基于PC104的小卫星半物理仿真验证平台

1 引言

建立一套完整的卫星控制系统来适应卫星系统对动态信息调整的需求有很重要的意义，该系统应具有快速且准确地反应卫星当前姿态信息的功能，及时将信息发送给卫星系统，使得卫星系统迅速做出相应的调整。

卫星姿态控制系统是一卫星控制系统中的一个重要部分，可以掌握卫星的实时姿态信息，并且可以自己找到适合的办法进行姿态调整，达到预计要求。建立一个可靠和实时的姿控系统是卫星系统能正常运行的关键，不过由于卫星整体系统造价高，不方便调试等缺陷，因而本文提出应用半物理仿真系统替代全物理系统。

卫星研究过程中具有投入高、风险高的特殊性，决定了卫星从可行性论证到正样设计的研制过程中必然要经历各式各样的仿真试验[1，2]。其中，卫星姿控系统的半物理仿真设计对于卫星的研制具有重要作用。在控制系统半物理仿真中为提高可靠度，需要将卫星控制系统的核心星载计算机接入半物理仿真回路。先进的xPC实时仿真系统为快速低成本地模拟在地面搭建星载计算机外部实时工作环境提供了一种快速原型化的途径。xPC Target是基于MATLAB/Simuink在实时环境下的开发及测试的工具箱，实现了和MATLAB/Simuink/RTW的无缝连接，在当前半物理系统中得到了广泛的应用[4，5]。

本文针对小卫星姿控系统的半物理仿真平台进行设计，利用单轴气浮转台、反作用飞轮、PC104板卡、MATLAB/Simuink xPC Target实时工具等软件，建立了小卫星半物理实时仿真系统。

2 xPC Target实时仿真环境

xPC实仿真机采用研华PC104板卡及串口卡数据采集卡。该套板卡由CAN卡、主机卡、串口卡、数据采集卡四张板卡组成[6，7]，具有体积小、实时性高接口丰富等特点。

xPC Target系统在美国日本以应用在机器人、航空航天、导弹及工业控制领域，但在国内应用的还不是很多，有些应用也只是停留在初使阶段。如利用xPC Target构造中空液压马达司服实时控制系统，实现了数据的下载、采集，完成了模型参数的实时调整，生成了马达转动角位移的运动曲线图。利用xPC Target平台提供了一种用于数据记录机制，将实时任务在运行过程中的有关数据保存为磁盘文件以便今后进行离线分析。应用xPC Target环境建立一个基于卫星自主智能控制技术的三轴稳定卫星姿态控制硬件在回路仿真系统。以上的应用主要是两个部分，一个是主要应用快速原型设计，另一个是xPC Target Embeded Option主要用于构建嵌入式实时系统。西北工业大学已成功将这一技术运用于无人机的研制与开发。当前这项技术凭借其自身的优越性，已受到越来越多的关注，有越来越多的科研、技术人员投身其中。在将来基于MATLAB/xPC Target的快速原型设计技术必将在控制、制导与导航，射频仿真系统，汽车电子等领域有着广阔的发展前景。 xPC Target是一种方便灵活的快速原型开发设计技术。xPC Target是MathWorks公司开发的一个MATLAB/Simuink下的一个工具箱，可将目标机变为一个实时系统，来实现控制系统的快速原型化和系统的半物理仿真等功能。xPC Target采用了“双机”技术途径，宿主机可以采用安有MATLAB/Simuink的普通计算机，目标机可以采用工控机，两者间通过以太网或者串口进行通信。

在xPC Target仿真环境下，宿主机中采用Simuink建立仿真系统中所需要的?笛?模型并在Windows下进行非实时仿真，然后应用RTW代码生成器和C编辑器可以将Simuink中所搭建的模型自动生成高效可移植的C代码，然后通过半物理仿真平台进行验证。该系统环境方便，只需要两台计算机就可以搭建简易的仿真环境，如图1。

3 半物理仿真平台

以数学模型仿真系统为基础，根据卫星总体仿真的需求，建立了基于xPC的敏捷卫星半物理仿真验证平台。该平台以xPC Target实时仿真机为核心，在气浮台上将星载计算机、陀螺仪、反作用飞轮等实物通过CAN总线构成“台上闭环回路”，并通过采集管理仿真数据将曲线、指令显示在目标机的图形界面上，系统总体结构如图2。

依据上图将飞轮实物与陀螺实物等通过CAN总线进行数据传输，终端显示计算机与xPC实时仿真机通过TCP/IP进行通讯。

4 地面显示终端

采用VS2010编写数据库系统，其目的为打到接收与管理大量实时仿真数据。在台上闭环回路进行仿真时，“地面终端系统”通过无线信号接收“台上闭环回路”的实时仿真数据（轨道参数、姿态参数、控制参数等），以ADO的方式访问SQL Sever数据源HITSAT，完成仿真数据的实时存储并通过UDP网络协议将仿真数据广播到局域网，以发出地面指令、曲线、动画显示终端，完成数据的曲线绘制。当平台仿真结束时，地面终端显示系统可以通过读取数HITSAT中的仿真数据，按一定的速率传到局域网，再次展现每个阶段的仿真过程，完成数据的回放；利用SQL Sever查询分析器，具有很强的数据分析与管理功能，与仿真数据进行对比分析，起到对卫星系统、系统参数、关键技术等快速高效地验证与优化的作用。

5 结果与讨论

微小卫星的研发制备过程中，半物理技术是一种常用的设计验证手段。本文面向采用Simuink中的 xPC Target实时内核和姿态控制系统实物搭建的仿真平台进行了设计与实现。xPC Target实时内核功能丰富，搭建容易，节约了成本，对大型仿真系统的开发非常适用。但也有实物仿真过程中数据滞后的情况，因此还有待进一步深入研究。

本文基于xPC Target实时仿真环境建立了小卫星半物理实时仿真平台，实现了仿真系统建立过程中气浮台与地面终端的实时数据传递、使用STK软件进行场景实时动画的显示和采用MFC绘制曲线。在实时仿真系统的成功搭建后，进行了小卫星三轴姿态控制半物理仿真验证，仿真结果表明半物理仿真平台的实时性和可靠性，可以作为卫星控制系统仿真验证过程中有效的验证手段，也可作为以后类似的仿真系统的平台。