衛(wèi)星推力器模擬器校準技術研究

王 凱 王賀迎 富雅瓊 武宇婧 孫匯聰

(1.北京東方計量測試研究所，北京 100086；2.中國計量大學，浙江杭州 310018)

1 引 言

衛(wèi)星推力器是姿軌控部件中的執(zhí)行機構。在地面模擬實驗中，衛(wèi)星姿軌控半實物仿真系統(tǒng)通過硬件和軟件為姿軌控系統(tǒng)測試提供衛(wèi)星動力學模型[1-3]，系統(tǒng)產生激勵信號，進行實時數據的采集和處理，開展衛(wèi)星地面仿真測試試驗。其中，推力器模擬器接收星載計算機(AOCC)的噴氣信號指令，根據推進系統(tǒng)的工作狀態(tài)實時計算噴氣時長[4-7]。目前，推力器模擬器的校準依靠頻率計和動力學計算機完成。該方法需要人工設置、接線、抄數、計算等工作，耗時費力，由于人為因素容易造成校準結果存在偏差[8-11]。本文闡述了一種推力器模擬器自動在線校準裝置。該裝置集成度高，可實現推力器模擬器的全流程、動態(tài)校準。

2 推力器模擬器校準方法

推力器模擬器通過接收動力學計算機發(fā)送的噴氣時間指令，經過模擬器內部算法輸出電壓脈沖信號。目前，航空、航天領域對推力器模擬器的校準方法較為一致，主要依靠動力學計算機、頻率計、測試線纜完成校準測試工作。

如圖1所示，依據推力器模擬器接口定義，測試線纜將頻率計接入被校準推力器模擬器線路中，通訊線纜將動力學計算機和被校準設備相連。動力學軟件設置噴氣周期和噴氣時間等信息，被校準推力器模擬器輸出對應的脈沖信號。調節(jié)頻率計合適的測量檔位，觀測頻率計脈沖頻率、占空比并記錄。以此類推，在動力學軟件上設置推力器模擬器的典型不同值后觀測頻率計的讀數。經過對比動力學軟件上的理論設置值和頻率計讀數計算后的噴氣時間實測值完成校準。

目前傳統(tǒng)校準方式有較多缺陷。一是校準過程需對各類儀器儀表進行反復操作，頻率計采集脈沖信號頻率值和占空比后需進行讀數，經過復雜計算得到實際噴氣時間值，自動化程度低；二是當更改條件或參量變化時，則當前的校準工作無法及時響應。傳統(tǒng)的校準方式不能體現仿真系統(tǒng)的動態(tài)性、全面性和準確性；三是校準過程需要插接線纜、儀表讀數、數據統(tǒng)計等人工操作，引入誤差較大。總之，傳統(tǒng)的校準方法不具備先進性。

3 推力器模擬器校準裝置設計

推力器模擬器模擬噴氣脈沖輸出，校準裝置記錄噴氣脈沖在每個采樣周期的高電平時間TH，以動力學取數周期為采樣周期(仿真系統(tǒng)為32ms)，每次脈沖的上升沿將計數結果打入緩存中，周期性計算脈沖高電平作用時間。如圖2所示。

圖2 推力器模擬器校準示意圖

校準裝置設置模擬器輸出噴氣脈沖，噴氣時間為t1；模擬器將設定值t1轉化為脈沖輸出。校準裝置對脈沖時間進行采集，給出測定值TH與設置值t1的誤差，并作為噴氣信號誤差。同時，憑借正算理論模型推導出高電平時間，憑借反算理論模型反解高電平時間，根據反算結果給出模型誤差。

3.1 硬件設計

校準裝置推力器硬件設計中，功能上主要實現噴氣脈沖時間信息的輸出和模擬器回傳噴氣脈沖信號的高精度采集。內部電路原理框圖如圖3所示。

圖3 推力器模擬器校準模塊硬件框圖

在進行測試校準時，將推力器模擬器輸出的4路脈沖信號通過測試電纜接入校準裝置。在校準裝置中，經過多通道數字脈沖信號接收電路進行信號調理，信號濾波，減小脈沖信號干擾。為了安全保護，將數字電路與模擬電路通過磁偶隔離，FPGA采集脈沖信號周期內邊沿時刻，完成對噴氣高電平時間的計算和解析。單片機通過訪問FPGA中RAM數據信息，根據推力器解算算法，得到噴氣高電平時間。實測值與理論值進行對比，理論信號波形和實測信號波形進行對比，完成模型誤差和信號誤差的計算。原始數據依據通信協議上傳至動力學計算機顯示完成自動校準。

推力器模擬器校準模塊接收5V的脈沖信號(噴氣信號)，如圖4所示。信號在采樣電阻上產生壓降，電流從地回流(地與ADU二次地通過磁珠相連)。跟隨電路信號輸入端和采樣電阻都設置了冗余限流電阻，防止模擬器的下行信號在校準裝置內的發(fā)生短路。

圖4 模擬器輸出脈沖信號圖

信號調理模塊中，差分運放選用INA128儀表放大器對采樣電阻兩端電壓信號進行差分放大，磁耦隔離選用AUM1400芯片將信號端與FPGA數字信號端隔離。如圖5所示。

圖5 信號調理原理圖

3.2 軟件設計3.2.1 上位機軟件設計

校準裝置上位機軟件的主要功能是與控制單元進行通信，動力學計算機通過網口對推力器模擬器發(fā)送上位機指令，同時采集回傳的數據通過運算并顯示給用戶以實現監(jiān)測。上下位機的通訊應遵循一定的通信協議，通訊協議指令格式如圖6所示。

圖6 通訊協議格式圖

上位機發(fā)送指令見表1。其中，每路噴氣信號設置包含三個字節(jié)，其中前兩個為頻率值，后一個為占空比(控制噴氣時間)；噴氣頻率設置值為16位數據，前一個字節(jié)為高8位，后一個字節(jié)為低8位(單位Hz)；第三個字節(jié)設置脈沖的占空比，設定值范圍為0～32(十進制)，對應占空比0/32～32/32(信號周期為32ms)。

推力器的網口通信中，頻率與占空比的分辨率均為1。推力器模擬器收到推力器校準軟件發(fā)送的網口設置數據后，將返回數據幀，推力器校準軟件根據返回的數據幀可判斷頻率與占空比是否設置成功，下位機回傳數據指令格式見表2。

表1 上位機下發(fā)指令Tab.1 Instructions issued by upper computer字頭命令長度推力器信號1信號2信號3信號4備份備份字尾0XAA0X4C0X040X040X010X010X040X010X010X040X010X010X040X010X010X000X000X55

表2 下位機回傳數據指令Tab.2 Data return instruction of lower computer字頭命令長度推力器設置成功備份備份字尾0XAA0X040X010X01/000X000X000X55

推力器模擬器校準軟件測量界面如圖7所示，界面中包含設置采集板卡的板卡號和通道號信息，板卡號可根據推力器模擬器采集板卡在PXI機箱中的安裝插槽確定，通道號可以根據采集板卡連接的通道確定。點擊啟動即可采集推力器模擬器的脈沖信號輸出，并在該軟件界面中的繪圖框中進行顯示，經過推力器算法顯示相應的高電平時間，理論高電平時間由設置值正算得到。

圖7 校準軟件界面圖

3.2.2 脈沖信號解算設計

脈沖信號的解算過程在FPGA和單片機內進行，算法流程如圖8所示。

圖8 推力器模擬器反算算法流程框圖

1)計算脈沖信號占空比。板卡默認采樣的是-5V～5V的電壓信號，首先判斷1s內電壓采樣數組中大于0V點的數量，大于0V點的信號數量與數據總長度的比值即可得到此次測量脈沖波形的占空比；

2)計算信號上升沿時刻。對當次得到的電壓信號進行判斷，如果k-1時刻的值小于0V，且k時刻值大于零，則認為k時刻就是波形的上升沿時刻；

3)計算高電平時間。在當次得到的1s電壓采樣數組中，取出32ms所對應的數據，判斷大于0V點的個數，最終得到32ms內高電平時間。

4 不確定度分析

將校準裝置與推力器模擬器聯機測試，通過設置信號的頻率和占空比值，利用固定周期內信號的高電平時間來模擬真實推力器的噴氣時間。通過對比理論值和實測值完成校準。同時，對測試結果進行不確定度評定，滿足型號的校準需求。測試結果見表3。

表3 推力器脈沖信號檢測Tab.3 Thruster pulse signal detection序號類別理論值上位機軟件讀數1高電平時間16ms(1kHz,50%)15.98ms2高電平時間8ms(1kHz,25%)8.005ms3高電平時間24ms(1kHz,75%)23.99ms

4.1 測量模型建立

推力器模擬器脈沖信號高電平時間測量誤差為

ΔT=Δ1+Δ2+Δ3

(1)

式中：Δ1——校準裝置脈沖信號周期測量不準引入的誤差；Δ2——測量結果分辨力引入的誤差；Δ3——測量重復性引入的誤差。

4.2 不確定度傳播率

推力器模擬器脈沖信號高電平時間各誤差來源引入的誤差互不相關，故

uc(rel)(Δf)2=urel(Δ1)2+urel(Δ2)2+urel(Δ3)2

(2)

4.3 標準不確定度評定

4.3.1 校準裝置脈沖信號周期測量誤差引入的不確定度分量u1

校準裝置時基最大允許誤差為±1×10-4s，認為是均勻分布，則有

4.3.2 校準裝置脈沖信號重復性引入的不確定度分量u2

測量重復性引入的標準不確定度按A類標準不確定度評定，選取1kHz/50%點用校準裝置對推力器模擬器高電平時間測量10次，利用貝塞爾公式計算

4.3.3 校準裝置讀數分辨力引入的不確定度分量u3

校準裝置頻率讀數分辨力為0.001ms，認為是均勻分布，則有

4.4 合成標準不確定度

推力器模擬器脈沖信號高電平時間測量合成標準不確定度，取設備分辨力和重復性不確定度大者計算合成不確定度為

4.5 擴展不確定度

取k=2，則其擴展不確定度為

U(ΔT)=kuc(ΔT)=1.2×10-4s

5 結束語

推力器模擬器校準裝置的研發(fā)有助于測試人員更準確、更清晰的觀測和模擬衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)中執(zhí)行機構的健康運行狀態(tài)。其優(yōu)點在于：滿足了多通道、多型號推力器的校準工作；校準裝置替代了目前由多個測試設備(頻率計、動力學計算機等)組成的復雜校準系統(tǒng)，提升效率降低成本；優(yōu)化人工計數、抄數、計算等繁瑣過程，提高自動化測試程度，使得校準工作在線化、規(guī)范化。