（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

立方星雖然體積小，但是集成度高，其星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同樣具備傳統(tǒng)衛(wèi)星的所有功能，該系統(tǒng)作為立方星的核心部件，主要完成在軌數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星測(cè)控以及星上控制等［1］。星載計(jì)算機(jī)以嵌入式處理器為基礎(chǔ)，以軟件為主體，是一類以分布式、多進(jìn)程、可擴(kuò)展為特點(diǎn)，并擁有自主導(dǎo)航、自我修復(fù)和集中管控等功能的綜合電子系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)大衛(wèi)星中各大子系統(tǒng)之間的分立架構(gòu)，立方星的星載計(jì)算機(jī)體現(xiàn)了“集中管控”的思想，即計(jì)算機(jī)板提供計(jì)算控制單元、星上存儲(chǔ)單元、對(duì)外接口單元和必要外部電路，各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)星上總線或直連的方式接入星載計(jì)算機(jī)［2］。這種做法弱化了星上各子系統(tǒng)之間的界限，各子系統(tǒng)的采集、處理、監(jiān)視、控制等操作統(tǒng)一交由星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)度處理，子系統(tǒng)提供星務(wù)軟件控制所需的各種應(yīng)用程序接口函數(shù)，它們的資源絕大多數(shù)甚至全部由星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)了整星資源、狀態(tài)、遙測(cè)和控制的統(tǒng)一管理和調(diào)度［3］。本文以STM32微控制器作為星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行3U立方星的星務(wù)和姿態(tài)控制設(shè)計(jì)。第一部分分析并實(shí)現(xiàn)星務(wù)及姿態(tài)控制所需硬件模塊，主要有中心計(jì)算機(jī)模塊、磁強(qiáng)計(jì)模塊、磁力矩器模塊、動(dòng)量輪模塊、GPS模塊、天線模塊、測(cè)控收發(fā)機(jī)模塊，電源及配電模塊。第二部分完成3U立方星星務(wù)和姿態(tài)控制軟件設(shè)計(jì)，基于STM32F4微控制器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要包括星務(wù)和姿控兩大部分，姿控部分采用封裝函數(shù)方式與星務(wù)部分共同構(gòu)成星務(wù)軟件，完成各個(gè)衛(wèi)星的各項(xiàng)任務(wù)和姿態(tài)穩(wěn)定控制。

2 3U立方星星務(wù)及姿態(tài)控制總體方案

總體方案的目的是對(duì)各分系統(tǒng)需完成的功能及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行總體規(guī)劃，完成總體方案設(shè)計(jì)后，再以此為根據(jù)對(duì)各功能模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文中3U立方星星務(wù)及姿態(tài)控制系統(tǒng)硬件部分采用模塊化解決方案，總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案圖

主要組成部分功能：

1）星載計(jì)算機(jī)模塊：基于STM32F4微控制器，主要進(jìn)行衛(wèi)星任務(wù)處理及衛(wèi)星姿態(tài)控制。

2）GPS接收機(jī)模塊：GPS接收機(jī)，提供星上時(shí)間，位置及速度，作為姿控輸入量。

3）三軸磁強(qiáng)計(jì)模塊：敏感在軌的地磁強(qiáng)度，根據(jù)磁場(chǎng)信息計(jì)算出衛(wèi)星姿態(tài)。

4）三軸磁力矩器模塊：作為姿控執(zhí)行器件進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

5）偏執(zhí)動(dòng)量輪模塊：通過(guò)在俯仰軸負(fù)方向加裝偏置動(dòng)量輪，利用其陀螺定軸性穩(wěn)姿。

6）太陽(yáng)敏感器及陀螺模塊：分別提供對(duì)日角度和角速度，作為輔助定姿器件。

7）測(cè)控收發(fā)機(jī)模塊：為星地測(cè)控服務(wù)。

8）天線模塊：與測(cè)控收發(fā)機(jī)共同構(gòu)成測(cè)控模塊，為星務(wù)計(jì)算機(jī)和地面站提供測(cè)控支持。

9）電源及配電模塊：為各個(gè)模塊提供電能支持。

對(duì)于星務(wù)管理軟件的設(shè)計(jì)，可以將整個(gè)星務(wù)任務(wù)分解為一些小的任務(wù)，選擇基于FreeRTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時(shí)器等，內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法［4］。

3 3U立方星星務(wù)及姿態(tài)控制硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 星載計(jì)算機(jī)模塊的實(shí)現(xiàn)

立方星星務(wù)計(jì)算機(jī)不僅要滿足衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，還需要滿足在低功耗的情況下提供高性能的處理能力、長(zhǎng)壽命與高可靠性的指標(biāo)，保證衛(wèi)星能夠順利的完成空間任務(wù)［5］。星載計(jì)算機(jī)選擇STM32F4作為微控制器，STM32F4是由ST（意法半導(dǎo)體）開發(fā)的一種32位高性能微控制器，具有低功耗，超多外設(shè)，實(shí)時(shí)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。星務(wù)及姿控的實(shí)現(xiàn)依靠星載計(jì)算機(jī)與一系列外圍模塊組成，因此應(yīng)首先設(shè)計(jì)此星載計(jì)算機(jī)模塊。

星載計(jì)算機(jī)模塊通過(guò)UART，IIC和SPI接口實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的通信和控制，同時(shí)，板載的STM32的IO口部分用于直接進(jìn)行ADC采集，采集星上各部分電壓電流溫度等信息，另一部分用于控制各個(gè)模塊的供電繼電器開合。STM32F4采用外部8M晶振作為主時(shí)鐘晶振，內(nèi)部倍頻到60MHz。部分引腳原理圖如圖2所示。

圖2 STM32F4原理圖

部分ADC采集電路如圖3所示。星載計(jì)算機(jī)與其他模塊通過(guò)PC104接口相連，部分接口如圖4所示。

圖3 ADC采集電路

圖4 模塊間接口

3.2 姿控相關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)方案

鑒于立方星尺寸小，空間有限的特點(diǎn)，因此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化思維，主要的模塊包括星載計(jì)算機(jī)模塊、GPS模塊、三軸磁強(qiáng)計(jì)模塊、太敏及陀螺模塊、偏執(zhí)動(dòng)量輪模塊、三軸磁力矩器模塊、天線模塊、測(cè)控收發(fā)機(jī)模塊和電源配電模塊［6］。姿態(tài)執(zhí)行部件基于磁力矩器+俯仰偏置動(dòng)量輪的控制方式；姿態(tài)測(cè)量部件采用磁強(qiáng)計(jì)+模擬太陽(yáng)敏感器+陀螺方案；星上自主軌道確定采用星載GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)推算兩行根數(shù)；同時(shí)，星上軌道數(shù)據(jù)可依靠地面站的周期注入［7］。由于篇幅有限，文章不再對(duì)姿控相關(guān)模塊硬件設(shè)計(jì)做詳細(xì)敘述。

4 3U立方星星務(wù)軟件設(shè)計(jì)

本文提出了星載計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了軟件的運(yùn)行模式和任務(wù)調(diào)度過(guò)程。星務(wù)軟件既包含衛(wèi)星各項(xiàng)任務(wù)的處理，同時(shí)也包含姿態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)［8］。整個(gè)流程的簡(jiǎn)易流程如圖5所示。

衛(wèi)星執(zhí)行各個(gè)不同的任務(wù)需要星務(wù)計(jì)算機(jī)的調(diào)度，星務(wù)計(jì)算機(jī)軟件基于FreeRTOS操作系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度處理能力進(jìn)行星務(wù)任務(wù)管理，星務(wù)計(jì)算機(jī)軟件的調(diào)度周期定為2ms，通過(guò)每滴答定時(shí)器的時(shí)鐘片中斷調(diào)度，對(duì)于同等實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，按照任務(wù)的重要性依次進(jìn)行調(diào)度，并按任務(wù)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行任務(wù)［9］。

4.1 各模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

各個(gè)硬件模塊均由星載計(jì)算機(jī)的STM32微控制器進(jìn)行控制，由于模塊較多，下面只進(jìn)行個(gè)別主要模塊的驅(qū)動(dòng)層面軟件實(shí)現(xiàn)介紹。

1）GPS模塊與星載計(jì)算機(jī)模塊采用UART串口通信。GPS數(shù)據(jù)內(nèi)容解析部分代碼如下所示。

圖5 星務(wù)系統(tǒng)流程圖

2）三軸磁強(qiáng)計(jì)模塊與星務(wù)計(jì)算機(jī)采用SPI通信，磁強(qiáng)計(jì)故障檢測(cè)及切換部分代碼如下。

3）三軸磁力矩器模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

4）偏執(zhí)動(dòng)量輪與星務(wù)計(jì)算機(jī)采用UART通信，轉(zhuǎn)速設(shè)置部分代碼如下。

4.2 星務(wù)任務(wù)實(shí)現(xiàn)

星箭分離后，星載計(jì)算機(jī)完成加電，然后控制完成各項(xiàng)任務(wù)。

1）星務(wù)常態(tài)運(yùn)行流程如表1所示。

表1 星務(wù)運(yùn)行流程

其中的部分任務(wù)調(diào)度代碼如下。

2）遙控遙測(cè)任務(wù)

遙控任務(wù)是星載計(jì)算機(jī)處理地面站指令，根據(jù)指令進(jìn)行控制，部分實(shí)現(xiàn)代碼如下。

遙測(cè)任務(wù)主要包含衛(wèi)星狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、軌道數(shù)據(jù)及各個(gè)傳感器等信息，部分實(shí)現(xiàn)代碼如下。

4.3 姿控實(shí)現(xiàn)

姿控的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)星務(wù)計(jì)算機(jī)采集各個(gè)姿控采集模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，最后輸出控制量，轉(zhuǎn)化為PWM后控制磁力矩器調(diào)節(jié)衛(wèi)星姿態(tài)［10］。

姿態(tài)確定與控制各個(gè)階段控制模式如下。

1）角速率阻尼

星箭分離后，默認(rèn)進(jìn)入該模式，結(jié)合磁強(qiáng)計(jì)信息，采用三軸磁力矩器實(shí)現(xiàn)角速率阻尼，動(dòng)量輪維持中心角動(dòng)量矩（1000rpm）狀態(tài)。阻尼過(guò)程中接受地面站測(cè)控，并進(jìn)行軌道參數(shù)上注和校時(shí)工作，并擇機(jī)啟動(dòng)俯仰濾波器。此時(shí)磁強(qiáng)計(jì)、磁力矩器、動(dòng)量輪加電狀態(tài)維持不變，陀螺根據(jù)地面指令進(jìn)行遙控開關(guān)機(jī)。

2）姿態(tài)捕獲

衛(wèi)星角速率阻尼結(jié)束后，利用磁力距器、動(dòng)量輪和磁強(qiáng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)地球捕獲，初步建立對(duì)地指向。此時(shí)磁強(qiáng)計(jì)、磁力矩器、動(dòng)量輪加電狀態(tài)維持不變。動(dòng)量輪保持處于中心轉(zhuǎn)速狀態(tài)，俯仰濾波器估計(jì)俯仰角與俯仰角速度，當(dāng)俯仰濾波器指示角度進(jìn)入俯仰主動(dòng)控制律門限后，磁力距器進(jìn)行俯仰方向的主動(dòng)控制，機(jī)動(dòng)到對(duì)地狀態(tài)后保持姿態(tài)，此時(shí)完成了地球捕獲［11］。

3）三軸穩(wěn)定控制

姿態(tài)捕獲階段結(jié)束后進(jìn)入。利用動(dòng)量輪的角動(dòng)量矩實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的慣性定向，磁力矩器作為主動(dòng)控制部件，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的章進(jìn)動(dòng)控制和俯仰姿態(tài)控制。此時(shí)磁強(qiáng)計(jì)、磁力矩器、動(dòng)量輪加電狀態(tài)維持不變，GPS接收機(jī)保持常開狀態(tài)。

4）強(qiáng)制進(jìn)入阻尼模式

當(dāng)動(dòng)量輪發(fā)生故障后，可關(guān)閉動(dòng)量輪并且讓衛(wèi)星進(jìn)入永久阻尼模式，接收到地面指令后，此時(shí)控制軟件利用保存的軌道六根數(shù)計(jì)算軌道參數(shù)。

部分姿控采集任務(wù)如下。

部分姿控計(jì)算如下。

4.4 姿控仿真

對(duì)姿控部分進(jìn)行仿真，得到滾動(dòng)角，俯仰角，偏航角及三個(gè)角速率的仿真數(shù)據(jù)。

滾動(dòng)角速率和偏航角速率仿真如圖6所示。

圖6 滾動(dòng)角速率和偏航角速率仿真圖

因立方星電源容量有限，為減少電源損耗，設(shè)計(jì)動(dòng)量輪在星箭分離后起旋［12］，動(dòng)量輪起旋加速會(huì)導(dǎo)致俯仰方向產(chǎn)生較大角速率，因此俯仰角速率調(diào)節(jié)較慢，仿真如圖7所示。

滾動(dòng)角，俯仰角，偏航角的仿真如圖8所示。

圖7 俯仰角速率仿真圖

圖8 姿態(tài)角仿真圖

仿真結(jié)果顯示，姿控能夠完成衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整，另外姿控的PD參數(shù)也可以由地面站上注，實(shí)現(xiàn)在軌姿控參數(shù)的調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于STM32微控制器對(duì)3U立方星進(jìn)行星務(wù)和姿控設(shè)計(jì)，為立方星的星務(wù)及姿態(tài)控制提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方式。文章先是對(duì)星務(wù)及姿控相關(guān)硬件模塊進(jìn)行了闡述，然后對(duì)星務(wù)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，最后對(duì)姿態(tài)控制部分進(jìn)行仿真。經(jīng)過(guò)測(cè)試，星務(wù)軟件能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，各任務(wù)之間調(diào)度安全可靠；姿態(tài)控制部分的仿真也表明姿態(tài)控制也能滿足任務(wù)需求。