74空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY2016年第2期卫星姿轨控系统设计与分析平台软件方案及实现①刘其睿1 ’2，王新民1 ’2，刘洁 1 ’2，张俊玲1 ’2(1.北京控制工程研究所，北京100190;.空间智能控制技术重点实验室，北京100190)摘要：随着卫星控制系统工程技术的不断发展,对设计与分析工作的数字化平台化需求日益迫切。
文章提出一种基于Matlab/Simulink开发工具的卫星姿轨控系统设计与分析平台软件方案，采用由软件运行界面框架和软件功能模块相结合的软件总体架构，实现卫星姿轨控系统总体方案设计与仿真验证一体化的设计环境。
软件实现结果表明该方案的有效性和可行性，有助于卫星姿轨控系统的快速设计与分析。
关键词：姿轨控系统;设计与分析平台；应用软件D O I：10. 3969/j.issn. 1674-7135.2016.02.014Scheme and Implementation of Satellite AOCS Designand Analysis Platform Application SoftwareLIU Qi-rui1'2,W A N G Xin-min12 ,LIU Jie12 ,Z H A N G Jun-ling12(1. Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China;2. Key Laboratory 〇f Aerospace Intelligent Control Technology，Beijing 100190,China)Abstract：The development of s atellite control engineering makes urgent demands of digital platform for design and analysis of A0CS( Attitude and Orbit Control System). In this paper a scheme based on Matlab/Sim Satellite AOCS Design and Analysis Platform Application Software. The software architecture，which is helpful to integrative design environment f or scheme design and simulation verification of satellite AOCS subsystem is composed of user interfacc frame and functional m odule. The result of software implementation verifies the validity and availability of software scheme,which benefits rapid satellite AOCS design and analysis.Key words:AOCS;Design and analysis platform;Application software〇引言在卫星控制系统开发过程中，设计人员经过多 年实践积累了丰富的知识和经验[1’2]。
但由于各专 业的设计人员通常采用自己熟悉的开发工具进行开 发，没有形成统一的接口形式和约定，使得这些经验 难以继承。
因此迫切需要建立一个数字化设计平 台，使相关专业的设计人员能够拓展自己的研究领 域，在更高层次上提高设计效率[3]。
卫星姿轨控系 统设计与分析平台能够集总体方案设计与仿真验证为一体，获得较好的可读性、继承性和可扩充性，保 证卫星姿轨控系统开发过程的快速性，降低系统开 发的成本。
1软件设计方案卫星姿轨控系统设计与分析平台软件具有如下功 能:对卫星进行姿轨控方案设计和仿真验证;对姿轨 控分系统的主要技术指标进行仿真验证和评估。
11开发工具选择①收稿日期：2015-12-17;修回日期：2016-02-10。
作者简介:刘其睿（1981—），硕士，工程师。
主要研究方向为航天器制导、导航与控制2016年第2期刘其睿，等:卫星姿轨控系统设计与分析平台软件方案及实现75平台开发工具选择M A T L A B/Simulink。
M A T-L A B是适合用于科学和工程研究的语言，提供了供 其它工具使用的集成环境，包括大量的数学函数库、图形函数库和工具箱，使得M A T L A B尤其适合于进 行界面开发、图形显示以及控制系统计算与分析等 功能[4’5]。
M A T L A B环境提供了与C、Java等语言联 合编成的外部接口，使用户可以根据实际需要，灵活 选择实现方式和途径。
1.2总体方案架构为了给卫星姿轨控系统总体方案设计与仿真验 证提供一体化的设计环境，设计了如图1所示的卫 星姿轨控系统设计与分析平台的软件框架。
通过采 用M A T L A B的界面化语言以及Simulik的模型库，分别实现功能要求、接口要求、界面要求，并具备变 量管理、算法管理、模型管理等功能。
图1卫星姿轨控系统设计与分析平台软件总体架构Fig. 1 Architecture of Satellite AOCS Design and Analysis Platform Application Software软件的总体架构主要由软件运行界面框架和软 件功能模块所组成。
软件运行界面框架为软件使用 人员提供统一的界面操作方式，提供设计输人，并调 用后台的软件功能模块进行解算并将结果进行输 出。
软件运行界面框架采用软件工程化手段，使用 项目管理、变量管理、模块化开发技术，利用参数配 置文件和输人输出数据进行统一交互。
软件功能模 块按照卫星姿轨控系统的功能分类，主要由姿态动 力学、敏感器、执行机构、姿态确定与控制算法、轨道 动力学、环境干扰等模块组成。
软件运行界面框架 通过在统一的M A T L A B/Simulink平台环境中调用 软件功能模块，完成运算求解和仿真分析的功能，并 能实现整个设计过程的自动化，提高设计的效率。
1.3软件运行界面框架在图1中，对于软件运行界面框架而言，基于M A T L A B+ Java技术的应用程序包用于软件界面的 开发，有很好的通用性、一致性、扩展性，具备如下特 点：框架化:必须具备比较好的框架结构，以适应对 不同的卫星系列参数变化、功能扩充的需要。
框架 实现了整个软件的主体架构，为集成各个组件提供 了很好的接口规范。
框架部分整体上实现了工程数 据管理、流程配置、整体界面以及导航功能。
组件式:组件按照框架的接口规范进行开发，以便方便地集成到整个框架中。
软件本身采用面向对 象编程方式，具备丰富的组件开发工具支持，以便快 速地开发出新的功能。
数据驱动：各个部分之间是通过数据（包含文 件)联系的。
这样可以很好地保证各个组成部分之 间的独立性。
另外，基于数据驱动的系统很好地体 现了 M V C模式，将数据与具体的控制和显示分开，便于平台的维护与升级。
例如，基于文件的数据驱 动系统，可以很容易扩充到基于数据库的系统。
软件运行界面框架用于实现软件各功能模块的 组织、工程和数据的管理，通过Project包来实现。
Project包完成如下功能，这些功能用户不需要单独 开发。
(1)工程结构模版的定义，用户可以采用x m l文 件定义工程结构，快速对应用进行配制，并生成程序 主框架。
()辅助用户的工具条添加和菜单添加，用户 可以设定自定义菜单和工具条，提供配置能力将其 显示到界面中。
(3)文件菜单功能，包含工程的打开、关闭、新 建、保存、另存、最近文件等。
()自动的工具实例创建及管理功能，用户只 需按照约定的接口实现工程实例，并通过工程结构 模版配制，即可将工具方便地集成到框架中。
(5) 自动的实例之间的依赖管理功能。
根据程结构模版中设定的依赖关系，会自动生成实例之 间的依赖界面，并自动保存和管理这些依赖。
(6) 自动的工作空间创建维护。
会自动为每实例分配工作空间，并通过接口自动传递工作空间 给用户，便于用户开发工具。
(7) 自动的更改的跟踪管理，根据用户修改情况，识别是否需要保存。
1.4软件功能模块76空间电子技术2016年第2期软件功能模块是整个软件工作的基础和核心。
为了便于功能模块的复用，提高工作效率，有必要将 设计过程中所使用的成熟技术组织成标准模型或模 型库的形式进行工作。
Simulink 工具为软件功能模 块的实现提供很好的建模和仿真验证手段，使用 Simulink 进行开发，其具有可扩充能力强、模块化操 作、可配置性好等技术特点。
在Simulink 中提供了如下建模手段：(1)使用Simulink 和扩展Blockset 中提供的模 块搭建，并采用子系统封装形成自定义模块。
这种 方法的优点是直观、层次化，维护方便。
在可能的情 况下，尽量采用此方法搭建模型，以方便理解，维护 和修改。
(2)使用 C /Fortran /Ada 语言编写 S-Function 实 现。
在结合已有的型号上使用的C /Fortran /A d a 代 码，或者需要访问操作系统底层的资源，编写驱动接 口，输出自定义文件等场合，可以考虑使用此方法。
(3) 直接采用公式。
使用F e n 模块实现(4)使用查表模块实现。
使用L o k -U p T a b l e 相 关模块。
可以说Simulink 提供的建模手段是很丰富的， 用户可以根据需要灵活地使用上面提到的方法。
将上面开发的模块按照分类可以建成模块库。
Simulink 提供的库管理能力，能够实现多个用户之 间的模型共享，和对模型的一致性维护。
建立软件功能模块的模型库包括：(1 )卫星姿态动力学模型：刚体、刚体+挠性附 件。
(2)敏感器模型:红外地球敏感器、数字太阳敏 感器、模拟太阳敏感器、星敏感器、陀螺。
(3) 执行机构模型：角动量交换装置（动量轮、C M G )、磁力矩器、推力器。
(4) 姿态确定算法模型：星敏感器和陀螺联合定姿、红外地球敏感器+太阳敏感器+陀螺联合定 姿。
(5)姿态控制算法模型：轮控P I D 算法和喷气控制算法模型。
(6) 轨道动力学模型。
(7)环境干扰力矩模型:大气阻力力矩、重力梯度力矩、太阳光压力矩、剩磁干扰力矩。
(轨道控制算法模型。
2软件实现根据上述方案设计思想指导，对卫星姿态与轨道控制方案设计与分析软件进行了代码开发和实 现。