基于Fuzzy ART聚類的衛星在軌姿態監測系統設計

鄭 穎 ，張 偉，靳 新，于千賀

(1.沈陽工學院 信息與控制學院，遼寧 撫順 113122； 2.沈陽工學院 人工智能研究所，遼寧 撫順 113122； 3.東軟醫療系統股份有限公司，沈陽 110021)

0 引言

長時間運行后，同步衛星的姿態相對于初始姿態會發生變化，而地面衛星的天線則指向初始預定的位置，從而造成通信中斷[1]。大多數衛星天線是拋物形，與信號的頻率和孔徑成反比，孔徑越大，工作頻率越高，主瓣越窄，風能很容易地將直徑較大的天線從衛星上移走[2]。另外，這種天線會偏離預定的方向，使天線的方向系數和效率的乘積大大降低，從而造成通信和信息傳輸中斷，這就需要一套能夠無人操縱的自動監測系統來監測這類衛星的軌道姿態[3]。以往使用基于大數據分析的衛星在軌姿態仿真監測系統，把模擬結果和衛星在軌數據結合起來，可以直接用于在軌控制系統的性能評估，為在軌故障診斷和應急預案演練提供方便。但因為衛星在境內運行時間短，要求仿真分析及時、可靠；使用全物理仿真監測系統，綜合分析軌道環境、衛星結構參數和姿態確定算法，確定最佳的參數配置和系統方案，對于硬件接入情況，對系統性能進行了全面測試和技術評估。盡管該系統可靠、靈活、直觀，操作性強，但在發生突發故障情況下，監測結果不準確。面對上述傳統系統存在的問題，提出了基于FuzzyART聚類的衛星在軌姿態監測系統設計。結合FuzzyART自組織聚類算法，在面對突發故障情況下，通過將輸入向量和網絡雙向連接后，達到精準監測的目的。

1 總體架構設計

衛星在軌姿態監測系統由仿真電腦和可選擇的存取硬件組成，系統組成結構如圖1所示。

圖1 總體架構框圖

如圖1所示，仿真計算機是整個系統的核心，其擴展接口支持對整個衛星姿態控制系統或軌道上衛星遙測數據進行訪問，可根據需要擴展系統工作模式。衛星在軌姿態監測需要模擬計算機處理衛星遙測數據，就硬件而言，在軌衛星通過通信鏈路與仿真系統相連[4]。衛星遙測數據一般是由專門地面站接收，然后傳送到測控站；將 UDP標準網絡協議傳輸到仿真計算機，實現了對在軌姿態三維動態演示或同步仿真驗證。在軟件方面，使用FuzzyART聚類方法對人腦認知過程仿真，當聚類和分類大量復雜數據時，通過識別和比較網絡輸入矢量和雙向連接權值，可以實現共振，完成自記憶，實現在軌衛星姿態的回收[5]。

2 系統硬件結構設計

衛星在軌姿態監測系統由姿態監測單元、電機驅動單元、主控制單元和監控單元四部分組成，如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

由圖2可知，當執行在軌姿態監測裝置時，將采集的姿態信息傳送到主控制裝置。通過主控單元控制方位角和俯仰角，利用驅動裝置發送控制命令，驅動步進電機運行，并實時記錄方位角和俯仰角[6]。天線驅動單元根據在軌衛星的姿態信息，實現了天線姿態監測模塊的扁平化，隔離了載波干擾，保證了天線與衛星的對準。監控裝置負責實時監控衛星的姿態，并發出相應控制指令[7]。

2.1 MSP430微控制器

MSP430 (MCU)是以簡化的指令集處理器為基礎的16位微控制器，在晶片內設有模數轉換器及模數轉換器，使其既能接收與輸出數字信號，又能接收與輸出模擬信號[8]。

1)MCU的 CPU模塊通過存儲器地址總線、數據總線、程序存儲模塊、數據存儲模塊以及各種外部設備模塊，統一使用CPU指令和尋址方式[9]。

2)由MSP430微控制器產生所需的各種時鐘信號，它可以在多種時鐘源的支持下工作，包括加入一個外部晶體的高頻穩定時鐘源，而不接入任何外部器件。采用自編程序控制時鐘模塊的工作狀態和頻率，使微控制器能夠利用等待狀態下的低頻時鐘信號，甚至關閉時鐘電路，降低了系統能耗[10]。

3)對運行中高頻時鐘信號進行加速信號處理，MSP430微控制器每一組裝配指令對應于一個邏輯電路模塊，MSP430微控制器依靠運行程序完成工作。該控制器是由設計人員向單片機發出的一組指令，指令指示單片機在操作中調用邏輯電路模塊，使指令以二進制代碼形式存儲在內存中。單片機每次從內存中讀出一個指令碼，并完成指令碼相關指定操作[11]。

2.2 磁角位置編碼器

磁角位置編碼器是一種利用電磁原理將機械幾何位移轉換為電子信號(脈沖或數據信號)的機械與電子緊密結合的精密測量裝置。該編碼器采用磁電角編碼器，具有抗震、抗腐蝕、抗污染、可靠性高、結構簡單等優點。AS5145B是一種無觸點的，高精度，高分辨率的磁旋轉編碼器，測量范圍為0～360°。磁角位置編碼器是一個集成了線性霍爾元件環形陣列，模擬前端，數字信號處理器的完整芯片系統[12]。

通過使用由線霍爾元件組成的環形陣列來檢測晶片外場，線霍爾元件在環A陣列上可以感覺到放置在晶片上的磁體場強，并且可以為每塊磁體施加電壓，從而改變每塊磁體的磁場。正向曲線電壓落在環形線性霍爾單元陣上，由模擬前端放大，數據串或脈沖信號經數字信號處理器處理后輸出[13]。

2.3 在軌姿態模塊電磁羅盤電路

內存處理器HMC6352具有用戶校準功能，用戶可以通過相關命令進入校準模式。使用標定裝置時，要求使用者至少轉動羅盤一次，以確保羅盤在各個方向都能采集數據。為了提高航向數據的重復性，在羅經上需要進行平滑旋轉。最好在20 s內連續轉兩圈，使校準更加精確。在沒有外界磁場干擾的情況下，電子羅盤水平、垂直與重力方向的精度最高[14]。

使用雙軸磁傳感器HMC6352，供電電壓為2.5～5.0 V，可測磁場范圍為0.1～0.7高斯，定向精度為2.0°。使用HMC6352航向模式時，該羅盤電路通過I2C總線輸出數據，并且兩個字節是二進制格式。HMC6352供電電壓為3.0 V，羅盤HMC6352外圍電路如圖3所示。

圖3 羅盤HMC6352外圍電路

由圖3可知，當磁場感應線穿過霍爾元件時，產生的電動勢加載在I2C上，并且腳6電位高于腳5和腳7，通過改變霍爾元件與地平面的傾斜角，就可通過該電路找出衛星在軌姿態大致方向[15]。

2.4 傳感器

角傳感器是用于檢測軸線的，與軸線配合。角傳感器在與 RCX連接時，計數軸是1/16。沿著某一方向旋轉可增加計數，但如果改變旋轉方向，則計數將減少。計數與角傳感器的初始位置有關，羅盤下面安裝有霍爾傳感器，負責控制轉向角。下位機模塊為ESP電子控制單元，為系統提供羅盤轉動方向、角度、速度等信號；由傳感器測得的方位角是從中心點的北線順時針向目標線的水平角，屬于雙面角；俯仰角是子午圓面和經過該物體的水平圓面之間夾角。用順時針方向測量子午圓的方位角，也可以用來測量俯仰角[16]。

3 系統軟件部分設計

3.1 監控終端串行發送與接收流程

監控終端串行的發送流程，如圖4所示。

圖4 監控終端串行發送流程

由圖4可知，監控終端的發送方式以終端發送為主，先與計算機完成第一次數據傳輸，此時單片串口通訊完成初始化后，將接觸信號傳送到上位機；監控終端與計算機完成第二次數據傳輸，保證了數據傳輸可靠性。在交換信息之后，以中斷情況下發送的數據為判斷依據，根據上述判斷結果，確認數據，并判斷 PC執行過程是否有誤。如果發生錯誤，則必須按要求重新發送[17]。

監控終端的串行接收程序具有幾種不同功能的標志位，00H表示接收到的觸點信號標志位；01H表示接收的字節數目標志位；02H表示接收到的數據標志位；03H表示接收端的標志位。監控終端可以直接接收數據，電腦所傳送的指令資料可依此操作，在數據傳輸完成之后，接收字節數，并確認數據，使用該方法能夠保護數據。一旦數據傳輸出現錯誤，那么該錯誤就會返回給PC主機，并按規定重新傳輸數據[18]。

3.2 基于FuzzyART聚類監測流程設計

結合Fuzzy ART聚類特點及輸出層特性，監測衛星在軌姿態，其流程如下所示：

step1：對時序數據進行模糊聚類分析，聚類系統正常狀態下特征向量，并將正常模式向量用網絡輸出節點的數目表示出來。

對衛星在軌姿態監測數據進行聚類分析，得到對應的等價矩陣，獲取唯一確定種類。當聚類結果在一定范圍內變化時，可得到聚類論域，根據衛星動態運行環境確定聚類中心，如下所示：

(1)

式(1)中，c表示衛星在軌姿態分類數；n表示衛星在軌姿態樣本數；yi表示衛星在軌姿態樣本平均值；y0表示全體樣本平均值。

step2：在監測過程中，通過FuzzyART聚類判定衛星在軌姿態向量與正常向量匹配度。

令D表示聚類論域中的數目，α表示衛星在軌姿態分類數c中的數目，則近似度可表示為：

(2)

根據近似度，即警戒參數，構建測試標準，判斷衛星在軌姿態向量與正常向量匹配度是否滿足警戒參數，設警戒層為χ，警戒測試可表示為：

Sim>χ，警戒測試通過

Sim≤χ，警戒測試失敗

(3)

step3：若任意輸出節點的狀態向量與正常模式向量相匹配，則表明系統處于正常工作狀態；如果不完全匹配，則表明系統工作狀態異常。系統能夠根據警戒測試結果，自動打開網絡中的新節點，存儲異常狀態矢量的特征數據，并給出報警信息。

4 系統調試

系統調試目的主要是驗證基于FuzzyART聚類的衛星在軌姿態監測系統設計合理性。

4.1 系統調試環境

調用STK中三維可視化場景，直觀演示衛星在軌運行情況，演示結果如圖5所示。

圖5 衛星在軌狀態運行演示結果

4.2 速率阻尼仿真分析

衛星在初始角速度為[1，1，1]°/s條件下，用時2.0軌完成初始衛星在軌姿態消旋，角速度穩定在±0.3°/s內。衛星在軌的俯仰角和方位角三維角度顯示結果如圖6所示。

圖6 衛星在軌的三維角度顯示結果

由圖6可知，采用磁矩控制，三軸控制磁矩在阻尼過程中均以最大值輸出，施加控制力矩，能夠迅速使姿態達到穩定。當角速率穩定后，切換至反作用輪組，由該輪組施加控制力矩。實驗結果表明所設計系統能夠較好地控制衛星速率阻尼，在動量輪參與控制下姿態捕獲速度更快，初態控制時間更少，監測效率較好。

4.3 系統調試結果

分別使用基于大數據分析的監測系統、全物理仿真監測系統和基于FuzzyART聚類監測系統監測衛星在軌俯仰角和方位角，監測結果如圖7所示。

圖7 不同系統俯仰角和方位角監測結果對比分析

由圖7可知，使用基于大數據分析的監測系統、全物理仿真監測系統俯仰角和方位角與衛星在軌的三維角度顯示結果差別較大，而使用基于FuzzyART聚類監測系統俯仰角和方位角與衛星在軌的三維角度顯示結果基本一致，僅在軌道圈數為2圈時，z軸方向的俯仰角與實際三維角度顯示結果存在一定偏差，導致整體角度偏大1°。通過上述分析結果可知，該系統對仰角和方位角的監測誤差較小，監測結果更加精準，能夠對衛星在軌姿態做出準確監測。

5 結束語

設計的基于FuzzyART聚類的衛星在軌姿態監測系統，成本低、操作簡單。可以實時監測在軌姿態，為衛星運行提供幫助。結合FuzzyART聚類監測原理，設計監測流程。通過STK仿真調試，支持三維動態演示，且由實驗結果可知，該系統監測到的衛星在軌俯仰角和方位角與實際運行姿態一致，具有精準監測效果。

由于研究條件有限，所設計的衛星姿態控制方面還有待進一步深入探索，為了方便應急預案的實施，應建立應急預案分析系統，增加自動生成預案案例的功能，形成完整的衛星地面協同模擬控制回路。