基于RTX的卫星姿轨控系统地面实时仿真系统.pdf

《基于RTX的卫星姿轨控系统地面实时仿真系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于RTX的卫星姿轨控系统地面实时仿真系统.pdf（4页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、收稿日期：2005-06-27 第 23 卷 第 9 期计 算 机 仿 真2006 年 9 月 文章编号：1006-9348（2006）09-0040-03基于 RTX 的卫星姿轨控系统地面实时仿真系统夏红伟，凌明祥，曾庆双，解伟男（哈尔滨工业大学 空间控制与惯性技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150001）摘要：介绍了 RTX 的实时功能原理和 RT-TCPIP 的实时通讯机制，并且比较了 Windows 操作系统和基于 RTX 实时扩展操作系统在实时精度方面和实时通讯方面的性能。卫星姿轨控系统地面仿真试验系统在卫星研制过程中起着举足轻重的作用，针对该系统的实时性要求，讨论了基于 RTX 的实

2、时仿真系统的软件设计和实现方法，并给出了仿真实验结果。实验结果证明，该系统实时性高，工作稳定可靠，满足实际实验要求。该文对实时性要求高的仿真系统具有一定的参考价值和指导意义。关键词：仿真；实时控制系统；姿态控制中图分类号：TP391.9 文献标识码：AReal-time simulation system on the ground for satelliteattitude and orbit control based on RTXXIA Hong-wei，LING Ming-xiang，ZENG Oing-shuang，XIE Wei-nan（Space Controi and Iner

3、tia Technoiogy Research Center，Harbin Institute of Technoiogy，Harbin Heiiongjiang 150001，China）ABSTRACT：The reai-time theory of RTX and RT-TCPIP are presented，and the characteristics of RTX and RT-TCPIP are compared with those of Windows.It is important to simuiate on the ground for sateiiite attitu

4、de and orbitcontroi in the process of sateiiite deveioping.Considered the reai-time desires of the simuiation system on the groundfor sateiiite controi，the design and reaiization of the reai-time simuiation system are discussed.Experiments areperformed and the resuits show that it runs in high reai-

5、time performance，works steadiiy and reiiabiy.This paperhas some reference vaiues and guiding meanings for simuiation systems which has strict reai-time desire.KEYWORDS：Simuiation；Reai-time controi system；Attitude controi1 引言卫星姿态、轨道控制系统是关系卫星运行成败的关键系统，其测试和故障诊断一直是相关科研人员重视和关注的问题，它贯穿于卫星的设计、使用的整个生命周期。针对卫星

6、的特殊环境条件和入轨后不可维修这一前提下的可靠性、安全性要求，卫星发射前的地面试验显得尤为重要。为了保证姿轨控系统达到设计的指标要求，系统必须在地面进行充分的试验验证，把所有部件级和分系统级的问题充分暴露1-3。在卫星控制系统的研制过程中，仿真是一个不可或缺的环节4。国内外许多学者围绕这一问题做了大量的研究工作。3 采用面向对象的思想方法及多种相关技术，建立了多卫星综合性的仿真分析环境；4研究了基于 HLA 技术的卫星姿态控制数学仿真方法。这些都是计算机仿真，没有卫星系统的硬件实物接入回路。6 研究了控制系统硬件在回路仿真技术，为了提高系统的实时性，模拟机和控制机间的大量数据都通过 UDP 协

7、议来传送，这样又会带来新的问题，如丢包等。在仿真过程中，整个系统的数据、指令等都通过网络进行传输，为了获得良好的仿真测试性能，要求整个通讯系统具有足够的实时性，这对计算机操作系统平台提出了更高的要求，一方面要求操作系统具有强大的通用功能（如图形显示功能、支持目前流行的数据库以及较强的硬件支持能力等），另一方面还要求操作系统必须具有很强的实时性1-6。本文研究了卫星姿轨控系统地面仿真试验平台的设计和实现，在介绍 RTX 实现实时功能基本原理的基础上，对传统的 Windows 操作系统和 RTX 实时操作系统在实时精度方面的性能进行了比较，重点研究了实时通讯性能，采用 RT-TCPIP 协议，系统

8、传输更可靠、实时性更好。最后，给出了系统的仿真试验曲线，进而验证了系统设计的可行性。2 RTX 实现实时功能的原理2.1 RTX 的实时机制RTX 为了在 Windows 操作系统下实现实时的特征，利用Windows 良好的可扩展体系结构增加了一个实时子系统RTSS，并修改和扩展了硬件抽象层 HAL。通过扩展的实时04HAL，RTSS 使用自己的中断管理模式，Windows 线程和 RTSS线程之间隔离中断，所有的 RTSS 线程调度超前于所有的Windows 的调度，并且 RTSS 线程都能直接访问 I/0 设备。即使有大量的 Windows 线程运行也绝不影响 RTSS 实时线程的优先运行

9、。RTX 不同于 Windows 的其它子系统的重要因素在于 RTSS 执行它自己的基于抢占的实时线程调度而不是使用 Windows 的调度机制，并且支持 128 级线程优先级；且其所有线程都运行在 Windows 的非分页池，确保在运行过程中不会被置换出内存，保证其对外部事件响应的确定性。RTX 线程和 Windows 的线程之间可通过共享内存交换数据，通过实时信号量进行同步和通讯34。2.2 RT-TCPIP 的实时通讯机制RT-TCPIP（其结构如图 1 所示）在 RTSS 环境下提供了图 1 RT-TCPIP 的实时网络通讯机制完善的 TCPIP 协议栈和网络驱动，为了更好的兼容 Wi

10、ndows和 RTX，RT-TCPIP 提供了对 Windows Socket 2.O 最新版本的支持。在 RTSS 环境下，RT-TCPIP 提供自己的 RTXTcpIp协议栈来访问物理传输层；相应的 RTX 也必须有自己专用的网卡和驱动程序。RTSS 的网络通讯完全独立于 Windows的网络通讯。因为 Win32 和 RTSS 共用一个网络 API，RT-TCPIP 应用程序可以作为 Win32 程序调试，在调试完毕后再编译生成 RTSS 可执行程序，这样有利于调试。RT-TCPIP修改了协议栈以便得到尽可能好的实时通讯性能。为了改善实时通讯性能，对网络数据祯的大小进行了限制。图 2 是

11、利用 RTX 提供的网络测试例程对 Windows 操作系统和 RTX 实时操作系统的网络传输实时性进行对比得到的测试结果。测试环境：两台计算机 CPU 均为 P4 3.OG，Windows2OOO 操作系统，网卡选用 InterPro1OO+。测试方法：客户端把数据包（每个数据包都是 1O24 bytes）发给服务器，服务器收到以后再原样返回给客户端，客户端记录数据包一个来回的之间的时间。图 2 中竖坐标是数据包在网络中往返一个来回所用的时间，单位 us。从测试结果可以看出基于RT-TCPIP 的网络通讯的实时性能明显优于 Windows。3 基于 RTX 的实时仿真试验系统设计与实现3.1

12、 系统仿真原理卫星姿轨控地面试验系统可以逼真的模拟卫星在轨运行时的特性，复现其运动学、动力学特征，进而对其控制系统图 2 网络通讯实时性能测试结果及其它分系统的性能进行反复测试，最终达到卫星总体设计的性能指标要求。如图 3 所示，整个系统由运动模拟器（三轴仿真转台）、目标模拟器（太阳模拟器、地球模拟器以及星空模拟器）、仿真计算机、星上设备（如陀螺、太阳敏感器等等）和试验测控设备等组成。仿真转台上放置星上设备，在目标模拟器的配合下模拟卫星在轨运行状态，星上设备可以敏感当前卫星的姿轨信息。网络服务器一方面接收星上设备的数据，并按照预设的算法和任务，根据卫星的动力学、运动学特性计算卫星的实时状态，并

13、把数据发送给三轴转台和目标模拟器，再现卫星在轨运行时的轨姿状态，另一方面把整个系统的数据下传给显示终端，同时接收用户的指令输入。这样整个系统形成闭环。根据试验数据可以分析卫星控制系统及其它分系统的性能是否达到设计的指标要求。图 3 系统组成框图在仿真过程中，整个系统的数据、指令等都通过网络进行传输，这样整个通讯系统的实时性能很大程度上决定了系统的仿真测试性能，如果网络实时性不好就难以达到试验的目的，考虑到软件设计，还要求计算机操作系统具有强大的通用功能（如图形显示功能、支持目前流行的数据库以及较强的硬件支持能力等）。VXWorks 和 D0S 虽然实时性好，但其他通用功能并不强大，导致开发与调

14、试效率低，本系统选择用 Win-dows+RTX 的方案。此外，不同于文献 6，本文采用 RT-TCPIP 协议，比 UDP 协议传输更可靠，实时性更好。下面给出系统软件设计的方案。3.2 系统软件结构在服务器端和显示终端都安装 SOL Server 和 RTX，SOLServer 提供数据库支持，RTX 提供实时网络通讯（RT-14TCPIP）支持。服务器端负责收集系统仿真数据、控制仿真流程，同时把收集到的仿真数据存储备用，并转发到各显示终端。各显示终端提供友好的人机交互界面，根据收集到的数据和用户的需求把相应的数据用合适的表现形式（曲线、报表或柱状图等）呈现出来，便于观察分析；还可以根据服

15、务器端存储的数据提供数据回放功能。根据显示终端的功能，可将显示终端软件划分为管理层和实时网络通讯层两部分。管理层应当提供良好的人机交互界面，设置显示的参数、属性，包括选择数据源、选择显示形式、网络打印等。管理层对实时性的要求不高，将其归入非实时的 Win32 进程，可以充分利用 Windows2OOO 丰富的绘图接口；实时网络通讯层必须在固定的采样周期内准确地完成实时数据与状态的采集，将其放入实时的 RTSS 进程，如图4 所示。RTSS 进程与 Win32 进程之间通过事件和共享内存机制实现通信。图 4 Win32 进程和 RTSS 进程软件功能示意图3.3 软件系统实现服务器端和显示终端控

16、制软件都基于 Windows2OOO+RTX6.O 的设计。Win32 程序采用 Boriand 软件公司的 C+Buiider6.O 开发完成。C+Buiider6.O 功能强大，类库丰富，实现简便，易于模块化继承，维护方便，开发效率高。RTSS 程序则在微软公司的 Visuai C+6.O 下使用 C 语言编写。显示终端程序的主界面如图 5 所示。图 5 实时仿真显示终端软件主界面4 实验结果针对某型号卫星的仿真要求，利用该系统对其某种情况下的姿态运动进行模拟，图 6 是其某阶段的实验曲线。分别为俯仰角、偏航角和滚动角的跟踪响应曲线。从图中可以看出系统响应曲线与指令曲线基本重合。这说明该系

17、统的实时性能满足实际实验需要。图 6 系统仿真结果5 结束语在实时仿真系统设计中，实时通讯设计是系统的仿真性能的关键问题之一，Windows+RTX 实时仿真系统运行平台既利用了 RTX 的实时性又充分结合了 Windows 良好的交互性。通过对 RTX 实时通讯特性的分析，结合该仿真系统的结构和功能，设计了基于 RTX 的卫星姿轨控实时仿真试验软件系统。实验证明，该软件系统完全满足实际仿真需求，在某型号卫星的实时仿真系统中得到了成功的应用。参考文献：1 张新邦，林来兴，索旭华.卫星控制系统仿真 J.计算机仿真，2OOO，17（2）：57-59.2 陈怀瑾.21 世纪航天与军事领域系统仿真技术

18、发展展望 J.系统仿真学报，1999，11（5）：326-34O.3 贺勇军，戴金海，李连军.多卫星系统综合建模与仿真环境的设计与实现 J.计算机仿真，2OO4，21（5）：28-31.4 赵懿，杨新，林宝军.基于 HLA 的卫星姿态控制系统数学仿真J.计算机仿真，2OO5，22（6）：46-49.5 夏红伟.飞行器姿态控制地面仿真试验系统设计 D.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2OO4.6 王宁强，刘向东.卫星姿态控制系统硬件在回路仿真研究 J.计算机仿真，2OO5，22（1O）：78-81.作者简介夏红伟（1979-），男（汉族），山东平度人，博士研究生，主要研究方向：实时系统仿真、智能控制

19、；凌明祥（1971-），男（汉族），黑龙江省哈尔滨人，博士后，讲师，主要研究方向：导航制导与控制、分布式仿真；曾庆双（1964-），男（汉族），吉林省抚余人，教授，博士生导师，中国计算机用户协会仿真应用分会理事，主要研究方向：惯性技术、网络控制；解伟男（1979-），男（汉族），黑龙江省哈尔滨人，博士研究生，主要研究方向：实时系统仿真、电机控制。24基于RTX的卫星姿轨控系统地面实时仿真系统基于RTX的卫星姿轨控系统地面实时仿真系统作者：夏红伟，凌明祥，曾庆双，解伟男，XIA Hong-wei，LING Ming-xiang，ZENG Qing-shuang，XIE Wei-nan作者单位：哈

20、尔滨工业大学,空间控制与惯性技术研究中心,黑龙江,哈尔滨,150001刊名：计算机仿真英文刊名：COMPUTER SIMULATION年，卷(期)：2006,23(9)被引用次数：6次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.贺勇军;戴金海;李连军 多卫星系统综合建模与仿真环境的设计与实现期刊论文-计算机仿真 2004(05)2.陈怀瑾 21世纪航天与军事领域系统仿真技术发展展望 1999(05)3.张新邦;林来兴;索旭华 卫星控制系统仿真期刊论文-计算机仿真 2000(02)4.王宁强;刘向东 卫星姿态控制系统硬件在回路仿真研究期刊论文-计算机仿真 2005(10)5.夏红伟 飞行器姿态控制地面

21、仿真试验系统设计学位论文 20046.赵懿;杨新;林宝军 基于HLA的卫星姿态控制系统数学仿真期刊论文-计算机仿真 2005(06)引证文献(7条)引证文献(7条)1.许志.唐硕 基于RTX实时环境的快速原型系统设计期刊论文-西北工业大学学报 2010(2)2.蒋志文 基于RTX的建模与实时仿真软件YH-RTSIM的设计期刊论文-计算机应用 2010(6)3.孙继红 RTX技术在半实物仿真中的应用及开发期刊论文-计算机仿真 2010(8)4.赵光权.马飞.刘旺 小卫星信号处理单元模拟器设计期刊论文-电子测量技术 2010(10)5.许志.林永生.解永锋.唐硕.原树兴 基于RTX的空面导弹制导控制系统快速原型仿真期刊论文-火力与指挥控制2010(12)6.张海静.陈怀民.马松辉.王亮 基于RTX的地形跟随实时仿真系统期刊论文-测控技术 2008(6)7.许志.林永生.解永锋.唐硕.原树兴 基于RTX的空面导弹制导控制系统快速原型仿真期刊论文-火力与指挥控制2010(12)本文链接：http:/