嫦娥二號任務地面應用系統實時業務仿真關鍵技術研究*

肖 媛，張志強，呂 昌，溫衛斌

(1.中國科學院國家天文臺，北京 100012;2.中國科學院研究生院，北京 100049;3.中國氣象局國家衛星氣象中心，北京 100081)

進入21世紀以來，世界航天活動呈現蓬勃發展的新態勢。按照國家制定的發展計劃，作為我國航天事業重要組成部分的探月工程將分為“繞”、“落”、“回”三期工程組織實施對月球的無人探測活動。其中，一期工程的主要目標是實現繞月探測;二期工程的目標是實現月球軟著陸探測和自動巡視探測;三期工程的目標是實現自動采樣返回［1］。

隨著嫦娥一號任務的圓滿完成，探月工程實現了一期目標并全面進入了二期實施階段。嫦娥二號(Chang’E-2，CE-2)探測器就是探月工程二期的先導星，其主要目標是對二期工程的月面軟著陸區進行詳查，并獲取月面高清晰影像。

與CE-1相比，CE-2有效載荷的工作模式、數據量、數據處理方法和下傳碼速率等均有很大變化。特別是探測數據下行碼速率提高了很多，要求至少具備15 Mbps以上的實時數據處理能力，此外成像相機的分辨率比CE-1提高了一個數量級。因此，CE-2任務對地面應用系統實時數據處理能力提出了非常高的要求。對實時數據接收與傳輸的軟硬件改造，成為地面應用系統適應性改造能否成功的關鍵［2］。

本文對嫦娥二號任務地面應用系統實時業務仿真的關鍵技術進行了研究。通過模擬其他分系統實時數據發送過程，運行數據接收實時處理、顯示的實時作業流程，對地面應用系統數據傳輸、處理、存儲和顯示的能力進行仿真測試，找出軟硬件性能瓶頸，優化設計方案。并在完成適應性改造后，通過仿真試驗進一步驗證系統能否滿足CE-2的任務要求，確保地面應用系統改造設計的正確性、完備性和可靠性。

1 系統結構和功能介紹

仿真是一種利用計算機并通過建立模型進行科學實驗的技術。它具有經濟、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復使用的優點，已成為對系統進行分析、設計、試驗和評估的有效辦法。仿真與系統和模型有著密切的關系。系統是研究的對象，模型是系統的抽象，仿真通過對模型進行實驗以達到研究系統的目的［3］。

地面應用系統(GSDSA)負責衛星下行數據的接收、處理和科學應用研究，并最終實現科學目標，是一個要為月球科學探測提供各種支持與服務的實時、多功能、業務化運行的系統。GSDSA的主要任務包括:完成對衛星有效載荷的在軌運行控制與探測任務管理、科學探測數據的接收與處理、科學探測產品的生成與共享管理、探測產品的應用研究等。該系統由運行管理(OMS)、數據接收(DAS)、數據預處理(DPS)、數據管理(DMS)、科學應用與研究(SAS)5個分系統組成。

其中，運行管理分系統是GSDSA業務流程自動化的運行管理中心。OMS負責制定衛星有效載荷的探測計劃與GSDSA的業務運行計劃，協調測控和衛星系統完成對有效載荷的在軌業務運行管理，調度GSDSA的業務運行，提供集中統一的人機監控界面，參加各級各類聯調、測試與演練，使得各個分系統能協調一致地在一起工作，穩定可靠地完成規定的任務。

運行管理應用軟件(OMSA)的主要任務包括下述5類:計劃生成及衛星有效載荷管理;衛星有效載荷運行狀態監視;GSDSA的業務運行調度;聯調與在軌測試;提供仿真測試環境。圖1是OMSA實時業務運行時的系統關聯圖。

圖1 OMSA實時業務系統關聯圖Fig.1 Connections of an OMSA real-time operating system

本文的研究對象是地面應用系統實時業務作業仿真，主要包括以下幾方面:(1)地面站實時數據同步、解調、譯碼和成幀數據發送;(2)總部運行管理實時成幀數據接收、處理及顯示;(3)總部預處理系統原始數據預處理;(4)總部數據管理系統的數據歸檔。

實時業務仿真系統是一個與OMSA真實的業務運行環境在功能上相似、性能上相近的計算機實物、半實物測試環境仿真系統。投入使用后，將完成以下任務:(1)為地面應用系統人員與軟硬件設備的聯調演練;(2)為地面應用系統運行管理、預處理和產品生成與存檔軟件的仿真測試、驗證與確認;(3)為地面應用系統運行中的故障分析、定位和預案制定等提供一個近似真實的系統環境［4］。

2 關鍵技術分析

分析地面應用系統實時業務仿真的需求，主要關鍵技術和需要解決的問題有以下幾點:

首先，通過圖1地面應用系統實時業務系統關聯圖可以看出，實時業務接口關系非常復雜，實時業務仿真首先需要解決的問題是將現有各分系統實時數據流接口在各仿真模塊中實現;

其次，由于地面應用系統各系統接口數據量很大，對所有接口數據完全仿真是不現實也是不必要的。仿真系統將對關鍵實時數據流控制及調度消息接口進行仿真，即對實時數據的接收、發送以及數據處理觸發數據等進行仿真;

第三，針對CE-2有效載荷大數據量，實現高速傳輸的實時處理技術，需要解決最高15 Mbps速率情況下數據傳輸仿真。研究采用現有通信鏈路進行高速、無誤碼發送和接收數據的方法;

第四，實現高速數據處理仿真方法及處理結果的正確性驗證方法技術。一是要保證處理數據過程中有效數據不會丟失;二是要解決高速實時數據的計算機處理能力，并以此對真實業務系統硬件改造提供依據;

最后，需要解決實時高速處理的結果如何在計算機終端正確、可靠地實時顯示問題。

3 仿真系統設計

3.1 仿真系統設計流程

實時業務仿真系統是在CE-1任務地面應用系統實時業務功能基礎上，結合CE-2任務地面應用系統新的改造需求進行研究和設計的，主要采用軟件工程的方法進行研究，圖2給出了仿真系統的仿真設計流程方案。

圖2 實時業務系統仿真設計流程圖Fig.2 Flowchart of the design of the simulated real-time operating system

具體技術路線如下:

(1)分析CE-2任務地面應用系統實時業務需求，分析實時業務仿真系統各模塊功能，對建立實時業務事件、活動、過程等邏輯關系的建模要素進行分析;

(2)分析地面應用系統實時業務接口，建立仿真模型、仿真模型接口和仿真數據處理方法;

(3)仿真系統模塊研制和仿真系統功能測試及確認;

(4)仿真系統運行和仿真結果分析。

3.2 仿真系統建模

由實時業務仿真系統的主要任務和功能可知，在實際運用中，其地位相當于所有要與OMSA進行各種互操作的系統、分系統成分的仿真替代物，負責仿真和模擬它們與OMSA實時業務軟件的互操作與數據交換［5－6］。

實時業務信息仿真軟件的仿真對象與內容為:

(1)衛星有效載荷及其實時下行數據;

(2)測控中心及其與OMSA間的實時數據交換;

(3)部署在總部外的DASA及其與OMSA間的實時數據交換;

(4)部署在總部內的DPSA、DMSA及其與OMSA間的實時數據交換。

仿真系統在功能上主要可分為以下幾個模塊:DASA信息仿真模塊、DPSA信息仿真模塊、DMSA信息仿真模塊和BACC信息仿真模塊。此時，仿真系統關聯如圖3。圖3與圖1相似，以虛線標示出了需要仿真或模擬的OMSA外部接口和在這些接口上傳輸的信息。

圖3 實時業務仿真系統關聯圖Fig.3 Connections of the simulated OMSA real-time operating system

4 仿真系統的實現

4.1 仿真軟件設計

仿真軟件的設計主要考慮仿真軟件的外部接口功能。在設計與編寫實時數據傳輸外部接口的仿真軟件時，將根據實際要求把仿真軟件與運行管理軟件建立網絡邏輯鏈接，模擬產生和傳輸運行管理軟件的輸入數據，以檢驗OMS對正確或錯誤輸入數據的反應;同時仿真軟件可接收和處理運行管理軟件的輸出數據，判斷其正確性，并可根據運行管理軟件的輸出數據內容和具體要求改變相關輸入數據的內容。外部接口仿真功能仿真的接口包括OMS與各分系統的實時數據接口［7］。接口仿真功能是一個完整獨立的系統，其中包括3個子功能:仿真運行管理子功能、數據通信子功能和數據處理與仿真子功能。具體功能敘述如下:

仿真運行管理子功能:作為一個獨立的系統，仿真運行管理子功能實現外部接口仿真功能的啟動、管理和關閉任務。外部接口仿真功能的運行平臺獨立于運行管理軟件的運行平臺，但不需要限制平臺的種類。仿真運行管理子功能將提供一個操作界面顯示外部接口仿真功能的運行情況，且可通過操作界面選擇啟動的接口程序，或全部啟動，或只啟動部分接口程序。

數據通信子功能:由于是外部接口的仿真，必然涉及數據通信問題。數據通信子功能完全依照運行管理軟件外部接口的定義要求，模擬各分系統與運行管理軟件建立各自的邏輯鏈路，并接收或傳輸規定的通信數據。

數據處理與仿真子功能:數據處理與仿真子功能要實現3方面的任務。首先是外部數據的準備，最主要的是衛星數據的準備，如遙測數據和探測數據等;二是采集各類數據通過數據通信子功能發送給運行管理軟件;三是接收、處理運行管理軟件發出的數據，判斷運行管理軟件數據的正確性，并將判斷結果顯示在屏幕上。要求數據仿真子功能自動響應運行管理軟件的命令而發出不同的信息。圖4為仿真軟件的流程圖。

圖4 仿真軟件流程圖Fig.4 The flowchart of the simulation software

4.2 仿真實例

在仿真系統軟件環境下，利用CE-1獲得的真實數據對CE-2任務實時處理能力進行了仿真試驗。通過該試驗測試實時數據處理模塊所能承受的碼速率極限。

試驗選用了兩個具有代表性的CE-1數據文件，命名為文件1、文件2。設置幾個不同的傳輸速率值，模擬由兩個地面站同時發送數據到OMS的實時處理情況。通過試驗得到了目前OMS系統配置下的實時處理極限能力。試驗結果如表1。

表1 成幀數據處理的結果Table 1 The results of framing-data processing

試驗結果表明，當碼速率達到15 Mbps以后，系統資源消耗到達了處理極限，同時實時處理的數據出現了丟失，說明目前的硬件環境還無法適應CE-2地面應用系統實時處理能力的要求。

5 結論

嫦娥二號地面應用系統實時數據處理是地面應用系統的關鍵業務。通過建立實時業務仿真系統，對整個系統的體系結構進行模擬，并對可能出現系統性能瓶頸的地方進行仿真試驗和分析，獲得了實時數據處理的能力指標，為嫦娥二號地面應用系統應用軟件和硬件改造提供了技術基礎。通過對實時業務仿真的研究，為進一步開展衛星在軌運行管理仿真研究提供了經驗。

［1］葉培建，孫澤洲，饒煒.嫦娥一號月球探測衛星研制綜述 ［J］.航天器工程，2007，16(6):9-15.Ye Peijian，Sun Zezhou，Rao Wei.Research and Development of Chang’E-1 ［J］.Spacecraft Engineering，2007，16(6):9-15.

［2］中國科學院國家天文臺，中國科學院空間科學與應用研究中心.中國科學院與嫦娥一號探月衛星 ［J］.中國科學院院刊，2007，22(6):491-492，497.National Astronomical Observataries，Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences.Chinese Academy of Sciences and Chang’E-1 ［J］.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2007，22(6):491 －492，497.

［3］肖英.衛星地面應用系統任務仿真研究 ［J］.無線電工程，2007，37(6):26-28.Xiao Ying.Research on Task Simulation of Resource Satellite Application System ［J］.Radio Engineering of China，2007，37(6):26-28.

［4］M Warhaut，P Ferri，E Montagnon.Rosetta Ground Segment and Mission Operations ［J］.Space Science Reviews，2007，128:189 –204.

［5］王恒霖，曹建國.仿真系統的設計與應用 ［M］.北京:科學出版社，2003.Wang Henglin，Cao Jianguo.The Design and Application of the Simulation System ［M］.Beijing:Science Press，2003.

［6］賈連興.仿真技術與軟件 ［M］.北京:國防工業出版社，2006.Jia Lianxing.Simulation Technology and Software［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.

［7］薩默維爾.軟件工程［M］.程成，陳霞，譯.北京:北京機械工業出版社，2007.3.Ian Sommerville.Software Engineering［M］.trans Cheng Cheng，Chen Xia.Beijing:China Machine Press，2008.