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(jì)。

摘要：對基于綜合電子計(jì)算機(jī)的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)和星務(wù)系統(tǒng)的軟件協(xié)同運(yùn)行及仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。介紹了綜合電子計(jì)算機(jī)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(jì)、數(shù)據(jù)池?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)池操作接口函數(shù)等設(shè)計(jì)。并針對該計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了一種控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真閉環(huán)驗(yàn)證系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果滿足控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，整個(gè)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(gè)功能獨(dú)立的大系統(tǒng)，傳統(tǒng)衛(wèi)星的姿軌控計(jì)算機(jī)與總體星務(wù)計(jì)算機(jī)是獨(dú)立的兩臺單機(jī)，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(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，把星務(wù)軟件和姿軌控軟件集成為一套軟件系統(tǒng)運(yùn)行在衛(wèi)星管理單元中，并在硬件上設(shè)計(jì)了一種基于綜合電子計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)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(jià)值。

1 綜合電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

　　綜合電子計(jì)算機(jī)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(shí)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(gè)單機(jī)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(shí)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(shí)行信號的轉(zhuǎn)發(fā);II型、III型主要實(shí)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(shí)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(gè)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(jì)

　　綜合電子計(jì)算機(jī)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(yùn)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(jì)4個(gè)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(shí)基IO板II、III型訪問的姿軌控單機(jī)接口由姿軌控軟件訪問，信道關(guān)口模塊、時(shí)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(gè)軟件配置項(xiàng)公用硬件資源姿軌控軟件只可讀不可寫。

　　所有串口單機(jī)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?cái)?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(gè)軟件配置項(xiàng)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(jì)

　　軟件框架設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)算和控制計(jì)算，生成控制指令發(fā)給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)接收地面的遙控?cái)?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(jī)通過異步RS422串口與綜合電子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)相連，位于綜合電子計(jì)算機(jī)中的時(shí)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)幀組幀。采用遙控中斷方式接收遙控?cái)?shù)據(jù)，對接收到的遙控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

　　(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?cái)?shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)、控制指令、時(shí)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(qiáng)計(jì)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(jī)加斷電、星箭分離和控制權(quán)狀態(tài)。

　　(2)遙控?cái)?shù)據(jù)：星務(wù)軟件按照CCSDS包格式組幀，以整包形式將遙控?cái)?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(jì)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(shí)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(shí)鐘的接口。

3 聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)

　　為了使姿軌控和星務(wù)在綜合電子計(jì)算機(jī)中能夠協(xié)同運(yùn)行，以及驗(yàn)證采用上述軟件設(shè)計(jì)的姿軌控軟件運(yùn)行的時(shí)間消耗、實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)控制效果是否滿足預(yù)期要求，設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)如圖2。

　　將綜合電子工程樣機(jī)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(jī)加載綜合電子軟件目標(biāo)代碼，并與遙測PC機(jī)、遙控PC機(jī)、數(shù)據(jù)庫PC機(jī)、動力學(xué)顯示與控制終端PC機(jī)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(jī)動力學(xué)。仿真設(shè)備將單機(jī)動力學(xué)中敏感器信息按照真實(shí)單機(jī)的通訊協(xié)議(RS422、A/D、開關(guān)量)發(fā)送至星載計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收星載計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)運(yùn)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(jì)算機(jī)。

　　(5)遙測終端：接收并顯示1553B總線中的遙測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)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(yàn)結(jié)果及分析

　　為了驗(yàn)證姿軌控系統(tǒng)長期工作下的時(shí)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(yàn)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(shí)時(shí)性較好，且在姿軌控的500ms控制周期內(nèi)，軟件的運(yùn)行消耗時(shí)間為110ms，耗時(shí)較少。

5 結(jié)論

　　(1)本文對基于綜合電子計(jì)算機(jī)的多系統(tǒng)軟件協(xié)同運(yùn)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(gè)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(gè)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(jì)了一種綜合電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，將采用上述架構(gòu)的綜合電子計(jì)算機(jī)接入動力學(xué)形成閉環(huán);

　　(4)試驗(yàn)結(jié)果表明整個(gè)聯(lián)合仿真技術(shù)滿足控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)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(shí)引用，并注明出處。