基于Fuzzy ART聚類的衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 穎 ，張 偉，靳 新，于千賀

(1.沈陽(yáng)工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122； 2.沈陽(yáng)工學(xué)院 人工智能研究所，遼寧 撫順 113122； 3.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，沈陽(yáng) 110021)

0 引言

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，同步衛(wèi)星的姿態(tài)相對(duì)于初始姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化，而地面衛(wèi)星的天線則指向初始預(yù)定的位置，從而造成通信中斷[1]。大多數(shù)衛(wèi)星天線是拋物形，與信號(hào)的頻率和孔徑成反比，孔徑越大，工作頻率越高，主瓣越窄，風(fēng)能很容易地將直徑較大的天線從衛(wèi)星上移走[2]。另外，這種天線會(huì)偏離預(yù)定的方向，使天線的方向系數(shù)和效率的乘積大大降低，從而造成通信和信息傳輸中斷，這就需要一套能夠無(wú)人操縱的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)這類衛(wèi)星的軌道姿態(tài)[3]。以往使用基于大數(shù)據(jù)分析的衛(wèi)星在軌姿態(tài)仿真監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，把模擬結(jié)果和衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，可以直接用于在軌控制系統(tǒng)的性能評(píng)估，為在軌故障診斷和應(yīng)急預(yù)案演練提供方便。但因?yàn)樾l(wèi)星在境內(nèi)運(yùn)行時(shí)間短，要求仿真分析及時(shí)、可靠；使用全物理仿真監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜合分析軌道環(huán)境、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)參數(shù)和姿態(tài)確定算法，確定最佳的參數(shù)配置和系統(tǒng)方案，對(duì)于硬件接入情況，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了全面測(cè)試和技術(shù)評(píng)估。盡管該系統(tǒng)可靠、靈活、直觀，操作性強(qiáng)，但在發(fā)生突發(fā)故障情況下，監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。面對(duì)上述傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了基于FuzzyART聚類的衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)合FuzzyART自組織聚類算法，在面對(duì)突發(fā)故障情況下，通過(guò)將輸入向量和網(wǎng)絡(luò)雙向連接后，達(dá)到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的目的。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由仿真電腦和可選擇的存取硬件組成，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)框圖

如圖1所示，仿真計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其擴(kuò)展接口支持對(duì)整個(gè)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)或軌道上衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，可根據(jù)需要擴(kuò)展系統(tǒng)工作模式。衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)需要模擬計(jì)算機(jī)處理衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)，就硬件而言，在軌衛(wèi)星通過(guò)通信鏈路與仿真系統(tǒng)相連[4]。衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)一般是由專門地面站接收，然后傳送到測(cè)控站；將 UDP標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)椒抡嬗?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)在軌姿態(tài)三維動(dòng)態(tài)演示或同步仿真驗(yàn)證。在軟件方面，使用FuzzyART聚類方法對(duì)人腦認(rèn)知過(guò)程仿真，當(dāng)聚類和分類大量復(fù)雜數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)識(shí)別和比較網(wǎng)絡(luò)輸入矢量和雙向連接權(quán)值，可以實(shí)現(xiàn)共振，完成自記憶，實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星姿態(tài)的回收[5]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由姿態(tài)監(jiān)測(cè)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、主控制單元和監(jiān)控單元四部分組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖2可知，當(dāng)執(zhí)行在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，將采集的姿態(tài)信息傳送到主控制裝置。通過(guò)主控單元控制方位角和俯仰角，利用驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送控制命令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，并實(shí)時(shí)記錄方位角和俯仰角[6]。天線驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)在軌衛(wèi)星的姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了天線姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的扁平化，隔離了載波干擾，保證了天線與衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)。監(jiān)控裝置負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控衛(wèi)星的姿態(tài)，并發(fā)出相應(yīng)控制指令[7]。

2.1 MSP430微控制器

MSP430 (MCU)是以簡(jiǎn)化的指令集處理器為基礎(chǔ)的16位微控制器，在晶片內(nèi)設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使其既能接收與輸出數(shù)字信號(hào)，又能接收與輸出模擬信號(hào)[8]。

1)MCU的 CPU模塊通過(guò)存儲(chǔ)器地址總線、數(shù)據(jù)總線、程序存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及各種外部設(shè)備模塊，統(tǒng)一使用CPU指令和尋址方式[9]。

2)由MSP430微控制器產(chǎn)生所需的各種時(shí)鐘信號(hào)，它可以在多種時(shí)鐘源的支持下工作，包括加入一個(gè)外部晶體的高頻穩(wěn)定時(shí)鐘源，而不接入任何外部器件。采用自編程序控制時(shí)鐘模塊的工作狀態(tài)和頻率，使微控制器能夠利用等待狀態(tài)下的低頻時(shí)鐘信號(hào)，甚至關(guān)閉時(shí)鐘電路，降低了系統(tǒng)能耗[10]。

3)對(duì)運(yùn)行中高頻時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行加速信號(hào)處理，MSP430微控制器每一組裝配指令對(duì)應(yīng)于一個(gè)邏輯電路模塊，MSP430微控制器依靠運(yùn)行程序完成工作。該控制器是由設(shè)計(jì)人員向單片機(jī)發(fā)出的一組指令，指令指示單片機(jī)在操作中調(diào)用邏輯電路模塊，使指令以二進(jìn)制代碼形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中。單片機(jī)每次從內(nèi)存中讀出一個(gè)指令碼，并完成指令碼相關(guān)指定操作[11]。

2.2 磁角位置編碼器

磁角位置編碼器是一種利用電磁原理將機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)(脈沖或數(shù)據(jù)信號(hào))的機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測(cè)量裝置。該編碼器采用磁電角編碼器，具有抗震、抗腐蝕、抗污染、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。AS5145B是一種無(wú)觸點(diǎn)的，高精度，高分辨率的磁旋轉(zhuǎn)編碼器，測(cè)量范圍為0～360°。磁角位置編碼器是一個(gè)集成了線性霍爾元件環(huán)形陣列，模擬前端，數(shù)字信號(hào)處理器的完整芯片系統(tǒng)[12]。

通過(guò)使用由線霍爾元件組成的環(huán)形陣列來(lái)檢測(cè)晶片外場(chǎng)，線霍爾元件在環(huán)A陣列上可以感覺(jué)到放置在晶片上的磁體場(chǎng)強(qiáng)，并且可以為每塊磁體施加電壓，從而改變每塊磁體的磁場(chǎng)。正向曲線電壓落在環(huán)形線性霍爾單元陣上，由模擬前端放大，數(shù)據(jù)串或脈沖信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器處理后輸出[13]。

2.3 在軌姿態(tài)模塊電磁羅盤電路

內(nèi)存處理器HMC6352具有用戶校準(zhǔn)功能，用戶可以通過(guò)相關(guān)命令進(jìn)入校準(zhǔn)模式。使用標(biāo)定裝置時(shí)，要求使用者至少轉(zhuǎn)動(dòng)羅盤一次，以確保羅盤在各個(gè)方向都能采集數(shù)據(jù)。為了提高航向數(shù)據(jù)的重復(fù)性，在羅經(jīng)上需要進(jìn)行平滑旋轉(zhuǎn)。最好在20 s內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)兩圈，使校準(zhǔn)更加精確。在沒(méi)有外界磁場(chǎng)干擾的情況下，電子羅盤水平、垂直與重力方向的精度最高[14]。

使用雙軸磁傳感器HMC6352，供電電壓為2.5～5.0 V，可測(cè)磁場(chǎng)范圍為0.1～0.7高斯，定向精度為2.0°。使用HMC6352航向模式時(shí)，該羅盤電路通過(guò)I2C總線輸出數(shù)據(jù)，并且兩個(gè)字節(jié)是二進(jìn)制格式。HMC6352供電電壓為3.0 V，羅盤HMC6352外圍電路如圖3所示。

圖3 羅盤HMC6352外圍電路

由圖3可知，當(dāng)磁場(chǎng)感應(yīng)線穿過(guò)霍爾元件時(shí)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)加載在I2C上，并且腳6電位高于腳5和腳7，通過(guò)改變霍爾元件與地平面的傾斜角，就可通過(guò)該電路找出衛(wèi)星在軌姿態(tài)大致方向[15]。

2.4 傳感器

角傳感器是用于檢測(cè)軸線的，與軸線配合。角傳感器在與 RCX連接時(shí)，計(jì)數(shù)軸是1/16。沿著某一方向旋轉(zhuǎn)可增加計(jì)數(shù)，但如果改變旋轉(zhuǎn)方向，則計(jì)數(shù)將減少。計(jì)數(shù)與角傳感器的初始位置有關(guān)，羅盤下面安裝有霍爾傳感器，負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)向角。下位機(jī)模塊為ESP電子控制單元，為系統(tǒng)提供羅盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向、角度、速度等信號(hào)；由傳感器測(cè)得的方位角是從中心點(diǎn)的北線順時(shí)針向目標(biāo)線的水平角，屬于雙面角；俯仰角是子午圓面和經(jīng)過(guò)該物體的水平圓面之間夾角。用順時(shí)針?lè)较驕y(cè)量子午圓的方位角，也可以用來(lái)測(cè)量俯仰角[16]。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控終端串行發(fā)送與接收流程

監(jiān)控終端串行的發(fā)送流程，如圖4所示。

圖4 監(jiān)控終端串行發(fā)送流程

由圖4可知，監(jiān)控終端的發(fā)送方式以終端發(fā)送為主，先與計(jì)算機(jī)完成第一次數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)單片串口通訊完成初始化后，將接觸信號(hào)傳送到上位機(jī)；監(jiān)控終端與計(jì)算機(jī)完成第二次數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸可靠性。在交換信息之后，以中斷情況下發(fā)送的數(shù)據(jù)為判斷依據(jù)，根據(jù)上述判斷結(jié)果，確認(rèn)數(shù)據(jù)，并判斷 PC執(zhí)行過(guò)程是否有誤。如果發(fā)生錯(cuò)誤，則必須按要求重新發(fā)送[17]。

監(jiān)控終端的串行接收程序具有幾種不同功能的標(biāo)志位，00H表示接收到的觸點(diǎn)信號(hào)標(biāo)志位；01H表示接收的字節(jié)數(shù)目標(biāo)志位；02H表示接收到的數(shù)據(jù)標(biāo)志位；03H表示接收端的標(biāo)志位。監(jiān)控終端可以直接接收數(shù)據(jù)，電腦所傳送的指令資料可依此操作，在數(shù)據(jù)傳輸完成之后，接收字節(jié)數(shù)，并確認(rèn)數(shù)據(jù)，使用該方法能夠保護(hù)數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么該錯(cuò)誤就會(huì)返回給PC主機(jī)，并按規(guī)定重新傳輸數(shù)據(jù)[18]。

3.2 基于FuzzyART聚類監(jiān)測(cè)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合Fuzzy ART聚類特點(diǎn)及輸出層特性，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在軌姿態(tài)，其流程如下所示：

step1：對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊聚類分析，聚類系統(tǒng)正常狀態(tài)下特征向量，并將正常模式向量用網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)的數(shù)目表示出來(lái)。

對(duì)衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，得到對(duì)應(yīng)的等價(jià)矩陣，獲取唯一確定種類。當(dāng)聚類結(jié)果在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，可得到聚類論域，根據(jù)衛(wèi)星動(dòng)態(tài)運(yùn)行環(huán)境確定聚類中心，如下所示：

(1)

式(1)中，c表示衛(wèi)星在軌姿態(tài)分類數(shù)；n表示衛(wèi)星在軌姿態(tài)樣本數(shù)；yi表示衛(wèi)星在軌姿態(tài)樣本平均值；y0表示全體樣本平均值。

step2：在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)FuzzyART聚類判定衛(wèi)星在軌姿態(tài)向量與正常向量匹配度。

令D表示聚類論域中的數(shù)目，α表示衛(wèi)星在軌姿態(tài)分類數(shù)c中的數(shù)目，則近似度可表示為：

(2)

根據(jù)近似度，即警戒參數(shù)，構(gòu)建測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，判斷衛(wèi)星在軌姿態(tài)向量與正常向量匹配度是否滿足警戒參數(shù)，設(shè)警戒層為χ，警戒測(cè)試可表示為：

Sim>χ，警戒測(cè)試通過(guò)

Sim≤χ，警戒測(cè)試失敗

(3)

step3：若任意輸出節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)向量與正常模式向量相匹配，則表明系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；如果不完全匹配，則表明系統(tǒng)工作狀態(tài)異常。系統(tǒng)能夠根據(jù)警戒測(cè)試結(jié)果，自動(dòng)打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)中的新節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)異常狀態(tài)矢量的特征數(shù)據(jù)，并給出報(bào)警信息。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試目的主要是驗(yàn)證基于FuzzyART聚類的衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性。

4.1 系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境

調(diào)用STK中三維可視化場(chǎng)景，直觀演示衛(wèi)星在軌運(yùn)行情況，演示結(jié)果如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星在軌狀態(tài)運(yùn)行演示結(jié)果

4.2 速率阻尼仿真分析

衛(wèi)星在初始角速度為[1，1，1]°/s條件下，用時(shí)2.0軌完成初始衛(wèi)星在軌姿態(tài)消旋，角速度穩(wěn)定在±0.3°/s內(nèi)。衛(wèi)星在軌的俯仰角和方位角三維角度顯示結(jié)果如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星在軌的三維角度顯示結(jié)果

由圖6可知，采用磁矩控制，三軸控制磁矩在阻尼過(guò)程中均以最大值輸出，施加控制力矩，能夠迅速使姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)角速率穩(wěn)定后，切換至反作用輪組，由該輪組施加控制力矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠較好地控制衛(wèi)星速率阻尼，在動(dòng)量輪參與控制下姿態(tài)捕獲速度更快，初態(tài)控制時(shí)間更少，監(jiān)測(cè)效率較好。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

分別使用基于大數(shù)據(jù)分析的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全物理仿真監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于FuzzyART聚類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在軌俯仰角和方位角，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同系統(tǒng)俯仰角和方位角監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

由圖7可知，使用基于大數(shù)據(jù)分析的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全物理仿真監(jiān)測(cè)系統(tǒng)俯仰角和方位角與衛(wèi)星在軌的三維角度顯示結(jié)果差別較大，而使用基于FuzzyART聚類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)俯仰角和方位角與衛(wèi)星在軌的三維角度顯示結(jié)果基本一致，僅在軌道圈數(shù)為2圈時(shí)，z軸方向的俯仰角與實(shí)際三維角度顯示結(jié)果存在一定偏差，導(dǎo)致整體角度偏大1°。通過(guò)上述分析結(jié)果可知，該系統(tǒng)對(duì)仰角和方位角的監(jiān)測(cè)誤差較小，監(jiān)測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)，能夠?qū)πl(wèi)星在軌姿態(tài)做出準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于FuzzyART聚類的衛(wèi)星在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成本低、操作簡(jiǎn)單?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在軌姿態(tài)，為衛(wèi)星運(yùn)行提供幫助。結(jié)合FuzzyART聚類監(jiān)測(cè)原理，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)流程。通過(guò)STK仿真調(diào)試，支持三維動(dòng)態(tài)演示，且由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的衛(wèi)星在軌俯仰角和方位角與實(shí)際運(yùn)行姿態(tài)一致，具有精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)效果。

由于研究條件有限，所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星姿態(tài)控制方面還有待進(jìn)一步深入探索，為了方便應(yīng)急預(yù)案的實(shí)施，應(yīng)建立應(yīng)急預(yù)案分析系統(tǒng)，增加自動(dòng)生成預(yù)案案例的功能，形成完整的衛(wèi)星地面協(xié)同模擬控制回路。