卫星推力器模拟器校准技术研究

王 凯 王贺迎 富雅琼 武宇婧 孙汇聪

(1.北京东方计量测试研究所，北京 100086；2.中国计量大学，浙江杭州 310018)

1 引 言

卫星推力器是姿轨控部件中的执行机构。在地面模拟实验中，卫星姿轨控半实物仿真系统通过硬件和软件为姿轨控系统测试提供卫星动力学模型[1-3]，系统产生激励信号，进行实时数据的采集和处理，开展卫星地面仿真测试试验。其中，推力器模拟器接收星载计算机(AOCC)的喷气信号指令，根据推进系统的工作状态实时计算喷气时长[4-7]。目前，推力器模拟器的校准依靠频率计和动力学计算机完成。该方法需要人工设置、接线、抄数、计算等工作，耗时费力，由于人为因素容易造成校准结果存在偏差[8-11]。本文阐述了一种推力器模拟器自动在线校准装置。该装置集成度高，可实现推力器模拟器的全流程、动态校准。

2 推力器模拟器校准方法

推力器模拟器通过接收动力学计算机发送的喷气时间指令，经过模拟器内部算法输出电压脉冲信号。目前，航空、航天领域对推力器模拟器的校准方法较为一致，主要依靠动力学计算机、频率计、测试线缆完成校准测试工作。

如图1所示，依据推力器模拟器接口定义，测试线缆将频率计接入被校准推力器模拟器线路中，通讯线缆将动力学计算机和被校准设备相连。动力学软件设置喷气周期和喷气时间等信息，被校准推力器模拟器输出对应的脉冲信号。调节频率计合适的测量档位，观测频率计脉冲频率、占空比并记录。以此类推，在动力学软件上设置推力器模拟器的典型不同值后观测频率计的读数。经过对比动力学软件上的理论设置值和频率计读数计算后的喷气时间实测值完成校准。

目前传统校准方式有较多缺陷。一是校准过程需对各类仪器仪表进行反复操作，频率计采集脉冲信号频率值和占空比后需进行读数，经过复杂计算得到实际喷气时间值，自动化程度低；二是当更改条件或参量变化时，则当前的校准工作无法及时响应。传统的校准方式不能体现仿真系统的动态性、全面性和准确性；三是校准过程需要插接线缆、仪表读数、数据统计等人工操作，引入误差较大。总之，传统的校准方法不具备先进性。

3 推力器模拟器校准装置设计

推力器模拟器模拟喷气脉冲输出，校准装置记录喷气脉冲在每个采样周期的高电平时间TH，以动力学取数周期为采样周期(仿真系统为32ms)，每次脉冲的上升沿将计数结果打入缓存中，周期性计算脉冲高电平作用时间。如图2所示。

图2 推力器模拟器校准示意图

校准装置设置模拟器输出喷气脉冲，喷气时间为t1；模拟器将设定值t1转化为脉冲输出。校准装置对脉冲时间进行采集，给出测定值TH与设置值t1的误差，并作为喷气信号误差。同时，凭借正算理论模型推导出高电平时间，凭借反算理论模型反解高电平时间，根据反算结果给出模型误差。

3.1 硬件设计

校准装置推力器硬件设计中，功能上主要实现喷气脉冲时间信息的输出和模拟器回传喷气脉冲信号的高精度采集。内部电路原理框图如图3所示。

图3 推力器模拟器校准模块硬件框图

在进行测试校准时，将推力器模拟器输出的4路脉冲信号通过测试电缆接入校准装置。在校准装置中，经过多通道数字脉冲信号接收电路进行信号调理，信号滤波，减小脉冲信号干扰。为了安全保护，将数字电路与模拟电路通过磁偶隔离，FPGA采集脉冲信号周期内边沿时刻，完成对喷气高电平时间的计算和解析。单片机通过访问FPGA中RAM数据信息，根据推力器解算算法，得到喷气高电平时间。实测值与理论值进行对比，理论信号波形和实测信号波形进行对比，完成模型误差和信号误差的计算。原始数据依据通信协议上传至动力学计算机显示完成自动校准。

推力器模拟器校准模块接收5V的脉冲信号(喷气信号)，如图4所示。信号在采样电阻上产生压降，电流从地回流(地与ADU二次地通过磁珠相连)。跟随电路信号输入端和采样电阻都设置了冗余限流电阻，防止模拟器的下行信号在校准装置内的发生短路。

图4 模拟器输出脉冲信号图

信号调理模块中，差分运放选用INA128仪表放大器对采样电阻两端电压信号进行差分放大，磁耦隔离选用AUM1400芯片将信号端与FPGA数字信号端隔离。如图5所示。

图5 信号调理原理图

3.2 软件设计3.2.1 上位机软件设计

校准装置上位机软件的主要功能是与控制单元进行通信，动力学计算机通过网口对推力器模拟器发送上位机指令，同时采集回传的数据通过运算并显示给用户以实现监测。上下位机的通讯应遵循一定的通信协议，通讯协议指令格式如图6所示。

图6 通讯协议格式图

上位机发送指令见表1。其中，每路喷气信号设置包含三个字节，其中前两个为频率值，后一个为占空比(控制喷气时间)；喷气频率设置值为16位数据，前一个字节为高8位，后一个字节为低8位(单位Hz)；第三个字节设置脉冲的占空比，设定值范围为0～32(十进制)，对应占空比0/32～32/32(信号周期为32ms)。

推力器的网口通信中，频率与占空比的分辨率均为1。推力器模拟器收到推力器校准软件发送的网口设置数据后，将返回数据帧，推力器校准软件根据返回的数据帧可判断频率与占空比是否设置成功，下位机回传数据指令格式见表2。

表1 上位机下发指令Tab.1 Instructions issued by upper computer字头命令长度推力器信号1信号2信号3信号4备份备份字尾0XAA0X4C0X040X040X010X010X040X010X010X040X010X010X040X010X010X000X000X55

表2 下位机回传数据指令Tab.2 Data return instruction of lower computer字头命令长度推力器设置成功备份备份字尾0XAA0X040X010X01/000X000X000X55

推力器模拟器校准软件测量界面如图7所示，界面中包含设置采集板卡的板卡号和通道号信息，板卡号可根据推力器模拟器采集板卡在PXI机箱中的安装插槽确定，通道号可以根据采集板卡连接的通道确定。点击启动即可采集推力器模拟器的脉冲信号输出，并在该软件界面中的绘图框中进行显示，经过推力器算法显示相应的高电平时间，理论高电平时间由设置值正算得到。

图7 校准软件界面图

3.2.2 脉冲信号解算设计

脉冲信号的解算过程在FPGA和单片机内进行，算法流程如图8所示。

图8 推力器模拟器反算算法流程框图

1)计算脉冲信号占空比。板卡默认采样的是-5V～5V的电压信号，首先判断1s内电压采样数组中大于0V点的数量，大于0V点的信号数量与数据总长度的比值即可得到此次测量脉冲波形的占空比；

2)计算信号上升沿时刻。对当次得到的电压信号进行判断，如果k-1时刻的值小于0V，且k时刻值大于零，则认为k时刻就是波形的上升沿时刻；

3)计算高电平时间。在当次得到的1s电压采样数组中，取出32ms所对应的数据，判断大于0V点的个数，最终得到32ms内高电平时间。

4 不确定度分析

将校准装置与推力器模拟器联机测试，通过设置信号的频率和占空比值，利用固定周期内信号的高电平时间来模拟真实推力器的喷气时间。通过对比理论值和实测值完成校准。同时，对测试结果进行不确定度评定，满足型号的校准需求。测试结果见表3。

表3 推力器脉冲信号检测Tab.3 Thruster pulse signal detection序号类别理论值上位机软件读数1高电平时间16ms(1kHz,50%)15.98ms2高电平时间8ms(1kHz,25%)8.005ms3高电平时间24ms(1kHz,75%)23.99ms

4.1 测量模型建立

推力器模拟器脉冲信号高电平时间测量误差为

ΔT=Δ1+Δ2+Δ3

(1)

式中：Δ1——校准装置脉冲信号周期测量不准引入的误差；Δ2——测量结果分辨力引入的误差；Δ3——测量重复性引入的误差。

4.2 不确定度传播率

推力器模拟器脉冲信号高电平时间各误差来源引入的误差互不相关，故

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

(2)

4.3 标准不确定度评定

4.3.1 校准装置脉冲信号周期测量误差引入的不确定度分量u1

校准装置时基最大允许误差为±1×10-4s，认为是均匀分布，则有

4.3.2 校准装置脉冲信号重复性引入的不确定度分量u2

测量重复性引入的标准不确定度按A类标准不确定度评定，选取1kHz/50%点用校准装置对推力器模拟器高电平时间测量10次，利用贝塞尔公式计算

4.3.3 校准装置读数分辨力引入的不确定度分量u3

校准装置频率读数分辨力为0.001ms，认为是均匀分布，则有

4.4 合成标准不确定度

推力器模拟器脉冲信号高电平时间测量合成标准不确定度，取设备分辨力和重复性不确定度大者计算合成不确定度为

4.5 扩展不确定度

取k=2，则其扩展不确定度为

U(ΔT)=kuc(ΔT)=1.2×10-4s

5 结束语

推力器模拟器校准装置的研发有助于测试人员更准确、更清晰的观测和模拟卫星姿轨控系统中执行机构的健康运行状态。其优点在于：满足了多通道、多型号推力器的校准工作；校准装置替代了目前由多个测试设备(频率计、动力学计算机等)组成的复杂校准系统，提升效率降低成本；优化人工计数、抄数、计算等繁琐过程，提高自动化测试程度，使得校准工作在线化、规范化。