航天器控制系统通用仿真技术研究

论文摘要

为了提高航天器的设计水平并满足航天器的研制需求,迫切需要研究先进的航天器研发技术。本论文所研究的航天器控制系统通用仿真技术可以解决航天器方案仿真中的仿真模型复用问题。仿真模型复用即仿真模型对不同设计方案通用,不受设计方案构型、配置和规模的限制,因此大大提高了航天器的设计效率,加速了设计方案的实现。在理论上,为了保证本文所论述仿真技术对不同航天器设计方案的通用性,论文在研究过程中对目前三轴稳定航天器控制系统进行了大量的分析,分析工作涵盖了以对地观测卫星为代表的近地轨道航天器、以同步通讯卫星为代表的高轨道航天器、以月球探测卫星为代表的深空探测航天器、以及以载人飞船、空间试验室为代表的载人航天器等多类控制系统。对以上各类航天器控制系统的姿态敏感器、执行机构、系统工作模式,以及不同工作模式下的姿态确定算法以及控制律算法等等进行了深入研究。正是这样充分、广泛、大量、深入的分析研究工作在理论上保证了本文所论述仿真技术对不同航天器设计方案的通用性。在技术上,为了实现本文所论述仿真技术对不同航天器设计方案的通用性,论文采用的建模方法是在建立航天器控制系统某一设备或算法的数学模型时首先将模型中算法定义与设计参数进行分离,仅对其数学原理进行数学抽象和运算描述。开发仿真模型时依据数学模型的思想,延用类和对象的实现方法:即将数学模型中的设计参数作为仿真模型的外部参数,在仿真模型中仅定义基于设计参数的操作。可见数学模型的设计参数与仿真模型的外部参数相对应;数学模型的算法定义与仿真模型的操作相对应。在前述对航天器控制系统广泛深入的分析研究工作基础上,采用该建模方法建立了航天器控制系统全部数学模型,并开发了仿真模型,形成了航天器控制系统仿真模型库。航天器控制系统仿真模型库中包括大量的仿真模型,其中任一仿真模型可通过确定外部设计参数生成与之对应的对象模型。以此类推,根据某一控制系统设计方案可生成一组与之相关的对象模型,这一组相互关联输入输出关系的对象模型便组成了与该控制系统设计方案相符的仿真试验,这样就使得仿真试验能够适用于不同的航天器控制系统设计方案,实现了本文所论述仿真技术对不同航天器设计方案的通用性。仿真试验实时运行在一个典型的分布交互式协同仿真环境中,其中运用了实时操作系统、实时网络、仿真调度管理系统、数据同步控制、仿真资源数据库等关键技术,本文都做了深入研究。论文通过地球同步高轨道卫星及近地轨道卫星的仿真试验验证了航天器控制系统通用仿真技术方案的可行性、合理性,并对仿真试验结果进行了分析验证,验证了航天器控制系统通用仿真技术的通用性和可靠性。目前控制系统通用仿真技术已经能够适用于普通三轴稳定航天器控制系统的全飞行程序的仿真。本论文的部分研究成果已经在相关项目中得到工程应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 论文背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本论文研究内容
• 第二章 航天器控制系统概述
• 2.1 航天器控制系统任务
• 2.2 航天器控制系统类型
• 2.2.1 航天器被动控制系统
• 2.2.2 航天器主动控制系统
• 2.3 航天器控制系统组成
• 2.4 控制系统的运行模式
• 2.5 本章小结
• 第三章 控制系统通用仿真平台设计与关键技术
• 3.1 通用仿真技术需求分析
• 3.1.1 通用仿真特征
• 3.1.2 技术应用范围
• 3.1.3 仿真系统功能
• 3.1.4 仿真技术要求
• 3.2 通用仿真系统设计思想
• 3.3 仿真模型复用技术研究
• 3.3.1 模型复用技术
• 3.3.2 建模方法研究
• 3.3.3 模型设计规范
• 3.4 实时仿真环境技术研究
• 3.4.1 实时操作系统
• 3.4.2 实时网络环境
• 3.4.3 网络通讯协议
• 3.5 数据同步控制技术研究
• 3.5.1 调度管理软件
• 3.5.2 仿真同步机制
• 3.5.3 仿真节点控制
• 3.6 数据资源管理技术研究
• 3.6.1 仿真数据库设计
• 3.6.2 数据库层次结构
• 3.6.3 相关数据表定义
• 3.7 仿真系统验证技术研究
• 3.8 通用仿真平台系统集成
• 3.9 控制系统设计参数选取
• 3.10 本章小结
• 第四章 控制系统数学模型建立
• 4.1 姿态敏感器数学模型
• 4.1.1 太阳敏感器数学模型
• 4.1.2 地球敏感器数学模型
• 4.1.3 星敏感器数学模型
• 4.1.4 速率陀螺数学模型
• 4.1.5 加速度计数学模型
• 4.2 执行机构数学模型
• 4.2.1 动量轮数学模型
• 4.2.2 力矩陀螺数学模型
• 4.2.3 磁力矩器数学模型
• 4.2.4 燃料储箱数学模型
• 4.2.5 电磁阀门数学模型
• 4.2.6 推力器数学模型
• 4.3 姿态确定算法数学模型
• 4.3.1 地敏+陀螺姿态确定
• 4.3.2 太敏+地敏+陀螺姿态确定
• 4.3.3 星敏+陀螺姿态确定
• 4.3.4 陀螺姿态确定
• 4.4 姿态控制律数学模型
• 4.4.1 速率阻尼控制律
• 4.4.2 姿态捕获控制律
• 4.4.3 喷气相平面控制律
• 4.4.4 正常运行控制律
• 4.4.5 轮控卸载控制律
• 4.5 模式管理数学模型
• 4.6 轨道预估数学模型
• 4.7 空间环境数学模型
• 4.8 本章小结
• 第五章 控制系统仿真模型开发
• 5.1 姿态敏感器仿真模型
• 5.1.1 太阳敏感器仿真模型
• 5.1.2 地球敏感器仿真模型
• 5.1.3 星敏感器仿真模型
• 5.1.4 速率陀螺仿真模型
• 5.1.5 加速度计仿真模型
• 5.2 执行机构仿真模型
• 5.2.1 动量轮仿真模型
• 5.2.2 力矩陀螺仿真模型
• 5.2.3 磁力矩器仿真模型
• 5.2.4 燃料储箱仿真模型
• 5.2.5 电磁阀门仿真模型
• 5.2.6 推力器仿真模型
• 5.3 姿态确定算法仿真模型
• 5.3.1 地敏+陀螺姿态确定
• 5.3.2 太敏+地敏+陀螺姿态确定
• 5.3.3 星敏+陀螺姿态确定
• 5.3.4 陀螺姿态确定
• 5.4 姿态控制律仿真模型
• 5.4.1 速率阻尼控制律
• 5.4.2 姿态捕获控制律
• 5.4.3 喷气相平面控制律
• 5.4.4 正常运行控制律
• 5.4.5 轮控卸载控制律
• 5.5 模式管理仿真模型
• 5.6 轨道预估仿真模型
• 5.7 空间环境仿真模型
• 5.8 本章小结
• 第六章 仿真系统应用试验
• 6.1 高轨卫星控制系统仿真试验
• 6.1.1 仿真试验输入条件
• 6.1.2 仿真试验运行结果
• 6.2 低轨卫星控制系统仿真试验
• 6.2.1 仿真试验输入条件
• 6.2.2 仿真试验运行结果
• 6.3 仿真试验结果验证
• 6.3.1 仿真试验验证方法
• 6.3.2 仿真试验验证结果
• 6.3.3 仿真试验验证结论
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果论文