高　樺， 林睿鵬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 哈爾濱 150001)

衛(wèi)星姿態(tài)地面仿真實(shí)踐中， 轉(zhuǎn)臺(tái)是一種重要的地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備， 用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性元件檢定、 標(biāo)定， 以及模擬飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)， 是航天器的地面主要系統(tǒng)仿真設(shè)備[1,2]. “空間飛行器姿態(tài)控制地面半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和動(dòng)態(tài)分析測(cè)試是當(dāng)前科技創(chuàng)新發(fā)展的需要， 針對(duì)這一建設(shè)任務(wù)需求， 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)綜合分析測(cè)試系統(tǒng). 該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)是把虛擬儀器技術(shù)、 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、 STK技術(shù)及動(dòng)態(tài)角度測(cè)試技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行集成.

1　轉(zhuǎn)臺(tái)角度測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖 1　測(cè)試系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.1　Hardware principle of system

系統(tǒng)的工作原理如圖 1 所示， 系統(tǒng)組成包括衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真單軸氣浮實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)， 碼盤采用的是型號(hào)為JXW-17-18PB-G05BL-5M的18 b絕對(duì)式空心軸光電碼盤， 轉(zhuǎn)換接口采用EKI-1522型工業(yè)設(shè)備服務(wù)器， 將RS422信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)AN口信號(hào)， 另有PC機(jī)(鏈接到局域網(wǎng)內(nèi))、 路由器、 打印機(jī)、 直流穩(wěn)壓電源等設(shè)備.

系統(tǒng)工作原理是先由碼盤采集轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角信號(hào)， 將得到的數(shù)字信號(hào)傳輸至轉(zhuǎn)換接口卡， 由轉(zhuǎn)換接口將接受到的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的LAN網(wǎng)口信號(hào)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)路由器， 經(jīng)由路由器傳輸至局域網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)終端， 在其上進(jìn)行處理， 通過開發(fā)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 并進(jìn)行之后的數(shù)據(jù)處理， 包括誤差計(jì)算、 機(jī)動(dòng)曲線生成以及經(jīng)由打印機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的打印等.

系統(tǒng)軟件功能規(guī)劃框圖如圖 2 所示. 在數(shù)據(jù)測(cè)試界面下， 設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角測(cè)試主程序、 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即時(shí)儲(chǔ)存模塊. 程序應(yīng)包含的主要功能有： 對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)測(cè)量， 測(cè)量完成后， 能夠?qū)嵌葯C(jī)動(dòng)過程進(jìn)行圖形化再現(xiàn)顯示， 并計(jì)算出峰值角度、 機(jī)動(dòng)時(shí)間、 絕對(duì)誤差、 相對(duì)誤差等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 實(shí)驗(yàn)完成后， 能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中， 并能將試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)以報(bào)表形式打印出來. 引入STK軟件， 可以形象、 動(dòng)態(tài)地模擬真實(shí)衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程.

圖 2　測(cè)試系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)框圖Fig.2　Testing system project design

數(shù)據(jù)管理界面包括： 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄列表、 機(jī)動(dòng)角度波形圖、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢條件、 數(shù)據(jù)管理功能按鈕等部分. 使用者可以選擇查詢條件， 查詢符合特殊條件的實(shí)驗(yàn)記錄或顯示全部記錄數(shù)據(jù). 菜單選項(xiàng)功能包括： 數(shù)據(jù)分析、 波形比較(批量)、 數(shù)據(jù)打印、 刪改記錄等.

2　測(cè)試系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.1　測(cè)試軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)軟件采用LabVIEW 2012 學(xué)生版， 數(shù)據(jù)測(cè)試子系統(tǒng)的面板如圖 3 所示.

子系統(tǒng)主要包含了數(shù)據(jù)分布式采集、 數(shù)據(jù)及波形曲線的實(shí)時(shí)顯示、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)打印、 STK實(shí)時(shí)仿真等功能[3].

圖 3　數(shù)據(jù)測(cè)試子系統(tǒng)面板圖Fig.3　Testing system

2.2　STK軟件應(yīng)用集成方法

LabVIEW 與STK接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法： 在數(shù)據(jù)采集程序中， 應(yīng)用LabVIEW的ActiveX節(jié)點(diǎn)， 調(diào)用AGI Global Control控件得到STK三維顯示窗口. 利用LabVIEW 的屬性節(jié)點(diǎn)獲得ActiveX對(duì)象的Application屬性， 通過調(diào)用節(jié)點(diǎn)調(diào)用Application的Execute Command方法， 可向STK的Connect模塊發(fā)送用到的相關(guān)仿真命令[4,5].

2.3　工程數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

圖 4　數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)面板圖Fig.4　Database manage system

本實(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)庫(kù)是微軟公司發(fā)布的ACCESS 2010數(shù)據(jù)庫(kù)軟件. 屬于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)類型. 應(yīng)用NI公司提供的LabVIEW Database Connectivity Toolkit工具包中的VI程序分別調(diào)用DB Tools Open Connection, DB Tools List Tables, DB Tools Insert Data以及DB Tools Select Data等VI程序可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行打開、 創(chuàng)建表、 插入數(shù)據(jù)、 選擇數(shù)據(jù)等操作， 從而實(shí)現(xiàn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件在LabVIEW 軟件中的嵌入和集成. 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)包括： 實(shí)驗(yàn)日期、 實(shí)驗(yàn)時(shí)間、 實(shí)驗(yàn)人員、 單位編號(hào)、 控制算法、 控制方式、 定資方式等； 姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度信息包括： 初始角度、 峰值角度、 穩(wěn)定角度、 機(jī)動(dòng)角度、 上升時(shí)間、 穩(wěn)定時(shí)間、 絕對(duì)誤差、 相對(duì)誤差等； 機(jī)動(dòng)角度波形作為OLE對(duì)象單獨(dú)存儲(chǔ)[6].

數(shù)據(jù)庫(kù)查詢條件包括： 實(shí)驗(yàn)日期、 實(shí)驗(yàn)人員姓名、 單位編號(hào)、 機(jī)動(dòng)角度、 控制方法、 定姿方式等文本信息， 作為查詢語(yǔ)句的輸入[7].

其中數(shù)據(jù)分析功能分為數(shù)據(jù)分析和波形比較兩部分. 數(shù)據(jù)分析功能的面板圖如圖 5 所示， 本模塊的功能主要是分別針對(duì)飛輪控制或噴氣控制， 并在±90°范圍的若干采樣點(diǎn)條件下， 給出在不同機(jī)動(dòng)角度時(shí)的工作特性， 即主要包含了機(jī)動(dòng)角度與機(jī)動(dòng)時(shí)間、 絕對(duì)誤差、 相對(duì)誤差之間的關(guān)系.

波形比較功能如圖 6 所示， 該功能用于在同一機(jī)動(dòng)角度條件下， 對(duì)不同定姿控制算法、 不同控制方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較. 通過對(duì)機(jī)動(dòng)波形曲線的比較， 來說明穩(wěn)定時(shí)間的長(zhǎng)短， 計(jì)算誤差大小的區(qū)別.

圖 5　數(shù)據(jù)分析模塊面板圖Fig.5　Data analysis module

圖 6　波形比較模塊面板圖Fig.6　Waveform compare module

3　測(cè)試系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3.1　網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、 數(shù)據(jù)查詢靈活的特點(diǎn)， 因此該測(cè)試系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu). 圖 7 為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

圖 7　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.7　Network architecture of the system

3.2　傳感器網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中的傳感器碼盤是利用通用的RS422接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的， 要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化， 需要傳感器具有網(wǎng)絡(luò)化接口功能， 采用EKI-1522作為串口-LAN轉(zhuǎn)換模塊.

3.3　網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議與參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用了TCP/IP傳輸協(xié)議， 表 1 為連入網(wǎng)絡(luò)各個(gè)部分的IP設(shè)置. PC機(jī)接入數(shù)量可由交換機(jī)擴(kuò)展. 設(shè)計(jì)要求保證各個(gè)設(shè)備在局域網(wǎng)內(nèi)處于同一域段.

表 1　網(wǎng)絡(luò)IP設(shè)置

用戶端計(jì)算機(jī)要保證硬件鏈路通暢， 關(guān)閉防火墻. 當(dāng)路由器支持無線網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)， 可使用無線設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

4　誤差計(jì)算與處理

對(duì)于每次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)， 需要計(jì)算其絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差[8]. 根據(jù)絕對(duì)誤差的定義， 有

(1)

式中：δ表示絕對(duì)誤差；x表示測(cè)量值；μ表示(約定)真值.

本實(shí)驗(yàn)中， 測(cè)量值由終止角度-初始角度得出， 真值即設(shè)定的機(jī)動(dòng)角度[9].

相對(duì)誤差為

(2)

此外， 測(cè)試系統(tǒng)還存在系統(tǒng)誤差， 主要包括由于測(cè)角傳感器安裝時(shí)絕對(duì)式碼盤零位與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)自身機(jī)械刻度不重合產(chǎn)生的零偏以及由于LabVIew軟件VI響應(yīng)延遲產(chǎn)生的時(shí)間計(jì)算誤差. 通過實(shí)驗(yàn)前調(diào)零操作和對(duì)設(shè)定的采樣速率進(jìn)行調(diào)整可以消除這兩種誤差.

5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

飛行器姿態(tài)控制仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 2 所示.

表 2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：

1) 表 2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成了仿真實(shí)驗(yàn).

2) 圖8(a)曲線說明仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了飛輪控制實(shí)驗(yàn). 圖8(b)曲線說明了仿真實(shí)驗(yàn)機(jī)動(dòng)角度越大， 機(jī)動(dòng)時(shí)間相對(duì)越長(zhǎng).

圖 8　數(shù)據(jù)分析圖Fig.8　Data analysis

3) 圖8(c)曲線說明了仿真實(shí)驗(yàn)中機(jī)動(dòng)角度越大， 絕對(duì)誤差相對(duì)越大， 平均誤差優(yōu)于0.5°. 圖8(d)曲線說明相對(duì)誤差的變化基本滿足正態(tài)分布.

6　結(jié)　論

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角的動(dòng)態(tài)分析測(cè)試軟硬件系統(tǒng). 應(yīng)用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺(tái)， 設(shè)計(jì)的測(cè)試軟件功能包括： 分布式數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)顯示、 數(shù)據(jù)保存、 數(shù)據(jù)報(bào)表打印、 IP地址設(shè)置、 數(shù)據(jù)庫(kù)管理、 數(shù)據(jù)分析處理等. 該項(xiàng)研究成果的特點(diǎn)是把虛擬儀器技術(shù)、 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、 STK技術(shù)及動(dòng)態(tài)角度測(cè)試技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行集成. 該項(xiàng)研究成果可廣泛應(yīng)用于空間飛行器地面半實(shí)物仿真工程領(lǐng)域中， 也可應(yīng)用于高等院校的相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域中.

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