环境工程仿真摘要：系统仿真是第二次世界大战后发展起来的一门新技术, 目前已广泛应用于工程与非工程的不同领域, 它与航天技术的关系尤为密切。

本文阐明卫星控制系统仿真在卫星研制中的地位, 并叙述卫星仿真的几种级别数学仿真、半物理仿真和全物理仿真的方法、特点、作用及其基本设备。

关键词：数学仿真丰物理仿真全物理仿真太阳模拟器地球模拟器星模拟器仿真计算机气浮台1，前言仿真环境是一种逐步工作的环境.它包括确定仿真目标,建立系统模型, 建立适于仿真系统实现的仿真模型、仿真模型校验、仿真实验运行,结果分析、系统模型校验、再反馈修改模型或实验后再运行.。

仿真（Simulation），即使用项目模拟将待定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。

该项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。

在卫星控制系统研制过程中, 仿真是一个不可缺少的环节。

从方案设计, 系统验收到卫星在轨道运行时的故障对策, 无不需要应用仿真的手段。

系统仿真在卫星研制过程中的地位如图所示。

仿真的基础是模型。

模型通常可以分成两种类型。

一类是数学模型,完全用数学语言来描述系统的行为特性, 并用计算机进行仿真。

另一类是物理模型, 用与系统相似或等价的实物来接入回路进行仿真试验。

在卫星控制系统仿真中, 根据所介人模型的不同, 分为数学仿真、半物理仿真和全物理仿真。

2.仿真分类2.1.数学仿真卫星控制系统数学仿真通常与计算机控制系统辅助分析相结合, 完成卫星轨道动力学和刚体、挠性体、多体卫星姿态动力学的时域仿真及控制系统的稳定性分析。

已有专门的软件包完成上述工作, 并可与国际通用的控制设计软件包MATLAB和有限元分析软件包NASTRAN接口。

卫星数学仿真软件主要包括下列功能·空间环境模型仿真包括地球重力场、磁场、空气动力、太阳辐射压力, 日一月一地摄动等。

·卫星轨道计算·三轴稳定卫星姿态确定与控制系统仿真·自旋卫星姿态确定与控制系统仿真·多刚体系统动力学分析及控制仿真·大型挠性体动力学分析及控制仿真数学仿真最关键的问题是建立系统的数学模型。

数学模型要尽量精确地反映系统的性能。

建立系统数学模型有两种方法, 即理论建模和实验建模。

一个复杂的动力学系统建模常常需要两种方法并用。

用理论建立数学模型不仅需要通过实验来取得有关的参数, 也有待于通过实验来验证和修正。

复杂卫星的结构一般由一个主刚体, 挠性附件大型天线和太阳帆板, 带有晃动液体的燃料贮箱,星内活动机构如照相机等各部分组成。

由于系统高度复杂, 很难得到精确的理论模型并求解, 总是在一定的假设条件下简化, 这就使得验模工作显得十分重要。

通过测量卫星在轨道运行参数来验证和修改卫星的数学模型是最为有效的方法。

2.2.半物理仿真虽然数学仿真已经得到卫星在不同参数组合和初始条件下的性能结果, 但是半物理仿真仍然是卫星研制中一个十分重要的环节。

这是由于：a.一个实际系统, 其结构相当复杂, 数学模型很难精确地概括全部的细节, 有时候某些细节的局部误差有可能使系统性能发生质的变化。

在这种情况下,数学仿真具有满意的结果, 而半物理仿真则有可能大大超出了设计的要求或者有新的发现。

b.某些环境如温度变化或干扰如电磁干扰对部件性能的影响很难建立准确的数学模型, 由此引起系统性能的改变也只能通过试验来发现。

c.研制过程中粗心大意造成的误差是不能用数学仿真来发现的, 却很容易在半物理仿真中发现并纠正。

d.一个已研制出来的复杂卫星控制系统在上天之前非常有必要在地面对它作出综合性能的定量评价, 为了实现某种指标, 试验过程中常常对控制系统的硬件或软件参数进行调整, 于是半物理仿真又成为系统设计优化的一种手段。

半物理仿真是将部分或全部控制系统硬件接人回路中进行试验, 但控制对象卫星本体的动力学用数学模型来代替。

由于硬件接人回路, 半物理仿真需要有一系列仿真设备的支持。

这些设主要包括运动模拟器, 目标模拟器, 仿真计算机, 试验测控设备和接口等。

2.2.1运动模拟器卫星半物理仿真用转台来作运动模拟。

根据不同的用途区分, 转台有单轴、两轴、三轴和多轴九种形式卫星仿真主要用三轴转台, 有时也要采用单轴转台。

用于卫星仿真的三轴转台是一个高精度的随动系统, 典型的控制精度为万分之几度, 角速度由每秒万分之一度到每秒几百度, 并且具有良好的频率响应特性作仿真试验时, 将卫星的姿态敏感器安装在内框平台上, 转台的运动由仿真计算机控制。

2.2.2目标模拟器目标模拟器是针对卫星姿态敏感器的特点而设计的一种专用设备。

人造卫星在外层空间依靠太阳,地球、恒星等作参考目标来确定自己的姿态, 分别用太阳敏感器, 地球敏感器、星敏感器作姿态测量。

在仿真试验中, 这些敏感器需要相应的目标模拟器配合才能工作。

a.太阳模拟器太阳模拟器是模拟太阳光辐射的一种设备, 理想的太阳模拟器应在辐照强度, 光谱分布、准直角、光稳定性和均匀性等应与真实太阳相同, 但由于技术上的限制很难各项指标都同时得到满足。

卫星半物理仿真用的太阳模拟器通常要求保证其准直角为’土’的前提下辐照强度达一太阳常数, 均匀性应优于士, 稳定性应优于士。

太阳模拟器的通光口径应足以遮盖太阳敏感器在实验过程中的有效视场。

由于太阳敏感器有时不能正好安装在转台的转动中心附近, 为了保证卫星机动时太阳模拟器光束始终罩住敏感器的视场, 将太阳模拟器固定在一个可以平行移动的运动机构上。

b.地球模拟器地球敏感器利用地球的热辐射作为参考目标来确定卫星相对于当地水平的俯仰和滚动姿态误差目前已有多种形式的地球敏感器用于卫星作姿态测量, 例如园锥扫瞄式地球敏感器, 摆动扫瞄式地球敏感器, 静态地球敏感器等。

在半物理仿真试验中, 需要根据不同形式的地球敏感器来设计相应的地球模拟器。

用于摆动扫瞄式或静态地球敏感器试验的地球模拟器大都作成园盘形, 园盘的直径与卫星轨道高度成反比, 地球同步轨道卫星的地球模拟器直径只有几百毫米用于园锥扫瞄地球敏感器的地球模拟器作成平板形, 用一个扇形的加热区来模拟地球辐射, 扇形的张角要与卫星在轨道上的位置至地球的张角相一致, 张角两边要求严格差动控制, 不对称误差应小于地球敏感器测量误差一个数量级。

地球模拟器通过热壁与冷壁或背景的温差来实现地球辐射仿真, 一般要求热壁有良好的温度均匀度, 目前可作到0.2℃一0.5℃的均匀度水平。

c.星模拟器卫星利用恒星作参考目标来确定姿态, 可以达到秒级的精度, 这是目前所有姿态测量中具有最高精度的一种方法。

星敏感器测量恒星在空间飞行器座标系中的座标, 并使这些被观测到的信息与星表中的已知数据进行比较, 得到卫星的姿态信息。

对用星敏感器作姿态测量的卫星进行半物理仿真时, 需要专门研制相应的星模拟设备。

已有的星模拟器大多作成平行光管形式, 这种星模拟器只能产生单颗或数颗恒星光源, 不适宜作全轨道星图识别仿真。

2.3.仿真计算机仿真计算机是系统仿真的核心设备。

半物理仿真中的仿真计算机主要用来解算卫星动力学, 运动学模型, 进行座标变换, 通过接口接收卫星控制系统执行机构输出的控制指令, 同时控制运动模拟器和目标模拟器运动。

由于要求硬件接人回路, 用来作半物理仿真的仿真计算机需要具备两个特点第一是它的实时性, 也就是它的库程序、I/O服务, 操作系统等全部都应该是实时的。

第二, 它必须有足够的I/O能力,即应具有高速数据接口, 并行A/D、D/A转换以支持实验过程中大量的信息交换。

从七十年代开始, 已有不少人专门进行了专用仿真计算机的研究与开发, 其中最有代表性的可以算美国ADI公司(APPLIED DYNAMICS INTERNATIONAL)研制的专用仿真计算机系统, 该公司1977年推出第一代产品AD- 10, 是一台定点处理机, 与软件MPS10(1980)组成System 10, 其运行速度为30MIPS,1982年ADI公司宣布了System 10的改进型System 10 plus问世, 在原AD-10的基础上扩展了浮点部件FX, 使系统具备了浮点运算能力。

1985年ADI公司进一步推出全浮点数字仿真计算机System 100, 增加了大容量存贮器和强大的I/O系统, 其浮点运行速度为20MFlops.System 100在航空与航天领域得到广泛应用。

System 100的后继产品是Real Time Station and SIM System (1992),全集成仿真设备, 予计不久将来可能会取代System 100.2.3.1试验刚控设备和接口卫星半物理仿真试验中的测控设备主要功能如下:a.对整个试验进行管理和同步。

b.试验前对参试产品卫星控制系统各部件的检测和主要设备的测试。

c.试验数据采集, 显示和处理。

d.星箭分离, 遥控遥测指令模拟e.星载计算机软件加载和参数设置。

卫星半物理仿真的主要接口有:(1)仿真计算机与运动模拟器的接口(2)仿真计算机与目标模拟器的接口(3）信号补偿接口（补偿地球自转对陀螺的影响或重力对加速度计的影响等）（4）信号变换接口（飞轮速度测量、喷气力矩测量、磁力矩测量等并送人仿真计算机）。

卫星半物理仿真主要用于验证控制系统方案, 鉴定已研制出来的控制系统性能和卫星在轨道运行时的故障对策研究。

随着载人飞船工作的开展, 半物理仿真的范围将进一步扩展, 主要包括：a.导航与制导系统的半物理仿真b.人控系统的半物理仿真c.空间交会对接半物理仿真2.4.全物理仿真全物理仿真是卫星特有的一种仿真方法, 它利用单轴或三轴气浮台来模拟卫星在外层空间的无阻尼运动与半物理仿真相比, 全物理仿真不需要仿真计算机, 因为卫星动力学由气浮台来模拟。

气浮台是一个无动力、无摩擦的设备, 它靠高压气休浮起。

当高压气体从底座通人时, 在空气轴承与轴承座之间形成一层气膜, 使台体实现无摩擦相对运动。

全物理仿真试验要求气浮点包括其搭载物与实际卫星具有相等的惯量, 或者两者的惯量比等于试验时的执行机构与实际卫星的执行机构控制力矩之比。

三轴气浮台试验可以模拟卫星三轴祸合运动, 特别适用于验证带有斜装飞轮或控制力矩陀螺的卫星控制系统性能。

这类系统通常控制力矩都很小, 为了使气浮台的不平衡力矩不至影响试验精度, 需要对气浮台的静态平衡作严格调整, 典型的指标为不平衡力矩小于5*10^(-5)牛顿·米。

在试验过程中, 台体的质量中心可能发生变化由于喷气、温度变化等原因, 要使整个试验过程保持这样小的不平衡度, 显然难度很大。

为了减小空气动力对实验精度的影响, 最好将气浮台放在真空罐里进行试验.3.参考文献【1】王正中仿真计算机及其评价信息与控制仿真专刊,1983【2】李伯虎, 胡骏仿真计算机的新发展军用仿真技术专辑,1988【3】刘慎钊卫星控制系统的多转台半物理仿真方法全国第五届系统仿真会议论文集, 1985【4】吴玉山地球模拟器的研究概况控制工程, 1993,（4）【5】宋晓龙全轨道实时星模拟器本刊本期。