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第1章　卫星动态模拟器介绍1

1.1　卫星动态模拟器概念1

1.2　卫星动态模拟器发展历程1

1.2.1　服务于卫星操作员培训的动态模拟器2

1.2.2　与真实部件连接的动态模拟器2

1.2.3　与卫星研制同步的动态模拟器2

1.2.4　普及且具有人性化演示操作界面的动态模拟器3

1.3　动态模拟器工作原理3

1.3.1　飞行动力学模拟3

1.3.2　部件的电信接口模拟3

1.3.3　敏感器飞行工况性能测试3

1.3.4　执行机构飞行工况性能测试4

1.3.5　可维护性与可扩展性4

1.4　动态模拟器组成4

1.4.1　卫星姿态控制系统模拟器4

1.4.2　飞行环境与运动模拟器4

1.4.3　卫星基础子系统模拟器5

1.4.4　运行监测与管理系统6

1.5　动态模拟器结构与工作模式分析6

1.5.1　单机非实时确定性执行逻辑全数字仿真6

1.5.2　全数字分布式实时仿真7

1.5.3　电信接口分布式实时仿真7

1.5.4　基于转台的硬件在回路分布式实时仿真10

1.6　动态模拟器的仿真模型11

1.6.1　原理模型11

1.6.2　电信接口模型12

1.6.3　误差模型12

1.6.4　失效模型12

1.7　动态模拟器应用场景13

1.7.1　方案可行性论证13

1.7.2　方案演示验证14

1.7.3　系统性能分析14

1.7.4　产品测试与验收14

1.7.5　操作人员培训与演练15

1.7.6　故障重现与分析15

1.8　动态模拟器相关知识16

1.8.1　动态模拟器科学知识16

1.8.2　动态模拟器技术知识16

1.8.3　动态模拟器工程知识17

第2章　动态模拟器研制工具与方法18

2.1　动态模拟器耦合性分析方法18

2.2　动态模拟器系统层次分解19

2.2.1　仿真运行平台分类及应用19

2.2.2　应用软件的层次结构20

2.3　实时分布式仿真的同步技术21

2.3.1　分布式仿真的时间分辨率21

2.3.2　动态模拟器的数据计算能力与传输能力需求22

2.3.3　数据传输总线23

2.3.4　计算机的数据计算与通讯能力25

2.3.5　嵌入式系统数据计算与通讯能力26

2.3.6　同步技术与方式27

2.3.7　动态模拟器不同工作模式下的时间分辨率28

2.4　开发研制工具及开发平台29

2.4.1　开发研制工具及开发平台要求29

2.4.2　常用的仪器和设备29

2.4.3　嵌入式系统开发板33

2.4.4　电路板研制工具38

2.4.5　软件集成开发工具41

2.4.6　Visual SourceSafe源代码共享工具46

2.5　跨平台源代码级移植技术48

2.5.1　代码移植所涉及的专业人员48

2.5.2　一致的任务处理流程48

2.5.3　一致的系统接口函数50

2.5.4　一致的编程风格54

2.6　系统测试验证流程57

2.6.1　运行平台的测试验证57

2.6.2　数学模型的正确性检测59

2.6.3　分布式运行正确性检测59

2.6.4　电信接口一致性检测60

2.6.5　转台控制与测量精度检测62

第3章　部件运行平台研制64

3.1　系统接口函数定义64

3.1.1　CAN接口函数64

3.1.2　1553B接口函数64

3.1.3 串口UART接口函数66

3.1.4　数模转换AD/DA接口函数66

3.1.5　数字通道DI/DO接口函数66

3.1.6 占空比PWM接口函数67

3.1.7　串行移位主动发送数据接口函数67

3.1.8　串行移位被动发送数据接口函数67

3.1.9　通用RTI接口68

3.2　Windows应用程序开发与调试70

3.2.1　线程和信号处理70

3.2.2　定时器模拟程序72

3.2.3　CAN卡设备驱动程序73

3.2.4　反射内存网设备驱动程序75

3.2.5　PC104-1553B卡设备驱动程序78

3.2.6　PCI-1553B卡设备驱动程序80

3.2.7　数模转换设备驱动程序84

3.2.8　计数器设备驱动程序85

3.2.9　UDP输入输出85

3.3　VxWorks应用程序开发与调试87

3.3.1　任务和信号处理87

3.3.2　定时器模拟程序88

3.3.3　串口设备驱动程序89

3.3.4　CAN卡设备驱动程序90

3.3.5　反射内存卡设备驱动程序93

3.3.6　PC104-1553B卡设备驱动程序94

3.3.7　PCI-1553B卡设备驱动程序96

3.3.8　数模转换设备驱动程序96

3.3.9　计数器设备驱动程序97

3.3.10　UDP输入输出98

3.4　模拟传输接口98

3.4.1 内存映射文件模拟反射内存网98

3.4.2 UDP模拟串口101

3.4.3 UDP模拟CAN总线101

3.4.4　UDP模拟1553B总线102

3.4.5　UDP模拟串行移位103

3.4.6 UDP模拟RTI接口104

3.4.7　RTI模拟串口106

3.4.8　RTI模拟CAN总线106

3.4.9　RTI模拟1553B总线107

3.4.10　RTI模拟串行移位接口108

3.5　工控机硬件平台109

3.5.1　工控机的打开与关闭109

3.5.2　扩展板卡109

3.5.3　电压调整电路111

3.6　F51芯片单板机平台112

3.6.1　F51芯片简介112

3.6.2　工作原理113

3.6.3　PCB板研制114

3.6.4　串口驱动函数开发117

3.6.5　CAN总线驱动函数118

3.6.6　定时器驱动函数118

3.6.7　AD/DA驱动函数119

3.6.8　串行移位接口驱动函数119

3.7　ARM7单板机平台120

3.7.1　平台总体设计120

3.7.2　CPU工作电路设计121

3.7.3　总线接口设计125

3.7.4　数字量接口设计127

3.7.5　PCB板研制129

3.7.6　初始化函数133

3.7.7　CAN驱动函数134

3.7.8　串口通信驱动函数136

3.7.9　数字量输入输出驱动函数137

3.7.10　PWM驱动函数139

3.7.11　AD/DA软件接口140

3.8　SPARC芯片单板机平台144

3.8.1　硬件平台总体设计144

3.8.2　CPU芯片核心工作电路设计145

3.8.3　部扩展存储器146

3.8.4　下载与调试口设计150

3.8.5　供电电路设计150

3.8.6 PCB板研制150

3.8.7　系统函数开发152

3.9　单板机标准外扩接口153

3.9.1　外扩422接口153

3.9.2　外扩CAN接口155

3.9.3　外扩1553B接口158

3.9.4　数字信号电压调整电路162

3.9.5　12位AD与10位DA转换电路163

3.9.6 16位AD/DA转换电路166

3.10 FPGA同步设备171

3.11　集群嵌入式板卡监测配置管理176

3.11.1　监测配置系统结构176

3.11.2　监测配置卡的硬件设计177

3.11.3　监测配置箱的硬件设计179

3.11.4　监测配置系统的软件协议181

3.12　运动控制卡编程183

3.13　运动学转台192

3.13.1　单自由度转台192

3.13.2　二自由度转台195

3.13.3　三自由度平动台198

3.14　动力学转台201

3.14.1　单自由度气浮转台201

3.14.2　三自由度气浮台201

第4章　星载计算机模拟器数学模型203

4.1　数学层模块203

4.1.1　矢量点积计算模块203

4.1.2　矢量叉积计算模块203

4.1.3　矢量模计算模块203

4.1.4　矩阵相乘计算模块204

4.1.5　矩阵转置计算模块204

4.1.6　矩阵转置后相乘计算模块204

4.1.7　欧拉角求坐标转换矩阵模块204

4.1.8　坐标转换矩阵求欧拉角模块205

4.1.9　工程数据转至生数据模块205

4.1.10　生数据转至工程数据模块205

4.1.11　符号函数模块206

4.1.12　限幅函数模块206

4.2　力学层模块206

4.2.1　惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵计算模块206

4.2.2　轨道角速度计算模块207

4.2.3　双矢量定姿算法207

4.2.4　天体位置计算208

4.2.5　地磁场计算209

4.3　通用算法层模块210

4.3.1　注入轨道参数推算211

4.3.2　角速度积分计算姿态角模块212

4.3.3　地球敏感器太阳敏感器联合确定偏航角模块213

4.3.4　滚动俯仰轴陀螺漂移标定模块214

4.3.5　偏航轴陀螺漂移标定模块214

4.3.6　推力器继电器型控制算法215

4.3.7　推力器相平面控制算法216

4.3.8　反作用轮控制算法219

4.4　布局相关算法层模块219

4.4.1　推力器点火逻辑算法219

4.4.2　金字塔构型反作用轮控制逻辑算法220

4.5　飞行控制模式实体221

4.5.1　太阳捕获222

4.5.2　地球捕获223

4.5.3　正常对地定向模式225

4.5.4　位置保持227

第5章　部件模拟器229

5.1　部件模拟器种类229

5.1.1　原理一致模拟器229

5.1.2　电信号一致模拟器230

5.2　设备组与接插件231

5.2.1　陀螺231

5.2.2　太阳敏感器233

5.2.3　地球敏感器235

5.2.4　推力器238

5.2.5　反作用轮241

5.2.6　磁力矩器244

5.2.7　太阳帆板246

5.3　陀螺模拟器250

5.3.1　原理模型250

5.3.2　电信接口模型250

5.3.3　误差模型251

5.3.4　失效模型251

5.3.5　数据处理流程252

5.3.6　F51单板机实现252

5.4　太阳敏感器模拟器252

5.4.1　原理模型253

5.4.2　电信接口253

5.4.3　误差模型254

5.4.4　失效模型254

5.4.5　数据处理流程255

5.4.6　F51单板机实现255

5.5　地球敏感器模拟器256

5.5.1　原理模型256

5.5.2　电信接口256

5.5.3　误差模型257

5.5.4　失效模型257

5.5.5　数据处理流程258

5.5.6　F51单板机实现258

5.6　推力器模拟器259

5.6.1　原理模型259

5.6.2　电信接口259

5.6.3　误差模型259

5.6.4　失效模型260

5.6.5　数据处理流程260

5.6.6　F51单板机实现260

5.7　反作用轮模拟器261

5.7.1　原理模型261

5.7.2　电信接口262

5.7.3　误差模型262

5.7.4　失效模型263

5.7.5　数据处理流程263

5.7.6　F51单板机实现263

5.8　磁力矩器模拟器264

5.8.1　原理模型265

5.8.2　电信接口265

5.8.3　误差模型265

5.8.4　失效模型265

5.8.5　数据处理流程265

5.8.6　F51单板机实现266

5.9　帆板驱动机构模拟器266

5.9.1　原理模型266

5.9.2　电信接口267

5.9.3　误差模型267

5.9.4　失效模型268

5.9.5　F51单板机实现268

5.10　遥测遥控子系统模拟器269

5.10.1　工作原理269

5.10.2　单板机实现269

5.11　供电子系统模拟器272

5.11.1　工作原理272

5.11.2　电信接口272

5.11.3　采购部件272

第6章　卫星动力学模型与计算方法275

6.1　坐标系与坐标转换275

6.1.1　坐标系的定义275

6.1.2　惯性坐标系到地理坐标系的转换矩阵275

6.1.3　惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵276

6.1.4　惯性坐标系到本体坐标系的转换矩阵276

6.1.5　惯性坐标系到当地水平坐标系的转换矩阵276

6.1.6　气流坐标系到本体坐标系的转换矩阵277

6.2　卫星轨道描述及变换277

6.2.1　卫星轨道描述277

6.2.2　直角坐标分量转为轨道根数278

6.2.3　直角坐标分量转为退化的轨道根数279

6.2.4　轨道根数转为直角坐标280

6.2.5　退化的轨道根数转为直角坐标281

6.2.6　直角坐标分量到地理坐标分量281

6.2.7　地理坐标分量到直角坐标分量282

6.3　卫星姿态描述及变换283

6.3.1　卫星姿态描述283

6.3.2　欧拉角与坐标转换矩阵的转换284

6.3.3　四元数与坐标转换矩阵的转换284

6.3.4　欧拉角与四元数的转换286

6.4　时间和历法286

6.4.1　世界时286

6.4.2　原子时和力学时286

6.4.3　力学时与世界时的转换287

6.4.4　北京时间与世界时的转换287

6.4.5　公历和儒略日287

6.4.6　由公历求儒略日287

6.4.7　由儒略日求公历288

6.4.8　标准历元起儒略世纪数的计算288

6.5　地球相关模型289

6.5.1　格林尼治赤经289

6.5.2　引力计算289

6.5.3　磁场计算291

6.5.4　大气密度计算294

6.6　天体位置计算296

6.6.1　太阳位置近似公式计算296

6.6.2　月球位置近似公式计算296

6.6.3　JPL星历表插值计算297

6.7　卫星轨道与姿态运动301

6.7.1　轨道动力学方程301

6.7.2　姿态动力学方程301

6.7.3　力和力矩的计算304

6.7.4　微分方程组数值解法305

6.8　测试与验证307

6.8.1　二体轨道检测微分方程解算精度307

6.8.2　静止卫星308

6.8.3　动量矩守恒309

6.8.4　重力梯度稳定310

6.8.5　气动力矩稳定311

6.8.6　仿真环境的计算结果与天文年历的比对313

6.8.7　与STK的对比315

第7章　运行监测与管理系统317

7.1　数据归档分析程序317

7.1.1　数据表317

7.1.2　数据视图320

7.1.3　数据曲线322

7.2　遥测解码程序325

7.2.1　遥测数据表325

7.2.2　遥测数据视图326

7.2.3　内存数据库328

7.2.4　遥测数据处理流程331

7.3　自然人机交互界面技术333

7.3.1　遥控指令生成程序333

7.3.2　基于OSG的三维显示系统334

7.3.3　基于LabVIEW的二维监视系统340

7.3.4　数据手套控制命令输入344

7.3.5　有限词汇语音识别控制命令输入346

参考文献349