基于VxWorks的小天體撞擊任務的星載GNC軟件設計*

高 艾，崔平遠，2，崔祜濤

(1.哈爾濱工業大學深空探測基礎研究中心,哈爾濱 150001; 2.北京理工大學深空探測技術研究所,北京100081)

小天體撞擊任務需要利用在軌星敏感器與陀螺測量信息完成定姿，同時聯合導航相機拍攝的目標天體圖像信息及加速度計測量值進行軌道確定，并在軌道機動時，根據軌道修正制導律給出的期望機動信息，通過姿態制導控制系統完成機動期望姿態的調整，進而成功執行點火機動，此后，姿態控制系統應將姿態重新調整回對目標天體的定向模式，并利用飛輪進行穩定模式下的控制[1-4].在這一復雜的過程中，星載GNC(制導、導航與控制)系統的設計尤為重要，其肩負著數據采集、姿態確定、軌道確定、軌跡制導、姿態控制、對外數據通訊等諸多任務，是保證最終成功完成撞擊任務的關鍵因素.

以往的近地衛星GNC系統執行任務簡單，操作系統運行環境單一[5-7].而小天體撞擊任務對星載GNC系統的功能要求變得越來越復雜，組合技術的發展使得操作系統對實時性、穩定性、精度的要求越來越高，采用傳統的軟件結構來實時準確地實現系統功能已很困難，嵌入式實時操作系統(RTOS)在此方面則有著其突出的優點.VxWorks操作系統是一種嵌入式實時操作系統，提供了高效的實時任務調度、中斷管理、實時的系統資源以及任務間通信等功能.高性能的操作系統微內核Wind支持實時特性，其設計減少了系統開銷，高效的任務管理保證了對外部事件快速、準確的反應；快速靈活的任務間和進程間通信允許獨立的任務在實時系統中與其行動相協調[8-9].VxWorks嵌入式實時操作系統經過廣泛的驗證，已成功應用在航空、航天中的關鍵領域.

基于VxWorks嵌入式實時操作系統的上述特點，本文以小天體撞擊任務為背景，在PC-104嵌入式計算機與dSPACE實時仿真平臺的聯合環境下，針對小天體高速撞擊任務，應用VxWorks嵌入式實時操作系統對星載軟件進行設計.

1 任務劃分與通信機制

1.1 星載GNC系統結構

在撞擊器接近目標天體的過程中，撞擊器通過星敏感器與陀螺聯合定姿，可以得到撞擊器相對慣性空間的姿態信息，該信息被用來控制姿態的同時，也傳送給軌道確定系統，軌道確定系統利用導航相機拍攝的目標天體圖像信息(導航相機對目標天體進行拍攝，對獲得的圖像進行處理，從而提取圖像的光心信息)和加速度計測得的作用在撞擊器上的控制加速度，確定撞擊器相對目標天體的位置和速度信息.在執行軌道修正機動時，軌道修正制導律利用軌道確定系統給出的軌道信息定時計算期望的機動速度增量，并將該速度增量傳送給姿態制導系統；姿態制導系統根據該速度機動增量形成期望姿態，姿態控制系統驅動姿控推力器開關，機動到該期望姿態；發動機點火產生期望的速度增量后，姿態控制系統將撞擊器的姿態重新調整回導航相機對目標天體的定向模式，之后利用飛輪進行姿態穩定控制.因此，可以把星載GNC系統結構分為非軌道機動模式與軌道機動模式.

在非軌道機動模式下，星敏感器和陀螺分別對撞擊器的姿態和姿態角速度進行測量，通過姿態確定濾波器得到姿態信息的估計值；同時導航相機對小天體進行拍照，經過圖像處理，并聯合拍照時刻撞擊器的姿態信息，通過軌道確定濾波器得到軌道信息估計值；姿態制導算法根據軌道信息計算得到期望姿態，將估計姿態與期望姿態共同作為姿態控制器的輸入，進而將得到的控制指令發送給飛輪，由飛輪產生的控制力矩作用于撞擊器，實現非機動情況下的穩定模式.

在軌道機動模式下，星敏感器與導航相機均停止工作，姿態確定濾波器通過陀螺測得的姿態角速度信息進行姿態估計；同時軌道確定濾波器根據加速度計的測量值得到軌道信息估計值，再經過軌道修正制導律得到機動指令；姿態制導算法根據該指令計算得到機動期望姿態，將估計姿態與期望姿態共同作為姿態控制器的輸入，進而將得到的控制指令發送給姿控推力器，由姿控推力器產生的控制力將撞擊器姿態調整到機動期望姿態；然后將機動指令發送給軌控發動機，將發動機產生的控制力作用于撞擊器，實現軌道機動控制.

1.2 任務的劃分、特點及優先級別

根據上述自主導航與制導系統的工作流程，整個系統分為3部分：姿態控制系統、自主導航系統、軌道制導系統.其中，自主導航系統又可細分為姿態確定子系統與軌道確定子系統.考慮到不同飛行模式，系統的軟件所涉及到的主要函數有：GNC規劃函數、軌道確定函數、軌道遞推函數、姿態確定函數、姿態遞推函數、姿態制導I函數、姿態制導II函數、姿態控制I函數、姿態控制II函數、撞擊制導律函數、機動點火函數.其中，GNC規劃函數是整個系統的邏輯中樞，決定了其他函數的調用，姿態遞推、軌道遞推函數分別是姿態確定子系統和軌道確定子系統的核心函數，姿態確定與軌道確定是對姿態確定子系統和軌道確定子系統估計精度更新的函數，姿態制導和姿態控制函數由于在姿態穩定、姿態機動等不同模式下所采用的執行機構不同，由姿態機動標識位將姿態控制系統的函數分為Ⅰ、Ⅱ兩種，Ⅰ為常規飛行模式、Ⅱ為姿態機動模式.根據各個函數之間的數據依賴關系可將星載GNC系統進一步細化，得到系統工作狀態數據流圖，如圖1所示.

圖1中的每條線代表各個功能函數對其他函數數據的依賴以及各函數間的執行邏輯關系，根據此數據流圖，并結合VxWorks嵌入式實時操作系統中任務的特點與任務劃分原則，對小天體撞擊任務進行如下模塊化分解.

(1)主任務

主任務的優先級最高，用于完成各部分的初始化，設置系統時鐘中斷頻率、系統當前時間及任務調度策略，完成對各信號量、子任務及定時器的創建，并在分別獲取得到相關信號量后，啟動定時器，結束相關任務.

(2)GNC規劃任務

GNC規劃任務的優先級僅次于主任務，旨在每個執行周期的首部，根據當前撞擊器的軌道/姿態狀態量，給出軌道/姿態/點火機動標志位，為確定同周期GNC任務下的功能函數的執行順序提供判斷依據.

(3)數據采集任務

圖1 系統工作狀態數據流圖

數據采集任務的優先級僅次于GNC規劃任務，根據敏感器測量數據類型的不同，將數據采集任務分為4個子任務，分別為速率陀螺數據采集任務、加速度計數據采集任務、星敏感器數據采集任務、光學導航相機數據采集任務.4個數據采集任務的優先級相同，任務間采用時間片輪轉調度算法，用于在不同采樣周期讀取各敏感器的測量數據.

(4)GNC任務

GNC任務的優先級僅次于數據采集任務，在該任務中應根據GNC規劃任務給出的各個標志位的不同組合來確定不同的飛行模式，并根據數據采集任務得到的當前時刻敏感器更新數據，完成在每個執行周期內對撞擊器狀態的導航、制導與控制任務.

(5)軌道確定任務

軌道確定任務的優先級最低，該任務用于在穩定狀態下，利用光學導航相機數據對軌道進行修正.受到相機圖像處理耗時長及傳輸延時的限制，在滿足拍照條件的情況下，軌道確定每15 s進行一次，以提高導航精度.

(6)監控計算機的通信任務

該任務向監控計算機輸出監控所需的信息，并接收監控計算機的調試信息.該任務是系統調試和維護的關鍵，在系統正常工作時可以關閉.

(7)綜合顯示任務

該任務負責在計算機顯示屏幕上以虛擬儀表的方式顯示當前的姿態、角速度、速度、位置和各執行器機動等信息，負責向使用人員提供最直接的參數，在線觀察該系統的工作狀況.該任務占用系統內存量最大，但不直接參與計算，作為整個系統的輔助任務，在系統正常工作時可以關閉.

1.3 各任務間的協調與通信機制

二進制信號量是VxWorks嵌入式實時操作系統中效率最高、使用最廣泛的信號量，它需要的系統開銷最小，因而特別適于高性能的需求，同時適用于在不需要互斥信號量的高級特征情形下的互斥.本系統主要使用二進制信號量解決各個任務的同步問題，同時使用互斥信號量解決各個任務中變量的保護問題.

系統在接收到定時器信號后，以統一的執行周期為節拍進行工作.不同敏感器的數據采集任務在符合工作要求的前提下，按各自的采樣周期采集數據，并給出信號量.等待相應信號量的各個任務被激活后，根據任務的優先級別，分別進行相應作業.此外，各任務之間的數據交換過程采用“共享緩沖區+信號量”的手段實現，以達到效率高、傳輸數據量大的目的.

2 仿真環境的搭建與結果分析

為了驗證所設計的星載GNC軟件能夠有效運行，在PC-104嵌入式計算機與dSPACE實時仿真平臺的聯合環境(如圖2所示)，對初始位置、速度均為隨機偏差量的撞擊器接近過程進行仿真，其中B平面上初始位置、速度偏差分別服從標準均方差8km、0.1m/s的正態分布.具體仿真參數如表1所示，仿真結果如圖3～7所示.

圖3是仿真飛行任務過程中邏輯分析儀WindView給出的事件序列采樣片段，從控制窗口中可以清晰地看到星載GNC軟件執行周期的成功實現過程，其中：Task_GNC_pro為GNC規劃任務、Task_SAM_X為數據采集任務、Task_GNC為GNC任務、Task_ORB_fuse為軌道確定任務，其他則為VxWorks嵌入式實時操作系統的系統任務，如tExcTask為異常任務、tLogTask為日志任務、tWdbTask為目標代理任務、tNetTask為網絡任務等.具體分析單個執行周期的任務執行流程如下.

表1 綜合仿真參數

圖2 仿真環境的搭建框圖

圖3 事件序列采樣片段

圖4 B平面內的撞擊器位置曲線

圖5 發動機的開關曲線

圖6 撞擊器的姿態四元數矢部向量曲線

圖7 最終撞擊點在B平面內位置示意圖

首先，發起主任務(任務優先級為100)，用于創建信號量及子任務、創建并啟動定時器、設置調度策略，并在獲取狀態指標信號量資源處進入任務阻塞隊列，放棄CPU占用權.

此時，被主任務創建的GNC規劃任務(任務優先級為101)獲得CPU占用權，該任務根據當前的撞擊器狀態數據執行GNC任務規劃功能函數，給出軌道機動、姿態機動、點火機動標志位.這里通過定時器處理函數釋放定時器到期信號量，并結合任務優先級的合理設置，從而保證GNC任務規劃在每個控制周期的最初執行.

GNC規劃任務在下一次定時器到期釋放相應信號量之前，在獲取定時器到期信號量資源處進入任務阻塞隊列，此時，對應于測量裝置的4個數據采集任務(任務優先級均為102)搶占CPU，并根據GNC規劃任務給出的機動標志位控制采集任務的執行情況，具體情況為：若軌道機動/姿態機動標志為0，則采集陀螺、星敏感器及相機數據，釋放相應的數據更新信號量；否則，采集陀螺、加速度計數據，釋放相應的數據更新信號量.

在數據采集任務進入任務阻塞隊列后，GNC任務(任務優先級為103)獲得CPU占用權，并在獲取數據采集任務釋放的相關數據更新信號量后，讀取當前時刻的相關數據信息，再根據GNC規劃任務給出的機動標志位，選擇采用不同的飛行模式.此外，在非機動模式下，若定時器到期(即存在星敏感器數據的更新值)，則在該子任務的開始階段，進行姿態確定，對撞擊器的姿態及角速度信息進行修正.

軌道確定任務(任務優先級為104)是在非機動模式下，每15 s獲得一次相機數據更新值，并利用每個控制周期中的剩余時間占用CPU執行軌道確定功能函數，并在撞擊器相應控制周期的初始時刻對撞擊器的導航狀態估計量進行修正.

此外，通過對仿真結果曲線(見圖4～7)的分析可知，撞擊器在4次軌道機動模式下成功完成了機動期望姿態的計算、調整與軌控發動機點火過程，同時在每次機動后都能夠通過姿態控制系統順利返回穩定模式，符合GNC系統的工作邏輯模式，最終成功撞擊目標小天體.

綜上所述，基于VxWorks嵌入式實時操作系統所設計的小天體撞擊GNC軟件完全可以滿足小天體撞擊任務的實時性要求，為撞擊任務的順利進行提供有效的保證.

3 結 論

本文在分析了星載GNC系統原理結構的基礎上，基于VxWorks嵌入式實時操作系統劃分了小天體撞擊任務模塊并定義了各自的優先級，提出了任務間的同步互斥方式與通信手段，同時給出了星載GNC軟件單個執行周期的實現過程.在PC-104嵌入式計算機與dSPACE實時仿真平臺聯合環境下進行了仿真，結果表明，應用嵌入式實時操作系統VxWorks所開發的星載GNC軟件能夠為小天體撞擊任務的成功完成提供有效保證.