程 偉，梁 克

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094)

一種航天器推進(jìn)劑補(bǔ)加飛控模擬器設(shè)計(jì)

程 偉，梁 克

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094)

推進(jìn)劑補(bǔ)加飛控模擬器是飛控中心用來(lái)驗(yàn)證推進(jìn)補(bǔ)加程序和地面測(cè)控方案、訓(xùn)練操作人員的模擬仿真系統(tǒng)，為系統(tǒng)演練構(gòu)造一個(gè)盡量逼真的任務(wù)環(huán)境;提出了一種用于推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加任務(wù)準(zhǔn)備的飛控模擬器設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理, 給出了系統(tǒng)信息流向、軟件設(shè)計(jì)，最后對(duì)主要技術(shù)難點(diǎn)及解決措施進(jìn)行了說(shuō)明，該模擬器具有真實(shí)性高、通用性高及靈活性高的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，在我國(guó)首次推進(jìn)劑補(bǔ)加任務(wù)準(zhǔn)備中得到了充分的應(yīng)用和驗(yàn)證，取得了較好的效果。

航天器; 推進(jìn)劑補(bǔ)加; 飛行控制; 模擬器

0 引言

推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)為空間站建造所必需的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前國(guó)際空間站上所用的推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)采用是俄羅斯的補(bǔ)加技術(shù)，其基本過(guò)程為：攜帶推進(jìn)劑的貨運(yùn)飛船(補(bǔ)加航天器)與空間站(被補(bǔ)加航天器)對(duì)接，空間站通過(guò)自身攜帶壓氣機(jī)為膜盒貯箱建立低氣壓環(huán)境，利用壓力差將貨運(yùn)飛船攜帶的推進(jìn)劑傳輸至空間站膜盒貯箱。

目前我國(guó)正在開(kāi)展航天器推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)的攻關(guān)及研制工作，其中推進(jìn)補(bǔ)加程序[1]及推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加的飛控實(shí)施過(guò)程是掌握推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)的重要組成部分。因此有必要研制推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加飛控模擬器，用于飛控中心任務(wù)準(zhǔn)備階段開(kāi)展航天器推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加飛控任務(wù)的演練工作，包括對(duì)推進(jìn)補(bǔ)加流程及程序進(jìn)行演練、對(duì)推進(jìn)補(bǔ)加飛控實(shí)施方案和實(shí)施流程進(jìn)行驗(yàn)證、對(duì)推進(jìn)補(bǔ)加飛控地面監(jiān)控軟件進(jìn)行測(cè)試、對(duì)參加飛控試驗(yàn)人員進(jìn)行訓(xùn)練等[2-4]。本文介紹了一種航天器推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加飛控模擬器的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，具有真實(shí)性高、通用性高、靈活性高的特點(diǎn)，可有效驗(yàn)證推進(jìn)補(bǔ)加飛控實(shí)施方案和實(shí)施流程的有效性和正確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

推進(jìn)補(bǔ)加模擬器包括補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)和被補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)兩部分，與實(shí)現(xiàn)其他功能的數(shù)管仿真計(jì)算機(jī)、測(cè)控仿真計(jì)算機(jī)、姿軌控仿真計(jì)算機(jī)、仿真主控機(jī)等共同組成了飛控中心的地面飛控模擬器系統(tǒng)，各仿真計(jì)算機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)連接進(jìn)行通信；飛控模擬器系統(tǒng)又與飛控中心的數(shù)字仿真系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)一起構(gòu)成任務(wù)演練的數(shù)據(jù)回路與仿真環(huán)境。其中，仿真主控機(jī)可以本地發(fā)起控制命令或接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)字仿真系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)模擬計(jì)算機(jī)的控制，任務(wù)系統(tǒng)的遙控指令和注入數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字仿真系統(tǒng)統(tǒng)一發(fā)送到飛控模擬器系統(tǒng)，飛控模擬器系統(tǒng)正確響應(yīng)后，生成相應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)再經(jīng)數(shù)字仿真系統(tǒng)送回任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行處理和顯示，地面飛控模擬器系統(tǒng)和系統(tǒng)演練回路組成如圖1所示。

圖1 地面飛控模擬器系統(tǒng)和系統(tǒng)演練回路組成

推進(jìn)補(bǔ)加飛控模擬器硬件系統(tǒng)由2臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)組成，分別對(duì)應(yīng)補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)和被補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)，其中兩臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能及對(duì)外接口相同，只是各仿真計(jì)算機(jī)具體的配置參數(shù)存在差異；每臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)由Windows操作系統(tǒng)和推進(jìn)劑補(bǔ)加仿真軟件組成，仿真軟件采用Visual C 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用多線(xiàn)程和模塊化、構(gòu)件化設(shè)計(jì)思想，以提高軟件的通用性和可復(fù)用性。推進(jìn)補(bǔ)加飛控模擬器實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)補(bǔ)加過(guò)程中遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，模擬航天器上補(bǔ)加管理計(jì)算機(jī)的控制、采集及處理功能，模擬推進(jìn)補(bǔ)加的故障模式，模擬兩補(bǔ)加航天器間的信息交互，以及模擬與其他設(shè)備間的通信等功能。具體如下：

1)通過(guò)以太網(wǎng)與其他仿真計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，如控制命令的接收、遙測(cè)參數(shù)的定時(shí)輸出、信息交互數(shù)據(jù)的收發(fā)等；

2)接收到仿真主控機(jī)的控制命令后，實(shí)現(xiàn)仿真的啟動(dòng)、停止及跳時(shí)功能，以及在任意時(shí)刻的斷點(diǎn)保存及重新啟動(dòng)功能；

3)實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)補(bǔ)加各種故障模式的模擬，以及根據(jù)控制命令實(shí)現(xiàn)故障模式的加載及撤銷(xiāo)的功能；

4)對(duì)接收到的推進(jìn)補(bǔ)加指令、注入數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、解析處理及響應(yīng)；

5)對(duì)推進(jìn)補(bǔ)加過(guò)程中的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，進(jìn)行組包后輸出下行并送地面任務(wù)監(jiān)顯系統(tǒng)進(jìn)行顯示；

6)接收來(lái)自另一補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)的補(bǔ)加信息交互數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷和處理；根據(jù)自身遙測(cè)狀態(tài)定時(shí)更新補(bǔ)加信息交互數(shù)據(jù)幀內(nèi)容并輸出給另一補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩補(bǔ)加航天器間狀態(tài)的同步。

1.2 基本原理

圖2 推進(jìn)補(bǔ)加飛控模擬器內(nèi)外部數(shù)據(jù)信息流

航天器推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加的基本原理為：補(bǔ)加航天器與被補(bǔ)加航天器對(duì)接形成組合體后，首先由地面發(fā)送指令完成兩航天器間推進(jìn)劑管路物理上的連通，然后進(jìn)行補(bǔ)加管路檢漏，確認(rèn)兩航天器補(bǔ)加管路系統(tǒng)密封性能滿(mǎn)足要求后，地面發(fā)送指令給被補(bǔ)加航天器，并啟動(dòng)壓氣機(jī)將被補(bǔ)加航天器推進(jìn)劑貯箱中的增壓氣體回抽到推進(jìn)氣瓶中，待貯箱中的增壓氣體壓力下降到預(yù)定值后停止壓氣機(jī)抽氣，地面發(fā)送指令打開(kāi)兩航天器相應(yīng)的補(bǔ)加閥門(mén)，由補(bǔ)加航天器將其推進(jìn)劑貯箱中的推進(jìn)劑通過(guò)補(bǔ)加管路輸送給被補(bǔ)加航天器的推進(jìn)劑貯箱，推進(jìn)劑輸送完成后地面發(fā)送指令對(duì)相關(guān)補(bǔ)加管路進(jìn)行吹除，保證兩航天器分離時(shí)管路中不會(huì)有殘留的推進(jìn)劑。在整個(gè)補(bǔ)加過(guò)程中，補(bǔ)加管路及氣瓶的溫度、壓力及貯箱剩余量等參數(shù)，以及補(bǔ)加過(guò)程中各設(shè)備的遙測(cè)參數(shù)、補(bǔ)加狀態(tài)信息等均隨著補(bǔ)加動(dòng)作的執(zhí)行及補(bǔ)加階段的變化而改變，同時(shí)兩航天器間周期交互關(guān)鍵狀態(tài)信息，并進(jìn)行相應(yīng)的判斷和處置。

推進(jìn)補(bǔ)加飛控模擬器實(shí)現(xiàn)對(duì)以上補(bǔ)加過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，如遙測(cè)參數(shù)的模擬、指令及注入數(shù)據(jù)等補(bǔ)加動(dòng)作的響應(yīng)處理、航天器間的信息交互、故障模式模擬等，模擬器主要功能實(shí)現(xiàn)的原理如下：

1) 遙測(cè)參數(shù)仿真模擬：推進(jìn)管路、氣瓶及貯箱等的溫度、壓力、剩余量等為緩變類(lèi)型數(shù)據(jù)，隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，如壓氣機(jī)抽氣過(guò)程中，氣瓶壓力隨時(shí)間逐漸增加、貯箱壓力逐漸減小，可以建立隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)仿真模型，軟件依據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算并按固定周期對(duì)這些遙測(cè)參數(shù)值進(jìn)行數(shù)值更新，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些遙測(cè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬；對(duì)于補(bǔ)加設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)參數(shù)、補(bǔ)加過(guò)程中的狀態(tài)信息、閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等，地面無(wú)上行指令時(shí)其遙測(cè)為固定的狀態(tài)，僅當(dāng)接收到地面發(fā)送的指令或注入數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)補(bǔ)加動(dòng)作時(shí)其參數(shù)值才發(fā)生變化，當(dāng)軟件接收到指令或注入數(shù)據(jù)信息時(shí)進(jìn)行解析、識(shí)別和處理，按照預(yù)期值對(duì)該指令對(duì)應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)加動(dòng)作的響應(yīng)。

2) 補(bǔ)加信息數(shù)據(jù)交互：兩航天器間信息交互內(nèi)容為補(bǔ)加過(guò)程中的關(guān)鍵狀態(tài)量，如補(bǔ)加故障狀態(tài)信息、補(bǔ)加到位信息等，其數(shù)據(jù)來(lái)源均為補(bǔ)加遙測(cè)參數(shù)，并隨補(bǔ)加過(guò)程的開(kāi)展動(dòng)態(tài)更新。由補(bǔ)加模擬器軟件根據(jù)遙測(cè)參數(shù)最新?tīng)顟B(tài)按照信息交互的通信周期對(duì)數(shù)據(jù)幀中的參數(shù)值進(jìn)行定時(shí)更新并組包輸出，并對(duì)接收到的信息交互數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判斷及相應(yīng)處置。

3) 故障模式模擬：對(duì)于某一故障模式，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，其對(duì)應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。模擬器按照故障模式中的故障判據(jù)對(duì)該故障相關(guān)的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該故障現(xiàn)象的模擬，同時(shí)采用數(shù)據(jù)庫(kù)索引方式對(duì)所有的故障模式進(jìn)行存儲(chǔ)和區(qū)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有故障的模擬。

2 信息流向

推進(jìn)補(bǔ)加飛控模擬器內(nèi)外部數(shù)據(jù)信息流如圖2所示，箭頭方向代表數(shù)據(jù)流向，由于兩臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)對(duì)外接口功能相同，因此以其中的補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)接收到數(shù)管仿真計(jì)算機(jī)的程控指令和注入數(shù)據(jù)，或接收到測(cè)控仿真計(jì)算機(jī)的遙控指令時(shí)，對(duì)指令及注入數(shù)據(jù)內(nèi)容解析、識(shí)別后進(jìn)行相應(yīng)功能的模擬，對(duì)與指令或注入數(shù)據(jù)相關(guān)的遙測(cè)參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬其數(shù)值的變化，并周期性將遙測(cè)數(shù)據(jù)組包發(fā)送給數(shù)管仿真計(jì)算機(jī)，由數(shù)管仿真計(jì)算機(jī)按照航天器的遙測(cè)格式統(tǒng)一進(jìn)行組幀輸出至地面任務(wù)監(jiān)顯系統(tǒng)進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化模擬；補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)接收到來(lái)自仿真主控計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)、停止、跳時(shí)及斷點(diǎn)保存、故障模擬等命令后，解析處理后進(jìn)行相應(yīng)操作，并回復(fù)操作完成應(yīng)答信息；補(bǔ)加和被補(bǔ)加兩個(gè)仿真計(jì)算機(jī)間依據(jù)約定的數(shù)據(jù)格式和通信周期進(jìn)行相互通信，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處置，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)加過(guò)程中信息的實(shí)時(shí)交互，如補(bǔ)加故障狀態(tài)字、補(bǔ)加到位信息等，保證兩航天器間的補(bǔ)加狀態(tài)信息的同步。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件組成

本系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜,為了提高補(bǔ)加模擬器系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性,采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由于兩臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)主要功能需求相同，只是具體的配置參數(shù)不同，因此兩臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)軟件采用相同的功能模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)功能需求，將每臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)的軟件劃分為以下幾大模塊:網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊、指令及注入處理功能模塊、遙測(cè)模擬功能模塊、補(bǔ)加信息交互功能模塊、補(bǔ)加故障模擬功能模塊、控制功能模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊，每臺(tái)補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)內(nèi)部各功能模塊間數(shù)據(jù)交互關(guān)系如圖3所示。

圖3 軟件各模塊間數(shù)據(jù)交互關(guān)系圖

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊

網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊采用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩個(gè)補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)間，及與其他仿真計(jì)算機(jī)之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互：1)接收網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)，根據(jù)約定的報(bào)文功能類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行處理；2)將各功能模塊的數(shù)據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)后發(fā)送給其他仿真計(jì)算機(jī)。

3.1.2 指令及注入解析功能模塊

指令及注入解析功能模塊接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)的遙控指令、程控指令及注入數(shù)據(jù)，從中提取出指令或注入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的編碼，根據(jù)編碼查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)中指令或注入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)，將查詢(xún)結(jié)果送遙測(cè)功能模塊，由遙測(cè)功能模塊實(shí)現(xiàn)遙測(cè)參數(shù)對(duì)指令的響應(yīng)變化。

3.1.3 遙測(cè)模擬功能模塊

遙測(cè)模擬功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器補(bǔ)加子系統(tǒng)所有遙測(cè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬：1)對(duì)地面發(fā)送的指令或注入數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)相應(yīng)，模擬相關(guān)遙測(cè)參數(shù)的變化，如接收到補(bǔ)加閥門(mén)開(kāi)關(guān)指令后實(shí)時(shí)更新補(bǔ)加閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)遙測(cè)信息；2)實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)加管路、閥門(mén)及氣瓶等的溫度、壓力參數(shù)，推進(jìn)劑剩余量參數(shù)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬；3)實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)加故障狀態(tài)參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬。

3.1.4 控制功能模塊

控制功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自外部仿真主控機(jī)控制命令的響應(yīng)：1)接收來(lái)自仿真主控計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)、停止、跳時(shí)及斷點(diǎn)保存等命令后，執(zhí)行相應(yīng)操作，并回復(fù)應(yīng)答信息；2)接收到相應(yīng)的故障模擬狀態(tài)字后進(jìn)行解析，并送補(bǔ)加故障模擬功能模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)故障模擬的模擬。

3.1.5 補(bǔ)加故障模擬功能模塊

補(bǔ)加故障模擬功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同補(bǔ)加故障模式的模擬，根據(jù)控制功能模塊給出的故障狀態(tài)字信息，通過(guò)調(diào)用遙測(cè)模擬功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)該故障現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)模擬。

研究發(fā)現(xiàn)，SDS作為陰離子型表面活性劑，具有崩解細(xì)胞膜，通過(guò)與膜蛋白疏水部分結(jié)合使其與膜分離，從而使蛋白質(zhì)中一些非共價(jià)鍵受到破壞甚至改變蛋白質(zhì)構(gòu)象的特點(diǎn)。本研究通過(guò)提高mtDNA提取時(shí)SDS的濃度和水浴溫度，同時(shí)加入醋酸鉀除去多余SDS，從而獲得了濃度大、質(zhì)量高的大豆mtDNA，適用于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和高通量測(cè)序等后續(xù)研究。

3.1.6 補(bǔ)加信息交互功能模塊

補(bǔ)加信息交互功能模塊主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)間互傳數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模擬，主要為補(bǔ)加階段字信息、補(bǔ)加到位信息、補(bǔ)加故障狀態(tài)信息、補(bǔ)加管路壓力等比較重要的狀態(tài)信息。每個(gè)信息交互周期到來(lái)時(shí)，由補(bǔ)加信息交互功能模塊從遙測(cè)功能模塊中讀取互傳遙測(cè)參數(shù)的當(dāng)前狀態(tài)，并對(duì)信息交互數(shù)據(jù)幀中的內(nèi)容進(jìn)行更新，然后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊組成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)后發(fā)送給另一個(gè)補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)；當(dāng)接收到信息交互數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行判斷，若需進(jìn)行處置，則調(diào)用遙測(cè)功能模塊模擬相關(guān)遙測(cè)參數(shù)的變化。

3.1.7 數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)加指令、注入數(shù)據(jù)、遙測(cè)參數(shù)，以及故障模式進(jìn)行存儲(chǔ)及查詢(xún)等功能，指令及注入解析功能模塊、遙測(cè)模擬功能模塊基于數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)指令的解析、遙測(cè)參數(shù)的模擬及故障現(xiàn)象的模擬。

3.2 編程方法

編程過(guò)程中采用循環(huán)采集處理與中斷觸發(fā)相結(jié)合的方法，同時(shí)程序中廣泛采用模塊化及C#類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)的編程思想，提高程序的通用性和復(fù)用性，提高編程效率，減少重復(fù)性，并對(duì)補(bǔ)加的關(guān)鍵狀態(tài)信息，采用標(biāo)志位方式提高程序的可靠性。飛控補(bǔ)加模擬器軟件主程序流程如圖4所示。

圖4 軟件主程序流程圖

系統(tǒng)首先進(jìn)行程序初始化設(shè)置，包括以太網(wǎng)接口初始化、人機(jī)操作界面窗體控件的初始化、程序中狀態(tài)變量的初始化、補(bǔ)加遙測(cè)參數(shù)初值設(shè)置及定時(shí)器的初始化等，其中網(wǎng)絡(luò)IP地址、端口號(hào)及補(bǔ)加遙測(cè)參數(shù)等變量，由于需初始化變量數(shù)較多，采用了專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)文件對(duì)其初值進(jìn)行賦值，并在初始化時(shí)由程序讀入數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)對(duì)這些變量的初始化設(shè)置。

表1 指令、注入數(shù)據(jù)及遙測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)格式

表2 故障描述文件格式

初始化完成后，程序中開(kāi)啟定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，并打開(kāi)UDP網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽(tīng)功能，同時(shí)程序根據(jù)定時(shí)器計(jì)時(shí)的時(shí)間對(duì)溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真計(jì)算。當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到預(yù)定值時(shí)，由程序根據(jù)補(bǔ)加遙測(cè)參數(shù)的當(dāng)前狀態(tài)分別組成補(bǔ)加數(shù)管遙測(cè)參數(shù)包和信息交互數(shù)據(jù)包，組包完成后組成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)包格式分別發(fā)送給數(shù)管仿真計(jì)算機(jī)和另一補(bǔ)加仿真計(jì)算機(jī)，然后定時(shí)器從零重新計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)的循環(huán)輸出。

采用網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽(tīng)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)指令數(shù)據(jù)、控制命令及信息交互數(shù)據(jù)等的接收，從而減少對(duì)計(jì)算機(jī)資源的占用，當(dāng)系統(tǒng)接收到來(lái)自其他仿真計(jì)算機(jī)的IP數(shù)據(jù)包后，首先判斷其目標(biāo)端口是否為自己的端口號(hào)，若是則進(jìn)入中斷程序?qū)?shù)據(jù)包內(nèi)容進(jìn)行解析處理，判斷為哪個(gè)處理分支。若為指令數(shù)據(jù)包，則按預(yù)定值更改相應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)值；若為控制命令數(shù)據(jù)包，則按命令要求執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；若為信息交互數(shù)據(jù)，則先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后進(jìn)判斷是否滿(mǎn)足觸發(fā)條件，并執(zhí)行相應(yīng)操作，如若表征補(bǔ)加到位，則模擬相應(yīng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化 ；若為補(bǔ)加故障模擬數(shù)據(jù)，則根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用相應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)故障的模擬。

4 主要技術(shù)難點(diǎn)及措施

4.1 指令實(shí)時(shí)響應(yīng)及遙測(cè)動(dòng)態(tài)刷新

由于推進(jìn)補(bǔ)加所需的指令、注入數(shù)據(jù)及遙測(cè)參數(shù)較多，達(dá)到上千的規(guī)模，且一般每條指令對(duì)應(yīng)多個(gè)遙測(cè)參數(shù)，若完全通過(guò)代碼對(duì)指令進(jìn)行解析及逐個(gè)對(duì)遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行模擬，會(huì)導(dǎo)致程序代碼量巨大，程序可讀性及可修改性變差，且不利于程序后續(xù)的維護(hù)升級(jí)[5-6]。基于該問(wèn)題，采用數(shù)據(jù)庫(kù)方式對(duì)補(bǔ)加指令、注入數(shù)據(jù)及遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢(xún)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)每條指令或注入數(shù)據(jù)的編碼、對(duì)應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)代號(hào)、對(duì)遙測(cè)參數(shù)的模擬方式、遙測(cè)參數(shù)值、遙測(cè)參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式、遙測(cè)參數(shù)在下行遙測(cè)數(shù)據(jù)包中的通道號(hào)，以及遙測(cè)參數(shù)是否為復(fù)幀數(shù)據(jù)等進(jìn)行定義，具體格式如表1所示。指令及注入解析功能模塊、遙測(cè)模擬功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，根據(jù)指令或注入數(shù)據(jù)的編碼信息查找其對(duì)應(yīng)哪些遙測(cè)參數(shù)，并讀取這些遙測(cè)參數(shù)的數(shù)值、通道及復(fù)幀等信息，根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)遙測(cè)參數(shù)變化的模擬。

4.2 補(bǔ)加參數(shù)模擬

推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加過(guò)程中，補(bǔ)加管路、氣瓶及貯箱的溫度、壓力參數(shù)，推進(jìn)劑貯箱的剩余量參數(shù)，以及壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)，為補(bǔ)加過(guò)程中需重點(diǎn)監(jiān)視的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)這些參數(shù)為緩變類(lèi)型數(shù)據(jù)，且主要隨時(shí)間緩慢變化，同時(shí)地面試驗(yàn)積累了大量相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。為盡可能真實(shí)的模擬這些參數(shù)的在軌實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)地面補(bǔ)加試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析及統(tǒng)計(jì)，建立每類(lèi)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型[7]，由遙測(cè)模擬功能模塊基于各類(lèi)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)這些參數(shù)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬。

4.3 補(bǔ)加故障模擬

推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加對(duì)應(yīng)的故障模式較多，且每個(gè)故障模式內(nèi)部又有多重分支，為實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)加各類(lèi)故障現(xiàn)象的模擬，采用數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)方式，將各故障模式按照順序進(jìn)行排列并給予唯一的ID號(hào)，每一個(gè)ID號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)故障描述文件，文件格式如表2所示。遙測(cè)模擬功能模塊接收到來(lái)自故障模擬功能模塊的故障ID號(hào)后，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取該ID號(hào)所對(duì)應(yīng)的故障數(shù)據(jù)，根據(jù)故障描述文件內(nèi)容對(duì)故障源相關(guān)的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)加故障現(xiàn)象的模擬。

5 結(jié)論

推進(jìn)劑補(bǔ)加飛控模擬器充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，完成了補(bǔ)加指令及注入數(shù)據(jù)的正確響應(yīng)、遙測(cè)功能的動(dòng)態(tài)仿真、補(bǔ)加故障模式的仿真及兩航天器間補(bǔ)加數(shù)據(jù)交互的動(dòng)態(tài)仿真，具有真實(shí)性高、通用性高、靈活性高的特點(diǎn)，該模擬器在我國(guó)首次推進(jìn)劑補(bǔ)加任務(wù)準(zhǔn)備中得到了充分的應(yīng)用，有效地驗(yàn)證了推進(jìn)劑補(bǔ)加飛控實(shí)施方案的有效性和完備性，取得了較好的效果。

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Design of a Kind of Propellant Refueling Simulator Used in Spacecraft Flight Control

Cheng Wei,Liang Ke

(Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology, Beijing 100094，China)

propellant refueling simulator for flight control is a simulation system used to validate the flight program and ground control schemes，to train mission operators，constructing a realistic mission environment for system testing in the flight control center. A design of flight control simulator used in the preparation of propellant refueling mission is put forward, the system structure and principle are introduced in detail, the system information flows and the soft design are showed, the technical difficulties and the solutions are illuminated at last. this design brings the simulator high comparability, high universality and high agility, and can simulate the propellant refueling process dynamically, it has been applied to the preparation of the first propellant refueling mission in our country, and good results have been achieved.

spacecraft; propellant refueling; flight control; simulator

2017-05-08；

2017-06-04。

程 偉(1986-)，男，河南人，碩士研究生，主要從事載人航天器信息系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)12-0166-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.043

TP273

A