基于FPGA的卫星姿态控制模块设计与实现

论文摘要

微小卫星是目前航天器发展的一个重要方向。作为现代微小卫星的关键部分,姿态控制系统显得更为重要。姿态控制系统从传统的以通用处理器为基础的软件执行方式,到专用集成电路ASIC为代表的硬件执行方式,在性能和设计周期方面难以平衡。以FPGA为代表的可重构计算技术填补了两者之间的空白。可重构计算将算法在FPGA上实现,可以获得非常高的性能。同时,系统可以根据目标算法的不同,动态的调整硬件,具有更好的灵活性和适应性,获得了越来越广泛的应用。哈工大卫星所的时变计算机项目依据可重构计算技术,需要对卫星的不同控制模式进行硬件设计。本文设计的对象是姿态控制系统的中一个控制模式——对地定向控制模式。设计的目标是完成对地定向控制算法的硬件设计,并在FPGA中实现。设计的内容主要包括基本运算单元和算法功能单元的设计。基本运算单元包括浮点加法器、乘法器,并主要对浮点三角函数的硬件计算进行了设计。算法功能单元用来完成软件部分的算法。由于算法中一些功能函数在不同的模式中是通用的,在设计过程中,注意保留了这些功能函数的独立性,以便在其它的控制算法中可以复用。设计最终通过功能和时序仿真,并在FPGA上正常工作。设计共占用ALU5432个,寄存器1888个,理论上可以工作的最高频率是22.51MHz,硬件部分完成一次运算需要866个时钟周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 微小卫星姿控系统的发展
• 1.2.2 姿态确定算法的发展
• 1.2.3 姿态控制实现方式的发展
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 论文内容安排
• 第2章 姿态控制系统及设计平台
• 2.1 姿态控制系统
• 2.1.1 姿态控制系统整体结构
• 2.1.2 姿态控制模式
• 2.1.3 姿态控制算法
• 2.2 设计平台与流程
• 2.2.1 理想设计平台
• 2.2.2 设计流程
• 2.2.3 实现平台
• 2.3 本章小结
• 第3章 姿态控制模块的设计与分析
• 3.1 姿态控制模块整体结构
• 3.2 数据处理模块的设计
• 3.2.1 数据格式
• 3.2.2 浮点加法器设计
• 3.2.3 浮点乘法器设计
• 3.2.4 浮点三角函数设计
• 3.2.5 四元数运算单元设计
• 3.3 算法功能模块的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 姿态控制模块的验证
• 4.1 验证方式
• 4.2 子模块的验证
• 4.2.1 浮点加法器的验证
• 4.2.2 浮点乘法器的验证
• 4.2.3 三角函数器的验证
• 4.2.4 四元数运算单元的验证
• 4.2.5 轨道四元数模块的验证
• 4.2.6 对地误差控制模块的验证
• 4.2.7 对地定向控制模块的验证
• 4.3 整体设计的验证
• 4.3.1 时序仿真和时序分析
• 4.3.2 FPGA验证
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢