航天器分布式系統仿真驗證平臺設計與實現

邢 濤，周 暉，魏傳鋒

（1.中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094； 2.中國航天科技集團公司，北京 100048）

0 引言

航天器系統仿真作為航天器總體設計分析的重要手段，在航天器總體設計、航天器工程研制和在軌運行階段都發揮了巨大作用[1]。

最近十幾年，隨著網絡技術和計算機技術的發展，航天器仿真技術被認為是迄今為止最有效、經濟的綜合集成方法，是推動航天科技進步的戰略技術之一[2-3]。在以衛星為代表的復雜產品系統仿真領域，仿真平臺分成以HLA 為典型代表的分布式和以SMP2 為典型代表的集中式2 大類。前者通用性、可擴展性強，能夠較好地兼容異構模型，但仿 真實時性較差[4-7]；后者技術難度大，但仿真實時性好，效率高，適用于半物理仿真[8-10]。

航天器分布式系統仿真驗證平臺依托合理配置的高性能工作站、穩定的服務器以及具有強大計算能力的并行計算機，在一個分布式的網絡結構上配置以通用性與擴展性強的仿真支撐環境，將航天器各分系統數學模型進行集成仿真，能夠兼顧分布式仿真與實時仿真的優點，實現航天器大系統自動閉環迭代，從而對系統設計方案進行驗證，獲得系統整體最優方案，有效提高航天器總體仿真水平，是航天器系統仿真領域未來的發展方向[8]。

1 系統結構設計

航天器分布式系統仿真驗證平臺采用以太網、實時網2 類綜合的分布式異構型體系結構，其中以太網在Windows 操作系統運行，主要完成數學仿真、仿真回放等對實時性要求不高的仿真任務；實時網在RedHawk 實時Linux 操作系統運行，主要利用高性能并行計算機實現對實時性要求非常高的仿真任務。

航天器分布式系統仿真驗證平臺采用模塊化方法進行設計，依據航天器系統仿真的需求，將系統劃分為仿真模型集成軟件、各分系統仿真模型、仿真數據庫、遙控指令子系統、故障仿真子系統、航天器地面綜合測試子系統、可視化子系統等多個功能模塊（如圖1所示）。其中，仿真模型集成軟件是平臺進行航天器系統仿真的控制基礎與功能核心，在仿真過程中提供仿真模型管理、仿真試驗配置、仿真試驗同步、仿真試驗進程管理、仿真節點管理和仿真數據管理與評估等功能，還提供仿真人機交互手段和其他功能模塊的接口，以實現大系統閉環，完成仿真任務；遙控指令子系統負責航天器遙控指令的生成與輸出；故障仿真子系統負責航天器故障生成與輸出；可視化子系統負責仿真結果的二維和三維可視化。

圖1 航天器分布式系統仿真驗證平臺系統結構 Fig.1 System organization of the distributed system simulation platform for spacecraft

2 硬件組成

航天器分布式系統仿真驗證平臺（硬件組成如圖2所示）采用分布式仿真網絡結構，總體上分為3 個功能區域。

圖2 航天器分布式系統仿真驗證平臺硬件組成 Fig.2 Hardware of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真試驗管理調度區部署一臺采用Windows XP 操作系統的高性能計算機安裝仿真模型集成軟件，作為航天器分布式系統仿真驗證平臺的中央調度器；再部署一臺安裝有Windows Server 操作系統的高性能工作站作為航天器分布式系統仿真驗證平臺的數據服務器。仿真試驗管理調度區各服務器通過以太網接入平臺。

仿真子系統部署區部署若干臺采用Windows XP 操作系統的高性能計算機安裝航天器各分系統模型軟件和可視化系統軟件；再部署若干臺模擬器作為半物理仿真信號發生器。各服務器和模擬器通過以太網和專用通信網接入平臺。

仿真試驗計算區部署若干臺安裝Windows 操作系統的高性能服務器作為非實時仿真的計算服務器；再部署若干臺安裝有RedHawk 實時Linux操作系統的iHawk 實時計算機作為實時仿真的計算服務器，每臺iHawk 計算機都配置有一塊反射內存卡和一塊RCIM 時鐘卡，反射內存卡用來進行每秒百兆Byte 級別的高速數據傳輸，RCIM 時鐘卡之間通過專用的菊花線纜連接，用來進行微秒級的時鐘同步與校準。非實時計算服務器通過以太網接入平臺，實時計算機通過實時網絡接入系統。

3 系統軟件設計

航天器分布式系統仿真驗證平臺具有良好的開放性與可擴展性。平臺的軟件系統主要由仿真模型集成軟件、仿真數據庫、各分系統專用仿真軟件、 商用軟件、可視化系統軟件等組成。

仿真模型集成軟件是平臺的核心，也是平臺良好的通用性和可擴展性的保證。它承擔著仿真模型管理、圖形化試驗設計、仿真調度與進程控制、仿真數據后處理等任務。仿真模型集成軟件分主控端 軟件、節點端軟件2 個配置項。主控端軟件安裝在仿真試驗管理調度區的計算機上，采用C#語言利用面向對象的方法開發，實現仿真數據庫讀取訪問、仿真模型信息顯示、仿真試驗設計配置、仿真試驗運行管理、仿真數據處理與評估、網絡通信、可視化數據配置、仿真模式控制等8 大項功能。節點端軟件安裝在仿真子系統部署區的分系統計算機和信號模擬器信號采集計算機上，采用C#語言利用面向對象的方法開發，實現模型信息獲取與配置、試驗運行控制、試驗狀態監控、數據通信等功能。根據航天器系統仿真的實際需求，節點端內置的分系統軟件接口模塊可以實現與C++源代碼、C++、C#動態庫、MATLAB 程序（.m,.mdl 格式文件）、可執行文件（.exe 格式的專用或商用軟件）等多種形式的分系統仿真模型之間的數據與指令接口，保證了平臺的通用性與可擴展性。

航天器分布式系統仿真驗證平臺工作流程如圖3所示。

圖3 航天器分布式系統仿真驗證平臺工作流程 Fig.3 Operation flow chart of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真數據庫分為3 個子庫：1）仿真模型數據庫，用來存儲試驗所需的仿真模型并提供相應讀寫接口；2）仿真試驗數據庫，用來存儲試驗配置文件并提供相應的讀寫接口；3）仿真結果數據庫，用來存儲仿真過程中的單步仿真數據和最終的仿真結果數據，并提供相應的讀寫接口。

仿真模型軟件可以是使用C++、C#、MATLAB等語言開發的航天器分系統專業軟件，也可以是通用型的商業軟件，只要是符合航天器分布式系統仿真驗證平臺的接口規則，都可以接入平臺進行系統仿真計算。

4 系統應用

以某型號衛星方案設計全面仿真驗證為仿真應用背景，對其進行在軌姿軌控專項方案仿真。仿真試驗中使用了軌道模型、姿態控制模型、推進分系統模型、飛行程序、空間鏈路模型、電源分系統模型、數傳分系統模型、空間環境模型、姿態動力學模型，以及起輔助作用的全零輸出、整型多常數輸出等模型。其中，軌道分系統模型、控制分系統模型、推進分系統模型、空間鏈路模型、電源分系統模型、數傳分系統模型是以.exe 形式接入系統；其他模型是以動態鏈接庫形式接入系統。各模型數據輸入輸出關系如圖4所示。

圖4 仿真模型數據輸入輸出關系 Fig.4 Output input relation of the simulation model

通過仿真模型錄入、仿真試驗設計、仿真調度、試驗數據評估4 個步驟完成了該次仿真試驗。方案設計中關鍵參數的仿真結果見圖5～圖7。

圖5 衛星姿態控制曲線 Fig.5 Curves of the satellite attitude control

圖6 太陽電池陣輸出功率 Fig.6 Output Power of the solar array

圖7 太陽電池陣啟控時星體俯仰角速度變化曲線 Fig.7 Pitch rate changes under solar array control

與傳統仿真試驗相比，本系統兼顧數學仿真的多學科耦合特性與半物理仿真的實時性能，且操作簡便，仿真效率高，仿真結果準確，能夠滿足型號總體設計方案不同階段的系統仿真驗證需求。

5 結束語

本分布式系統仿真驗證平臺主要用于航天器的系統仿真工作，以期解決航天器系統仿真中集成平臺的體系結構、數據集成、設計過程集成、應用集成等關鍵技術問題。本仿真系統運行穩定，通用性強，操作簡單，用戶界面友好，較好地滿足了用戶的需求，已應用于相關部門的科研工作中，具有較大的應用價值。同時，在系統設計實現過程中遇到并解決的部分理論問題和實際問題，有助于推進基于不同系統環境和網絡環境下的分布式集成仿真系統的應用。

（References）

[1] 包為民.對航天器仿真技術發展趨勢的思考[J].航天控制,2013,31(2): 4-8 Bao Weimin.The development trend of aerospace craft simulation technology[J].Aerospace Control,2013,31(2): 4-8

[2] 徐海洋.航天測控系統仿真測試軟件的設計與實現[D].南京: 南京理工大學,2013: 6-7

[3] 李群.綜合化航空電子系統仿真可信度仿真[D]．西安: 西北工業大學,2006: 24-30

[4] 唐穎倩,王文福.小型仿真系統同步方法研究與開發[C]//第十五屆全國遙測遙控技術年會.昆明,2008: 305-308

[5] 劉璟,鄭建華,張皓.基于HLA 的的小衛星編隊飛行仿真[J].計算機仿真,2010,27(5): 66-70 Liu Jing,Zheng Jianghua,Zhang Hao.HLA distributed simulation for small satellite formation flying[J].Computer Simulation ,2010,27(5): 66-70

[6] 董云峰,陳士明,蘇建敏,等.衛星姿態控制動態模擬技術[M].北京: 科學出版社,2010: 11-13

[7] 戰玉芝,劉懷勛,王麗芹,等.基于HLA 的仿真程序設計研究及其應用[J].計算機仿真,2007,24(7): 146-148 Zhan Yuzhi,Liu Huaixun,Wang Liqin,et al.Study and application of simulation program design based on HLA[J].Computer Simulation,2007,24(7): 146-148

[8] 李傳慶,黃傳紅,唐霜天,等.一種分布式視景仿真軟件系統通用框架[C]//第八屆全國仿真器學術年會.昆明,2013: 376-382

[9] 宋其江,王日新,徐敏強.基于HLA的深空探測系統仿真平臺[J].系統仿真學報,2008,20(4): 905-909 Song Qijiang,Wang Rixin,Xu Minqiang.System simulation platform for deep space exploration based on HLA[J].Journal of System Simulation,2008,20(4): 905-909

[10] 潘曉寧.分布交互式實時三維飛行仿真平臺的綜合設計[J].計算機仿真,2007,24(1): 285-290 Pan Xiaoning.Integrated design of a distributed interactive real-time 3D flight simulation platform[J].Computer Simulation,2007,24(1): 285-290