邢 濤，周 暉，魏傳鋒

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094； 2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司，北京 100048）

0 引言

航天器系統(tǒng)仿真作為航天器總體設(shè)計(jì)分析的重要手段，在航天器總體設(shè)計(jì)、航天器工程研制和在軌運(yùn)行階段都發(fā)揮了巨大作用[1]。

最近十幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航天器仿真技術(shù)被認(rèn)為是迄今為止最有效、經(jīng)濟(jì)的綜合集成方法，是推動(dòng)航天科技進(jìn)步的戰(zhàn)略技術(shù)之一[2-3]。在以衛(wèi)星為代表的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，仿真平臺(tái)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(kuò)展性強(qiáng)，能夠較好地兼容異構(gòu)模型，但仿 真實(shí)時(shí)性較差[4-7]；后者技術(shù)難度大，但仿真實(shí)時(shí)性好，效率高，適用于半物理仿真[8-10]。

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)依托合理配置的高性能工作站、穩(wěn)定的服務(wù)器以及具有強(qiáng)大計(jì)算能力的并行計(jì)算機(jī)，在一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上配置以通用性與擴(kuò)展性強(qiáng)的仿真支撐環(huán)境，將航天器各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行集成仿真，能夠兼顧分布式仿真與實(shí)時(shí)仿真的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)航天器大系統(tǒng)自動(dòng)閉環(huán)迭代，從而對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)方案，有效提高航天器總體仿真水平，是航天器系統(tǒng)仿真領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向[8]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)采用以太網(wǎng)、實(shí)時(shí)網(wǎng)2 類綜合的分布式異構(gòu)型體系結(jié)構(gòu)，其中以太網(wǎng)在Windows 操作系統(tǒng)運(yùn)行，主要完成數(shù)學(xué)仿真、仿真回放等對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的仿真任務(wù)；實(shí)時(shí)網(wǎng)在RedHawk 實(shí)時(shí)Linux 操作系統(tǒng)運(yùn)行，主要利用高性能并行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高的仿真任務(wù)。

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)航天器系統(tǒng)仿真的需求，將系統(tǒng)劃分為仿真模型集成軟件、各分系統(tǒng)仿真模型、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)、遙控指令子系統(tǒng)、故障仿真子系統(tǒng)、航天器地面綜合測(cè)試子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)等多個(gè)功能模塊（如圖1所示）。其中，仿真模型集成軟件是平臺(tái)進(jìn)行航天器系統(tǒng)仿真的控制基礎(chǔ)與功能核心，在仿真過(guò)程中提供仿真模型管理、仿真試驗(yàn)配置、仿真試驗(yàn)同步、仿真試驗(yàn)進(jìn)程管理、仿真節(jié)點(diǎn)管理和仿真數(shù)據(jù)管理與評(píng)估等功能，還提供仿真人機(jī)交互手段和其他功能模塊的接口，以實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)閉環(huán)，完成仿真任務(wù)；遙控指令子系統(tǒng)負(fù)責(zé)航天器遙控指令的生成與輸出；故障仿真子系統(tǒng)負(fù)責(zé)航天器故障生成與輸出；可視化子系統(tǒng)負(fù)責(zé)仿真結(jié)果的二維和三維可視化。

圖1 航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)（硬件組成如圖2所示）采用分布式仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，總體上分為3 個(gè)功能區(qū)域。

圖2 航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)硬件組成 Fig.2 Hardware of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真試驗(yàn)管理調(diào)度區(qū)部署一臺(tái)采用Windows XP 操作系統(tǒng)的高性能計(jì)算機(jī)安裝仿真模型集成軟件，作為航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)的中央調(diào)度器；再部署一臺(tái)安裝有Windows Server 操作系統(tǒng)的高性能工作站作為航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)器。仿真試驗(yàn)管理調(diào)度區(qū)各服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)接入平臺(tái)。

仿真子系統(tǒng)部署區(qū)部署若干臺(tái)采用Windows XP 操作系統(tǒng)的高性能計(jì)算機(jī)安裝航天器各分系統(tǒng)模型軟件和可視化系統(tǒng)軟件；再部署若干臺(tái)模擬器作為半物理仿真信號(hào)發(fā)生器。各服務(wù)器和模擬器通過(guò)以太網(wǎng)和專用通信網(wǎng)接入平臺(tái)。

仿真試驗(yàn)計(jì)算區(qū)部署若干臺(tái)安裝Windows 操作系統(tǒng)的高性能服務(wù)器作為非實(shí)時(shí)仿真的計(jì)算服務(wù)器；再部署若干臺(tái)安裝有RedHawk 實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)的iHawk 實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)作為實(shí)時(shí)仿真的計(jì)算服務(wù)器，每臺(tái)iHawk 計(jì)算機(jī)都配置有一塊反射內(nèi)存卡和一塊RCIM 時(shí)鐘卡，反射內(nèi)存卡用來(lái)進(jìn)行每秒百兆Byte 級(jí)別的高速數(shù)據(jù)傳輸，RCIM 時(shí)鐘卡之間通過(guò)專用的菊花線纜連接，用來(lái)進(jìn)行微秒級(jí)的時(shí)鐘同步與校準(zhǔn)。非實(shí)時(shí)計(jì)算服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)接入平臺(tái)，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)具有良好的開放性與可擴(kuò)展性。平臺(tái)的軟件系統(tǒng)主要由仿真模型集成軟件、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)、各分系統(tǒng)專用仿真軟件、 商用軟件、可視化系統(tǒng)軟件等組成。

仿真模型集成軟件是平臺(tái)的核心，也是平臺(tái)良好的通用性和可擴(kuò)展性的保證。它承擔(dān)著仿真模型管理、圖形化試驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真調(diào)度與進(jìn)程控制、仿真數(shù)據(jù)后處理等任務(wù)。仿真模型集成軟件分主控端 軟件、節(jié)點(diǎn)端軟件2 個(gè)配置項(xiàng)。主控端軟件安裝在仿真試驗(yàn)管理調(diào)度區(qū)的計(jì)算機(jī)上，采用C#語(yǔ)言利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)，實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)讀取訪問(wèn)、仿真模型信息顯示、仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)配置、仿真試驗(yàn)運(yùn)行管理、仿真數(shù)據(jù)處理與評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)通信、可視化數(shù)據(jù)配置、仿真模式控制等8 大項(xiàng)功能。節(jié)點(diǎn)端軟件安裝在仿真子系統(tǒng)部署區(qū)的分系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和信號(hào)模擬器信號(hào)采集計(jì)算機(jī)上，采用C#語(yǔ)言利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)，實(shí)現(xiàn)模型信息獲取與配置、試驗(yàn)運(yùn)行控制、試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信等功能。根據(jù)航天器系統(tǒng)仿真的實(shí)際需求，節(jié)點(diǎn)端內(nèi)置的分系統(tǒng)軟件接口模塊可以實(shí)現(xiàn)與C++源代碼、C++、C#動(dòng)態(tài)庫(kù)、MATLAB 程序（.m,.mdl 格式文件）、可執(zhí)行文件（.exe 格式的專用或商用軟件）等多種形式的分系統(tǒng)仿真模型之間的數(shù)據(jù)與指令接口，保證了平臺(tái)的通用性與可擴(kuò)展性。

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)工作流程如圖3所示。

圖3 航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)工作流程 Fig.3 Operation flow chart of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真數(shù)據(jù)庫(kù)分為3 個(gè)子庫(kù)：1）仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存儲(chǔ)試驗(yàn)所需的仿真模型并提供相應(yīng)讀寫接口；2）仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存儲(chǔ)試驗(yàn)配置文件并提供相應(yīng)的讀寫接口；3）仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存儲(chǔ)仿真過(guò)程中的單步仿真數(shù)據(jù)和最終的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，并提供相應(yīng)的讀寫接口。

仿真模型軟件可以是使用C++、C#、MATLAB等語(yǔ)言開發(fā)的航天器分系統(tǒng)專業(yè)軟件，也可以是通用型的商業(yè)軟件，只要是符合航天器分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)的接口規(guī)則，都可以接入平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真計(jì)算。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

以某型號(hào)衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)全面仿真驗(yàn)證為仿真應(yīng)用背景，對(duì)其進(jìn)行在軌姿軌控專項(xiàng)方案仿真。仿真試驗(yàn)中使用了軌道模型、姿態(tài)控制模型、推進(jìn)分系統(tǒng)模型、飛行程序、空間鏈路模型、電源分系統(tǒng)模型、數(shù)傳分系統(tǒng)模型、空間環(huán)境模型、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，以及起輔助作用的全零輸出、整型多常數(shù)輸出等模型。其中，軌道分系統(tǒng)模型、控制分系統(tǒng)模型、推進(jìn)分系統(tǒng)模型、空間鏈路模型、電源分系統(tǒng)模型、數(shù)傳分系統(tǒng)模型是以.exe 形式接入系統(tǒng)；其他模型是以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式接入系統(tǒng)。各模型數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系如圖4所示。

圖4 仿真模型數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系 Fig.4 Output input relation of the simulation model

通過(guò)仿真模型錄入、仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真調(diào)度、試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估4 個(gè)步驟完成了該次仿真試驗(yàn)。方案設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的仿真結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 衛(wèi)星姿態(tài)控制曲線 Fig.5 Curves of the satellite attitude control

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

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

與傳統(tǒng)仿真試驗(yàn)相比，本系統(tǒng)兼顧數(shù)學(xué)仿真的多學(xué)科耦合特性與半物理仿真的實(shí)時(shí)性能，且操作簡(jiǎn)便，仿真效率高，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，能夠滿足型號(hào)總體設(shè)計(jì)方案不同階段的系統(tǒng)仿真驗(yàn)證需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本分布式系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)主要用于航天器的系統(tǒng)仿真工作，以期解決航天器系統(tǒng)仿真中集成平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)集成、設(shè)計(jì)過(guò)程集成、應(yīng)用集成等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本仿真系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，用戶界面友好，較好地滿足了用戶的需求，已應(yīng)用于相關(guān)部門的科研工作中，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到并解決的部分理論問(wèn)題和實(shí)際問(wèn)題，有助于推進(jìn)基于不同系統(tǒng)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分布式集成仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。

（References）

[1] 包為民.對(duì)航天器仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(cè)控系統(tǒng)仿真測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京: 南京理工大學(xué),2013: 6-7

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

[4] 唐穎倩,王文福.小型仿真系統(tǒng)同步方法研究與開發(fā)[C]//第十五屆全國(guó)遙測(cè)遙控技術(shù)年會(huì).昆明,2008: 305-308

[5] 劉璟,鄭建華,張皓.基于HLA 的的小衛(wèi)星編隊(duì)飛行仿真[J].計(jì)算機(jī)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(wèi)星姿態(tài)控制動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)[M].北京: 科學(xué)出版社,2010: 11-13

[7] 戰(zhàn)玉芝,劉懷勛,王麗芹,等.基于HLA 的仿真程序設(shè)計(jì)研究及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)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(tǒng)通用框架[C]//第八屆全國(guó)仿真器學(xué)術(shù)年會(huì).昆明,2013: 376-382

[9] 宋其江,王日新,徐敏強(qiáng).基于HLA的深空探測(cè)系統(tǒng)仿真平臺(tái)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),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(shí)時(shí)三維飛行仿真平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)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