陳　浩, 盧　翔, 張國柱, 桑小沖, 劉　赟, 王獻(xiàn)忠

(1. 上海航天控制技術(shù)研究所, 上海 201109; 2. 上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201109)

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星載軟件在環(huán)的GNC快速原型仿真系統(tǒng)設(shè)計

陳浩1,2, 盧翔1,2, 張國柱1,2, 桑小沖1,2, 劉赟1,2, 王獻(xiàn)忠1,2

(1. 上海航天控制技術(shù)研究所, 上海 201109; 2. 上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201109)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜航天器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(guidance navigation and control,GNC)系統(tǒng)的快速設(shè)計與仿真驗(yàn)證,加快GNC系統(tǒng)從算法設(shè)計到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的過程,解決數(shù)字仿真與實(shí)物仿真一致性的問題,提出了一種基于星載軟件在環(huán)的GNC快速原型仿真系統(tǒng)。通過虛擬GNC計算機(jī)處理器內(nèi)核和硬件接口的方式實(shí)現(xiàn)星載GNC計算機(jī)原型,解決了快速原型仿真系統(tǒng)GNC軟件代碼與實(shí)物星載計算機(jī)軟件代碼的一致性;利用Simulink/Matlab進(jìn)行航天器動力學(xué)/運(yùn)動學(xué)建模和GNC系統(tǒng)測量部件及執(zhí)行部件的數(shù)字化建模,基于實(shí)時擴(kuò)展(real time extension, RTX)系統(tǒng)和功能硬件板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模型與實(shí)物的轉(zhuǎn)化,解決數(shù)字仿真與實(shí)物仿真GNC系統(tǒng)內(nèi)部接口特性、時序和邏輯一致性的問題。應(yīng)用實(shí)例表明,基于星載軟件在環(huán)的GNC快速原型仿真系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)與GNC半物理仿真系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)高度一致,證實(shí)了仿真系統(tǒng)設(shè)計的有效性;同時基于該仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)GNC系統(tǒng)軟件、算法和單機(jī)產(chǎn)品的并行開發(fā),縮短系統(tǒng)研制周期。

關(guān)鍵詞：制導(dǎo)與控制系統(tǒng); 快速原型仿真; 星載軟件在環(huán); 實(shí)時擴(kuò)展實(shí)時系統(tǒng)

0引言

隨著空間技術(shù)的不斷進(jìn)步和空間探索任務(wù)的不斷增加,對航天器數(shù)量的需求也急劇增加,作為航天器“大腦”的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(guidance navigation and control,GNC)系統(tǒng),其技術(shù)難度也越來越大。各航天大國之間空間領(lǐng)域競爭的日趨激烈要求縮短航天器研制周期,但GNC系統(tǒng)其技術(shù)復(fù)雜性與快速開發(fā)之間的矛盾日益突顯,成為制約航天器快速研制的“瓶頸”[1-2]。目前航天器GNC系統(tǒng)的研制流程大部分是按照串行的方式進(jìn)行,尤其體現(xiàn)在系統(tǒng)算法、星載軟件的開發(fā),星載計算機(jī)等GNC系統(tǒng)單機(jī)產(chǎn)品的研制,以及GNC系統(tǒng)級的仿真驗(yàn)證上。GNC系統(tǒng)的算法和策略需要星載軟件實(shí)現(xiàn);而星載軟件代碼的開發(fā)測試必須等星載計算機(jī)產(chǎn)品研制出來才能進(jìn)行;GNC系統(tǒng)算法及控制律的仿真驗(yàn)證,系統(tǒng)內(nèi)部接口特性、時序和邏輯的仿真驗(yàn)證都需要等單機(jī)產(chǎn)品研制出來才能實(shí)施,層層嵌套,環(huán)環(huán)相扣,導(dǎo)致GNC系統(tǒng)開發(fā)效率低,研制周期長,并且缺乏快速、靈活、有效的仿真驗(yàn)證手段,已很難滿足航天器GNC系統(tǒng)高可靠、低風(fēng)險、短周期的研制要求。

快速控制原型允許在設(shè)計的初期將硬件接入系統(tǒng)實(shí)時仿真,并能夠快速迭代設(shè)計和代碼自動生成下載,具有短時間、低成本、并行設(shè)計的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于汽車、導(dǎo)彈、飛機(jī)等控制器產(chǎn)品開發(fā)、閉環(huán)仿真和系統(tǒng)測試等領(lǐng)域[3-10],但在航天器GNC系統(tǒng)設(shè)計和仿真測試中卻鮮有應(yīng)用,尤其是目前基于Simulink/Matlab開發(fā)的系統(tǒng)算法代碼[11-12]與最終星載軟件實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)代碼相差甚遠(yuǎn),很難移植到真實(shí)的星載計算機(jī)上。

本文提出的基于星載軟件在環(huán)的GNC快速原型仿真系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)GNC系統(tǒng)快速設(shè)計、仿真和測試提供了一個有效的手段,其核心之一是通過虛擬GNC計算機(jī)處理器內(nèi)核和硬件接口的方式實(shí)現(xiàn)虛擬星載GNC計算機(jī)原型樣機(jī),解決星載軟件目標(biāo)代碼與GNC系統(tǒng)算法并行開發(fā)的矛盾,并可使基于虛擬目標(biāo)機(jī)開發(fā)出的目標(biāo)代碼與GNC系統(tǒng)上天代碼完全一致;核心之二是基于實(shí)時擴(kuò)展(real time extension, RTX)實(shí)時操作系統(tǒng)和功能硬件板卡,將Simulink/Matlab建立的航天器動力學(xué)、運(yùn)動學(xué),以及GNC系統(tǒng)測量部件及執(zhí)行部件的數(shù)字化模型變成物理模型,解決快速原型仿真與實(shí)物仿真一致性的問題,使得仿真狀態(tài)在接口特性、時序和邏輯等方面與實(shí)物仿真完全等效。

1GNC快速原型仿真系統(tǒng)設(shè)計

基于星載軟件在環(huán)的GNC快速原型仿真系統(tǒng)是一個集遙測、遙控、注數(shù)、GNC星載軟件、GNC計算機(jī)原型樣機(jī)、GNC測量部件和執(zhí)行部件原型樣機(jī)于一體的閉環(huán)仿真系統(tǒng)。它主要包括以下幾個功能模塊:GNC星載計算機(jī)原型機(jī)及軟件仿真模塊,航天器空間動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)仿真模塊,GNC系統(tǒng)測量部件和執(zhí)行部件物理原型仿真模塊,分布式協(xié)同仿真管理與控制模塊等,如圖1所示。

圖1　GNC快速原型仿真系統(tǒng)構(gòu)成

其中:GNC星載計算機(jī)原型樣機(jī)及軟件模塊通過提供虛擬的星載計算機(jī)環(huán)境,設(shè)計師將GNC系統(tǒng)算法開發(fā)成可以直接上天的星載軟件,并將該軟件接入GNC系統(tǒng)閉環(huán)仿真;航天器動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)仿真模塊主要通過Simulink進(jìn)行航天器姿態(tài)、軌道和空間環(huán)境的建模和計算,并提供給GNC測量部件相應(yīng)的狀態(tài)驅(qū)動,同時接收執(zhí)行部件的狀態(tài)變化并作用于航天器的姿態(tài)和軌道,使之產(chǎn)生相應(yīng)的變化;GNC測量部件根據(jù)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真模塊提供的數(shù)據(jù)驅(qū)動敏感航天器的狀態(tài)變化,并將測量信息提供給星載計算機(jī)原型樣機(jī),星載軟件解算出相應(yīng)的控制指令并傳送給執(zhí)行部件,控制航天器的姿態(tài)和軌道變化。分布式協(xié)同仿真管理與控制模塊對GNC系統(tǒng)進(jìn)行全系統(tǒng)的仿真狀態(tài)進(jìn)行控制和管理,同時對仿真數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、判讀。

1.1GNC星載計算機(jī)原型樣機(jī)及軟件仿真模塊設(shè)計

GNC星載計算機(jī)原型樣機(jī)及軟件模塊是在Windows系統(tǒng)下基于目前主流處理器(包括1750、TSC695、AT697等)構(gòu)建星載計算機(jī)原型樣機(jī),實(shí)現(xiàn)對處理器(central processing unit,CPU)內(nèi)核、寄存器、定時器及片上設(shè)備和接口、CPU指令集、隨機(jī)存取存儲器(random-access memory,RAM)、只讀存儲器(read-only memory,ROM)、總線及星載計算機(jī)外圍接口的仿真,并在此原型樣機(jī)平臺下開發(fā)出可移植性強(qiáng)的星載軟件代碼,以滿足GNC算法快速工程實(shí)現(xiàn)的要求。GNC星載計算機(jī)原型樣機(jī)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　星載GNC計算機(jī)原型樣機(jī)架構(gòu)

其中精簡指令集(reduced instruction set computer,RISC)仿真主要是模擬處理器的執(zhí)行,從原型樣機(jī)主機(jī)仿真內(nèi)存中讀取指令,并根據(jù)指令集規(guī)范按字段分析指令,按照分析的結(jié)果,模擬執(zhí)行相應(yīng)的行為(如做加法,減法、乘法等操作,并將結(jié)果回寫到相應(yīng)虛擬仿真寄存器中)。

CPU內(nèi)核及片上設(shè)備的仿真:在原型樣機(jī)主機(jī)內(nèi)存中,建立與CPU處理器周邊組成結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于仿真處理器片內(nèi)的通用定時器、看門狗定時器、通用異步串行口(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)、寄存器、控制器、異常和中斷處理等。原型樣機(jī)根據(jù)用戶程序代碼依次執(zhí)行,當(dāng)用戶程序代碼對片內(nèi)外設(shè)讀寫時,按照讀寫地址修改或讀取相應(yīng)寄存器的內(nèi)容,并實(shí)時按字段分析讀寫的內(nèi)容,模擬實(shí)際處理器操作該字段后產(chǎn)生的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的行為(例如寄存器設(shè)置,設(shè)定定時器時間間隔等)。通過在原型樣機(jī)內(nèi)存中開辟一塊或多塊內(nèi)存,用于模擬星載計算機(jī)原型樣機(jī)的RAM或ROM空間。當(dāng)用戶程序進(jìn)行ROM,RAM內(nèi)存讀寫時,按照讀寫的地址,訪問相應(yīng)的模擬RAM或ROM內(nèi)存空間。

外部接口的仿真:利用標(biāo)準(zhǔn)化的功能板卡,采用插件方式建立原型樣機(jī)的外部功能接口模塊,如總線通訊模塊,輸入/輸出接口(input/output,I/O)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital,A/D)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換(digital to analog,D/A)功能模塊等。

片上設(shè)備、板上設(shè)備和外圍設(shè)備均采用模塊化設(shè)計,通過積木式組合和擴(kuò)展,可以完成針對不同任務(wù)和功能需求的星載GNC計算機(jī)原型樣機(jī)的構(gòu)建。通過建立與實(shí)際星載計算機(jī)相同的原型樣機(jī)系統(tǒng),在原型樣機(jī)上開發(fā)的星載軟件代碼在不需要做任何修改的情況下可以直接在真實(shí)的星載計算機(jī)硬件平臺中直接運(yùn)行,并且可以得到與在原型樣機(jī)系統(tǒng)下相同的執(zhí)行結(jié)果。因此,在原型樣機(jī)上開發(fā)的星載軟件代碼可以直接作為航天器上天的源代碼,這有效解決了星載軟件開發(fā)測試和星載計算機(jī)研制不能并行進(jìn)行的矛盾,在星載計算機(jī)硬件不到位的情況下為星載軟件接入GNC系統(tǒng)閉環(huán)仿真創(chuàng)造了條件,確保了GNC系統(tǒng)仿真的真實(shí)有效性,也極大縮短了GNC系統(tǒng)的研制周期。

1.2航天器動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)仿真模塊設(shè)計

以Simulink/Matlab作為航天器姿軌動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)的建模工具,利用Simulink/RTW(real-time workshop,RTW)工具的代碼自動生成功能將航天器模型轉(zhuǎn)化為可移植的C代碼,通過RTX環(huán)境編譯成實(shí)時子系統(tǒng)(real-time subsystem,RTSS)運(yùn)行程序,RTSS程序運(yùn)行在Windows下的RTX實(shí)時擴(kuò)展子系統(tǒng),并通過共享內(nèi)存與模型參數(shù)設(shè)置、仿真狀態(tài)控制等非實(shí)時的Wind32程序進(jìn)行信息交互,如圖3所示。

圖3　航天器動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真模塊

由于RTX采用搶占式實(shí)時任務(wù)管理和調(diào)度,在RTX下運(yùn)行的實(shí)時任務(wù)比普通的Windows中斷處理程序具有更高優(yōu)先級,并提供比Windows更精確和更高分辨率的時鐘和計時器,故保證了RTX的實(shí)時性;同時,RTX通過特殊的共享內(nèi)存方式支持實(shí)時進(jìn)程和非實(shí)時進(jìn)程間數(shù)據(jù)交互和同步,同一機(jī)器上運(yùn)行的其他Windows應(yīng)用也不會受到影響[13]。

1.3測量部件和執(zhí)行部件仿真模塊設(shè)計

基于功能板驅(qū)動程序和RTX提供的頭文件及庫函數(shù),利用Visual C++創(chuàng)建RTX環(huán)境下的功能板卡的驅(qū)動程序,并封裝成實(shí)時動態(tài)鏈接庫;再編寫Matlab的S函數(shù)調(diào)用庫函數(shù)完成功能板卡RTX環(huán)境下驅(qū)動程序的Simulink模塊封裝。通過RTW工具將Simulink創(chuàng)建的姿態(tài)測量部件、導(dǎo)航部件和執(zhí)行部件的數(shù)字化模型,以及功能板卡驅(qū)動程序的Simulink模塊封裝生成RTX環(huán)境下可執(zhí)行的RTSS程序,結(jié)合特定接口特性的功能板卡,即可實(shí)現(xiàn)GNC系統(tǒng)相關(guān)姿態(tài)測量部件、導(dǎo)航測量部件和執(zhí)行部件的數(shù)字化原型樣機(jī)。測量部件和執(zhí)行部件原型樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　測量部件和執(zhí)行部件原型樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.4分布式協(xié)同仿真管理與控制模塊設(shè)計

整個仿真系統(tǒng)通過實(shí)時反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)建立GNC快速原型仿真系統(tǒng)各功能模塊的數(shù)據(jù)交互,分布式協(xié)同仿真管理與控制模塊負(fù)責(zé)對整個仿真系統(tǒng)進(jìn)行流程和狀態(tài)管理,采集航天器動力學(xué)的數(shù)據(jù)和GNC星載計算機(jī)的遙測數(shù)據(jù),以及GNC系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),通過反射內(nèi)存網(wǎng)模擬進(jìn)行遙控和注數(shù),控制GNC星載軟件的運(yùn)行狀態(tài)。

2應(yīng)用實(shí)例

本文針對某型號飛行器在軌任務(wù)需求,基于TSC695F

處理器內(nèi)核構(gòu)建了星載GNC計算機(jī)原型樣機(jī),采用simulink建模和Moxa公司的CP118U多串口卡建立了紅外地平儀、星敏感器、數(shù)字式太陽敏感器、光纖慣組(含陀螺和加速度計)、全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)接收機(jī)和飛輪等數(shù)字化虛擬樣機(jī)原型;采用simulink建模和凌華的7434數(shù)字I/O卡建立了推力器等效模型;采用simulink建模和NI的6232板卡構(gòu)建了三軸磁強(qiáng)計、模擬太陽角計虛擬樣機(jī)原型;采用simulink建模和NI的6052E板卡構(gòu)建了磁力矩器虛擬樣機(jī)原型,設(shè)計了一套GNC系統(tǒng),如圖5所示。并結(jié)合航天器初始入軌對地姿態(tài)捕獲,消除太陽帆板展開擾動、載荷分離擾動、飛輪起旋擾動、以及航天器上火工品解鎖擾動等,實(shí)現(xiàn)長期三軸穩(wěn)定對地定向的在軌任務(wù)流程進(jìn)行了仿真。對航天器姿態(tài)控制采用帶前饋的比例微分(proportion and differentiation, PD)噴氣控制,其控制律描述如式(1)所示。

(1)

式中,Ton為噴氣時間(推力器開啟時間);K1為比例系數(shù);K2為微分系數(shù);SW為參與控制的姿態(tài)角;ω為角速率;dω為角速率前饋;Tmin為設(shè)定的最小噴氣時間。

其中前饋角速率的計算公式如式(2)所示。

(2)

式中，dωk為當(dāng)前控制周期(k時刻)的角速率前饋;τ為權(quán)重系數(shù);(Ton)k-1為上一周期(k-1時刻)的噴氣時間;dωk-1為上一周期(k-1時刻)的角速率前饋。

圖5　GNC系統(tǒng)原型

利用本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)仿真,同時將GNC系統(tǒng)全部實(shí)物單機(jī)產(chǎn)品接入GNC半物理仿真系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)仿真,仿真數(shù)據(jù)對比如圖6和圖7所示,可以看出,基于星載軟件在環(huán)的GNC快速原型仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)和GNC半物理仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)具有高度的一致性。這充分證明了仿真系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

圖6　三軸姿態(tài)變化曲線對比

圖7　三軸角速率變化曲線對比

3結(jié)論

本文基于快速原型仿真技術(shù),利用Simulink/Matlab對航天器動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)建模,構(gòu)建了星載GNC計算機(jī)原型樣機(jī)、測量部件和執(zhí)行部件的原型樣機(jī),利用RTX實(shí)時系統(tǒng)和反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)搭建了一套基于星載軟件在環(huán)的GNC快速原型仿真系統(tǒng),并將基于GNC原型樣機(jī)開發(fā)的星載軟件接入GNC系統(tǒng)閉環(huán)仿真,應(yīng)用實(shí)例仿真結(jié)果證實(shí)了GNC快速原型仿真系統(tǒng)設(shè)計的有效性,為解決復(fù)雜GNC快速設(shè)計、仿真和測試提供了有效途徑,縮短了GNC系統(tǒng)的研制周期。

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陳浩(1980-),男,高級工程師,博士,主要研究方向?yàn)轱w行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)、星載計算機(jī)、仿真測試技術(shù)。

E-mail:ch_hao1980@163.com

盧翔(1983-),男,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)轱w行器動力學(xué)仿真。

E-mail:lx304shbei@163.com

張國柱(1985-),男,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖O(shè)計。

E-mail:zhangguozhu868@163.com

桑小沖(1985-),男,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)榉抡鏈y試技術(shù)。

E-mail:sxc20041055@126.com

劉赟(1985-),男,工程師,博士,主要研究方向?yàn)轱w行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)。

E-mail:gr_liuyun@163.com

王獻(xiàn)忠(1971-),男,研究員,博士,主要研究方向?yàn)轱w行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)。

E-mail:wangxianzhong888@yahoo.com.cn

Design of GNC rapid prototyping simulation system of on-board software in the loop

CHEN Hao1,2, LU Xiang1,2, ZHANG Guo-zhu1,2, SANG Xiao-chong1,2,LIU Yun1,2, WANG Xian-zhong1,2

(1.ShanghaiInstituteofSpaceflightControlTechnology,Shanghai201109,China; 2.ShanghaiKeyLaboratoryofAerospaceIntelligentControlTechnology,Shanghai201109,China)

Abstract:In order to realize the fast design and verification of the complex spacecraft guidance navigation and control (GNC) system, speed up the translation process of the GNC system from the algorithm design to the product realization, solve the problem of the digital simulation results inconsisted with the physical simulation. The on-board computer prototype is realized by using the virtual processor core and the hardware interface, which solves the problem of the GNC on-board software code development without the physical computer. Simulink/Matlab is used to simulate the dynamic and kinematic modeling of the spacecraft and the digital model of GNC measuring and executing components. Based on the real time extension (RTX) system and function hardware boards, the conversion from the digital model to the physical product is realized. The application examples show that the simulation data of the GNC simulation system based on the on-board system in the loop are highly consistent with the data of GNC physical simulation based on hardware in the loop, which confirms the validity of this simulation system design. At the same time, based on the simulation system, the GNC system software, the algorithm and the parallel development of products can be realized. The simulation system has the advantages of shorter cycle and lower cost by contrast with conventional GNC development.

Keywords:guidance navigation and control (GNC) system; rapid prototyping simulation; on-board software; real-time extension system (RTX)

收稿日期：2015-09-30；修回日期：2015-12-18；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-03-03。

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2011AA7100009)資助課題

中圖分類號：TP 391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.06.35

作者簡介：

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160303.1709.004.html