专利名称：一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法
技术领域：
本发明涉及ー种摆动式红外地球敏感器的模拟器，可应用于航天器控制系统各种试验中，也可以应用在控制分系统桌面联试、数学仿真、软件测试以及卫星模拟器中。
背景技术：
摆动式红外地球敏感器以其优良的性能在地球同步轨道三轴稳定卫星上有很广泛的应用。我国已研制的地球同步轨道卫星测试中所使用的红外地球敏感器模拟器中，基本上直接使用姿态数据构造红外地球敏感器的输出，这种方法可以满足系统测试和数学仿真的使用，但其未能完全反应红外地球敏感器的物理特性。
摆动式数字地球敏感器研制成功后，已广泛地应用于我国新一代同步轨道通信卫星。其EP逻辑、測量输出与探头禁止状态及受日月干扰情况有夫。摆动式数字地球敏感器在卫星本体中安装位置一定的情况下，对于不同的轨道位置、姿态大小、探头禁止状态、日月干扰状态其输出不同。因此研制与实际部件物理特性、输入输出接ロ完全一致的模型，对于保证控制系统测试、仿真的正确性非常重要。目前尚未发现有关摆动式数字地球敏感器故障模拟方面的公开资料。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，根据摆动扫描式红外地球敏感器的物理特性，基于功能划分进行�？楣收辖＃⒐δ芡晟频母哺钦９ぷ髯刺凸收献刺亩枋胶焱獾厍蛎舾衅鞯哪Ｄ馄鳎梢栽谖佬强刂葡低巢馐浴⑹Х抡婧臀佬悄Ｄ馄髦惺褂茫橹の佬强刂葡低车墓收洗砩杓坪驮诠旃收嫌痹ぐ傅恼沸�。本发明的技术解决方案是ー种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，采用ニ次电源、复合视场地球探头、四路模拟通道、扫描轴系及驱动电路、扫描角读出电路、俯仰和滚动角逻辑计算单元、接ロ电路七个功能�？榉直鸾心Ｄ猓咯`个功能模块均采用正�：凸收狭街智榭龇直鸾心Ｄ猓杂诙蔚缭疵子靡桓霰曛疚籔 11表不二次电源的外部一次电压输入情况，米用四个标志位？0￥6132、？0￥61'15、？0￥6が、？0￥61'11ロ5分别表示二次电源输出的32V、15V、5V和11. 5V电压情況，当相应标志位为逻辑I时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压正常，当相应标志位为逻辑0时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压故障；对于复合视场地球探头正常情况下，若cos'BoVecM) < a，则探测器输出0. 14mV，否则探测器输出OmV，探測器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到复合视场地球探头的输出，其中地球半张角a = sirT1 (6400/DisFromECenToSat),DisFromECenToSat为探测器的高度,= (7こ*5Z Fec >C为探测器的方向余弦阵的转置，BoVec [2]为探测器在轨道坐标系Z轴上的投影，BbVec为探测器在地球敏感器坐标系中的坐标；故障情况下，通过在复合视场地球探头正常输出上叠加噪声发生函数模拟输出异常，通过将复合视场地球探头输出置0模拟无输出；
对于四路模拟通道正常情况下，以探测器电平为输入信号，依次经过时间常数Is的微分200倍预放大环节、时间常数为470ms的微分5倍放大环节、时间常数为3. 3ms的实际微分25倍放大环节得到四路探测器输出的微分信号，所述微分信号经过充电时间常数为2. 2ms的滤波环节得到地弦信号EC，所述微分信号经过放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC的非信号N_EC，所述微分信号经过整形处理得到穿越脉冲信号S/E、E/S信号；故障情况下，地弦信号EC及地弦信号非信号N_EC通过置I操作或者置O操作模拟有无输出，穿越脉冲信号S/E和E/S通过叠加噪声发生函数或者置O操作模拟异常或者无输出；对于扫描轴系及驱动电路正常情况下，由正弦振荡器产生驱动信号，驱动信号叠加扫描角读出电路的输出信号后依次通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号，由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以驱动信号的频率沿俯仰轴方向扫描，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化；故障情况下，通过叠加反映扫描速度的脉冲噪声发生函数或者置O操作模拟扫描轴速度异常或无扫描；对于扫描角读出电路正常情况下，利用两路光敏三极管敏感透过光栅速度反馈电路中光栅的发光信号，根据光栅的图案配置得到两路不同的时序信号，通过这两路时序信号得到扫描方向、基准脉冲以及光栅摆动速度输出；在故障情况下，通过置I操作或者置O操作模拟扫描方向、基准脉冲及光栅摆动速度测量有无输出，通过设置乘积参数设置输出的转动角度输出脉冲为多脉冲、少脉冲或无脉冲输出；对于俯仰和滚动角逻辑计算单元正常情况下，根据探头宽窄扫、探头禁止信号、地弦信号、方向信号、基准方波信号及穿越脉冲，求出四路探测器的弦宽信号，由探头宽窄扫标志和地弦信号求出EP电平输出；根据EP电平信号、探头宽窄扫标志和四路弦宽信号确定出地球敏感器姿态输出；故障情况下可以采用叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出；对于接口电路正常情况下，接口电路接收外部指令，送给俯仰和滚动角逻辑计算单元；接收遥测数据时钟，根据俯仰和滚动角逻辑计算单元计算给出的姿态信息以及EP信号，通过驱动电路将姿态角、EP信号以及自身的探头禁止信息送给外部；故障情况下，通过叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出，模拟探头禁止信号及宽窄扫输出不稳或无输出。本发明与现有技术相比的优点在于本发明方法按照真实的红外地球敏感器进行功能�？榛郑悦恳还δ苣？榈恼Ｔ诵泄探薪＃谡Ｔ诵心Ｐ偷幕∩细莨收夏Ｊ椒治鼋峁臃窍咝院拖嘤兀Ｄ飧髦止收媳硐郑衙扛龉δ苣？榈墓收夏Ｐ痛纯傻玫桨诙胶焱獾厍蛎舾衅鞯恼墓收夏Ｄ馄�。采用本发明方法得到的红外地球敏感器模拟器可以涵盖已有的正常工作的各种模型，同时对于各种故障模式进行了理论建模，可以百分百覆盖已知故障，在验证卫星控制系统故障处理设计的正确性和在轨飞控预案处理的正确性方面，可以发挥重要作用。
图1为GEO摆动式红外地球敏感器基于功能的模拟�？榛滞迹煌�2为GEO摆动式红外地球敏感器的信息流图3为GEO摆动式红外地球敏感器的二次电源�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹煌�4为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹煌�5为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道电路�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹煌�6为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹煌�7为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描角读出电路�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹煌�8为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元�？槎酝饨涌诠叵导�/[目息流图；图9为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及/[目息流图；图10为GEO摆动式红外地球敏感器的二次电源�？槟Ｄ馔迹煌�11为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头正常模拟图；图12为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头故障模拟图；图13为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道模块正常模拟图；图14为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道�？楣收夏Ｄ馔迹煌�15为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路正常模拟图；图16为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路故障模拟图；图17为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描角读出电路故障模拟图；图18为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元故障模拟图；图19为GEO摆动式红外地球敏感器的接口电路故障模拟图；图20为GEO摆动式红外地球敏感器的模拟图。
具体实施例方式本发明方法针对某一体式摆动红外地球敏感器的故障模式，基于功能对该产品进行了�？榛郑治隽烁美嘈筒匪械氖淙胄藕牛涑鲂藕牛治隽烁鞲瞿？榈氖淙�、输出信息流，建立了模块级故障对其它各�？榈墓δ苡跋旒岸哉霾肥涑霾獾愕挠跋�。由此针对每一个功能�？榻辛斯收辖＃萜涔ぷ髟恚纬闪苏饫嗝舾衅鞯墓收夏Ｄ馄鳎收夏Ｄ馄鞫杂诳刂葡低成杓品抡妫橹ど杓频恼沸跃哂兄匾淖饔�。本发明方法的思路是，首先只考虑摆动式红外地球敏感器的工作原理，根据外部的输入，得到该部件的理论信号输出，建立基于物理原理的数学模型。其次，对每一个功能模块进行输入输出建模，再通过附加增益�？楹头窍咝阅？槎哉ＤＰ徒泄收夏Ｐ偷冢玫矫恳桓瞿？榈墓收夏Ｐ�。最后，根据各个�？榈氖淙胧涑鱿嗷ビ跋欤咽Ｐ�、各�？楣收夏Ｐ陀谢酆希玫酵暾牟考收夏Ｄ馄�。一、基于功能进行模拟功能�？榛諫EO红外地球敏感器为光、机、电一体化结构。整个敏感器主要由以下几个部分组成
>复合视场地球探头(含偏置电源)>四路模拟通道>扫描轴系及驱动电路>扫描角读出装置>俯仰和滚动逻辑计算单元>命令和数据接口电路>二次电源据此，可以把GEO红外地球敏感器分为如图1所示的7个功能模拟�？�。在图1 的基础上，对各个模块进行信息流分析，可以得到如图2所示的GEO红外地球敏感器信息流向图。在图2的基础上，结合各个�？榈亩阅诙酝饨涌谇榭觯梢缘玫礁鞴δ苣？橄晗傅男畔⒘魍挤直鹑缤�3 图9所示，其中图3为二次电源�？榈亩酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹�4为复合视场地球探头�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹�5为四路模拟通道电路�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹�6为扫描轴系及驱动电路模块对外接口关系及信息流图，图7为扫描角读出电路�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹�8为滚动和俯仰逻辑处理单元�？槎酝饨涌诠叵导靶畔⒘魍迹�9为滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及信息流图。二、对每个功能模块进行故障建模针对所有模块，分析其故障对该�？槭涑龅挠跋欤治龆哉涑龅挠跋欤捎眉尤朐鲆婺？椋窍咝阅？椋Ｄ飧髦止收闲问剑庑┕收仙柚每梢宰魑Ｐ褪淙胄藕沤猩柚茫锏礁菪枰Ｄ飧髦止收系挠τ靡�。根据故障模式分析建立各个�？楣收夏Ｐ�1、二次电源�？槎蔚缭凑ＤＰ臀猄econdPowerSim()；二次电源正常模型接收一次电源输入和指令，输出各个模块电源的电压值，在正常建模中用不同的标志是O或I表示各类电压是否输出正常，用如下逻辑表示。若指令加电则Power32 = I ；Powerl5 = I ；Power5 = I ；Powerllp5 = I ；否则Power32 = 0 ；Powerl5 = 0 ；Power5 = 0 ；Powerllp5 = 0 ；建立故障模型ESecondPowerSimO如图10所不,其中β 11表不一次电源故障选择标志,若一次电源无输入，β 11 = O,否则为I ;β 12为±32V是否有输出，若无输出可设β 12 = 0，否则设为I ;β 13为±15V是否有输出，若无输出可设β 13 = 0，否则设为I ;β 14为+5V是否有输出，若无输出可设β 14 = 0，否则设为I ;β 15为±11. 5V是否有输出，若无输出可设β 15 = 0，否则设为I ;2、复合视场地球探头复合视场地球探头的正常模型为=BolometerSimO如图11所示，正常模型中第一个方块的探测器电平信号输出可以计算得到，如下所述输入探测器在地球敏感器坐标系中的坐标BbVec[3](等价于扫描角度)，高度信息 DisfromECenToSat,方向余弦阵 Cbo [3] [3]；红外地球敏感器含有四个探测器，定义红外地球敏感器坐标与卫星本体坐标系三个轴重合，实际在轨也是这样安装的，每个探测器在地敏坐标系中是摆动的，摆动的规律是已知的，探测器在卫星本体系中的坐标为BoVec (时刻在变，IOOms扫描一个周期)，三个元素分别为(BoVec
，BoVec[l]，BoVec[2])；则5oFee= CTho * BbVec，上标 T 表示转置；地球半张角ct = sin-1 (6400/DisFromECenToSat)若cos—1 (BoVec [2]) < α，则探测器输出O. 14mV,否则探测器输出OmV。探测器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到真正的探测器输出。上述计算中，用到了轨道坐标系、本体坐标系及地球敏感器坐标系，地球敏感器坐标系与卫星本体坐标系三轴一致，原点在卫星质心，沿卫星东面为X轴，沿对地面方向为Z 轴，Y轴可由右手螺旋法则得到。轨道坐标系原点在卫星质心，沿轨道前进方向为X轴，指向地心方向为z轴，y轴沿轨道面负方向，本体坐标系相对于轨道坐标系的方向余弦阵为 。。根据故障模式分析建立故障模型EBolometerSimO如图12所示,其中β 21表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β 21 = 0，否则为I ;β 22表示探测器电平输出选择，如果无输出置0，若正常则置I ;β 23表示外加噪声选择，若选择β 23 = 1，则噪声发生函数Gl (t)叠加给探测器输出，若选择β 23 = 0，噪声函数不起作用。3、四路模拟通道四路模拟通道�？榈恼ＤＰ臀�=FourAnalogSimO如图13所示，正常模型中，以探测器电平为输入信号，经过时间常数Is的微分200倍预放大环节，再经过时间常数为470ms的微分5倍(实际电路可调)放大环节，由于地球波频率高于10Hz，因此前述环节的微分效应明显，主要是放大倍数起作用，最后经过时间常数为3. 3ms的实际微分25倍放大得到四路探测器输出的微分信号，该环节真正实现了地球波的微分；微分信号分别经过充电时间常数为2. 2ms，放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC及N EC(EC的非信号)，通过整形处理得到S/E、E/S信号，这几路信号送给滚动、俯仰逻辑处理单元进行处理计算。根据故障模式分析建立故障模型EFourAnalogSimO如图14所示,其中，β 31表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β 31 = 0，否则为I ;β 32表示地弦电平输出选择，如果无输出置0，若正常则置I ;β 33表示有无地/空穿越脉冲信号；如果无脉冲输出置0，否则置I ;β 34表示是否有地/空穿越信号多脉冲产生，Gl⑴为多脉冲产生函数，该函数由随机噪声函数发生器产生；β 35表示有无空/地穿越脉冲信号；如果无输出置0，否则置I ;β 36表示是否有空/地穿越信号多脉冲产生，G2(t)为多脉冲产生函数，该函数由随机噪声函数发生器产生。4、扫描轴系及驱动电路扫描轴系及驱动电路的正常模型为=ScanMotorSim O如图15所示，正常模型中，由IOHz正弦振荡器产生驱动信号，通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号。由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以IOHz的扫描频率沿俯仰轴方向扫描。根据窄、宽扫描状态，扫描幅度分别为土 6°和土 11°。扫描轴系带动光栅转动，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化。图15中，各参数如下Ke是反电势系数，大小为
权利要求
1.一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，其特征在于采用二次电源、复合视场地球探头、四路模拟通道、扫描轴系及驱动电路、扫描角读出电路、俯仰和滚动角逻辑计算单元、接口电路七个功能�？榉直鸾心Ｄ猓恳桓龉δ苣？榫捎谜：凸收狭街智榭龇直鸾心Ｄ猓� 对于二次电源米用一个标志位β 11表不二次电源的外部一次电压输入情况，米用四个标志位Power32、Power 15, Power5、Powerl 1ρ5分别表示二次电源输出的32V、15V、5V和11.5V电压情况，当相应标志位为逻辑I时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压正常，当相应标志位为逻辑O时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压故障； 对于复合视场地球探头正常情况下，若cos—1 (BoVec [2]) < α，则探测器输出O. 14mV,否则探测器输出OmV，探测器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到复合视场地球探头的输出，其中地球半张角 α = sirT1 (6400/DisFromECenToSat), DisFromECenToSat为探测器的高度，=4为探测器的方向余弦阵的转置，BoVec[2]为探测器在轨道坐标系Z轴上的投影，BbVec为探测器在地球敏感器坐标系中的坐标；故障情况下，通过在复合视场地球探头正常输出上叠加噪声发生函数模拟输出异常，通过将复合视场地球探头输出置O模拟无输出； 对于四路模拟通道正常情况下，以探测器电平为输入信号，依次经过时间常数Is的微分200倍预放大环节、时间常数为470ms的微分5倍放大环节、时间常数为3. 3ms的实际微分25倍放大环节得到四路探测器输出的微分信号，所述微分信号经过充电时间常数为2.2ms的滤波环节得到地弦信号EC，所述微分信号经过放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC的非信号N_EC，所述微分信号经过整形处理得到穿越脉冲信号S/E、E/S信号；故障情况下，地弦信号EC及地弦信号非信号N_EC通过置I操作或者置O操作模拟有无输出，穿越脉冲信号S/E和E/S通过叠加噪声发生函数或者置O操作模拟异常或者无输出；对于扫描轴系及驱动电路正常情况下，由正弦振荡器产生驱动信号，驱动信号叠加扫描角读出电路的输出信号后依次通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号，由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以驱动信号的频率沿俯仰轴方向扫描，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化；故障情况下，通过叠加反映扫描速度的脉冲噪声发生函数或者置O操作模拟扫描轴速度异常或无扫描； 对于扫描角读出电路正常情况下，利用两路光敏三极管敏感透过光栅速度反馈电路中光栅的发光信号，根据光栅的图案配置得到两路不同的时序信号，通过这两路时序信号得到扫描方向、基准脉冲以及光栅摆动速度输出；在故障情况下，通过置I操作或者置O操作模拟扫描方向、基准脉冲及光栅摆动速度测量有无输出，通过设置乘积参数设置输出的转动角度输出脉冲为多脉冲、少脉冲或无脉冲输出； 对于俯仰和滚动角逻辑计算单元正常情况下，根据探头宽窄扫、探头禁止信号、地弦信号、方向信号、基准方波信号及穿越脉冲，求出四路探测器的弦宽信号，由探头宽窄扫标志和地弦信号求出EP电平输出；根据EP电平信号、探头宽窄扫标志和四路弦宽信号确定出地球敏感器姿态输出；故障情况下可以采用叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出； 对于接口电路正常情况下，接口电路接收外部指令，送给俯仰和滚动角逻辑计算单元；接收遥测数据时钟，根据俯仰和滚动角逻辑计算单元计算给出的姿态信息以及EP信号，通过驱动电路将姿态角、EP信号以及自身的探头禁止信息送给外部；故障情况下，通过 叠加噪声函数以及置O操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出，模拟探头禁止信号及宽窄扫输出不稳或无输出。
全文摘要
一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，首先按照真实的红外地球敏感器进行功能模块划分，对每一功能�？榈恼Ｔ诵泄探薪＃谡Ｔ诵心Ｐ偷幕∩细莨收夏Ｊ椒治鼋峁臃窍咝院拖嘤兀Ｄ飧髦止收媳硐郑衙扛龉δ苣？榈墓收夏Ｐ痛纯傻玫桨诙胶焱獾厍蛎舾衅鞯恼墓收夏Ｄ馄鳌９收夏Ｄ馄骺梢愿菪枰淙牍收现貌问Ｄ飧髦止收希谖佬强刂葡低撤桨干杓�、数学仿真及分系统试验中可以应用，检验卫星控制系统故障诊断、故障重构设计及实现的正确性。
文档编号G01C25/00GK103017789SQ201210519779
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者刘新彦, 田信灵, 刘旭力, 王南华 申请人:北京控制工程研究所
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