王訓(xùn) 王兆魁 張育林

1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙410073 2.清華大學(xué)航天航空學(xué)院北京100084

集群航天器由數(shù)量眾多的微小航天器構(gòu)成,成員航天器彼此間協(xié)同工作,共同執(zhí)行設(shè)定的任務(wù)[1?3].與傳統(tǒng)單個(gè)大衛(wèi)星相比,集群航天器具有可執(zhí)行任務(wù)廣泛多樣、布置靈活以及成本低等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的發(fā)展前景.

目前的集群航天器中,成員航天器之間主要采用無線通信方式,然而,成員航天器內(nèi)部的各個(gè)單元部件,例如,各執(zhí)行器和各敏感器,與星載計(jì)算機(jī)之間主要采用CAN總線通信方式,因此,在開發(fā)成員航天器時(shí),需要通過接口器件和電纜線,將各個(gè)單元部件掛接到CAN總線上.這種通信方式存在局限性:1)當(dāng)總線上掛接的某個(gè)單元部件出現(xiàn)故障時(shí),有可能導(dǎo)致整個(gè)成員航天器均無法正常執(zhí)行任務(wù);2)使用接口器件和電纜線,一方面,增加了成員航天器的尺寸和重量,另一方面,也增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性;3)當(dāng)某個(gè)單元部件出現(xiàn)故障后,難以進(jìn)行在軌的替換和升級(jí),導(dǎo)致航天器控制系統(tǒng)的柔性和可重構(gòu)性能力有限[4?6].

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷,本文提出了一種基于航天器無線網(wǎng)絡(luò)的多線程控制方法,首先分析了成員航天器內(nèi)部的各個(gè)單元部件與星載計(jì)算機(jī)之間無線通信方式,然后重點(diǎn)對(duì)多線程控制方法進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),驗(yàn)證提出的方案對(duì)集群航天器系統(tǒng)重構(gòu)功能增強(qiáng)的有效性.

1 基于無線網(wǎng)絡(luò)的航天器控制系統(tǒng)

航天器控制系統(tǒng)主要由星載計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行器及有效載荷構(gòu)成,現(xiàn)有的航天器控制系統(tǒng)主要通過CAN總線連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,本文采用無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸,取代傳統(tǒng)的總線連接,設(shè)計(jì)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的航天器控制系統(tǒng)[7?8],如圖1所示.

基于無線網(wǎng)絡(luò)的航天器控制系統(tǒng)包括:星載計(jì)算機(jī)和多個(gè)單元部件.成員航天器搭載星載計(jì)算機(jī)和多臺(tái)單元部件,星載計(jì)算機(jī)包括星載計(jì)算機(jī)本體以及與星載計(jì)算機(jī)本體連接的第一無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī),

通過第一無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī),星載計(jì)算機(jī)本體具有無線通信能力.單元部件是指各敏感器部件、執(zhí)行器部件和載荷部件,單元部件包括單元部件本體以及與單元部件本體連接的第二無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī),通過第二無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī),單元部件具有無線通信能力.

圖1 基于無線網(wǎng)絡(luò)的航天器控制系統(tǒng)

集群航天器由多個(gè)成員航天器組成,以單個(gè)成員航天器的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ),進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).每個(gè)成員航天器均設(shè)置一個(gè)無線控制網(wǎng)絡(luò),初始時(shí),為每個(gè)成員航天器的無線控制網(wǎng)絡(luò)分配全局唯一的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào),對(duì)應(yīng)唯一的網(wǎng)絡(luò)工作頻道,同時(shí)分配公共網(wǎng)絡(luò)ID號(hào),公共網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)對(duì)應(yīng)唯一的網(wǎng)絡(luò)公共申請(qǐng)頻道,同時(shí)為每個(gè)星載計(jì)算機(jī)設(shè)置全局唯一的星載計(jì)算機(jī)ID,為每個(gè)單元部件設(shè)置全局唯一的單元部件ID.

2 系統(tǒng)重構(gòu)的多線程設(shè)計(jì)

可重構(gòu)性是實(shí)現(xiàn)集群航天器資源在軌優(yōu)化配置和高效利用的必備要素,能夠提高集群航天器執(zhí)行任務(wù)的效率、拓展集群在軌應(yīng)用的范圍,本文進(jìn)行航天器的多線程設(shè)計(jì),旨在解決集群航天器系統(tǒng)在軌控制系統(tǒng)重構(gòu)過程的可行性與安全性.

基于航天器無線網(wǎng)絡(luò)的多線程控制方法如圖2所示,主要由星載計(jì)算機(jī)啟動(dòng)響應(yīng)部件入網(wǎng)請(qǐng)求線程、主動(dòng)斷開部件連接線程、部件故障檢測(cè)線程、星載計(jì)算機(jī)自診斷線程和與部件傳輸有效數(shù)據(jù)線程5個(gè)線程構(gòu)成,通過線程的合理調(diào)度與使用,實(shí)現(xiàn)集群航天器系統(tǒng)重構(gòu).

2.1 星載計(jì)算機(jī)響應(yīng)部件入網(wǎng)請(qǐng)求線程

初始時(shí)刻,成員航天器根據(jù)任務(wù)需求,通過自身的星載計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)可信部件列表,可信部件列表由星載計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行無線通信的多個(gè)單元部件ID組成.星載計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)部件入網(wǎng)請(qǐng)求線程,將單元部件加入自身所在的無線網(wǎng)絡(luò).

圖2 基于航天器無線網(wǎng)絡(luò)的多線程控制

星載計(jì)算機(jī)啟動(dòng)響應(yīng)部件入網(wǎng)請(qǐng)求線程,監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)公共申請(qǐng)頻道,判斷是否存在單元部件在公共網(wǎng)絡(luò)以廣播的形式發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求指令,其中,入網(wǎng)請(qǐng)求指令攜帶有單元部件ID,如果有星載計(jì)算機(jī)對(duì)入網(wǎng)請(qǐng)求指令進(jìn)行解析,獲得單元部件ID,然后,判斷單元部件ID是否位于自身存儲(chǔ)的可信部件列表,如果不位于,則屏蔽入網(wǎng)請(qǐng)求指令;如果位于,星載計(jì)算機(jī)向單元部件ID發(fā)送接受入網(wǎng)的通知消息,其中,通知消息攜帶有星載計(jì)算機(jī)當(dāng)前所處的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)以及目的節(jié)點(diǎn);目的節(jié)點(diǎn)為單元部件ID.

單元部件ID在廣播入網(wǎng)請(qǐng)求指令后,即進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài),當(dāng)單元部件ID在接收到某條接受入網(wǎng)的通知消息時(shí),對(duì)通知消息進(jìn)行解析,獲得網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)以及目的節(jié)點(diǎn),并判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為自身ID,如果是,則將自身工作頻道調(diào)整到與網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)相匹配的網(wǎng)絡(luò)工作頻道,至此,單元部件ID成功加入認(rèn)為其可信的星載計(jì)算機(jī)所處的無線控制網(wǎng)絡(luò),星載計(jì)算機(jī)可與單元部件ID進(jìn)行正常無線通信.

2.2 主動(dòng)斷開部件連接線程

當(dāng)星載計(jì)算機(jī)接收到對(duì)其存儲(chǔ)的可信部件列表中的某一個(gè)單元部件ID進(jìn)行刪除的通知消息時(shí),星載計(jì)算機(jī)運(yùn)行主動(dòng)斷開部件連接線程,主動(dòng)斷開與該單元部件ID的無線通信鏈路,將單元部件從自身所在的無線網(wǎng)絡(luò)斷開,具體實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示.

圖3 星載計(jì)算機(jī)響應(yīng)部件入網(wǎng)請(qǐng)求線程

星載計(jì)算機(jī)向單元部件ID發(fā)送中斷連接指令,其中,中斷連接指令攜帶有需要中斷連接的單元部件ID;單元部件ID接收到中斷連接指令后,對(duì)中斷連接指令進(jìn)行解析,判斷是否為對(duì)自身發(fā)出的中斷連接指令,如果是,單元部件ID將自身工作頻道調(diào)整到網(wǎng)絡(luò)公共申請(qǐng)頻道,并在公共網(wǎng)絡(luò)以廣播的形式發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求指令,等待認(rèn)為其可信的星載計(jì)算機(jī)將其加入到對(duì)應(yīng)的無線控制網(wǎng)絡(luò).

圖4 星載計(jì)算機(jī)主動(dòng)斷開部件連接線程

2.3 部件故障檢測(cè)線程

在星載計(jì)算機(jī)與其存儲(chǔ)的可信部件列表中各單元部件ID均加入無線控制網(wǎng)絡(luò)之后,星載計(jì)算機(jī)運(yùn)行部件故障檢測(cè)線程,對(duì)與其連接的各單元部件ID是否發(fā)生故障進(jìn)行檢測(cè).

圖5 部件故障檢測(cè)線程

如圖5所示,各單元部件ID每隔第1設(shè)定時(shí)間間隔,即向星載計(jì)算機(jī)發(fā)送自身狀態(tài)正常的通知消息;星載計(jì)算機(jī)每隔第2設(shè)定時(shí)間間隔,判斷是否接收到單元部件ID發(fā)送的自身狀態(tài)正常的通知消息,如果接收到,則星載計(jì)算機(jī)得出單元部件ID為正常狀態(tài)的結(jié)論,繼續(xù)與單元部件ID進(jìn)行無線通信;如果未接收到,則星載計(jì)算機(jī)得出單元部件ID為故障狀態(tài)的結(jié)論.

2.4 星載計(jì)算機(jī)自診斷線程

在星載計(jì)算機(jī)與其存儲(chǔ)的可信部件列表中各單元部件ID均加入無線控制網(wǎng)絡(luò)之后,星載計(jì)算機(jī)運(yùn)行星載計(jì)算機(jī)自診斷線程,檢測(cè)自身是否發(fā)生故障.

如圖6所示星載計(jì)算機(jī)每隔第3設(shè)定時(shí)間間隔,向各個(gè)單元部件ID廣播自身狀態(tài)正常的通知消息;單元部件ID每隔第4設(shè)定時(shí)間間隔,判斷是否接收到星載計(jì)算機(jī)廣播的狀態(tài)正常的通知消息,如果接收到,則單元部件ID得出星載計(jì)算機(jī)為正常狀態(tài)的結(jié)論,繼續(xù)與星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線通信;如果未接收到,則單元部件ID得出星載計(jì)算機(jī)為故障狀態(tài)結(jié)論.

2.5 部件傳輸有效數(shù)據(jù)線程

當(dāng)單元部件成功加入到星載計(jì)算機(jī)所屬的無線控制網(wǎng)絡(luò)后,星載計(jì)算機(jī)運(yùn)行部件傳輸有效數(shù)據(jù)線程,通過部件傳輸有效數(shù)據(jù)線程,與單元部件進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳輸.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)行任務(wù)響應(yīng)設(shè)計(jì),包括控制系統(tǒng)重構(gòu)和導(dǎo)航系統(tǒng)重構(gòu),然后構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證.導(dǎo)航系統(tǒng)重構(gòu)時(shí),其中一航天器通過部件級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接管另一個(gè)航天器的敏感器單元實(shí)現(xiàn)對(duì)后者導(dǎo)航系統(tǒng)的管理與控制,從而加強(qiáng)前者的導(dǎo)航能力,并輔助后者完成基本導(dǎo)航數(shù)據(jù)的獲取.

圖6 星載計(jì)算機(jī)自診斷線程

控制系統(tǒng)重構(gòu)時(shí),其中一航天器通過部件級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接管另一個(gè)航天器的執(zhí)行器單元實(shí)現(xiàn)對(duì)后者控制系統(tǒng)的管理與控制,從而輔助后者完成控制操作,保證后者基本生存.當(dāng)兩衛(wèi)星通過機(jī)械接口進(jìn)行固聯(lián)后,控制系統(tǒng)重構(gòu)可以增強(qiáng)主控衛(wèi)星的控制執(zhí)行能力.

構(gòu)建系統(tǒng)重構(gòu)演示驗(yàn)證系統(tǒng),如圖7所示.

系統(tǒng)重構(gòu)演示驗(yàn)證系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成:第1部分是1號(hào)成員航天器,包括1號(hào)成員航天器星載計(jì)算機(jī),1號(hào)GPS接收機(jī),2號(hào)GPS接受機(jī),3號(hào)星敏感器模擬器,4號(hào)推力器模擬器;第2部分是2號(hào)成員航天器,包括2號(hào)成員航天器星載計(jì)算機(jī),5號(hào)GPS接收機(jī),6號(hào)IMU,7號(hào)星敏感器模擬器,8號(hào)力矩陀螺模擬器.

在1號(hào)和2號(hào)星載計(jì)算機(jī)上運(yùn)行系統(tǒng)重構(gòu)演示驗(yàn)證軟件,圖8為執(zhí)行系統(tǒng)重構(gòu)演示驗(yàn)證的軟件界面.

初始時(shí)刻,1號(hào)成員航天器連接1號(hào)GPS接收機(jī)、2號(hào)GPS接受機(jī)、3號(hào)星敏感器模擬器、4號(hào)推力器模擬器;2號(hào)成員航天器連接5號(hào)GPS接收機(jī)、6號(hào)IMU、7號(hào)星敏感器模擬器、8號(hào)力矩陀螺模擬器,通過采用上述的多線程算法的設(shè)計(jì),演示驗(yàn)證系統(tǒng)的導(dǎo)航重構(gòu),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.

圖9的1號(hào)成員航天器的“已連接設(shè)備”窗口中,顯示1號(hào)成員航天器已經(jīng)連接2號(hào)成員航天器的5號(hào)GPS接收機(jī),且在“成員航天器星載計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)”窗口中,已經(jīng)顯示了5號(hào)GPS接受機(jī)數(shù)據(jù),證明導(dǎo)航重夠成功,1號(hào)成員航天器可以共享2號(hào)成員航天器的GPS接收機(jī).

圖8 系統(tǒng)重構(gòu)演示驗(yàn)證軟件界面

圖9 導(dǎo)航重構(gòu)演示結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前集群航天器系統(tǒng)中成員航天器組件通過CAN總線連接存在的問題,設(shè)計(jì)成員航天器內(nèi)部的各個(gè)單元部件與星載計(jì)算機(jī)之間采用無線通信方式,既不需要在成員航天器上進(jìn)行復(fù)雜的布線設(shè)計(jì),也減少了成員航天器的尺寸和重量,降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性;通過對(duì)每個(gè)成員航天器的無線通信機(jī)制的設(shè)計(jì),可以有效提高航天器控制系統(tǒng)的柔性和可重構(gòu)性,有利于航天器部件的升級(jí)或替換,增強(qiáng)集群航天器功能.