一種毫秒級衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制實時測試方法
【專利摘要】本發(fā)明一種毫秒級衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制實時測試方法，首先創(chuàng)建Windows+RTX的系統(tǒng)框架，建立Windows與RTX信息交互的共享內(nèi)存；其次，采用PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)控制量信息的毫秒級采集；然后，實時迭代獲得姿軌控動力學運動學；最后，在RTX環(huán)境下，通過PCI設備板卡的實時性驅(qū)動，將敏感器信號實時發(fā)送到星上的相應敏感器設備上，并利用同步事件機制，使Windows進行界面更新。本方法提升了地面測試設備信號流的實時性操作問題，解決了高性能姿軌控制系統(tǒng)衛(wèi)星對地面測試設備的實時性需求問題。
【專利說明】一種毫秒級衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制實時測試方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于航空航天控制領域，涉及測試設備的實時控制信號流操作問題。
【背景技術(shù)】
[0002]中法海洋衛(wèi)星(CF0SAT-1)、地磁電測衛(wèi)星ZH-1星采用CAST2000平臺方案。CAST2000現(xiàn)有的測試系統(tǒng)的執(zhí)行周期為0.25甚至I秒，顯然不能提供實時性的運行環(huán)境，直接導致系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)方案的指標不能在測試中實現(xiàn)。這既降低了方案設計的可靠性，也降低了方案設計的可信度，即不能在技術(shù)總體這一環(huán)節(jié)拿出有效的數(shù)據(jù)來證實、驗證方案設計。此外，眾多研新型號任務星上控制系統(tǒng)實時性的改善，對測試系統(tǒng)同樣提出了實時性改進的要求。為完成新型號任務的測試工作，也提高測試系統(tǒng)的實時性。地面測試系統(tǒng)的非實時性問題已成為制約平臺測試工作、提升性能的瓶頸。
[0003]現(xiàn)有的衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制實時測試系統(tǒng)，是基于嵌入式VxWorks系統(tǒng)實現(xiàn)的。這種實現(xiàn)方式的本質(zhì)是傳統(tǒng)的上下位機的設計構(gòu)架:下位機負責實時操作，上位機負責人機交互，并通過上下位機的通訊機制，實現(xiàn)系統(tǒng)設計。嵌入式的實時測試系統(tǒng)設計，避免不了復雜的信息通訊交互機制，同時，下位機需要專門的操作和人員維護，培訓、學習及運作的投入比較大，而且，上、下兩臺計算機設計中涉及的復雜的、分布式的應用程序、可靠性及平均故障率等一系列問題，都亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種毫秒級衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制實時測試方法，解決了 RTX系統(tǒng)下，PCI設備板卡的最底層信號流的實時交互問題，使系統(tǒng)實時性能得以顯著提升，進而保證了 Windows+RTX的姿軌控地面測試設備的毫秒級實現(xiàn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種毫秒級衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制實時測試方法，步驟如下:
[0006]I)建立Windows非實時人機交互界面及RTX實時操作環(huán)境，同時創(chuàng)建用于Windows與RTX間信息交互的共享內(nèi)存空間；
[0007]2)在Windows非實時人機交互界面下，設置姿態(tài)軌道控制地面測試系統(tǒng)的仿真初值，并將仿真初值通過共享內(nèi)存?zhèn)髦罵TX實時系統(tǒng)環(huán)境下；
[0008]3)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，對PCI設備卡的進行初始化操作；
[0009]4)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，建立基于毫秒級實時定時器的周期性執(zhí)行操作；在每個周期性執(zhí)行操作中，接收并判斷星箭分離信號，如果判斷星箭分離信號無效，則結(jié)束本定時周期內(nèi)的執(zhí)行操作，如果判斷星箭分離信號有效，則進入步驟5)；
[0010]5)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，利用PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，對衛(wèi)星上推力器脈寬、動量輪轉(zhuǎn)速信息進行毫秒級采集，并獲取衛(wèi)星控制力與控制力矩；
[0011]6)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，根據(jù)步驟5)獲得的衛(wèi)星控制力與控制力矩，進行姿態(tài)軌道控制的動力學與運動學的迭代，并獲得衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器、衛(wèi)星角速度測量敏感器的實時信息；
[0012]7)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，利用PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，將步驟6)獲得的衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器、衛(wèi)星角速度測量敏感器的實時信息發(fā)送至衛(wèi)星上的姿態(tài)軌道控制計算機；
[0013]8)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，將步驟6)獲得的衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器、衛(wèi)星角速度測量敏感器的實時信息寫入Windows與RTX的共享內(nèi)存空間，同時判斷本周期是否是事件觸發(fā)周期:如果本周期不是事件觸發(fā)周期，RTX結(jié)束本毫秒周期的仿真任務，并等待下個實時周期；如果本周期是事件觸發(fā)周期，RTX實時系統(tǒng)利用同步事件機制，使Windows進行界面更新；所述的事件觸發(fā)周期根據(jù)Windows界面更新所占用的時間確定。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0015]1.利用RTX提供的一系列輸入輸出函數(shù)，直接實現(xiàn)對I/O端口與內(nèi)存的操作，這種避開Windows的影響而采用直接訪問的形式，極大地提升了衛(wèi)星姿軌控測試設備對PCI板卡的利用效率，大大降低訪問周期。
[0016]2.RTX通過調(diào)用自主封裝的底層函數(shù)，即可實現(xiàn)對PCI設備卡的訪問:
[0017]即解決了 RTX系統(tǒng)下，PCI設備板卡的最底層信號流的實時交互問題，使得ffindows+RTX的姿軌控地面測試設備毫秒級設計實現(xiàn)成為可能。
[0018]3.由于PCI設備卡的驅(qū)動與PCI卡一一對應，因此，本發(fā)明設計的實時性驅(qū)動程序，具有良好的通用特性，很容易推廣至采用同種硬件配置構(gòu)建下的其他衛(wèi)星測試設備的實時性研發(fā)設計中。
[0019]4.采用Windows+RTX的毫秒級姿軌控地面測試設備，具有與一般工業(yè)控制實現(xiàn)相似的信號流操作，因此，很 容易推廣至配備相同PCI設備板卡的一般工控設備的實時性研發(fā)工作中。
[0020]5.以PCI設備卡的驅(qū)動為技術(shù)基礎的Windows+RTX高實時性地面測試方法，摒棄了基于Vxworks等一系列傳統(tǒng)的上下位機形式的實時系統(tǒng)舊框架，具有低成本、高可靠性、易維護性等優(yōu)勢。
[0021]6.基于Windows+RTX高實時性地面測試方法的星地閉環(huán)測試，大幅提升了控制系統(tǒng)的控制精度，使得控制方案涉及的精度指標，能夠在控制分系統(tǒng)級測試中得以實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為RTX環(huán)境下PCI設備基地址獲取原理；
[0023]圖2為Windows2000+RTX的姿軌控實時測試流程原理框圖。
【具體實施方式】
[0024]如圖2所示，為本發(fā)明衛(wèi)星姿軌控(姿態(tài)軌道控制)實時測試流程原理框圖。首先，啟動測試系統(tǒng)主程序，建立Windows非實時人機交互界面及RTX實時操作環(huán)境，其中所述的RTX實時操作環(huán)境為美國Ardence公司開發(fā)的實時子系統(tǒng),解決了基于Windows的操作系統(tǒng)的硬實時擴展問題。創(chuàng)建用于Windows與RTX間信息交互的共享內(nèi)存空間；在Windows下，設置系統(tǒng)仿真初值，并將其通過共享內(nèi)存?zhèn)髦罵TX實時系統(tǒng)環(huán)境下；在1^^環(huán)境下，完成包括PCI設備卡在內(nèi)的相關(guān)系統(tǒng)硬件的初始化工作；RTX設定并啟動毫秒級實時定時器，并創(chuàng)建周期性執(zhí)行函數(shù)，等待星箭分離信號:如果判斷星箭分離信號無效，則結(jié)束本定時周期內(nèi)周期性函數(shù)的執(zhí)行操作，并在下一個定時周期重新查詢星箭分離信號；如果判斷星箭分離信號有效，實時系統(tǒng)則利用RTX環(huán)境下自主研發(fā)的幾類PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，進行執(zhí)行機構(gòu)控制量信息的毫秒級采集，并完成控制力、控制力矩的計算；然后在RTX環(huán)境下實時進行姿軌控動力學運動學的迭代運算，并計算各測量敏感器的實時信息；最后利用RTX環(huán)境下自主研發(fā)的幾類PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，完成實時系統(tǒng)對敏感器數(shù)據(jù)的毫秒級發(fā)送。
[0025]本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程可通過下述的執(zhí)行步驟說明。
[0026]1.米用Windows與RTX共同支持的開發(fā)環(huán)境VC++,建立Windows非實時環(huán)境下的人機交互界面以及RTX下的實時操作環(huán)境，并利用VC++開辟一塊共享內(nèi)存空間，用于完成Windows非實時環(huán)境與RTX實時環(huán)境間的信息交互。
[0027]2.在Windows非實時人機交互界面下，設置系統(tǒng)的仿真初值(初始姿態(tài)角、初始姿態(tài)角速度)與測試系統(tǒng)硬件配置，并將初始設定初值信息通過Windows與RTX間的共享內(nèi)存?zhèn)髦罵TX實時系統(tǒng)環(huán)境下。
[0028]3.在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，完成對PCI設備卡的初始化操作工作，具體包括板卡的各種工作模式設定與初始值的設置。
[0029]4.RTX實時系統(tǒng)環(huán)境創(chuàng)建基于毫秒級實時定時器的周期性執(zhí)行操作，并在每個周期性執(zhí)行操作中，查詢星箭分離信號，當星箭分離信號有效時，執(zhí)行下面的操作。
[0030]5.由于PCI設備板卡廠商提供的接口驅(qū)動不支持RTX實時系統(tǒng)，因此，需要自主開發(fā)RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下于PCI設備板卡的對外接口操作，即實時性驅(qū)動程序。其開發(fā)過程一般為:
[0031]I)利用圖1的步驟在RTX環(huán)境下通過掃描計算機總線尋找PCI設備卡的配置空間
信息；
[0032]2)根據(jù)配置空間信息明確基地址和端口映射方式等信息。
[0033]3)利用RTX實時系統(tǒng)提供的端口操作函數(shù)，結(jié)合PCI設備卡說明書提供的板卡詳細信息明確PCI卡板載各芯片的地址偏移信息與實際作用，進而實現(xiàn)對板卡硬件信號流的輸入、輸出操作。
[0034]利用PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，RTX實時系統(tǒng)環(huán)境可實現(xiàn)對衛(wèi)星上噴氣推力器脈寬、動量輪轉(zhuǎn)速信息的毫秒級采集，經(jīng)由理論力學原理，可以獲得衛(wèi)星的控制力及控制力矩。
[0035]6.在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，根據(jù)步驟5獲得的衛(wèi)星控制力與控制力矩，根據(jù)航天器的姿態(tài)軌道理論特性，完成姿態(tài)軌道控制的動力學與運動學的迭代運算，并根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器、衛(wèi)星角速度測量敏感器的設計原理，計算出各測量敏感器的實時信息。
[0036]7.在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，利用PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，將步驟6計算得到的衛(wèi)星各測量敏感器的實時信息發(fā)送至衛(wèi)星星上的姿態(tài)軌道控制計算機，實現(xiàn)星上控制計算機對測量信息的獲取，進而實現(xiàn)姿態(tài)軌道控制量的計算。
[0037]8.在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，將步驟6獲得的衛(wèi)星各測量敏感器的實時信息寫入Windows與RTX的共享內(nèi)存空間，同時判斷本周期是否是事件觸發(fā)周期:如果本周期不是事件觸發(fā)周期，RTX結(jié)束本毫秒周期的仿真任務，并等待下個實時周期；如果本周期是事件觸發(fā)周期，RTX實時系統(tǒng)利用同步事件機制，使Windows進行界面更新；所述的事件觸發(fā)周期根據(jù)Windows界面更新所占用的時間確定。
[0038]圖2所示的以PCI設備卡的驅(qū)動為技術(shù)基礎的Windows2000+RTX的姿軌控實時測試系統(tǒng)的執(zhí)行操作流程如下:
[0039]DWindows非實時環(huán)境下的操作界面提供了良好的人機交互接口，能實現(xiàn)系統(tǒng)初始星箭分離姿態(tài)角、角速度的設定與系統(tǒng)狀態(tài)(硬件構(gòu)成)的設置；建立具有Window與RTX信息共享特性的內(nèi)存空間；
[0040]2)將系統(tǒng)初始條件通過共享內(nèi)存空間，傳遞至RTX實時環(huán)境下；
[0041]3) RTX實時環(huán)境下完成系統(tǒng)仿真初始設置和硬件初始設置操作；
[0042]4) RTX實時環(huán)境下，建立以Ims為執(zhí)行周期的定時器，并在定時器內(nèi)部，建立以星箭分離信號為標志的周期性循環(huán)操作函數(shù)，實現(xiàn)每ms對星箭分離信號的查詢:如果星箭分離信號有效，則繼續(xù)執(zhí)行下述操作，否則，退出周期性循環(huán)操作函數(shù)，等待下一 ms的到來；
[0043]5)RTX實時環(huán)境下，利用采集的噴氣脈寬和動量輪轉(zhuǎn)速信息，計算衛(wèi)星的軌道控制力與姿態(tài)控制力矩；
[0044]6)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，根據(jù)步驟5)獲得的控制力與控制力矩，完成姿態(tài)軌道控制的動力學與運動學的迭代運算，即得到衛(wèi)星當前的姿態(tài)角信息與姿態(tài)角速度信息，并衛(wèi)星各測量敏感器的設計原理，結(jié)合其在衛(wèi)星本體的安裝特性，獲得各測量敏感器的實時信息。
[0045]7)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，將步驟6)得到的衛(wèi)星各測量敏感器的實時信息發(fā)送至衛(wèi)星星上的姿態(tài)軌道控制計算機。
[0046]8)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，將步驟6)獲得的衛(wèi)星各測量敏感器的實時信息寫入共享內(nèi)存空間，同時對當前計數(shù)器進行判斷:如果當前計數(shù)器說明為特定的時間點時，將通過事件機制通知Windows從共享內(nèi)存中都會中間數(shù)據(jù)，并完成非實時的界面顯示更新與數(shù)據(jù)庫的入庫操作，如果本周期不是特定的時間點，退出本周期的RTX循環(huán)操作。
[0047]9) RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下以ms為周期的執(zhí)行操作如此循環(huán)，直至測試退出條件成立。
[0048]本發(fā)明未詳細說明部分屬本領域技術(shù)人員公知常識。
【權(quán)利要求】
1.一種毫秒級衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制實時測試方法，其特征在于步驟如下: 1)建立Windows非實時人機交互界面及RTX實時操作環(huán)境，同時創(chuàng)建用于Windows與RTX間信息交互的共享內(nèi)存空間； 2)在Windows非實時人機交互界面下，設置姿態(tài)軌道控制地面測試系統(tǒng)的仿真初值，并將仿真初值通過共享內(nèi)存?zhèn)髦罵TX實時系統(tǒng)環(huán)境下； 3)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，對PCI設備卡的進行初始化操作； 4)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，建立基于毫秒級實時定時器的周期性執(zhí)行操作；在每個周期性執(zhí)行操作中，接收并判斷星箭分離信號，如果判斷星箭分離信號無效，則結(jié)束本定時周期內(nèi)的執(zhí)行操作，如果判斷星箭分離信號有效，則進入步驟5)； 5)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，利用PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，對衛(wèi)星上推力器脈寬、動量輪轉(zhuǎn)速信息進行毫秒級采集，并獲取衛(wèi)星控制力與控制力矩； 6)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，根據(jù)步驟5)獲得的衛(wèi)星控制力與控制力矩，進行姿態(tài)軌道控制的動力學與運動學的迭代，并獲得衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器、衛(wèi)星角速度測量敏感器的實時信息； 7)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，利用PCI設備板卡的實時性驅(qū)動程序，將步驟6)獲得的衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器、衛(wèi)星角速度測量敏感器的實時信息發(fā)送至衛(wèi)星上的姿態(tài)軌道控制計算機； 8)在RTX實時系統(tǒng)環(huán)境下，將步驟6)獲得的衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器、衛(wèi)星角速度測量敏感器的實時信息寫入Windows與RTX的共享內(nèi)存空間，同時判斷本周期是否是事件觸發(fā)周期:如果本周期不是事件觸發(fā)周期，RTX結(jié)束本毫秒周期的仿真任務，并等待下個實時周期；如果本周期是事件觸發(fā)周期，RTX實時系統(tǒng)利用同步事件機制，使Windows進行界面更新；所述的事件觸發(fā)周期根據(jù)Windows界面更新所占用的時間確定。
【文檔編號】G05B23/02GK103616884SQ201310547891
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】李貴明, 曾春平, 胡越欣, 車汝才, 董筠, 蔡建, 牟夏, 李麗瓊, 胡錦昌, 王勇, 周亮, 褚楠 申請人:北京控制工程研究所