专利名称：应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置及模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置及模拟方法。
背景技术：
航天器控制系统半物理仿真是研制航天器过程中特有的一种仿真方法，它利用气 浮转台作为运动模拟器并结合部分实物搭建的半物理仿真环境，进行控制系统方案的仿真 验证。单轴气浮转台通过压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成气膜使台面浮于空中，实 现气浮转台台面与台体之间近似无摩擦的相对转动，从而模拟航天器在外层空间所受干 扰力矩很小的力学环境，进而在地面上利用气浮转台台面的转动模拟刚体航天器的姿态运 动。在基于单轴气浮转台的航天器半物理仿真中，为了考验关键部件对航天器控制算 法控制性能的影响，常需要将实物接入到实际控制回路中。这些实物既包括飞轮、陀螺等必 要器件，也包括决定航天器高精度控制不可或缺的星敏感器。目前，受星敏感器工作原理的 限制，地面半物理仿真时多采用星空模拟器配合方法实现对其性能的考核。然而驱动星空 模拟器需要用户提供航天器精确的轨道和姿态信息，这显然有悖于采用星敏感器进行高精 度姿态测量的初衷。因此在地面航天器半物理仿真中，星敏感器无法接入闭环仿真系统中 对算法进行性能考核。

发明内容
本发明是为了解决现有地面航天器半物理仿真中的星敏感器由于无法接入仿真 系统中导致无法对控制算法进行性能考核的问题，从而提出一种应用于单轴气浮台的星敏 感器的简易模拟装置及模拟方法。应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置，它包括光电码盘、转速数字显示 仪和无线通信模块，所述无线通信模块包括无线信号发射单元和无线信号接收单元；所述 光电码盘的转动部分套在单轴气浮台的转轴上并固定，光电码盘的接收部分固定在单轴气 浮台的底座上，所述光电码盘的信号输出端与转速数字显示仪的信号输入端连接；所述转 速数字显示仪的信号输出端与无线信号发射单元的信号输入端连接；无线信号接收单元固 定在单轴气浮台的台面上。基于上述装置的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟方法，它由以下步骤实 现步骤一、采用光电码盘测量单轴气浮台的角速度，获得角速度数据，并将所述角速 度数据传送至转速数字显示仪；步骤二、转速数字显示仪显示步骤一获得的角速度数据，并将所述角速度数据通 过无线信号发射单元发射；步骤三、无线信号接收单元接收步骤二发射的角速度数据，并将所述角速度数据 传送至单片机；
步骤四、仿真计算机计算航天器另外两个轴的角速度数据和轨道信息并传送至单 片机；步骤五、单片机根据步骤三中接收的角速度数据和步骤四接收的航天器另外两个 轴的角速度数据和轨道信息进行计算，获得星敏感器的模拟输出数据。步骤五所述的根据步骤三中接收的角速度数据和步骤四接收的航天器另外两个 轴的角速度数据和轨道信息进行计算，具体步骤是将接收到的角速度数据利用四阶龙格 库塔法进行积分，获得到航天器体坐标系相对于轨道坐标系的姿态四元数Q。b ；步骤三中接收到的气浮台的角速度为一维矢量w。b，与步骤四接收的航天器另外两 个轴的角速度组成航天器三轴的角速度三维矢量w ；航天器上积分时间常数dTime ；航天器初始姿态角速度为W0 ；航天器初始姿态四元数为Qtl ；四元数计算公式为 根据姿态四元数运动学方程表示的函数 计算如下四个系数 K1 = f(Q0, W0) 根据上述获得的四个系数，计算得到姿态四元数Q,Qob =Q0+ ^dTimeiKl + 2K3 + IK3 + K4)仿真计算机向单片机中实时输入的航天器运行轨道信息瞬时轨道六根数，计算 轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qitj ；所述瞬时轨道六根数为升交点赤经Ω，近地点幅角ω，偏心率e，平近点角M，轨 道倾角i ；通过公式 计算 其中f = M + (2e- —e3)sinM + (-e2 -—e4)sin2M +—e3 sin3M + ^-e4 sin4M
44 241296获得的轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qitj即实际星敏感器测量的航天 器姿态，即星敏感器模拟装置的输出数据。无线信号发射单元和无线信号接收单元均采用蓝牙模块实现。转速数字显示仪的信号输出端与无线信号发射单元的信号输入端之间的信号传 输、无线信号接收单元的信号输出端和单片机的信号输入端之间的信号传输均通过RS485 总线实现。有益效果本发明采用光电码盘测量单轴气浮台高精度转动角速度数据，并将所 述角速度数据通过无线信号发射单元发射至单轴气浮台的台面上的无线信号接收单元，然 后采用单片机计算出对应的航天器某个轴的转动角度，通过将单片机接入单轴气浮台的台 面上的仿真系统，从而实现对控制算法进行性能的考核，进而实现星敏感器高精度测量功 能和性能的模拟。本发明具有体积小、延迟时间小、模拟数据真实且精度高等特点。


图1是本发明的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1说明本具体实施方式
，应用于单轴气浮台的星敏感器 的简易模拟装置，它包括光电码盘1、转速数字显示仪2和无线通信模块3，所述无线通信模 块3包括无线信号发射单元31和无线信号接收单元32 ；所述光电码盘1的转动部分套在 单轴气浮台的转轴上并固定，光电码盘1的接收部分固定在单轴气浮台的底座上，所述光 电码盘1的信号输出端与转速数字显示仪2的信号输入端连接；所述转速数字显示仪2的 信号输出端与无线信号发射单元31的信号输入端连接；无线信号接收单元32固定在单轴 气浮台的台面上。光电码盘1的接收部分位于其转动部分的工作面中，保证能够准确接收 到转动部分的光信号。本具体实施方式
中，转速数字显示仪2和无线信号发射单元31均设置在单轴气浮 台的底座上或地面上。本实施方式采用光电码盘1测量单轴气浮台高精度转动角速度数据，并将所述角 速度数据通过无线信号发射单元发射至单轴气浮台的台面上的无线信号接收单元，然后采 用单片机4计算出航天器的姿态四元数并发送给仿真计算机5，从而实现对控制算法进行 性能的考核，进而实现星敏感器高精度测量功能和性能的模拟。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的应用于单轴气浮台的 星敏感器的简易模拟装置的区别在于，它还包括单片机4，单片机4固定在单轴气浮台的台 面上，所述无线信号接收单元32的信号输出端与单片机4的信号输入端连接。
具体实施方式
三、本具体实施方式
与具体实施方式
二所述的应用于单轴气浮台的 星敏感器的简易模拟装置的区别在于，它还包括仿真计算机5，所述仿真计算机5固定在单 轴气浮台的台面上，所述仿真计算机5的信号输入或输出端与单片机4的信号输出或输入端连接。本具体实施方式
中，单片机4通过一个串行接口与无线信号接收单元32的串口连 接，用于接收数据，通过另一串行接口作为模拟器信号输出端，用于与仿真计算机5连接。本实施方式中，单片机4和无线通信模块3的工作电源电压均为+5v，由单轴气浮 转台台面上的仿真系统电源提供。本实施方式具有体积小、延迟时间小、原理简单、研制成本低、模拟数据真实且精 度高的优点。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
三所述的应用于单轴气浮台的 星敏感器的简易模拟装置的区别在于，它还包括RS485总线，所述光电码盘1的信号输出端 与转速数字显示仪2的信号输入端之间、转速数字显示仪2的信号输出端与无线信号发射 单元31的信号输入端之间、无线信号接收单元32的信号输出端和单片机4的信号输入端 之间、仿真计算机5的信号输入或输出端与单片机4的信号输出或输入端之间均通过RS485 总线连接。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
四所述的应用于单轴气浮台的 星敏感器的简易模拟装置的区别在于，无线通信模块3为蓝牙无线通信模块。
具体实施方式
六、本具体实施方式
与具体实施方式
五所述的应用于单轴气浮台的 星敏感器的简易模拟装置的区别在于，光电码盘1的型号为EAS425绝对值光电码盘(上海 精浦机电有限公司)，无线通信模块3的型号为BTS5504C2P(重庆金瓯科技发展有限责任公 司)；单片机4的型号为C8051F040 ；转速数字显示仪2的型号为XJP-48E (上海上自仪转速 表仪表电机有限公司)，仿真计算机5的型号为MSM855(瑞士 Digital-Logic公司)。本实施方式中，光电码盘1的工作电源电压为+IOv直流电，转速数字显示仪2的 工作电源电压为220v交流电，由地面供电电源提供。本实施方式中各器件的型号选取均不是唯一的。
具体实施方式
七、基于具体实施方式
一所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简 易模拟装置的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟方法，它由以下步骤实现步骤一、采用光电码盘1测量单轴气浮台的角速度，获得角速度数据，并将所述角 速度数据传送至转速数字显示仪2 ；步骤二、转速数字显示仪2显示步骤一获得的角速度数据，并将所述角速度数据 通过无线信号发射单元31发射；步骤三、无线信号接收单元32接收步骤二发射的角速度数据，并将所述角速度数 据传送至单片机4 ；步骤四、仿真计算机5计算航天器另外两个轴的角速度数据和轨道信息并传送至 单片机4 ；步骤五、单片机4根据步骤三中接收的角速度数据和步骤四接收的航天器另外两 个轴的角速度数据和轨道信息进行计算，获得星敏感器的模拟输出数据。步骤五所述的根据步骤三中接收的角速度数据和步骤四接收的航天器另外两个 轴的角速度数据和轨道信息进行计算，具体步骤是将接收到的角速度数据利用四阶龙格 库塔法进行积分，获得到航天器体坐标系相对于轨道坐标系的姿态四元数Q。b ；步骤三中接收到的气浮台的角速度为一维矢量w。b，与步骤四接收的航天器另外两个轴的角速度组成航天器三轴的角速度三维矢量w航天器上积分时间常数dTime ；航天器初始姿态角速度为W0 ；航天器初始姿态四元数为Qtl ；四元数计算公式为 根据姿态四元数运动学方程表示的函数 计算如下四个系数K1 = f(Q0, W0) 根据上述获得的四个系数，计算得到姿态四元数Q, 仿真计算机(5)向单片机⑷中实时输入的航天器运行轨道信息瞬时轨道六根 数，计算轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qio ；所述瞬时轨道六根数为升交点赤经Ω，近地点幅角ω，偏心率e，平近点角M，轨 道倾角i ；通过公式 计算
其中 获得的轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qitj即实际星敏感器测量的航天
器姿态，即星敏感器模拟装置的输出数据。无线信号发射单元31和无线信号接收单元32均采用蓝牙模块实现。 转速数字显示仪2的信号输出端与无线信号发射单元31的信号输入端之间的信
号传输、无线信号接收单元32的信号输出端和单片机4的信号输入端之间的信号传输均通过RS485总线实现。获得的轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qitj即实际星敏感器测量的航天 器姿态，即星敏感器模拟装置的输出数据。本实施方式中，蓝牙模块的传输速率设为19200bps，数据发送频率为10Hz。光电 码盘1测量精度为20角秒，因此模拟器的测量精度最高可达20角秒，与目前国际上典型的 星敏感器的指标一致。本实施方式中，单片机4将计算得到的航天器姿态四元数Qitj输出至仿真计算机5， 为仿真计算机5提供姿态信息，进而实现航天器姿态控制系统仿真。
权利要求
应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置，其特征是它包括光电码盘(1)、转速数字显示仪(2)和无线通信模块(3)，所述无线通信模块(3)包括无线信号发射单元(31)和无线信号接收单元(32)；所述光电码盘(1)的转动部分套在单轴气浮台的转轴上并固定，光电码盘(1)的接收部分固定在单轴气浮台的底座上，所述光电码盘(1)的信号输出端与转速数字显示仪(2)的信号输入端连接；所述转速数字显示仪(2)的信号输出端与无线信号发射单元(31)的信号输入端连接；无线信号接收单元(32)固定在单轴气浮台的台面上。
2.根据权利要求1所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置，其特征在于 它还包括单片机(4)，单片机(4)固定在单轴气浮台的台面上，所述无线信号接收单元(32) 的信号输出端与单片机(4)的信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置，其特征在于 它还包括仿真计算机(5)，所述仿真计算机(5)固定在单轴气浮台的台面上，所述仿真计算 机(5)的信号输入或输出端与单片机(4)的信号输出或输入端连接。
4.根据权利要求3所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置，其特征在于 它还包括RS485总线，所述光电码盘(1)的信号输出端与转速数字显示仪(2)的信号输入 端之间、转速数字显示仪(2)的信号输出端与无线信号发射单元(31)的信号输入端之间、 无线信号接收单元(32)的信号输出端和单片机(4)的信号输入端之间、仿真计算机(5)的 信号输入或输出端与单片机(4)的信号输出或输入端之间均通过RS485总线连接。
5.根据权利要求4所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置，其特征在于 无线通信模块(3)为蓝牙无线通信模块。
6.根据权利要求5所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置，其特征在于 光电码盘(1)的型号为EAS425绝对值光电码盘；无线通信模块(3)的型号为BTS5504C2P ； 单片机⑷的型号为C8051F040 ；转速数字显示仪(2)的型号为XJP-48E ；仿真计算机(5) 的型号为MSM855。
7.基于权利要求1所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置的应用于单 轴气浮台的星敏感器的简易模拟方法，其特征是它由以下步骤实现步骤一、采用光电码盘(1)测量单轴气浮台的角速度，获得角速度数据，并将所述角速 度数据传送至转速数字显示仪(2)；步骤二、转速数字显示仪(2)显示步骤一获得的角速度数据，并将所述角速度数据通 过无线信号发射单元(31)发射；步骤三、无线信号接收单元(32)接收步骤二发射的角速度数据，并将所述角速度数据 传送至单片机(4)；步骤四、仿真计算机(5)计算航天器另外两个轴的角速度数据和轨道信息并传送至单 片机(4)；步骤五、单片机(4)根据步骤三中接收的角速度数据和步骤四接收的航天器另外两个 轴的角速度数据和轨道信息进行计算，获得星敏感器的模拟输出数据。
8.根据权利要求7所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟方法，其特征在于 步骤五所述的根据步骤三中接收的角速度数据和步骤四接收的航天器另外两个轴的角速 度数据和轨道信息进行计算，具体步骤是将接收到的角速度数据利用四阶龙格库塔法进行积分，获得到航天器体坐标系相对于轨道坐标系的姿态四元数Q。b ；步骤三中接收到的气浮台的角速度为一维矢量w。b，与步骤四接收的航天器另外两个轴 的角速度组成航天器三轴的角速度三维矢量w ； 航天器上积分时间常数dTime ； 航天器初始姿态角速度为％； 航天器初始姿态四元数为Qtl ；四元数计算公式为 根据姿态四元数运动学方程表示的函数 计算如下四个系数 根据上述获得的四个系数，计算得到姿态四元数Q, 仿真计算机(5)向单片机(4)中实时输入的航天器运行轨道信息瞬时轨道六根数，计 算轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qitj ；所述瞬时轨道六根数为升交点赤经Ω，近地点幅角ω，偏心率e，平近点角Μ，轨道倾 角i ；通过公式 计算 其中 获得的轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qitj即实际星敏感器测量的航天器姿态，即星敏感器模拟装置的输出数据。
9.根据权利要求7所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟方法，其特征在于无线信号发射单元(31)和无线信号接收单元(32)均采用蓝牙模块实现。
10.根据权利要求7所述的应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟方法，其特征在 于转速数字显示仪(2)的信号输出端与无线信号发射单元(31)的信号输入端之间的信号 传输、无线信号接收单元(32)的信号输出端和单片机(4)的信号输入端之间的信号传输均 通过RS485总线实现。
全文摘要
应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置及模拟方法，涉及一种应用于单轴气浮台的星敏感器的简易模拟装置及模拟方法。它解决了现有地面航天器半物理仿真中的星敏感器由于无法接入仿真系统中导致无法对控制算法进行性能考核的问题。其装置光电码盘的转动部分套在单轴气浮台的转轴上并固定，其信号通过无线通信模块发送到单轴气浮台的台面上的单片机中。其方法采用光电码盘测量单轴气浮台的角速度，并将角速度数据通过无线通信模块发送至单轴气浮台台面上的单片机中。本发明适用于单轴气浮台星敏感器的功能模拟。
文档编号G01C25/00GK101929872SQ20101028322
公开日2010年12月29日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者兰盛昌, 张世杰, 曹喜滨, 王峰, 耿云海, 陈雪芹 申请人:哈尔滨工业大学