天文觀測衛(wèi)星動中探測機(jī)動測試系統(tǒng)設(shè)計

陳洪亮，羅榮蒸，譚志云，張若林，王英爽，劉鶴

1. 北京東方計量測試研究所，北京 100086 2. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094

面向天文觀測的空間科學(xué)衛(wèi)星是對空間中的目標(biāo)天體或天區(qū)進(jìn)行觀測，一般包括巡天掃描、定點觀測、小天區(qū)掃描觀測等工作模式[1]，除了要完成全天球掃描覆蓋以外，還需要對某些重要的局部小天區(qū)進(jìn)行深度成像觀測。小天區(qū)深度成像和巡天觀測相比，主要是增加對局部天區(qū)的觀測時間以達(dá)到更高的靈敏度，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更多的空間天文信息。為實現(xiàn)小天區(qū)掃描任務(wù)，面向天文觀測的某衛(wèi)星設(shè)計了小天區(qū)動中探測工作模式，觀測目標(biāo)為慣性空間某一有限張角的區(qū)域，通過整星姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)使載荷光軸指向沿行掃和軸向方向連續(xù)運(yùn)動，實現(xiàn)掃描覆蓋。為提高曝光深度，要求行掃速度為多級可調(diào)[如0.01(°)/s、0.03(°)/s、0.06(°)/s等]，行間隔為多級可選(如0.1°、0.2°、0.3°等)。該機(jī)動模式過程復(fù)雜、姿態(tài)實時變化、指標(biāo)要求更高，難以直接有效驗證。

系統(tǒng)級測試是地面開展的整星綜合測試，旨在驗證衛(wèi)星功能性能的符合性[2]，姿態(tài)機(jī)動能力的驗證評估是其重要環(huán)節(jié)。一些學(xué)者針對姿態(tài)機(jī)動開展了星上軌跡規(guī)劃算法研究和分析統(tǒng)級、系統(tǒng)級測試設(shè)計研究。文獻(xiàn)[3-4]分別設(shè)計了衛(wèi)星對地觀測模式和對日定向模式姿態(tài)機(jī)動控制律；文獻(xiàn)[5]考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效情況的不可預(yù)測性，設(shè)計了自適應(yīng)操縱律，實現(xiàn)了空間站的大角度姿態(tài)機(jī)動；文獻(xiàn)[6-7]設(shè)計了控制分系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，為姿態(tài)機(jī)動測試提供驗證環(huán)境；文獻(xiàn)[8]設(shè)計了主控機(jī)、動力學(xué)模型和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，滿足對地觀測敏捷衛(wèi)星分系統(tǒng)級姿態(tài)機(jī)動測試；文獻(xiàn)[9]針對利用姿態(tài)機(jī)動進(jìn)行天線方向圖測試問題，給出了地面操作及操作計劃制訂方法，并通過工程實際驗證了該方法的有效性；文獻(xiàn)[10]針對SGCMG群敏捷衛(wèi)星，提出一種姿態(tài)機(jī)動測試用例設(shè)計方法，實現(xiàn)了對SGCMG群敏捷機(jī)動能力與系統(tǒng)指標(biāo)的全面考核。上述研究完成了測試用例設(shè)計、可視化判讀基礎(chǔ)理論分析，構(gòu)建了對地觀測衛(wèi)星分系統(tǒng)級機(jī)動測試環(huán)境，但對于動中探測整星測試缺乏系統(tǒng)性研究。且空間科學(xué)衛(wèi)星具有慣性空間定向、適應(yīng)多種姿態(tài)機(jī)動觀測模式等特點，需在觀測不同類型天區(qū)時快速改變其觀測模式，傳統(tǒng)的對地觀測衛(wèi)星測試環(huán)境和測試方法難以對其進(jìn)行有效驗證。

本文根據(jù)某天文衛(wèi)星任務(wù)特點，分析其長期任務(wù)中姿態(tài)指向模式的約束條件，設(shè)計了動中探測姿態(tài)整星系統(tǒng)級機(jī)動測試環(huán)境，并通過對該系統(tǒng)完成衛(wèi)星整星多模式姿態(tài)機(jī)動測試，驗證了動中探測模式的有效性及其功能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

1 慣性空間動中探測工作模式

(1)巡天觀測模式

衛(wèi)星首要任務(wù)是獲得和繪制X射線天圖，其主要技術(shù)指標(biāo)是實現(xiàn)全天球掃描覆蓋。衛(wèi)星采用對日定向慢旋的方式實現(xiàn)全天球掃描覆蓋，星體某一軸對準(zhǔn)太陽，載荷光軸垂直于對日軸并使整星繞對日軸自旋，利用地球繞太陽公轉(zhuǎn)及衛(wèi)星繞本體軸的自旋實現(xiàn)對全天球的掃描覆蓋[11-13]。其觀測等效示意如圖1所示。

圖1 巡天觀測等效視運(yùn)動示意Fig.1 Diagram of sky survey observation equivalent motion

(2)小天區(qū)觀測模式

圖2 小天區(qū)掃描觀測原理示意Fig.2 Principle of small sky zone scanning observation

衛(wèi)星利用星載科學(xué)載荷對用戶感興趣的天體目標(biāo)進(jìn)行定點或區(qū)域掃描觀測。其中，利用小天區(qū)成像掃描觀測，完成對銀核等重要天區(qū)的深度成像觀測。小天區(qū)掃描觀測模式是對慣性空間中一個n°(n≤11)角半徑的圓區(qū)域進(jìn)行深度成像觀測，見圖2，其觀測中心位置、掃描半徑以及掃描速度、掃描行間距等掃描參數(shù)由用戶根據(jù)需求確定。掃描觀測時間通過掃描參數(shù)計算得到，從幾小時至幾天不等[14-16]。衛(wèi)星設(shè)計動中探測模式，通過整星姿態(tài)機(jī)動過程中開啟載荷工作實現(xiàn)深度小天區(qū)掃描。

2 整星測試環(huán)境設(shè)計

傳統(tǒng)姿態(tài)機(jī)動測試系統(tǒng)以針對靜態(tài)成像方式為主，通過地面注入固定的姿態(tài)機(jī)動目標(biāo)角度，從整星下傳的姿態(tài)遙測數(shù)據(jù)判斷星上算法設(shè)計的正確性。相對傳統(tǒng)測試系統(tǒng)，空間科學(xué)衛(wèi)星動中探測過程對測試驗證提出了新的要求：

1)姿態(tài)機(jī)動時刻與載荷工作實時關(guān)聯(lián)要求：傳統(tǒng)靜態(tài)的時刻注入方式無法滿足動中探測姿態(tài)信息與目標(biāo)任務(wù)之間的動態(tài)時序關(guān)系。

2)以慣性空間定向為基礎(chǔ)的動力學(xué)仿真模型：傳統(tǒng)對地觀測動力學(xué)模型無法適應(yīng)空間觀測任務(wù)。

3)測試數(shù)據(jù)分析與指標(biāo)符合性判讀的實時性與直觀性要求：傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法在對衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動能力評估時，主要進(jìn)行遙測數(shù)值或曲線判讀分析，重在對機(jī)動時間和穩(wěn)定度指標(biāo)上的考核，不能直接顯示衛(wèi)星在空間環(huán)境中的運(yùn)行狀況，數(shù)據(jù)判讀可觀性差，對動中探測過程中的姿態(tài)路徑規(guī)劃、掃描條帶與預(yù)期效果吻合度等系統(tǒng)效能評估無法實時有效判讀。

針對上述問題，設(shè)計了適用于慣性空間定向空間探測衛(wèi)星動中探測姿態(tài)機(jī)動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由閉環(huán)仿真平臺、自動化測試平臺和三維顯示判讀平臺三部分組成，如圖3所示。各部分主要功能描述如下：

1)閉環(huán)測試平臺：設(shè)計衛(wèi)星慣性空間定向姿態(tài)軌道動力學(xué)，經(jīng)星地接口采集星上執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號，通過動力學(xué)模型模擬星上環(huán)境變化，計算并輸出敏感器信號，信號經(jīng)過調(diào)理后發(fā)送至敏感器；同時，地面動力學(xué)、導(dǎo)航仿真器與星上測控、控制共同建立星地時間統(tǒng)一系統(tǒng)，以實現(xiàn)星上與地面閉環(huán)測試時序高度統(tǒng)一。

2)自動化測試平臺：開展測試用例的自動化編制與執(zhí)行，保證機(jī)動測試與載荷任務(wù)執(zhí)行時序統(tǒng)一。其中STS3000為新一代智能化測試平臺。

3)三維顯示判讀平臺：基于STK與Matlab軟件的雙向通訊技術(shù)，開發(fā)了基于STK的實時遙測可視化判讀系統(tǒng)。實時數(shù)據(jù)驅(qū)動下利用STK實現(xiàn)了遙測數(shù)據(jù)直觀、簡潔的可視化演示，給測試人員和設(shè)計人員以更形象的理解，實現(xiàn)航天器測試數(shù)據(jù)可視化實時三維判讀。

圖3 動中探測測試系統(tǒng)信息流圖Fig.3 Information flow of dynamic-exploration test system

各部分相互協(xié)調(diào)工作，完成姿軌控閉環(huán)測試、時間同步、測控通道和數(shù)據(jù)判讀分析四部分功能：

1)姿軌控閉環(huán)測試系統(tǒng)：動力學(xué)計算機(jī)負(fù)責(zé)星體動力學(xué)仿真，并將仿真結(jié)果與星上產(chǎn)品進(jìn)行實時交互，與星上控制產(chǎn)品形成閉環(huán)。

2)時間同步系統(tǒng)：以導(dǎo)航仿真器為核心，模擬導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行信息，將時間信息同時發(fā)送給主控計算機(jī)與星上導(dǎo)航接收設(shè)備，并通過數(shù)管發(fā)送給控制分系統(tǒng)控制器，由此建立動力學(xué)模型與星上控制器之間的時間同步系統(tǒng)。

3)遙測遙控閉環(huán)通道系統(tǒng)：總控服務(wù)器為測控通道地面核心設(shè)備，負(fù)責(zé)將指令發(fā)送給星上設(shè)備及地面閉環(huán)設(shè)備，同時解析接收下星遙測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；數(shù)管計算機(jī)為測控星上部分核心設(shè)備，負(fù)責(zé)將指令分發(fā)給相應(yīng)設(shè)備，同時收集各分系統(tǒng)遙測信息，發(fā)送至地面系統(tǒng)。

4)數(shù)據(jù)分析判讀系統(tǒng)：測試主操作計算機(jī)為人機(jī)交互界面和可視化判讀平臺，測試人員通過操作計算機(jī)進(jìn)行與總控服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，完成指令發(fā)送與遙測判讀任務(wù)，以及三位實時場景判讀任務(wù)。

2.1 慣性空間定向目標(biāo)姿態(tài)模型

小天區(qū)掃描模式要求控制星體+X軸指向局部天區(qū)進(jìn)行逐行掃描，因此目標(biāo)坐標(biāo)系隨時間變化。如圖2所示，定義局部天區(qū)大小為A×B；定義l為給定的空間指向(衛(wèi)星質(zhì)心指向局部天區(qū)中心的方向矢量)，s為衛(wèi)星質(zhì)心指向太陽的方向矢量，掃描角速度為 Δω，則小天區(qū)掃描模式的目標(biāo)坐標(biāo)系為：

局部天區(qū)中心目標(biāo)坐標(biāo)系相對于慣性系的方向余弦陣為：

式中：(X)ECI為矢量X在慣性系上的投影。

局部天區(qū)中某一點的目標(biāo)坐標(biāo)系相對于慣性系的方向余弦陣為：

Cti=Cy(-B/2)Cz(-A/2)Ct

式中：Cz，Cy分別為目標(biāo)點相對于天區(qū)中心繞星體Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的方向余弦陣。

記ΔA，ΔB為繞星體Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的角度， Δt為控制周期，則掃描邏輯為：

ΔA=ΔA+Δω·Δt，ΔB=ΔB+Δω·Δt

下一時刻目標(biāo)坐標(biāo)系相對與慣性系的方向余弦陣為：

Ct2i=Cz(ΔA)Cy(ΔB)Cti

2.2 星地時間統(tǒng)一設(shè)計

為了滿足姿態(tài)機(jī)動時刻與載荷工作實時關(guān)聯(lián)要求，設(shè)計了由BD2和GPS組成的高動態(tài)時間信號模擬源。主要用于整星校時，并為整星提供高精度的定位、定軌數(shù)據(jù)，以提高遙感數(shù)據(jù)事后分析的精度要求。通過BD2-GPS高動態(tài)信號模擬源可以模擬產(chǎn)生高動態(tài)的GPS L1/L2和BD2 B1/B2/B3衛(wèi)星導(dǎo)航信號，從而完成對GPS接收機(jī)和BD2接收機(jī)的性能指標(biāo)測試，同時還能滿足遙感衛(wèi)星在整星電測期間的模飛測試需求。該設(shè)備能夠?qū)?dǎo)航接收機(jī)的信號捕獲能力以及整星電測期間星上設(shè)備的定位、定軌精度進(jìn)行驗證。

圖4 時間信號模擬源信息流圖Fig.4 Schematic diagram of time signal simulation source

模擬源由數(shù)學(xué)仿真模塊、中頻信號生成模塊和射頻模塊組成：

1)數(shù)學(xué)仿真模塊：時空系統(tǒng)仿真，包括時間系統(tǒng)的仿真和坐標(biāo)系統(tǒng)的仿真；載體軌跡仿真，模擬載體的運(yùn)動，并生成載體的坐標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)輸入的目標(biāo)高動態(tài)運(yùn)動特性模擬高動態(tài)對導(dǎo)航接收機(jī)的影響；軌道攝動仿真，根據(jù)衛(wèi)星在圍繞地球運(yùn)動的過程中受到多種作用力的影響；載體運(yùn)動仿真，主要仿真載體運(yùn)動軌跡信息與載體姿態(tài)信息；星座仿真：主要實現(xiàn)BD、GPS系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航的仿真，仿真衛(wèi)星以及載體的運(yùn)動姿態(tài)，空間環(huán)境等信息。

2)中頻信號生成模塊：能夠產(chǎn)生獨立的BD2 B1、B2、B3頻點的中頻信號；能夠產(chǎn)生獨立的GPS L1、L2頻點的中頻信號。由BD2中頻信號生成單元、GPS中頻信號生成單元、控制單元和時鐘頻率綜合單元組成。

3)射頻模塊：完成將中頻輸入的BD2 B1、B2、B3頻點QPSK擴(kuò)頻調(diào)制信號，GPS L1、L2頻點QPSK信號進(jìn)行上變頻處理、功率調(diào)整，最終得到相應(yīng)的射頻信號。

2.3 實時遙測可視化判讀設(shè)計

可視化判讀系統(tǒng)以成熟的STK仿真軟件作為演示環(huán)境，在Matlab中處理機(jī)動過程遙測，并發(fā)送給STK相關(guān)演示指令，利用Matlab與STK之間的接口模塊[17-18]，驅(qū)動STK運(yùn)行，實現(xiàn)姿態(tài)機(jī)動過程實時場景顯示。STK與Matlab的通信主要是通過兩個模塊，其中STK/Connect模塊提供了一種使用客戶機(jī)/服務(wù)器端方式連接STK的快捷工作方式。STK/Connect設(shè)計用于給第三方的應(yīng)用程序提供一個向STK引擎發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)的通信路徑。STK/Connect允許打開Microsoft COM或者TCP/IP到STK的連接，發(fā)送STK/Connect指令，接收STK的數(shù)據(jù)，完成后關(guān)閉連接。STK/Connect也提供一個消息功能以用戶定義的方式來輸出錯誤和診斷信息。另外，STK本身的STK/Matlab接口在STK和Matlab之間提供了一個雙向的通信路徑，在Matlab工作區(qū)通過Connect模塊以TCP/IP協(xié)議代開STK端口。利用超過150個Matlab指令，如使用STK支持的分析功能一樣，Matlab的用戶可以使用STK的功能對軌道、彈道、軌跡進(jìn)行建模與分析。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Matlab與STK連接的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 System structure of connected Matlab and STK

3 整星姿態(tài)機(jī)動方案驗證

采用本文設(shè)計的整星級測試方案，對動中探測姿態(tài)機(jī)動模式進(jìn)行驗證。以機(jī)動到某目標(biāo)位置并進(jìn)行小天區(qū)掃描為例：目標(biāo)赤經(jīng)-5.678°，赤緯-11.45°，掃描速度0.06(°)/s，間隔0.1°，邊長5°。

圖6為動中探測機(jī)動過程中截取的三維實時顯示場景效果圖像，能直觀判斷機(jī)動過程。圖7為小天區(qū)掃描過程，機(jī)動到目標(biāo)位置(-506 78°，-11.45°)后，以0.1°間隔進(jìn)行掃描，邊長為5°，掃描到位后返回反向掃描，與設(shè)計狀態(tài)一致。圖8為掃描過程中的行掃角速度，與設(shè)計值一致。

圖6 機(jī)動過程三維顯示Fig.6 Attitude maneuver 3D display

圖7 行掃過程Fig.7 Scanning process

圖8 行掃角速度Fig.8 Scanning angular velocity

4 結(jié)束語

本文針對天文觀測空間科學(xué)衛(wèi)星動中探測技術(shù)設(shè)計了系統(tǒng)級測試方案，建立了慣性空間目標(biāo)姿態(tài)計算算法、星地時統(tǒng)系統(tǒng)和可視化顯示系統(tǒng)，以有效驗證動中探測機(jī)動功能性能與在軌使用需求的符合性。經(jīng)整星系統(tǒng)級測試試驗驗證可知，該方案提升了姿態(tài)機(jī)動測試系統(tǒng)的適用性和判讀直觀性，可對動中探測機(jī)動功能進(jìn)行全面驗證，測試覆蓋性全面，測試數(shù)據(jù)充分、有效，可為后續(xù)空間科學(xué)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動測試提供理論和實踐參考。