卫星姿态控制动态模拟技术PDF电子书下载

第1章　卫星动态模拟器介绍 1

1.1　卫星动态模拟器概念 1

1.2　卫星动态模拟器发展历程 1

1.2.1　服务于卫星操作员培训的动态模拟器 2

1.2.2　与真实部件连接的动态模拟器 2

1.2.3　与卫星研制同步的动态模拟器 2

1.2.4　普及且具有人性化演示操作界面的动态模拟器 3

1.3　动态模拟器工作原理 3

1.3.1　飞行动力学模拟 3

1.3.2　部件的电信接口模拟 3

1.3.3　敏感器飞行工况性能测试 3

1.3.4　执行机构飞行工况性能测试 4

1.3.5　可维护性与可扩展性 4

1.4　动态模拟器组成 4

1.4.1　卫星姿态控制系统模拟器 4

1.4.2　飞行环境与运动模拟器 4

1.4.3　卫星基础子系统模拟器 5

1.4.4　运行监测与管理系统 6

1.5　动态模拟器结构与工作模式分析 6

1.5.1　单机非实时确定性执行逻辑全数字仿真 6

1.5.2　全数字分布式实时仿真 7

1.5.3　电信接口分布式实时仿真 7

1.5.4　基于转台的硬件在回路分布式实时仿真 10

1.6　动态模拟器的仿真模型 11

1.6.1　原理模型 11

1.6.2　电信接口模型 12

1.6.3　误差模型 12

1.6.4　失效模型 12

1.7　动态模拟器应用场景 13

1.7.1　方案可行性论证 13

1.7.2　方案演示验证 14

1.7.3　系统性能分析 14

1.7.4　产品测试与验收 14

1.7.5　操作人员培训与演练 15

1.7.6　故障重现与分析 15

1.8　动态模拟器相关知识 16

1.8.1　动态模拟器科学知识 16

1.8.2　动态模拟器技术知识 16

1.8.3　动态模拟器工程知识 17

第2章　动态模拟器研制工具与方法 18

2.1　动态模拟器耦合性分析方法 18

2.2　动态模拟器系统层次分解 19

2.2.1　仿真运行平台分类及应用 19

2.2.2　应用软件的层次结构 20

2.3　实时分布式仿真的同步技术 21

2.3.1　分布式仿真的时间分辨率 21

2.3.2　动态模拟器的数据计算能力与传输能力需求 22

2.3.3　数据传输总线 23

2.3.4　计算机的数据计算与通讯能力 25

2.3.5　嵌入式系统数据计算与通讯能力 26

2.3.6　同步技术与方式 27

2.3.7　动态模拟器不同工作模式下的时间分辨率 28

2.4　开发研制工具及开发平台 29

2.4.1　开发研制工具及开发平台要求 29

2.4.2　常用的仪器和设备 29

2.4.3　嵌入式系统开发板 33

2.4.4　电路板研制工具 38

2.4.5　软件集成开发工具 41

2.4.6　Visual SourceSafe源代码共享工具 46

2.5　跨平台源代码级移植技术 48

2.5.1　代码移植所涉及的专业人员 48

2.5.2　一致的任务处理流程 48

2.5.3　一致的系统接口函数 50

2.5.4　一致的编程风格 54

2.6　系统测试验证流程 57

2.6.1　运行平台的测试验证 57

2.6.2　数学模型的正确性检测 59

2.6.3　分布式运行正确性检测 59

2.6.4　电信接口一致性检测 60

2.6.5　转台控制与测量精度检测 62

第3章　部件运行平台研制 64

3.1　系统接口函数定义 64

3.1.1　CAN接口函数 64

3.1.2　1553B接口函数 64

3.1.3 串口UART接口函数 66

3.1.4　数模转换AD/DA接口函数 66

3.1.5　数字通道DI/DO接口函数 66

3.1.6 占空比PWM接口函数 67

3.1.7　串行移位主动发送数据接口函数 67

3.1.8　串行移位被动发送数据接口函数 67

3.1.9　通用RTI接口 68

3.2　Windows应用程序开发与调试 70

3.2.1　线程和信号处理 70

3.2.2　定时器模拟程序 72

3.2.3　CAN卡设备驱动程序 73

3.2.4　反射内存网设备驱动程序 75

3.2.5　PC104-1553B卡设备驱动程序 78

3.2.6　PCI-1553B卡设备驱动程序 80

3.2.7　数模转换设备驱动程序 84

3.2.8　计数器设备驱动程序 85

3.2.9　UDP输入输出 85

3.3　VxWorks应用程序开发与调试 87

3.3.1　任务和信号处理 87

3.3.2　定时器模拟程序 88

3.3.3　串口设备驱动程序 89

3.3.4　CAN卡设备驱动程序 90

3.3.5　反射内存卡设备驱动程序 93

3.3.6　PC104-1553B卡设备驱动程序 94

3.3.7　PCI-1553B卡设备驱动程序 96

3.3.8　数模转换设备驱动程序 96

3.3.9　计数器设备驱动程序 97

3.3.10　UDP输入输出 98

3.4　模拟传输接口 98

3.4.1 内存映射文件模拟反射内存网 98

3.4.2 UDP模拟串口 101

3.4.3 UDP模拟CAN总线 101

3.4.4　UDP模拟1553B总线 102

3.4.5　UDP模拟串行移位 103

3.4.6 UDP模拟RTI接口 104

3.4.7　RTI模拟串口 106

3.4.8　RTI模拟CAN总线 106

3.4.9　RTI模拟1553B总线 107

3.4.10　RTI模拟串行移位接口 108

3.5　工控机硬件平台 109

3.5.1　工控机的打开与关闭 109

3.5.2　扩展板卡 109

3.5.3　电压调整电路 111

3.6　F51芯片单板机平台 112

3.6.1　F51芯片简介 112

3.6.2　工作原理 113

3.6.3　PCB板研制 114

3.6.4　串口驱动函数开发 117

3.6.5　CAN总线驱动函数 118

3.6.6　定时器驱动函数 118

3.6.7　AD/DA驱动函数 119

3.6.8　串行移位接口驱动函数 119

3.7　ARM7单板机平台 120

3.7.1　平台总体设计 120

3.7.2　CPU工作电路设计 121

3.7.3　总线接口设计 125

3.7.4　数字量接口设计 127

3.7.5　PCB板研制 129

3.7.6　初始化函数 133

3.7.7　CAN驱动函数 134

3.7.8　串口通信驱动函数 136

3.7.9　数字量输入输出驱动函数 137

3.7.10　PWM驱动函数 139

3.7.11　AD/DA软件接口 140

3.8　SPARC芯片单板机平台 144

3.8.1　硬件平台总体设计 144

3.8.2　CPU芯片核心工作电路设计 145

3.8.3　部扩展存储器 146

3.8.4　下载与调试口设计 150

3.8.5　供电电路设计 150

3.8.6 PCB板研制 150

3.8.7　系统函数开发 152

3.9　单板机标准外扩接口 153

3.9.1　外扩422接口 153

3.9.2　外扩CAN接口 155

3.9.3　外扩1553B接口 158

3.9.4　数字信号电压调整电路 162

3.9.5　12位AD与10位DA转换电路 163

3.9.6 16位AD/DA转换电路 166

3.10 FPGA同步设备 171

3.11　集群嵌入式板卡监测配置管理 176

3.11.1　监测配置系统结构 176

3.11.2　监测配置卡的硬件设计 177

3.11.3　监测配置箱的硬件设计 179

3.11.4　监测配置系统的软件协议 181

3.12　运动控制卡编程 183

3.13　运动学转台 192

3.13.1　单自由度转台 192

3.13.2　二自由度转台 195

3.13.3　三自由度平动台 198

3.14　动力学转台 201

3.14.1　单自由度气浮转台 201

3.14.2　三自由度气浮台 201

第4章　星载计算机模拟器数学模型 203

4.1　数学层模块 203

4.1.1　矢量点积计算模块 203

4.1.2　矢量叉积计算模块 203

4.1.3　矢量模计算模块 203

4.1.4　矩阵相乘计算模块 204

4.1.5　矩阵转置计算模块 204

4.1.6　矩阵转置后相乘计算模块 204

4.1.7　欧拉角求坐标转换矩阵模块 204

4.1.8　坐标转换矩阵求欧拉角模块 205

4.1.9　工程数据转至生数据模块 205

4.1.10　生数据转至工程数据模块 205

4.1.11　符号函数模块 206

4.1.12　限幅函数模块 206

4.2　力学层模块 206

4.2.1　惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵计算模块 206

4.2.2　轨道角速度计算模块 207

4.2.3　双矢量定姿算法 207

4.2.4　天体位置计算 208

4.2.5　地磁场计算 209

4.3　通用算法层模块 210

4.3.1　注入轨道参数推算 211

4.3.2　角速度积分计算姿态角模块 212

4.3.3　地球敏感器太阳敏感器联合确定偏航角模块 213

4.3.4　滚动俯仰轴陀螺漂移标定模块 214

4.3.5　偏航轴陀螺漂移标定模块 214

4.3.6　推力器继电器型控制算法 215

4.3.7　推力器相平面控制算法 216

4.3.8　反作用轮控制算法 219

4.4　布局相关算法层模块 219

4.4.1　推力器点火逻辑算法 219

4.4.2　金字塔构型反作用轮控制逻辑算法 220

4.5　飞行控制模式实体 221

4.5.1　太阳捕获 222

4.5.2　地球捕获 223

4.5.3　正常对地定向模式 225

4.5.4　位置保持 227

第5章　部件模拟器 229

5.1　部件模拟器种类 229

5.1.1　原理一致模拟器 229

5.1.2　电信号一致模拟器 230

5.2　设备组与接插件 231

5.2.1　陀螺 231

5.2.2　太阳敏感器 233

5.2.3　地球敏感器 235

5.2.4　推力器 238

5.2.5　反作用轮 241

5.2.6　磁力矩器 244

5.2.7　太阳帆板 246

5.3　陀螺模拟器 250

5.3.1　原理模型 250

5.3.2　电信接口模型 250

5.3.3　误差模型 251

5.3.4　失效模型 251

5.3.5　数据处理流程 252

5.3.6　F51单板机实现 252

5.4　太阳敏感器模拟器 252

5.4.1　原理模型 253

5.4.2　电信接口 253

5.4.3　误差模型 254

5.4.4　失效模型 254

5.4.5　数据处理流程 255

5.4.6　F51单板机实现 255

5.5　地球敏感器模拟器 256

5.5.1　原理模型 256

5.5.2　电信接口 256

5.5.3　误差模型 257

5.5.4　失效模型 257

5.5.5　数据处理流程 258

5.5.6　F51单板机实现 258

5.6　推力器模拟器 259

5.6.1　原理模型 259

5.6.2　电信接口 259

5.6.3　误差模型 259

5.6.4　失效模型 260

5.6.5　数据处理流程 260

5.6.6　F51单板机实现 260

5.7　反作用轮模拟器 261

5.7.1　原理模型 261

5.7.2　电信接口 262

5.7.3　误差模型 262

5.7.4　失效模型 263

5.7.5　数据处理流程 263

5.7.6　F51单板机实现 263

5.8　磁力矩器模拟器 264

5.8.1　原理模型 265

5.8.2　电信接口 265

5.8.3　误差模型 265

5.8.4　失效模型 265

5.8.5　数据处理流程 265

5.8.6　F51单板机实现 266

5.9　帆板驱动机构模拟器 266

5.9.1　原理模型 266

5.9.2　电信接口 267

5.9.3　误差模型 267

5.9.4　失效模型 268

5.9.5　F51单板机实现 268

5.10　遥测遥控子系统模拟器 269

5.10.1　工作原理 269

5.10.2　单板机实现 269

5.11　供电子系统模拟器 272

5.11.1　工作原理 272

5.11.2　电信接口 272

5.11.3　采购部件 272

第6章　卫星动力学模型与计算方法 275

6.1　坐标系与坐标转换 275

6.1.1　坐标系的定义 275

6.1.2　惯性坐标系到地理坐标系的转换矩阵 275

6.1.3　惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵 276

6.1.4　惯性坐标系到本体坐标系的转换矩阵 276

6.1.5　惯性坐标系到当地水平坐标系的转换矩阵 276

6.1.6　气流坐标系到本体坐标系的转换矩阵 277

6.2　卫星轨道描述及变换 277

6.2.1　卫星轨道描述 277

6.2.2　直角坐标分量转为轨道根数 278

6.2.3　直角坐标分量转为退化的轨道根数 279

6.2.4　轨道根数转为直角坐标 280

6.2.5　退化的轨道根数转为直角坐标 281

6.2.6　直角坐标分量到地理坐标分量 281

6.2.7　地理坐标分量到直角坐标分量 282

6.3　卫星姿态描述及变换 283

6.3.1　卫星姿态描述 283

6.3.2　欧拉角与坐标转换矩阵的转换 284

6.3.3　四元数与坐标转换矩阵的转换 284

6.3.4　欧拉角与四元数的转换 286

6.4　时间和历法 286

6.4.1　世界时 286

6.4.2　原子时和力学时 286

6.4.3　力学时与世界时的转换 287

6.4.4　北京时间与世界时的转换 287

6.4.5　公历和儒略日 287

6.4.6　由公历求儒略日 287

6.4.7　由儒略日求公历 288

6.4.8　标准历元起儒略世纪数的计算 288

6.5　地球相关模型 289

6.5.1　格林尼治赤经 289

6.5.2　引力计算 289

6.5.3　磁场计算 291

6.5.4　大气密度计算 294

6.6　天体位置计算 296

6.6.1　太阳位置近似公式计算 296

6.6.2　月球位置近似公式计算 296

6.6.3　JPL星历表插值计算 297

6.7　卫星轨道与姿态运动 301

6.7.1　轨道动力学方程 301

6.7.2　姿态动力学方程 301

6.7.3　力和力矩的计算 304

6.7.4　微分方程组数值解法 305

6.8　测试与验证 307

6.8.1　二体轨道检测微分方程解算精度 307

6.8.2　静止卫星 308

6.8.3　动量矩守恒 309

6.8.4　重力梯度稳定 310

6.8.5　气动力矩稳定 311

6.8.6　仿真环境的计算结果与天文年历的比对 313

6.8.7　与STK的对比 315

第7章　运行监测与管理系统 317

7.1　数据归档分析程序 317

7.1.1　数据表 317

7.1.2　数据视图 320

7.1.3　数据曲线 322

7.2　遥测解码程序 325

7.2.1　遥测数据表 325

7.2.2　遥测数据视图 326

7.2.3　内存数据库 328

7.2.4　遥测数据处理流程 331

7.3　自然人机交互界面技术 333

7.3.1　遥控指令生成程序 333

7.3.2　基于OSG的三维显示系统 334

7.3.3　基于LabVIEW的二维监视系统 340

7.3.4　数据手套控制命令输入 344

7.3.5　有限词汇语音识别控制命令输入 346

参考文献 349