的磁场强度信号，实现磁强计故障模拟。

优选地，动量轮故障模拟的方法如下：故障模拟功能模块中的动量轮故障模拟模块截取控制指令信号，并根据需模拟的执行机构故障类型，对控制指令进行信号处理，输出到动量轮，实现动量轮故障模拟。

偏置动量卫星故障模拟仿真平台，包括：轴系气浮台、地磁模拟器、动量轮、磁强计、故障模拟功能模块、姿态确定与控制器、测角装置和轨道模型，其中磁强计置于地磁模拟器中心工作区域，动量轮置于轴系气浮台上，地磁模拟器的输出端依次串接磁强计、姿态确定与控制器后接故障模拟功能模块的输入端，动量轮的输出端依次串接轴系气浮台、测角装置、轨道模型后接故障模拟功能模块的输入端，故障模拟功能模块的输出端分别接地磁模拟器和动量轮的输入端。

优选地，所述故障模拟功能模块包括动量轮故障模拟模块和磁强计故障模拟模块，其中动量轮故障模拟模块的输入端接姿态确定与控制器的输出端，动量轮故障模拟模块的输出端接动量轮的输入端，磁强计故障模拟模块的输入端接轨道模型的输出端，磁强计故障模拟模块的输出端接地磁模拟器的输入端。

有益效果

1.本发明在精密轴系气浮转台和地磁模拟器的基础上，设计了磁强计和动量轮故障模拟半物理仿真平台，本平台能够在地面实现偏置动量控制方式的小卫星姿态控制系统的故障模拟功能，并能检验姿态控制系统在磁强计和动量轮多种故障情况下姿态控制软件的运行情况和对故障的判断、处理能力，以及姿态控制器的应急处理措施和故障应对策略。

2.本发明采用将故障信号注入到地磁模拟器，由地磁模拟器产生故障的磁场强度信号，实现传感器故障模拟。采用这种方法，可以在不对磁强计造成物理破坏的条件下，实现故障模拟功能。

3.本发明可完整实现偏置角动量控制方式下微小卫星的故障模拟功能和姿态控制方案的可行性验证功能。偏置角动量控制方式下，俯仰通道可以解耦，故精密轴系气浮转台可以模拟微小卫星的俯仰轴动力学特性，并验证基于偏置动量轮的控制方案。

附图说明

图1：本发明平台结构图。

图2：本发明实施例结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明偏置动量卫星故障模拟仿真平台，磁强计故障模拟的方法如下：将故障模拟功能模块注入到地磁模拟器，由地磁模拟器产生故障的磁场强度信号，实现传感器故障模拟；动量轮故障模拟的方式是：故障模拟功能模块截取控制指令信号，并根据需模拟的执行机构故障类型，对控制指令进行信号处理，输出到动量轮，实现执行机构多种故障模拟。该仿真平台硬件组成包括：精密轴系气浮转台、地磁模拟器、动量轮、磁强计、故障模拟功能模块、姿态确定与控制器、测角装置，其中磁强计置于磁模拟器中心工作区域，动量轮置于精密轴系气浮转台上。

一、平台组成

(1)轨道模型

轨道模型根据当前轨道信息和姿态信息，解算出卫星在飞行轨道上某一姿态状态下的磁强计安装坐标系下的地球磁场强度，并生成指令输出到地磁模拟器。

(2)地磁模拟器

地磁模拟器根据输入的指令，产生目标地磁场。

(3)精密轴系气浮转台

对于偏置角动量控制方式的小卫星姿态控制系统，俯仰轴与其它两个轴解耦，故可以单独采用偏置动量轮来实现俯仰轴的姿态控制。精密轴系气浮转台用于模拟偏置角动量控制方式下的小卫星俯仰轴动力学特性。

(4)磁强计和动量轮

磁强计作为姿态测量部件，敏感地磁模拟器产生的当前轨道下的磁场强度信号，并将此信号输出到姿态控制器；动量轮作为偏置角动量控制方式小卫星的重要执行机构，接收控制指令，输出控制力矩作用于精密轴系气浮转台，实现小卫星姿态控制。

(5)姿态确定与控制器

姿态确定与控制器包括两方面内容：姿态确定和姿态控制。本专利中采用磁强计实现姿态确定，根据磁强计敏感到的当前磁场信息，与飞行轨道标称状态下的磁场强度比较，可以获取小卫星姿态信息。姿态控制器根据姿态信息，采用控制律计算得到执行机构控制指令并输出。

(6)故障模拟功能模块

故障模拟模块根据当前需要模拟的故障类型，对输入信号进行处理，输出故障模拟信号，实现设定故障的模拟。本专利中故障模拟功能模块包括磁强计故障模拟和动量轮故障模拟两部分。

二、如图2所示，以偏置角动量控制方式的某微小卫星姿态控制系统组成为例，传感器采用磁强计，执行机构采用偏置动量轮，采用该平台来模拟动量轮停转故障来说明本发明的工作步骤。

下面取动量轮发生停转故障为例来说明本发明详细实施步骤。

1.给各工作模块加电，并启动各模块运行程序；

2.将精密轴系气浮转台(1)置于某一初始运行状态；

3.在执行机构故障模拟(8)功能模块中，设定模拟故障类型为：动量轮(4)停转故障；

4.测角装置(2)获取精密轴系气浮转台(4)初始角度、角速度信息，发送到轨道模型(3)功能模块；

5.轨道模型(3)功能模块根据小卫星当前运行轨道信息和接收到的姿态信息，解算出小卫星在当前轨道和当前姿态条件下的磁强计(6)安装轴下的磁场强度信息，并生成地磁模拟器(5)指令信息，输出到传感器故障模拟模块(4)；

6.由于当前磁强计(6)无模拟故障，故地磁模拟器(5)指令信号无需经过特殊处理，磁强计(6)故障模拟功能模块直接将输入的地磁模拟器(5)指令信号输出到并将结果输出到地磁模拟器(5)；

7.磁强计(6)敏感地磁模拟器(5)内的磁场强度信息，输出到姿态确定与控制器(7)；

8.姿态确定与控制器(7)根据磁强计敏感到的安装轴下的磁场强度信息，采用姿态确定算法得到当前小卫星的姿态信息，并根据给定的姿态控制算法，将控制结果输出到动量轮故障模拟(8)功能模块；

9.动量轮故障模拟(8)功能模块根据设定的动量轮(9)停转故障模拟要求，将动量轮(9)指令信号进行处理，输出0指令电压给动量轮(9)。

10.动量轮(9)接收到指令信号，输出控制力矩作用到气浮台(1)。重复上述3-10。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。