2018年11月5日，星期一，帕克太阳探测器（PSP）到达其第一个近日点，比以往任何航天器都更接近太阳表面（图1）。即使以每小时213200英里的最高速度，宇宙飞船也需要几天的时间才能从太阳后面通过并从另一侧出现。在此期间，美国宇航局和约翰霍普金斯大学应用物理实验室（JHU APL）的研究人员和工程师焦急地等待着第一个状态灯塔。11月7日，星期三，收到信号：帕克太阳探测器处于“A”状态，所有科学仪器都在运行并收集数据。
刚刚在两周后，帕克太阳能探头重新建立了完全接触。随着每个子系统被调查的地位，APL团队的兴奋成长。科学纪录片填补了预期，航天器保持其态度，它是在正确的轨迹上。Over its nearly seven-year mission, Parker Solar Probe will orbit the Sun 24 times, coming gradually closer after each of seven Venus gravity-assist flybys until it passes within 3.83 million miles, close enough to fly through the Sun’s atmosphere (Figure 2).
帕克太阳探测器首次与太阳接触的确认对于JHU APL的制导、导航和控制（GNC）团队来说尤其受欢迎，该团队负责开发航天器的姿态控制算法。使用Simulink设计、实现和验证金宝app®在美国，这些算法是关键任务:它们不仅控制航天器的方向，还使其碳复合热保护系统(TPS)指向太阳。TPS定位的一个或两个度的偏差可能意味着一次成功的任务和航天器的毁灭。
指导和控制设计约束
在轨道上，帕克太阳能探测器将被热量475倍，而不是在地球的轨道上经历。这意味着姿态控制系统必须定位帕克太阳能探头，使其被TPS不断保护。
由于太阳是太阳系中最大、最明亮的天体，一开始让航天器朝向太阳似乎很简单。然而，在实践中，派克太阳探测器的姿态控制相当复杂。一个挑战是，在近日点附近，没有一个为姿态控制算法提供输入数据的传感器实际指向太阳。相反，它们位于TPS后面，以保护它们免受太阳热辐射（图3）。
两个远离太阳的恒星跟踪器可以用来根据恒星的位置测量方向，但设计团队必须计划这些传感器在近日点附近无法使用的可能性。该航天器配备了两个数字太阳传感器(DSS)，但它们只能在远离太阳的地方使用。太阳边缘传感器(SLS)是为近距离使用而设计的，但它们只有在航天器开始偏离其理想姿态时才探测到太阳的边缘。为了为轨道的每个部分开发一个单一的容错系统，确保运载工具上有足够的硬件并与控制算法相结合是至关重要的。
第二个挑战是控制算法必须用尽可能少的电力和推进器进行姿态修正。由于靠近太阳，帕克太阳探测器的太阳能电池板几乎完全处于TPS阴影中，所以它们不会融化。延长面板增加了施加在它们上的压力，导致不必要的扭矩。此外，航天器推进器的燃料必须有节制地使用，以确保供应能够维持多年的任务。
开发一个真实模型
航天器的“真相”模型，建立在MATLAB中®、S金宝appimulink和Simscape Multibody™，本质上是一个植物模型，捕捉轨道效应、物理交互作用和其他航天器动力学(图4)。
图4.帕克太阳能探测器工厂模型，由近1400个模块和1811行MATLAB代码组成。
随着时间的推移，许多子系统被纳入模型，包括电池子系统，推进器，星形跟踪器和惯性测量单元。该团队还建模了太阳阵列和主总线之间的物理接头。随着模型变得更加复杂，他们能够越来越准确的模拟。例如，它们添加了一个子系统，该子系统模拟了推进剂Slosh对航天器动力学的效果。
GNC飞行软件的开发
初始姿态控制系统设计不包括反作用轮。仅使用推进器来管理动量和进行姿态修正是减少质量和功耗的一种可能方法。为了测试这种方法的可行性，GNC团队对几种控制器设计进行了建模，包括一种带有脉宽脉冲频率调制器的控制器，并使用真值模型进行了闭环仿真。虽然控制器的设计看起来很有希望，但不能保证在不增加反作用轮的情况下完成任务。幸运的是，随着设计的成熟，团队能够为反作用轮腾出空间。这大大简化了总体设计，提高了科学观测的准确性和稳定性。
他们创造了一个系统，该系统通过反作用轮来管理动量，并在轮子达到特定水平时启动推进器来释放动量。他们在重新设计的控制器中重新使用了仅支持推进器的Simulink模型的大部分工作。金宝app总的来说，控制器模型包含超过22000块，近1200行MATLAB代码(图5)。
图5。控制器模型。
由于帕克太阳探测器将在无情的环境中运行，因此进行了前所未有的模拟。事实上，与之前由JHU APL领导的任务相比，正式模拟的数量增加了一个数量级以上。模拟包括正常运行场景，包括动量释放和弹道修正机动，以及故障场景。
大多数航天器被设计成容错系统，但对于这次任务，太阳条件比以往任何航天器都要极端。例如,失去一颗恒星跟踪器飞船被认为是一个严重的错误,但对于帕克太阳探测器,有必要计划不仅仅是一个,而是两个星跟踪器的可能性可以蒙蔽一个太阳能事件和额外的错误可能发生在同一时间。
代码生成和测试台验证
通过Simulink中的闭环仿真执行控制器设计的初始验证。金宝app使用Simulink Coder™从控制器型号生成代码后，Team RAN软件in-in-in-Loop（S金宝appIL）模拟，其中控制模型被生成的代码替换。
在SIL测试和代码优化之后，在JHU APL测试床上验证了控制设计（图6）。对于此阶段，从Simulink姿态控制模型生成的代码被交出到飞行软件组，该组合到金宝appParker Solar探测飞行软件中。该团队还将代码从真相模型交付给测试床组，他们将其与试验台集成在一起，以模拟帕克太阳能探头硬件。然后在试验台上进行飞行软件的验收测试。更接近发射，测试床中的更多仿真组件被集成在航天器上的实际硬件组件替换;例如，用真实的反应轮替换。
制定任务调整
2018年8月12日星期日，帕克太阳能探测器从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地用Delta IV重型火箭发射（图7）。除了将科学数据传回地球外，航天器还发送遥测数据，我们的团队在Simulink中分析并与模拟结果进行比较。他们已经根据这些比较完善和校准了我们的真理模型。金宝app
包括姿态控制系统的航天器旨在自动运行，部分原因是无线电信号可能需要超过15分钟，以从地球到达它。尽管如此，有三种方法可以进行任务调整：发送命令以执行预先预期的操作或操作，修改飞行软件参数，或更新飞行软件本身。自发布以来，该团队已经执行了两个软件更新，该软件更新包含使用更新的真实模型验证的改进。
随着任务的继续，帕克太阳探测器的轨道将变得更加紧密，两次轨道之间的时间也将缩短。APL团队正在开发MATLAB自动化工具，使他们能够快速分析来自航天器的新数据，并在下一次飞越之前做出足够快的响应，以进行任何必要的更改。控制软件一直表现得非常好，事实上，它远远超出了预期。
