半物理仿真卫星通信论文

1半物理仿真平台的构建

半物理仿真平台的建立采用.NET环境下应用C#编程语言设计具有Windows风格的人机交互半物理仿真平台。通过各个模块的点击模拟操作，可以很好地实现用户对仿真模型的智能化运动控制，并且在完成仿真运动后，读取并记录显示卫星通信机动站运动过程的所有状态位置信息以及虚拟传感器的测距数据，最后生成仿真动画，达到直观的效果，虚拟场景测得的数据最终和真实环境中的实物所得数据进行比较，从而验证智能化控制算法的合理性、适用性。上位机用户平台包括虚拟现实展示、DLL调用测试、卫星通信机动站控制器半物理仿真通讯平台、状态信息的记录与读取、传感器测距信息的记录与读取，状态信号实现卫星通信机动站的虚拟现实运动动画的展示，人机交互半物理仿真平台，如图2所示。

2卫星通信机动站动力学模型的建立

Maplesim是一个多领域物理建模和仿真工具，它提供了一个三维可视化的环境建模以及动画显示仿真结果，在这种环境下，可以通过简单且直观的方式搭建各种复杂系统的模型，还可以可视化分析仿真结果。在Maplesim中能将建立好的模型转换到C代码中，可以在其他应用程序和工具中使用此C代码。在3D可视化建模环境下可以快捷、方便且直观地创建所需要的动力学仿真模型，之后将模型转生成C代码，在VC++环境下编译C代码生成动力学模型的DLL文件，这样可以方便其他应用程序的调用仿真。本研究基于.NET开发平台采用C#语言编写上位机仿真用户界面，进而对生成的DLL文件进行调用。半物理仿真系统开始执行，给定一个初始时间t0（初始值），每次经过t时间后，对动力学模型DLL文件进行调用，从卫星通信机动站的动力学模型DLL中输出第一个状态信号，将这个状态参数传递给卫星通信机动站控制器实物，控制器中对输入的状态参数完成控制算法后将再次发出控制信号并传递给C#软件环境，再经过t时间，再次调用DLL中的动力学模型。此时卫星通信机动站动力学模型的DLL输出第二个状态信号。如此循环反复执行此过程，如图3所示，形成了一个闭环的半物理仿真系统。

3半物理仿真系统设计

卫星通信机动站半物理仿真系统主要由人机交互操作界面、STM32控制器、信号转换器、数据采集系统以及PC机中的卫星通信机动站动力学模型5部分组成。以STM32控制器为核心的卫星通信机动站半物理仿真系统本身是一个闭环系统，在仿真通讯过程中，由卫星通信机动站控制器实物发出控制信号，控制信号模拟量经过信号转换器转换成数字信号，再通过USB虚拟串口通讯传递给PC机，PC机则调用WindowsAPI（Windows系统中可用的核心应用程序编程接口）对数字信号进行接收。PC机将接收到的信号再调用C#软件环境的动力学仿真模型，最后输出一个状态信号。PC机再将输出的状态信号通过WindowsAPI接口发送出去，状态信号经过USB虚拟串口传递给信号转换器。信号转换器将状态信号数字量转换成模拟量后传给卫星通信机动站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新输出新的控制信号。此控制信号再经信号转换器PC机动力学模型的DLL，最终返回状态信号，如此循环地执行就形成了一个闭环的半物理仿真系统［4-5］，如图4所示为半物理仿真系统框图。

4硬件系统的构建

卫星通信机动站的智能化控制是一个复杂的运动控制系统，其具有多自由度、多传感器、多驱动器、多运动形态的特点，对卫星通信机动站在现实运动过程中的多个传感器的输出模拟量数据进行采集，同时采用SPI串口通讯、蓝牙无线通讯的方式将数据传递给PC机上位机软件用户界面，以数据和虚拟动画相结合的方式直观地显示卫星通信机动站的实时运行状态。采用ADAS3022数据采集系统采集传感器数据，经ADAS3022的数字接口SPI与MCU选用的STM32芯片内部自带的SPI通讯，并且可实现内部自带的ADC（模/数转换器）进行信号转换，再通过HC-05嵌入式蓝牙模块与PC机进行通讯，如图5所示为系统总体设计方案。硬件系统设计了一个完整的5V单电源、8通道、多路复用的数据采集系统，可以集成用于工业级信号的可编程增益仪表放大器（PGIA）［6］。如图6所示为数据采集系统电路原理图。数据采集系统主要是以ADAS3022芯片为核心设计的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS转换速率进行转换，能够接受的最大输入信号范围最高可达±24.576V的差分模拟输入信号。与传统的数据采集相比，在标准的数据采集方案中都会涉及到信号缓冲、电平转换、放大、噪声抑制以及其它模拟信号调理等，但是在ADAS3022中则无需这些辅助调理电路。这样一种高性能的核心芯片的应用，简化了具有高精密16位数据采集系统的设计难点，降低了成本。此外，在外观上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引脚的LFCSP封装；在性能方面，它可以提供最佳的时序和噪声性能，工作温度跨度-40℃到+85℃的工业温度范围［7-8］。此电路系统采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的组合，可同时提供高精度和低噪声性能。

5结语

基于PAC的卫星通信机动站半物理仿真系统研究是联合控制对象的动力学仿真模型与控制器实物来进行的仿真过程。这种仿真方式可以真实地体现出实物的各项动力学、运动学特性等。一般大型卫星通信机动站搭建实物仿真较为困难，只能采用半物理仿真，这样的仿真系统联合了动力学模型与控制器实物的研究，既可以缩短周期、节约经费、辅助研发，也可以提高仿真系统的可靠性以及稳定性。此应用半物理仿真技术搭建卫星通信机动站的半物理仿真平台，目的在于能够模拟真实的运行状态，测试各项性能，虚拟现实仿真动画，验证智能化控制和智能化算法，对研究卫星通信机动站的智能化控制具有一定的理论和实践意义。

作者：马新生 秦文科 李婧铱 郭刚涛 韩宝庆 单位：航天天绘科技有限公司