Содержание

1. Введение. - 3 -

2. Имеющиеся аналоги. - 3 -

2.1 Исторический обзор. - 3 -

2.2 Современное состояние проблемы.. - 6 -

2.3 Компьютерное моделирование. - 12 -

2.4 Резюме. - 13 -

3. Стенд полунатурного моделирования в ИПМ им.М.В.Келдыша РАН.. - 14 -

3.1 Имитатор геомагнитного поля. - 16 -

3.1.1 Катушки Гельмгольца. - 16 -

3.1.2 Система управления имитатором геомагнитного поля. - 17 -

3.1.3 Струнный подвес. - 19 -

3.2 Макет. - 19 -

3.2.1 Бортовой вычислитель. - 19 -

3.2.2 Датчики системы определения ориентации. - 21 -

3.2.2.1 Магнитометр Honeywell HMR2300. - 21 -

3.2.2.2 Солнечный датчик. - 22 -

3.2.3 Исполнительные элементы системы стабилизации. - 22 -

3.2.3.1 Электромагнитные катушки. - 22 -

3.2.4 Система энергопитания. - 23 -

3.2.5 Система беспроводной связи. - 24 -

3.2.6 Компоновка макета. - 24 -

3.2.7 Принцип работы.. - 25 -

4. Программное обеспечение MicrosatelliteModeler - 26 -

5. Принцип работы стенда. - 27 -

6. Заключение. - 30 -

7. Литература. - 30 -

1. Введение

Практически любой проект по созданию малого спутника требует минимизации расходов на его проектирование и эксплуатацию. Существенная экономия этих расходов имеет место при правильном выборе проектных характеристик спутника, а также оптимизации его систем на начальной стадии проектирования. При этом очень важно суметь правильно оценить состав и характеристики системы определения ориентации и стабилизации, а это, в свою очередь, трудно сделать без моделирования. При этом большую роль играет математическое и компьютерное моделирование, но очень важно на первых же этапах проверить их работу, реализуемость и эффективность на практике для конкретной аппаратной реализации. Для этого требуется наземный испытательный стенд. Его целесообразно использовать, в частности, для функциональной отработки бортовой системы управления ориентацией на ранних стадиях проектирования. Он также может быть полезен как учебная база для студентов, занимающихся проблемами ориентации ИСЗ.

Необходимость в наземной отработке алгоритмов управления ориентацией привела к созданию стенда полунатурного моделирования в ИПМ им. М.В. Келдыш РАН. Он состоит из имитатора магнитного поля и макета, подвешенного на струне. Струнный подвес реально обеспечивает имитацию одной степени свободы (вращение макета в горизонтальной плоскости) или, в случае совпадения точки подвеса с центром масс, трех вращательных степеней свободы. Использование двух стендов дает принципиальную возможность изучения относительного движения двух объектов управления, что представляет интерес в рамках задачи совместного полета нескольких спутников (конфигурация formation flying).

2. Имеющиеся аналоги

2.1 Исторический обзор

Стенды для отработки систем управления ориентацией спутников появились в 60-х годах прошлого века. Использовались они как на промышленных предприятиях, так и в университетах. Как правило, они решали задачи отработки систем определения ориентации твердого тела, имеющего три степени свободы, т.е. способного вращаться вокруг закрепленной точки. На теле (макете) устанавливались датчики определения ориентации, исполнительные элементы и система, отвечающая за логику управления. Поворот вокруг точки обеспечивалась в подавляющем большинстве случаев т.н. воздушным, или аэродинамическим, подвесом (рис.1). Воздушный подвес представляет собой сферический подшипник, в котором вместо смазки используется струя газа, подающаяся под давлением системой подачи. Особенность таких подвесов заключается в требуемой точности изготовления сопряженных поверхностей подшипников, используемых в таких системах; она составляет тысячные доли миллиметра. Состоит подшипник из чашки (сталь, алюминий), в которую под давлением подается сжатый газ; шарнира и системы арретиров, поддерживающей макет при снятии давления. По данным [1] диаметр шарнира в известных к концу 60-х годов системах варьировался в диапазоне 70-500 мм, нагрузки - от 13 до 7000 кг. Давление газа в системе подачи составляло от 0.4 до 20 бар, расход - от 0.15 до 6 м³/мин. Момент от силы трения в таких системах составлял от 0.003 до 10 Н*м. Что касается обеспечения подвижности, то, как правило, такой подвес позволял одной из осей поворачиваться на 360°, по двум другим осям углы поворота могли составлять от 30 до 120°.

Рис. 1. Принцип действия аэродинамического подвеса

В работе [2] дано описание одной из первых систем полунатурного моделирования на аэродинамическом подвесе, используемой в Исследовательском центре Лэндли, США (Langley Research Center). На макете спутника (рис. 2) имелись три маховика, магнитная система для разгрузки; система определения ориентации состояла из 12 фототранзисторов, а также тахометров, измеряющих скорость вращения маховиков; законы управления были реализованы в составе т.н. логического блока. Задачей стенда были демонстрация устойчивой работы системы управления, и отработки алгоритмов стабилизации. Интересная особенность в том, что система не была полностью автономной; питание на макет подавалось от внешнего источника с использованием очень тонких проводов длиной около 3 м, идущих сверху. В качестве источников света использовались 150-ватные прожекторы. Масса макета составляла вместе с магнитной системой разгрузки маховиков 45 кг. Магнитная система состояла из постоянных магнитов, а разгрузка маховиков осуществлялась путем поворота нужного магнита в нужную сторону с использованием сервомоторов.

Рис. 2. Макет спутника в Исследовательском центре Лэндли, США

В Космическом центре им.Годдарда, США (Goddard Space Flight Center) существовала система имитационного натурного моделирования магнитного поля Земли (рис. 1, [3]), используемая для калибровки магнитометров Она представляла из себя три пары ортогональных катушек Гельмгольца (рис. 3), с характеристиками, приведенными в табл. 1.

Таблица 1. Параметры имитатора геомагнитного поля в Центре Годдарда, США

Рис. 3. Общий вид имитатора геомагнитного поля в Центре Годдарда, США

Упоминание об одной из первых установок полунатурного моделирования  для образовательных целей, созданной в Стенфордском университете в 1975г., имеется в работе [4].

2.2 Современное состояние проблемы

Такие факторы, как возможности современных вычислительных машин, датчиков, их миниатюризация; создание мощных программных комплексов имитационного моделирования; наконец, коммерческая доступность функциональных аналогов космических систем дали новый толчок к развитию систем полунатурного моделирования. Эти системы стали называть «программными имитаторами с элементами аппаратуры в контуре управления» (hardware-in-the-loop simulation). Имеются также другие подходы, используемые на разных стадиях проектирования: т.н. «модель в контуре управления» (model-in-the-loop, MiL), «процессор в контуре управления» (processor-in-the-loop, PiL), «алгоритм управления в контуре моделирования» (control software in the loop, SiL).

Первый пример одной из таких систем - стенд для первоначальной отработки алгоритмов взаимного движения на плоскости двух автономных объектов SPHERES (Syncronized Position Hold, Engage and Reorient Experimental Satellites), созданный в 2003г. студентами Массачусетского технологического университета, США. Для обеспечения поступательного и вращательного движения объектов они использовали аэродинамическую систему [5], по принципу действия аналогичную аэрохоккею.

Имитатор трехосного движения и управления спутника [6], разработанный в 1995 г. в Научно-исследовательской лаборатории Высшей военно-морской школы США (Naval Postgraduate School (USNA), Optical Relay Spacecraft Laboratory), представляет собой платформу на аэродинамическом подвесе, в

Рис. 4. Один из аппаратов SPHERES во время испытаний на плоскости

состав которой входят три маховика, двигатели на сжатом газе, гироскоп, магнитометр и оптический датчик ориентации. Масса платформы около 200 кг, поворот в горизонтальной плоскости может составлять 360°, по двум другим углам ±45°. Цель создания стенда - отработка систем передачи данных между спутниками с использованием лазерного излучения.

Рис. 5. Один из разработчиков имитатора трехосного движения в USNA

Кроме того, студенты USNA используют в лабораторной практике также макеты полунатурного моделирования для изучения основ проектирования систем управления ориентацией микроспутников. Для лабораторного практикума создано несколько специальных макетов (LABSat), каждый из которых предназначен для экспериментов с одной конкретной системой [7]. Для исследования систем управления ориентацией имеются макет с магнитной системой стабилизации, системой стабилизации маховиками, системой управления микрореактивными двигателями.

Рис. 6. Макет в USNA для отработки микрореактивных двигателей

Рис. 7 Макет в USNA для отработки магнитной системы стабилизации

В Политехническом университете штата Вирджиния (США) разработана на базе коммерчески доступных элементов аэродинамической подвески компании Space Electronics Inc. (Германия) система имитационного моделирования, состоящая из двух макетов [8]. Первый, меньший по размерам макет (Whorl-I) представляет собой платформу массой 135 кг, имеющую три степени свободы: вращение в горизонтальной плоскости не ограничено, отклонения по наклону ограничены углами ±5°. Макет оснащен тремя маховиками, трехосным акселерометром и двухосным датчиком наклона; имеется система балансировки центра масс; питание осуществляется от аккумуляторных батарей.

Большой макет (Whorl-II), разработанный чуть позже [9,10], чем Whorl-I, несет платформу массой 169 кг (рис. 9, 10, 11). Поворот в горизонтальной плоскости не ограничен, по наклону максимальное возможное отклонение составляет ±30°. Аппаратный состав платформы практически не отличается от Whorl-I.

Рис. 8. Макет Whorl-I

Рис. 9 Макет Whorl-II

Система для отработки систем управления ориентацией создана и в Лаборатории дистанционного зондирования и технологий Института географии, Мексика [12]. Она представляет собой платформу (рис. 12), установленную на аэродинамическом подвесе, диаметром 76 мм, массой 35 кг, с тремя степенями свободы (полный оборот вокруг вертикали, наклоны до ±50°). В приборный состав платформы входят гироскопы для измерения угловой скорости; акселерометры; трехосный магнитометр; датчик солнца; 4 датчика Земли; маховики с тахометрами; магнитные катушки; используется беспроводная связь с макетом; особое внимание уделено системе его балансировки.

Система, аналогичная Whorl-II, имеется также в Мичиганском университете, США [11], (рис. 11).

Рис. 10. Система из двух макетов Whorl-I и Whorl-II

Рис. 11. Макет в Мичиганском университете почти полностью аналогичен Whorl-II

Рис. 12. Макет в Лаборатории дистанционного зондирования и технологий Института географии, Мексика

Специально для тестирования магнитной системы ориентации микроспутника SMART был создан стенд в Университете Federico II в Неаполе, Италия (SMAFIS-Space Magnetic Field Simulator) [13]. Он предназначен для калибровки магнитных катушек и магнитометра, функциональной отработки магнитной системы стабилизации, изучение взаимодействия аппарата с магнитным полем. Движение вокруг центра масс обеспечивала система на воздушном подвесе MADS (Microsatellite Attitude Dynamics Simulator). 

Рис.13. Имитатор геомагнитного поля в Университете Federico II Неаполя

Основные характеристики стенда приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики имитатора геомагнитного поля SMAFIS

2.3 Компьютерное моделирование

Параллельно с созданием полунатурных стендов существует и чисто компьютерный подход к исследованию движения спутника, с той или иной детализацией моделирующий условия космического пространства, динамику вращения аппарата, условия работы датчиков, бортовых систем  и исполнительных элементов спутника. Существует большое число программных комплексов, пакетов и тренажеров, специально созданных для тех или иных задач, адаптированных после использования в нескольких проектах или созданных с нуля. Если говорить о микроспутниках, то, как правило, эти программные средства –специально разработанные приложения, написанные на языках высокого уровня, или пакеты, разработанные в среде Simulink/Matlab. Есть даже проекты систем с открытыми исходными кодами, продолжить разработку которых могут все желающие [14].

В качестве примера реализации в среде MATLAB приведем систему ConSat [15], построенную на базе Simulink и использованную в проекте создания микроспутника PoSAT-1.

Рис. 14. Пользовательский интерфейс приложения ConSat

Пакет имитирует, во-первых, динамику поступательного и вращательного движения спутника; во-вторых, все основные условия внешней среды, действующие на спутник, находящийся на орбите; моделирует работу датчиков системы определения ориентации: магнитометра, солнечного датчика, датчика Земли. В качестве исполнительных элементов моделируются магнитные катушки и маховики. Пакет дает возможность пользователю встраивать собственные алгоритмы, имеет развитый пользовательский интерфейс (рис.14).

Приведем и примеры систем типа «Алгоритм управления в контуре моделирования» (SiL). Их особенность в том, что в контур управления могут входить бортовой компьютер и некоторые подсистемы, однако реально работающие органы управления и датчики ориентации заменены на программные модели, имитирующие их реальное поведение.

Программный комплекс MDVE (Model-based Development and Verification Enviroment), созданный компанией Astrium, предназначен для комплексной отработки бортовых алгоритмов в режиме реального времени, взаимодействия с наземной станцией управления спутника; проверкой системы сбора телеметрии. Для решения каждой конкретной задачи должна быть выполнена его специальная адаптация. Например, MDVE был адаптирован для решения задачи отработки системы управления микроспутника Flying Laptop (рис. 15) [16].

Рис.15. Схема имитации системы управления Flying Laptop

Программный имитатор AttSim создан на языке высокого уровня C и предназначен специально для чисто программной отладки алгоритмов управления ориентацией микроспутников [17]. Создан он с тем расчетом, чтобы исходные коды, созданные пользователем в рамках проекта, легко могли быть адаптированы под конкретный процессор бортовой вычислительной машины спутника. Пакет реализует модели магнитного поля IGRF, модель атмосферы MSIS86, имитирует алгоритмы стабилизации с использованием маховиков, двигателей малой тяги, датчиков солнца и звездной камеры.

2.4 Резюме

Обзор литературы показывает, что стенды полунатурного моделирования используются достаточно широко как в промышленности, так и в учебных заведениях, играют важную роль в проектировании, моделировании систем реальных спутников, обучении студентов созданию и испытаниям систем в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации.

Системы компьютерного моделирования также играют важную роль в тестировании систем спутников. Они широко используются на самых разных стадиях разработки: при оценке проектных параметров аппарата в целом, его систем, алгоритмов и т.д.

Рис. 16. Интерфейс приложения AttSim

Очевидно, между этими двумя классами систем нет четкой границы: чисто компьютерные модели являются основой для построения программного обеспечения, используемого в стендах полунатурного моделирования. Поэтому следует в отдельной работе рассмотреть математические основы программного обеспечения, используемого для моделирования систем управления ориентацией микроспутников.

3. Стенд полунатурного моделирования в ИПМ им.М.В.Келдыша РАН

Основной задачей создания стенда полунатурного моделирования является отработка систем управления ориентацией микро- и наноспутников [18]-[21]. Приведем требования, предъявляемые при его проектировании:

- обеспечение возможности моделирования геомагнитного поля; при этом стенд должен обеспечить максимальную зону однородности магнитного поля при минимизации потребляемой мощности; значения модельной индукции должны превышать фон на порядок; необходимо иметь возможность изменения вектора индукции по заданному закону, имитируя поле в орбитальной системе координат;

- обеспечение возможности сборки и проверки нескольких функциональных аналогов системы управления ориентацией малого аппарата; в них должны входить те же компоненты, что и в составе реальных объектов управления;

- использование в конструкции коммерчески доступных компонент: датчиков, исполнительных элементов, вычислителя и т.д.;

- обеспечение возможности проведения испытаний макетов массой до 10 кг, габаритами до 100х100х100 мм;

- небольшая масса и габариты, чтобы стенд мог поместиться в помещении лаборатории.

При проектировании стенда также требовалось, чтобы он обеспечивал по возможности большее число степеней свободы макета и исключал внешние немоделируемые возмущающие факторы. Как следствие, потребовалось автономное питание макета от аккумуляторных батарей, а также его беспроводное управление.

Рис.17. Общий вид стенда в ИПМ им.М.В.Келдыша РАН

Обзор литературы по существующим аналогам показал, что почти всем из перечисленных условий удовлетворяет конструкция, основу которой составляют имитатор геомагнитного поля в виде катушек Гельмгольца, и макет, подвешенный на упругой струне (рис. 17). Далее рассмотрим отдельно каждую систему стенда.

3.1 Имитатор геомагнитного поля

3.1.1 Катушки Гельмгольца

Общий вид системы катушек Гельмгольца приведен на рис. 18. Основные характеристики имитатора приведены в таблице 3.

Рис. 18. Катушки Гельмгольца в сборе (вид спереди)

Таблица 3. Основные характеристики катушек Гельмгольца

Согласно [22], степень неоднородности поля, о которой идет речь в таблице, выполняется в объеме, ограниченном сферой радиусом r=0.15a_c (рис. 19). Напомним, степенью неоднородности модуля напряженности поля называется отношение отклонения модуля напряженности от номинального значения к номинальному значению

Рис.19. К определению зоны однородности моделируемого поля

Назовем степенью неоднородности направления поля угол между вектором напряженности номинального поля и действительного поля в точке:

3.1.2 Система управления имитатором геомагнитного поля

Общая схема управления катушками имитатора представлена на рис. 20.

Рис. 20. Схема управления катушками имитатора геомагнитного поля

В состав системы входят три широтно-импульсных модулятора (ШИМ) MoviPower, интерфейс управления ШИМ URC201, два блока питания и персональный компьютер. Специальное программное обеспечение, установленное на персональном компьютере, рассчитывает требуемую величину магнитной индукции, которую должен генерировать имитатор, и, используя известную характеристику B(I) (зависимость величины индукции от силы тока), выдает команды интерфейсу управления ШИМ установить заданную величину силы тока в катушках. В соответствии с этой командой интерфейс выдает усилителю ШИМ кодовое слово, устанавливающее скважность модуляции импульсов тока, подаваемых на обмотки соответствующей катушки. Величина индукции, генерируемой катушкой, обратно пропорциональна скважности подаваемых на ее обмотку импульсов тока.

Рис.21.Плата управления (слева) и схема подключения усилителей ШИМ и платы управления URC201

Один из блоков питания (силовой) обеспечивает работу усилителей MoviPower. Второй (лабораторный) используется для питания плат управления.

Каждая катушка управляется независимо от остальных. Интерфейс управления катушек от компьютера RS232. О специальном программном обеспечении пойдет речь далее. Подключение усилителей MoviPower и платы URC201 показано на рис.21.

Для запуска процесса моделирования оператор включает компьютер управления стендом, блок системы управления катушками (рис.22), запускает приложение MicrosatelliteModeler, настраивает его для работы со стендом. Затем, используя графический интерфейс, он выбирает требуемый закон изменения вектора магнитной индукции моделируемого поля (например, изменение поля в орбитальной системе координат) и требуемый

Рис.22. Блок управления катушек стенда. (1) – светодиодные индикаторы платы управления; (2) – плата управления; (3) – силовой кабель; (4) – кабель управления от ПК; (5) – усилители мощности; (6) индикатор напряжения

масштабный коэффициент моделирования (ускорение или замедление изменения поля по сравнению с реальностью). После этого он запускает процесс имитации нажатием в приложении кнопки Старт и далее контролирует изменение компонент поля по показаниям магнитометра и амперметрам системы измерения токов в катушках.

3.1.3 Струнный подвес

Основные характеристики струны приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики струнного подвеса

3.2 Макет

3.2.1 Бортовой вычислитель

Выбор компьютера для макета продиктован следующими требованиями:

- минимальные габариты и энергопотребление;

- наличие интерфейсов типа RS232, USB;

- достаточно мощный процессор и большой объем диска;

- доступность на отечественном рынке, небольшая стоимость;

- отсутствие движущихся частей, таких как вентиляторы охлаждения и приводы жестких дисков;

- максимально удобная, доступная система разработки, отладки и выполнения программ.

Обзор показал, что найти систему, полностью удовлетворяющую всем требованиям, невозможно, однако близкими характеристиками обладает одноплатный компьютер JREX-CE 3.5 фирмы Kontron (таблица 5, рис.23).

Табица.5. Основные характеристики бортового компьютера  JREX-CE 3.5

Плата удовлетворяет всем перечисленным требованиям, за исключением количества интерфейсов; однако, используя дополнительное оборудование (USB-хаб), можно обеспечить подключение до восьми USB устройств (в т.ч. используя переходники USB-RS232), что вполне достаточно в ближайшей перспективе. Основным же достоинством платы является то, что на ее диске можно инсталлировать операционную систему - клон Windows XP, используемый в промышленной автоматике - Windows XP Embedded. Это дает преимущества перед остальными системами, такие как поддержка на уровне системы периферийных устройств типа Bluetooth или Wi-Fi, стека протоколов TCP/IP, возможность написания и отладки программ в стандартной среде разработки типа Visual C++, удобство управления макетом через привычную графическую оболочку Windows средствами удаленного администрирования типа Remote Desktop. Windows XP Embedded не является системой реального времени, но исследование показало, что на борту макета нет критических ко времени исполнения процедур, требующих поддержки жесткого реального времени, подобно тому как это сделано  в ОС QNX, ECOS, RTLinux и т.д.

Рис.23.  Одноплатный компьютер JREX-CE 3.5

3.2.2 Датчики системы определения ориентации

Выбор датчиков был обусловлен требованиями минимизации габаритов, массы, наличием цифрового последовательного интерфейса типа RS232, возможностью приобретения в сжатые сроки [23]. Датчики являются наиболее дорогостоящими компонентами системы. В настоящее время в составе макета их два: магнитометры и датчик солнца.

3.2.2.1 Магнитометр Honeywell HMR2300

Основные характеристики прибора компании Honeywell (США):

•         точность, в диапазоне ±1 Гаусс, <0.5% полной шкалы;

•         разрешение в диапазоне измерений ±2 Гаусса, <70 μГаусс;

•         трехосный, цифровой выход;

•         частота опроса от 10 до 154 Гц, программируемая;

•         интерфейс RS-232;

•         масса 28 г. без корпуса, 94 г. в алюминиевом корпусе;

•         напряжение питания 6..15В.

Рис. 24. Магнитометр HMR2300

В составе стенда используются два магнитометра (рис.24). Один в составе макета, второй – для контроля работы имитатора магнитного поля.

3.2.2.2 Солнечный датчик

Основные характеристики солнечного датчика, изготовленного в омском КБ «Полет»:

•         масса         55 г;

•         энергопотребление      0.13 Вт;

•         габаритные размеры 55×60×50 мм;

•         поле зрения:       верхняя полусфера (с двумя приборами);

•         напряжение питания: 4,5..5,5 В;

•         точность определения положения солнца: 2°;

•         интерфейс: CAN-2B.

Рис. 25. Датчик солнца

На макете установлены два солнечных датчика (рис. 25). В этом случае суммарное поле зрения составляет около 180°.

3.2.3 Исполнительные элементы системы стабилизации

В качестве исполнительных элементов системы управления ориентацией на макете используются магнитные катушки и двигатель-маховик. Кроме того, макет может быть оснащен пассивными элементами системы стабилизации - постоянным магнитом и гистерезисными стержнями.

3.2.3.1 Электромагнитные катушки

Рис.26. Электромагнитная катушка макета

Основные характеристики катушек приведены в таблице 6.

Таблица 6. Характеристики электромагнитных катушек макета

На макете установлено три ортогональных катушки (рис.26). Принцип действия, схема подключения системы управления катушек аналогичен управлению катушками имитатора геомагнитного поля. Отличие только в том, что используются менее мощные усилители ШИМ. Управление катушек ведет бортовой компьютер по интерфейсу RS232.

3.2.4 Система энергопитания

Все системы и датчики макета требуют номиналов напряжений или 5В, или в диапазоне 6..15В (таблица 8). Максимальный потребляемый ток всех систем (таблица 7) составляет около ампера. Отсюда возникают требования к системе энергопитания макета – блоку распределения напряжений (рис. 27) и аккумуляторным батареям. Основные характеристики СЭП приведены в таблице 8.

Таблица 7. Характеристики системы энергопитания

Таблица 8. Характеристики систем макета

Рис. 27. Система управления питанием макета

3.2.5 Система беспроводной связи

Для обеспечения беспроводной связи между ПК управления стендом и макетом используются коммерчески доступные устройства Wi-Fi связи. Основные характеристики такого устройства приведены в таблице 9.

Таблица 9. Характеристики системы беспроводной связи между макетом и персональным компьютером

3.2.6 Компоновка макета

Макет представляет собой «этажерку» (рис.29), т.е. набор деревянных плат (рис.28), помещенных друг над другом с использованием деревянных же направляющих и специального крепежа. Каждая плата используется для установки отдельной системы. К настоящему времени имеются шесть плат (рис.30): системы энергопитания, компьютера, системы управления катушками, двигателя-маховика, датчиков определения ориентации, вспомогательная плата. Такая компоновка выбрана для минимизации габаритов, простоты сборки/разборки макета и установки отдельных компонент и систем.

Рис. 28. Универсальная плата. Из таких плат собрана «этажерка» макета

Рис. 29. Общий вид макета в сборе

3.2.7 Принцип работы

При включении питания макета напряжение от аккумуляторных батарей подается все его системы. С компакт-флеш-диска бортового вычислителя загружается операционная система Windows XP Embedded. Далее, с использованием утилиты Управления рабочего стола (Remote Desktop) с персонального компьютера управления стендом оператор осуществляет  подключение к компьютеру макета и видит его рабочий стол на своем мониторе. Там он запускает приложение MicrosatelliteModeler, с этого момента и начинает процесс моделирования.

Рис.30. Схема макета. 1 – датчик солнца; 2- магнитометр; 3 – система управления магнитными катушками (на рис. не показаны); 4 – бортовой компьютер; 5 – аккумуляторные батареи и плата СЭП; 6 – двигатель-маховик; 7 – вспомогательная плата

Программное обеспечение MicrosatelliteModeler опрашивает датчики системы определения ориентации, обрабатывает полученные измерения и, в соответствии с заложенными законами управления, выдает команды исполнительным элементам системы стабилизации. Возникающий благодаря им управляющий момент, воздействуя на макет, заставляет изменяться его угловую скорость вращения в горизонтальной плоскости согласно реализованным в контуре управления алгоритмам.

4. Программное обеспечение MicrosatelliteModeler

Программное обеспечение стенда объединяет все его аппаратные ресурсы в единую систему. Основные требования к нему, сформулированные на стадии проектирования:

- должно быть создано на языке высокого уровня, желательно с использованием технологий объектно-ориентированного программирования;

- должно быть простым в разработке, отладке, с доступной средой разработки;

- должно быть модульным с возможностью простого выделения кода, реализующего функционал тех или иных моделей или алгоритмов, для его переноса под конкретную реализацию на реальной вычислительной машине;

Функциональные требования к ПО включают:

- простоту организации связей типа «control softwate in the loop», «hardware in the loop» между функциональными блоками объектов моделирования;

- возможность проведения чисто компьютерного моделирования вращательного и поступательного движения спутника на орбите под управлением разных алгоритмов; наличие широкого спектра моделей внешней среды, алгоритмов управления и обработки данных измерений датчиков; численных методов решения систем уравнений движения; моделей прогноза движения спутника по орбите.

- гибкость в настройке, удобный графический интерфейс.

Исходя из этих требований, было разработано программный комплекс MicrosatelliteModeler (рис. 31), предназначенный как для управления имитатором магнитного поля, так и служебными системами макета. Он является распределенным приложением, работающим и на стороне макета (серверная часть), и на стороне ПК управления (клиентская часть), объединяя все аппаратные ресурсы стенда в единую систему полунатурного моделирования.

MicrosatelliteModeler реализует следующие возможности по численному моделированию:

- расчет движения спутника по околоземной орбите и параметров космического пространства вдоль трассы полета;

- интегрирование уравнений вращения аппарата вокруг центра масс;

- реализация различных алгоритмов стабилизации и определения ориентации аппарата;

- расчет баланса энергии на борту;

- анализ режимов работы спутника и переходов между ними;

- имитация работы датчик, обработка результатов измерений;

по управлению макетом:

- управляет системой стабилизации макета (катушками и маховиками) по заданным алгоритмам;

- обеспечивает сбор и обработку измерений датчиков с использованием различных алгоритмов;

- обеспечивает запись телеметрии на диск и передачу параметров клиентской части на компьютер управления стендом;

по управлению имитатором геомагнитного поля:

- реализует требуемый закон изменения компонент вектора магнитной индукции;

- измеряет параметры генерируемого поля с использованием магнитометра.

Комплекс MicrosatelliteModeler реализован на языке Visual C++ и предназначен для работы под управлением ОС Windows XP/Windows XP Embedded.

5. Принцип работы стенда

Принцип управления имитатором геомагнитного поля и макетом были рассмотрены выше.

Рис.31. Главное окно MicrosatelliteModeler

Вот основные шаги, требуемые для проведения эксперимента по отработке системы управления ориентацией:

- зарядить аккумуляторы макета;

- собрать систему управления на макете (подключить датчики и исполнительные элементы);

- поместить макет на струне в рабочую зону имитатора геомагнитного поля;

- запустить систему управления имитатором геомагнитного поля, выбрать требуемый закон изменения B(t);

- включить макет, настроить беспроводное соединение между ним и персональным компьютером управления стендом;

- синхронизировать приложения MicrosatelliteModeler, запущенные на макете и на стенде;

- выбрать в графическом интерфейсе приложения MicrosatelliteModeler, запущенном на макете, требуемые алгоритмы управления ориентацией. Алгоритмы должны быть реализованы к этому времени в составе приложения и, по возможности, пройти отладку в режиме чисто компьютерного моделирования;

- закрутить или толкнуть макет на струне (в зависимости о изучаемых алгоритмов управления);

-нажать Старт в приложении MicrosatelliteModeler на макете и на ПК управления.

После нажатия Старт приложение на ПК занимается управлением имитатора, а также сбором и отображением телеметрических параметров, получаемых от макета через беспроводное соединение. Приложение на макете занимается реализацией требуемых законов управления, сбором, записью и анализом телеметрии, выводом на экран основных параметров движения и т.д. Общая схема функционирования представлена на рис.32.