基于綜合電子計算機的多系統(tǒng)軟件協(xié)同運行及聯(lián)合仿真技術(shù)研究

作者 賈艷勝 鐘金鳳 汪禮成 林榮峰 周勝良 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 200233)

賈艷勝(1983-)，男，工程師，研究方向：衛(wèi)星星載軟件設(shè)計。

摘要：對基于綜合電子計算機的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)和星務(wù)系統(tǒng)的軟件協(xié)同運行及仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。介紹了綜合電子計算機的硬件組成，對綜合電子控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真進(jìn)行了軟件框架設(shè)計、數(shù)據(jù)池數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)池操作接口函數(shù)等設(shè)計。并針對該計算機設(shè)計了一種控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真閉環(huán)驗證系統(tǒng)。試驗結(jié)果滿足控制系統(tǒng)的各項指標(biāo)要求，整個聯(lián)合仿真技術(shù)為衛(wèi)星綜合電子技術(shù)的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

引言

　　衛(wèi)星控制系統(tǒng)和星務(wù)系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺的兩個功能獨立的大系統(tǒng)，傳統(tǒng)衛(wèi)星的姿軌控計算機與總體星務(wù)計算機是獨立的兩臺單機，系統(tǒng)間通過1553B總線或CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。交互的數(shù)據(jù)復(fù)雜，軟件的通用性和繼承性較差。綜合電子計算機立足于建立未來型號的通用性與標(biāo)準(zhǔn)化，為衛(wèi)星平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、控制與數(shù)據(jù)處理等業(yè)務(wù)。綜合電子對各個分系統(tǒng)硬件進(jìn)行了集成，大大提高了硬件和軟件的復(fù)用程度，并且降低了整星的質(zhì)量、體積和功耗。

　　本文針對綜合電子計算機進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計，把星務(wù)軟件和姿軌控軟件集成為一套軟件系統(tǒng)運行在衛(wèi)星管理單元中，并在硬件上設(shè)計了一種基于綜合電子計算機的控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明控制指標(biāo)及實時性滿足系統(tǒng)要求，對后續(xù)綜合電子衛(wèi)星控制系統(tǒng)的地面仿真技術(shù)有很大的工程應(yīng)用價值。

1 綜合電子計算機系統(tǒng)組成

　　綜合電子計算機主要由以下幾部分組成：

　　(1)通用處理器A模塊，綜合電子軟件的硬件載體是衛(wèi)星大腦。軟件按功能分為姿控和星務(wù)兩部分。姿控部分主要完成衛(wèi)星的姿態(tài)控制和軌道控制;星務(wù)部分負(fù)責(zé)接收遙控包，解析后執(zhí)行或轉(zhuǎn)發(fā)，同時還負(fù)責(zé)遙測組包、組幀、加擾后送“信道關(guān)口模塊”的工作。

　　(2)通用處理器B模塊與通用處理器A模塊功能相同，并互為主備份。

　　(3)A/D采集模塊：負(fù)責(zé)采集各個單機的模擬量信息。

　　(4)信道關(guān)口模塊：完成遙測遙控明密狀態(tài)管理。

　　(5)時基&串行IO模塊Ⅰ型、II型、III型：Ⅰ型負(fù)責(zé)接收通用處理模塊及信道關(guān)口模塊的遙控輸入，根據(jù)遙控包識別區(qū)分輸出對象，實行信號的轉(zhuǎn)發(fā);II型、III型主要實現(xiàn)了多路通用RS422串口的收發(fā)功能、多路同步信號SYNC功能、多路輸出RTS請求信號功能，提供時間基準(zhǔn)、電磁閥輸出、自鎖閥輸出、D/A輸出、切權(quán)指令等功能。

　　(6)配電模塊和功率驅(qū)動模塊：主要通過電源板對各個模塊進(jìn)行供配電，并對特定信號進(jìn)行功率放大。

　　(7)1553B總線模塊：主要與其他分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2 多系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　綜合電子計算機使用的中央處理器為AT697，遵循SPARC V8指令集。編程語言采用Ada語言。

　　在綜合電子系統(tǒng)軟件中，姿軌控軟件與綜合電子軟件共同運行，由調(diào)度內(nèi)核負(fù)責(zé)調(diào)度。

2.1 軟件調(diào)度模式及訪問約束

　　綜合電子軟件與姿軌控軟件間的調(diào)度關(guān)系采用多任務(wù)調(diào)度模式，設(shè)計4個任務(wù)：背景任務(wù)、調(diào)度主任務(wù)、姿軌控任務(wù)和遙控任務(wù)，優(yōu)先級依次提高。

　　在多任務(wù)結(jié)構(gòu)中，為防止資源訪問沖突，需對軟硬件接口資源的互斥訪問進(jìn)行約束。

　　硬件接口采取隔離訪問的方式，以避免硬件信號鎖定引起的多任務(wù)間調(diào)度互鎖。其中，時基IO板II、III型訪問的姿軌控單機接口由姿軌控軟件訪問，信道關(guān)口模塊、時基IO板I型、1553B總線接口都由綜合電子軟件訪問;通用處理器模塊中的資源需要根據(jù)應(yīng)用情況作進(jìn)一步地隔離分工，原則上對該模塊上的兩個軟件配置項公用硬件資源姿軌控軟件只可讀不可寫。

　　所有串口單機的數(shù)據(jù)采集由姿軌控軟件完成，模擬量數(shù)據(jù)、IO數(shù)據(jù)和遙控數(shù)據(jù)等由綜合電子軟件采集，姿軌控軟件不得操作相應(yīng)的硬件單元。

　　兩個軟件配置項間的數(shù)據(jù)接口采取數(shù)據(jù)池的方式通信，通過保護(hù)對象、握手信號等手段保證數(shù)據(jù)的完整性。

2.2 軟件框架設(shè)計

　　軟件框架設(shè)計如圖1所示。圖中的星務(wù)軟件列出了與姿軌控相關(guān)模塊的數(shù)據(jù)流和控制流。

　　A.姿軌控軟軟件

　　采集姿軌控系統(tǒng)內(nèi)部各單機的數(shù)據(jù)，按照姿態(tài)控制算法進(jìn)行衛(wèi)星的姿態(tài)軌道計算和控制計算，生成控制指令發(fā)給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，同時接收地面的遙控數(shù)據(jù)，向星務(wù)系統(tǒng)發(fā)送遙測參數(shù)。

　　(1)陀螺組合、紅外地球敏感器、反作用飛輪單機通過異步RS422串口與綜合電子計算機相連，數(shù)據(jù)采集由姿軌控軟件直接采集獲取;

　　(2)星敏感器通過同步RS422串口與綜合電子計算機相連，位于綜合電子計算機中的時基&IO模塊III型板，星敏感器數(shù)據(jù)的采集由姿軌控軟件直接采集獲取。

　　為避免硬件信號鎖定引起的多任務(wù)間調(diào)度互鎖，星務(wù)軟件不對異步RS422和同步RS422進(jìn)行訪問。

　　B.星務(wù)軟件

　　星務(wù)軟件負(fù)責(zé)處理遙控遙測信息，采集除串口外所有的控制系統(tǒng)的模擬量數(shù)據(jù)、數(shù)字量數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)向磁力矩器發(fā)送控制指令，向推力器發(fā)送噴氣指令。具體如下：

　　(1)遙控：綜合電子的遙控直接指令、間接指令與注數(shù)均按照CCSDS分包遙控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遙控數(shù)據(jù)幀組幀。采用遙控中斷方式接收遙控數(shù)據(jù)，對接收到的遙控數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗。

　　(2)遙測：綜合電子的遙測按照CCSDS分包遙測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)幀組幀。

　　(3)數(shù)據(jù)采集：采集姿控模擬量數(shù)字量。

　　(4)指令輸出：執(zhí)行磁力矩器和推力器控制指令。

　　C.數(shù)據(jù)池

　　綜合電子軟件和姿軌控軟件間的數(shù)據(jù)池包括以下幾類：測量數(shù)據(jù)、遙控數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)、控制指令、時鐘接口，分別對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

　　(1)測量數(shù)據(jù)：由綜合電子軟件統(tǒng)一采集，供姿軌控軟件讀取使用，這些數(shù)據(jù)包括：三軸磁強計數(shù)據(jù)、0-1式太陽敏感器數(shù)據(jù)、模擬式太陽敏感器、單機加斷電、星箭分離和控制權(quán)狀態(tài)。

　　(2)遙控數(shù)據(jù)：星務(wù)軟件按照CCSDS包格式組幀，以整包形式將遙控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給姿軌控軟件。

　　(3)遙測數(shù)據(jù)：姿軌控軟件產(chǎn)生的遙測按照CCSDS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組包，通過數(shù)據(jù)池發(fā)送給星務(wù)軟件，星務(wù)軟件按照CCSDS標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)遙測數(shù)據(jù)的組包、組幀和發(fā)送。

　　(4)控制指令：姿軌控軟件計算得到的磁力矩器指令和噴氣指令通過數(shù)據(jù)池發(fā)給星務(wù)軟件，星務(wù)軟件負(fù)責(zé)把控制指令發(fā)往內(nèi)部功能模塊和指令輸出模塊。

　　(5)時鐘接口：星務(wù)軟件通過數(shù)據(jù)池向姿軌控軟件提供訪問系統(tǒng)時鐘的接口。

3 聯(lián)合仿真設(shè)計

　　為了使姿軌控和星務(wù)在綜合電子計算機中能夠協(xié)同運行，以及驗證采用上述軟件設(shè)計的姿軌控軟件運行的時間消耗、實時性和系統(tǒng)控制效果是否滿足預(yù)期要求，設(shè)計仿真驗證系統(tǒng)如圖2。

　　將綜合電子工程樣機與DSPACE動力學(xué)仿真設(shè)備相連，通過星載軟件監(jiān)控臺加載與顯示終端PC機加載綜合電子軟件目標(biāo)代碼，并與遙測PC機、遙控PC機、數(shù)據(jù)庫PC機、動力學(xué)顯示與控制終端PC機一起共同組成姿軌控閉環(huán)測試仿真測試系統(tǒng)。

　　(1)DSPACE動力學(xué)仿真設(shè)備：模擬衛(wèi)星的姿態(tài)動力學(xué)、軌道動力學(xué)和單機動力學(xué)。仿真設(shè)備將單機動力學(xué)中敏感器信息按照真實單機的通訊協(xié)議(RS422、A/D、開關(guān)量)發(fā)送至星載計算機，同時接收星載計算機發(fā)送的噴氣指令、飛輪轉(zhuǎn)速指令、磁力矩器指令送給姿態(tài)動力學(xué)與軌道動力學(xué)。

　　(2)動力學(xué)顯示與控制終端：通過圖形用戶接口與動力學(xué)仿真設(shè)備實時交互數(shù)據(jù)。一方面通過圖形用戶接口設(shè)置動力學(xué)的相關(guān)參變量，在線修改動力學(xué)模型;另一方面通過圖形用戶接口在線顯示動力學(xué)模型的相關(guān)參變量;

　　(3)星載軟件監(jiān)控臺加載終端：通過測試口把編譯好的星載軟件目標(biāo)代碼加載到星載計算機運行。

　　(4)遙控終端：通過1553B總線把遙控注數(shù)包發(fā)送給星載計算機。

　　(5)遙測終端：接收并顯示1553B總線中的遙測數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)顯示以及事后數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)回放的功能。

　　(6)數(shù)據(jù)庫終端：把 1553B中的遙測數(shù)據(jù)集中存放到數(shù)據(jù)庫中，便于事后數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)查詢。

4 試驗結(jié)果及分析

　　為了驗證姿軌控系統(tǒng)長期工作下的時間性能和控制效果，選擇紅外飛輪控制模式對系統(tǒng)各種指標(biāo)進(jìn)行考核。試驗曲線如圖3~圖5所示。

　　由仿真曲線可知，在紅外輪控模式下，系統(tǒng)的控制精度滿足控制指標(biāo)的要求，且實時性較好，且在姿軌控的500ms控制周期內(nèi)，軟件的運行消耗時間為110ms，耗時較少。

5 結(jié)論

　　(1)本文對基于綜合電子計算機的多系統(tǒng)軟件協(xié)同運行及聯(lián)合仿真技術(shù)進(jìn)行了研究;

　　(2)在軟件上按照系統(tǒng)分為多個任務(wù)，在多任務(wù)結(jié)構(gòu)中，為防止資源訪問沖突，對軟硬件接口資源的互斥訪問進(jìn)行約束。并對多個任務(wù)之間的數(shù)據(jù)池交互采用保護(hù)對象的方式，確保了數(shù)據(jù)的讀寫同步;

　　(3)設(shè)計了一種綜合電子計算機控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真驗證系統(tǒng)，將采用上述架構(gòu)的綜合電子計算機接入動力學(xué)形成閉環(huán);

　　(4)試驗結(jié)果表明整個聯(lián)合仿真技術(shù)滿足控制系統(tǒng)的各項指標(biāo)要求，具有一定的工程應(yīng)用價值。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]GJB1198.6A-2004.航天器測控和數(shù)據(jù)管理第七部分:分包遙測.

　　[2]GJB1198.7A-2004.航天器測控和數(shù)據(jù)管理第七部分:分包遙控.

　　[3]Ada Reference Manual. ISO/IEC 8652:1995，159-186.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第71頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。