基于SmartFusion2的卫星姿轨控制系统及其PID控制方法技术方案

基于SmartFusion2的卫星姿轨控制系统及其PID控制方法，属于卫星姿轨控制领域。为了解决目前的航天器姿轨控制系统硬件电路复杂、体积大及成本高的问题。本发明专利技术的核心处理器采用在单一芯片上集成了固有可靠性的快闪FPGA架构、一个166MHz ARM Cortex-M3处理器、安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM和多个通信接口模块的SmartFusion2芯片实现的，并配以AD模块、陀螺模块、无线模块和底板模块，完成卫星姿轨控制；所述底板模块包括多个通信接口、控制电源、状态输入接口、OC驱动接口、调试接口和复位电路；本发明专利技术的PID控制方法分别通过核心处理器和上位机对接收的数据判断、解算和打包，并形成闭环。本发明专利技术用于卫星姿轨控制。

【技术实现步骤摘要】
基于SmartFusion2的卫星姿轨控制系统及其PID控制方法
本专利技术属于卫星姿轨控制领域。
技术介绍
微小卫星凭借其放射灵活、成本低、功能密度高、研制周期短等一系列优势，成为当前国际空间技术研究的热点。发达国家在该
走在了前列，民用与军用方面都从中受益。随着微小卫星在遥感、通讯、导航以及空间攻防等方面的潜力不断被挖掘，人们希望微小卫星具备快速响应，放射后无需地面维护等能力，而这些能力的具备是与姿轨控制系统密切相关的。姿轨控制计算机在姿轨控制系统中起着举足轻重的作用，它需要完成传感器数据采集、姿态控制、轨道控制等多个功能。在目前国内微小卫星姿轨控制计算机设计中，有采用386、ARM、DSP等芯片进行设计的。采用386CPU的方法运算速度偏低，而且体积和功耗均不理想；采用ARM的方法硬件结构较为固定，限制了通用性；采用DSP+MCU的方法存在耦合松散、硬件调试周期长等问题。姿轨控制系统的姿态敏感元器件微陀螺多选用三轴集成陀螺仪，这种陀螺仪可同时测得三轴的角速度、角度信息，使用方便，但其体积较大，成本高。现有一种基于SmartFusion的无人机飞行控制系统设计。该无人机飞行控制系统以SmartFusion系列A2F200为核心的控制计算机，并加以传感器和舵机实现飞行控制系统。但是，A2F200的工作频率、I/O、通信接口模块、FPGA逻辑单元资源等还不能实现高性能、多功能的复杂卫星姿轨控制计算机的要求，并且该系统是对无人机飞行控制系统的设计，虽然无人机飞行控制系统与卫星姿轨控制系统有很多相似，但还是不完全适用于卫星姿轨控制系统。另外，该系统应用的A/D芯片TLC3548转换精度为14位，不能满足高精度卫星控制系统要求。现有一种基于三轴惯性陀螺仪的小型姿态测量系统设计。在姿态测量系统中ADIS16350做为三轴敏感元件测量系统位置信息，基于ALTER公司的FPGA进行导航计算机设计。但是，陀螺仪ADIS16350零偏稳定性不好，精度不高，且体积较大，系统对陀螺仪的测试采用有线方式，使接线相对复杂，容易出现接线处接触不良，可靠性降低。ALTER公司的FPGA抗单粒子翻转能力不好，大大降低了系统的可靠性，并且，基于FPGA设计的导航计算机工作频率较低，数据传输速率不高，运算速率较慢，且设计相对复杂。现有一种基于ARM处理器的无人机飞行控制计算机设计。计算机采用S3C44B0X处理器作为MCU，通过对计算机存储器的扩展、数据采集和通信功能的实现等完成了飞行控制计算机硬件系统的构建。随后，针对无人机的飞行控制的应用要求，设计了能够满足飞行控制实时性能要求的计算机软件，移植了嵌入式操作系统uC/OS-2到飞行控制计算机的硬件平台。但是该文献采用的微惯性测量组合MIMU是将加速度计、微陀螺、信号采样处理电路和接口电路进行综合集成的。此MIMU成本低、适用环境能力强，但是精度低，可以满足无人机姿态测量的要求，但对于需求惯性测量元件精度很高的卫星姿轨控制系统就不能满足。另外，文献采用16位模数转换器ADS8364，该芯片集成了6路差分输入通道，但是，该ADC的精度和集成度仍然不能满足卫星姿轨控制系统要求。此外，该文献选用基于ARM7TDMI内核的嵌入式处理器S3C44B0X作为飞行控制计算机的处理器，该处理器通信接口、数据存储器、程序存储器等资源有限，时钟频率66MHz相比SmartFusion2166MHz甚远。现有一种基于SoPC的微小卫星姿轨控计算机设计与实现。该文献基于SoPC技术设计了微小卫星姿轨控制计算机，并且在QuartusⅡ11.1环境下使用硬件编程实现了接口控制IP核。此外，利用浮点定制指令设计了硬件浮点运算以加快CPU处理器浮点运算的速度。从实际应用看，基于SoPC技术的姿轨控制计算机体积小、功耗低；其丰富并且可重新配置的外设接口使之可以适应多种姿轨控模式的要求，成为多功能姿轨控计算机；而且由硬浮点运算带来的强大运算能力使它可以适应越来越复杂的姿轨控算法。实际应用测试表明，该设计方案正确可行，所设计的姿轨控计算机运行可靠，可作为CubeSate或者ChipSate等微小卫星姿轨控计算机的备选方案。但是，该方案采用FPGA设计系统的核心处理器，系统所需要的数据采集、接口通信、存储器读写等功能IP核均需要自行设计仿真，工作量大，设计复杂，调试难度大。核心处理器时钟频率为40/50Mhz，时钟频率低，数据处理能力慢。综上所述，目前的航天器姿轨控制系统还存在硬件电路复杂、体积大及成本高的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前的航天器姿轨控制系统硬件电路复杂、体积大及成本高的问题，本专利技术提供一种基于SmartFusion2的卫星姿轨控制系统及其PID控制方法。本专利技术的基于SmartFusion2的卫星姿轨控制系统，它包括核心处理器、AD模块、陀螺模块、无线模块和底板模块；所述核心处理器采用在单一芯片上集成了固有可靠性的快闪FPGA架构、一个166MHzARMCortex-M3处理器、安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM和多个通信接口模块的SmartFusion2芯片实现的；核心处理器，用于控制数据采集及接收，对接收的数据进行处理，输出指令控制卫星姿态和卫星轨道；陀螺模块，用于测得卫星三轴的角速度信息，并将所述角速度信息发送给核心处理器的模块；AD模块，用于遥测采集通道，采集本模块及整星电压、温度量，对采集的信号进行模数转换，转换后的数据发送给核心处理器的模块；无线模块，用于核心处理器与上位机进行无线交换数据的模块；所述底板模块包括通信接口、控制电源、状态输入接口、OC驱动接口、调试接口和复位电路；控制电源，用于为分离装置、加热器、火工品和推力器进行供电控制；状态输入接口，用于采集行程开关信号；OC驱动接口，共7路，用于指令输出；调试接口，用于对系统的程序及固件下载调试；复位电路，用于控制系统硬件复位；所述通信接口包括CAN接口、SPI接口，I2C接口，同步422接口，异步422接口和异步串口。所述多个通信接口模块包括MSS单元外设接口模块和FPGA单元外设接口模块；MSS单元外设接口模块包括CAN协议通信接口模块、SPI协议通信接口模块、同步串口通信接口模块、I2C协议通信接口模块和外设32位的GPIO模块，CAN协议通信接口模块，共2路，用于实现CortexTM-M3的硬核处理器与外部的CAN协议数据通信；SPI协议通信接口模块，共6路，其中3路用于与陀螺模块通信，另3路用于接收AD模块转换的信号；同步串口通信接口模块，共2路，用于实现CortexTM-M3的硬核处理器与外部的同步422协议数据通信；I2C协议通信接口模块，共2路，用于实现CortexTM-M3的硬核处理器与外部的I2C协议数据通信；外设32位的GPIO模块，共32路，前16路用于中断控制外扩异步串口，后16路用于电源模块、陀螺模块和AD模块的控制和复位；FPGA单元外设接口模块包括用FPGA通过CoreAPB总线外挂的多个异步串口IP模块和GPIO接口模块，异步串口IP模块，共16路，1路用于与地面测试及CPU程序加载，其余7路用于接受磁强计、其他陀螺模块、加速度计的异步422通信协议信号，实现异步42本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于SmartFusion2的卫星姿轨控制系统，其特征在于，它包括核心处理器、AD模块、陀螺模块、无线模块和底板模块；所述核心处理器采用在单一芯片上集成了固有可靠性的快闪FPGA架构、一个166MHz ARM Cortex‑M3处理器、安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM和多个通信接口模块的SmartFusion2芯片实现的；核心处理器，用于控制数据采集及接收，对接收的数据进行处理，输出指令控制卫星姿态和卫星轨道；陀螺模块，用于测得卫星三轴的角速度信息，并将所述角速度信息发送给核心处理器的模块；AD模块，用于遥测采集通道，采集本模块及整星电压、温度量，对采集的信号进行模数转换，转换后的数据发送给核心处理器的模块；无线模块，用于核心处理器与上位机进行无线交换数据的模块；所述底板模块包括通信接口、控制电源、状态输入接口、OC驱动接口、调试接口和复位电路；控制电源，用于为分离装置、加热器、火工品和推力器进行供电控制；状态输入接口，用于采集行程开关信号；OC驱动接口，共7路，用于指令输出；调试接口，用于对系统的程序及固件下载调试；复位电路，用于控制系统硬件复位；所述通信接口包括CAN接口、SPI接口，I2C接口，同步422接口，异步422接口和异步串口。...

【技术特征摘要】
1.基于SmartFusion2的卫星姿轨控制系统的PID控制方法，所述卫星姿轨控制系统包括核心处理器、AD模块、陀螺模块、无线模块和底板模块；所述核心处理器采用在单一芯片上集成了固有可靠性的快闪FPGA架构、一个166MHzARMCortex-M3处理器、安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM和多个通信接口模块的SmartFusion2芯片实现的；核心处理器，用于控制数据采集及接收，对接收的数据进行处理，输出指令控制卫星姿态和卫星轨道；陀螺模块，用于测得卫星三轴的角速度信息，并将所述角速度信息发送给核心处理器的模块；AD模块，用于遥测采集通道，采集本模块及整星电压、温度量，对采集的信号进行模数转换，转换后的数据发送给核心处理器的模块；无线模块，用于核心处理器与上位机进行无线交换数据的模块；所述底板模块包括通信接口、控制电源、状态输入接口、OC驱动接口、调试接口和复位电路；控制电源，用于为分离装置、加热器、火工品和推力器进行供电控制；状态输入接口，用于采集行程开关信号；OC驱动接口，共7路，用于指令输出；调试接口，用于对系统的程序及固件下载调试；复位电路，用于控制系统硬件复位；所述通信接口包括CAN接口、SPI接口，I2C接口，同步422接口，异步422接口和异步串口；其特征在于，所述方法通过上位机和核心处理器实现；上位机的PID控制过程包括如下步骤：接收卫星姿轨控制系统发送的卫星姿轨控制指令数据的步骤；对接收到的数据进行解码判断的步骤；当判断接收的数据正确后，对卫星姿轨动力学模型进行解算，将所接收到的数据用于卫星姿轨动力学模型中，得到新的卫星姿轨状态数据，并将卫星姿轨状态数据打包发送给核心处理器的步骤；核心处理器的PID控制过程包括如下步骤：接收上位发送的卫星姿轨状态数据的步骤；对接收到的数据进行解码判断的步骤；当判断接收的数据正确后，对卫星姿轨数学模型进行解算，将所接收到的数据用于卫星姿轨数学模型中，通过PD控制算法得到新的卫星姿轨控制指令，并将新的卫星姿轨控制指令打包发送给上位机的步骤。2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜少鹤，郭延宁，李伦波，陈辰，孙延超，马广富，李传江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23