用Simulink GNC软件将帕克太阳探测器瞄准太阳金宝app

2018年11月5日星期一，帕克太阳探测器(PSP)到达了它的第一个近日点，比之前任何航天器都更接近太阳表面(图1)。即使以每小时约213,200英里的最高速度，航天器也需要几天时间才能从太阳后面经过并出现在另一侧。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信标。11月7日星期三，帕克太阳探测器收到信号:“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。

不到两周后，帕克太阳探测器重新建立了全面联系。随着对每个子系统的状态进行调查，APL团队的兴奋之情与日俱增。科学记录仪如预期的那样填满，航天器保持了它的姿态，它在正确的轨道上。在其近7年的任务中，帕克太阳探测器将环绕太阳24次，在7次金星引力辅助飞掠后，它将逐渐靠近太阳，直到它经过383万英里以内，近到足以飞越太阳大气层(图2)。

帕克太阳探测器第一次与太阳接触的确认对于JHU APL的制导、导航和控制(GNC)团队来说是一个特别受欢迎的消息，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，这些算法对任务至关重要:它们不仅控制航天器的方向，还使其碳复合热防护系统(TPS)指向太阳。TPS方向的一到两度偏差可能意味着任务成功和航天器被摧毁的区别。

引导和控制设计约束

在绕太阳轨道运行时，帕克太阳探测器所承受的热量是绕地球轨道运行时的475倍。这意味着姿态控制系统必须调整帕克太阳探测器的方向，以使其持续受到TPS的保护。

由于太阳是太阳系中最大、最亮的物体，起初，让宇宙飞船朝向太阳似乎很简单。但实际上，帕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，为姿态控制算法提供输入数据的传感器实际上都没有指向太阳。相反，它们被放置在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从恒星的位置测量方向，但设计团队必须考虑到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。太阳肢体传感器(SLS)是为近距离使用而设计的，但它们只在航天器开始偏离理想姿态旋转时探测到太阳的边缘。为了为轨道的每个部分开发一个单一的容错系统，确保在飞行器上放置足够的硬件并将其纳入控制算法至关重要。

第二个挑战是控制算法必须使用尽可能少的电力和推进器推进剂进行姿态修正。在靠近太阳时，帕克太阳探测器的太阳能电池板几乎完全保持在TPS阴影内，因此它们不会融化。延长面板会增加施加在它们上的压力，从而产生不必要的扭矩。此外，航天器推进器的燃料必须节约使用，以确保供应能够持续数年的任务。

建立一个真实模型

宇宙飞船的“真相”模型，用MATLAB建立^®， 金宝appSimulink和Simscape Multibody™，本质上是一个捕捉轨道效应、物理相互作用和其他航天器动力学的植物模型(图4)。

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、恒星跟踪器和惯性测量单元。该团队还模拟了太阳能电池阵列和主总线之间的物理连接。随着模型变得越来越复杂，他们能够进行越来越精确的模拟。例如，他们增加了一个子系统，用来模拟推进剂晃动对航天器动力学的影响。

开发GNC飞行软件

最初的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并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团队建模了几种控制器设计，其中包括一个具有脉宽脉频调制器的控制器，并使用真值模型运行闭环仿真。虽然控制器的设计看起来很有希望，但没有人能保证不增加反作用轮就能完成任务。幸运的是，随着设计的成熟，团队能够为反作用轮腾出空间。这大大简化了整体设计，提高了科学观测的准确性和稳定性。

他们创造了一个系统，通过反作用轮非推进地管理动量，并在车轮达到指定水平时发射推进器来倾倒动量。他们在重新设计的控制器中重复使用了许多来自仅支持推进器的Simulink模型的工作。金宝app总的来说，控制器模型包括超过22,000个块和近1200行MATLAB代码(图5)。

由于帕克太阳探测器将在恶劣的环境中运行，因此进行了空前数量的模拟。事实上，与JHU APL领导的先前任务相比，正式模拟的数量增加了不止一个数量级。模拟包括正常运行场景，包括动量转储和轨迹修正机动，以及故障场景。

大多数航天器都被设计成容错系统，但在这次任务中，太阳条件比以往任何航天器所经历的都要极端。例如，航天器上丢失一个恒星跟踪器被认为是一个严重的故障，但对于帕克太阳探测器来说，有必要为太阳事件造成的不只是一个，而是两个恒星跟踪器失明的可能性做好计划，同时可能发生其他故障。

代码生成和测试平台验证

通过Simulink中的闭环仿真，对控制器设计进行了初步验证。金宝app在使用Simulink Coder™从控制器模型生成代码后，团队运行软件在环(SIL)模拟，其中控制模型被生金宝app成的代码替换。

在SIL测试和代码优化之后，控制设计在JHU APL试验台上进行了验证(图6)。在这一阶段，从Simulink姿态控制模型生成的代码被移交给飞行软件组，他们将其纳入帕克太阳探测器飞行软件中。金宝app该团队还将真实模型的代码交付给试验台组，试验台组将其与模拟帕克太阳探测器硬件的试验台集成。然后在试验台上进行了飞行软件的验收测试。接近发射时，试验台中更多的仿真组件被航天器上集成的实际硬件组件所取代;例如，用真实的反作用轮代替了模拟的反作用轮。

执行任务时进行调整

2018年8月12日星期日，帕克太阳探测器由德尔塔IV重型火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空(图7)。除了将科学数据传回地球外，航天器还发送遥测数据，我们的团队对这些数据进行分析并与Simulink中的模拟结果进行比较。金宝app他们已经根据这些比较改进和校准了我们的真实模型。

包括姿态控制系统在内的航天器被设计为自主运行，部分原因是无线电信号从地球到达它需要超过15分钟的时间。然而，有三种方式来进行任务调整:发送命令执行预先计划的机动或行动，修改飞行软件参数，或更新飞行软件本身。自发布以来，该团队已经进行了两次软件更新，其中包含了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，轨道之间的时间将变得更短。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，并在下一次飞越前做出任何必要的更改。控制软件一直表现得非常好，事实上，它远远超出了预期。