張 程何益康林榮峰朱晏慶

(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)

0 引言

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具[1]的仿真工具箱被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，為用戶(hù)提供了非常豐富好用的基礎(chǔ)模塊，使用戶(hù)可以根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)從模塊庫(kù)中選用適用的模塊，僅修改相應(yīng)的參數(shù)即可建立航天器軌道動(dòng)力學(xué)和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型等，它支持各類(lèi)連續(xù)、離散、線(xiàn)性和非線(xiàn)性等系統(tǒng)的構(gòu)建，支持對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行編譯和仿真，可以輕松有效的完成系統(tǒng)的仿真。無(wú)論多么復(fù)雜的衛(wèi)星控制系統(tǒng)，都能采用直觀(guān)的“方框圖”[2]，使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，完成控制系統(tǒng)模型的輸入和仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星控制系統(tǒng)這一動(dòng)態(tài)系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速的建模。因此常常被衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)師用于衛(wèi)星控制算法的設(shè)計(jì)，并利用可視化的仿真工具，對(duì)設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行驗(yàn)證。

然而同時(shí)，隨著使用的深入，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真也暴露出一些弊端，主要反映在以下幾個(gè)方面：

a)集成計(jì)算機(jī)算法處理到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具模型的設(shè)計(jì)方法，其內(nèi)部嵌入式架構(gòu)算術(shù)與邏輯處理單元執(zhí)行方式，相比傳統(tǒng)的基于CPU硬件平臺(tái)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，有比較大的差異，因?yàn)镃PU結(jié)構(gòu)難以完美的被動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具模型模擬，比如動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具模擬的外部中斷觸發(fā)、內(nèi)部定時(shí)機(jī)制會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的過(guò)程，降低仿真效果，進(jìn)而影響計(jì)算機(jī)核心算法處理，這些與實(shí)際使用真實(shí)微控制器算法的運(yùn)行結(jié)果的差異，會(huì)降低關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計(jì)的可信性；

b)傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具模型，往往難以仿真字節(jié)或字序顛倒、特殊寄存器的位支持等具體硬件設(shè)備的特殊要求，僅對(duì)使用通用數(shù)據(jù)類(lèi)型的算法處理有著較好的支持(例如16位、32位、64位整型、浮點(diǎn)數(shù)等)，因此只能滿(mǎn)足基本的計(jì)算精度，但是對(duì)于衛(wèi)星控制系統(tǒng)的下位單機(jī)軟件行為過(guò)程的模擬往往不夠；

c)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行在真實(shí)CPU平臺(tái)上時(shí)，是離散型、非線(xiàn)性的狀態(tài)，因?yàn)檐浖谶\(yùn)行過(guò)程中不是動(dòng)態(tài)連續(xù)的，會(huì)受到中斷觸發(fā)、任務(wù)搶占調(diào)度等外部影響，而動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具模型則往往是動(dòng)態(tài)連續(xù)的過(guò)程，導(dǎo)致使用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具進(jìn)行仿真與使用真實(shí)CPU進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果存在出入，影響系統(tǒng)的故障模擬、指令注入的測(cè)試，甚至全系統(tǒng)的閉環(huán)仿真測(cè)試；

d)衛(wèi)星控制系統(tǒng)領(lǐng)域的仿真建模，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，造成使用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具進(jìn)行算法過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)雜性的提高，隨之而來(lái)的是執(zhí)行效率降低，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性的降低影響到系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和精確性；

e)在使用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具搭建衛(wèi)星控制系統(tǒng)單機(jī)模型時(shí)，受限于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具自身限制，在面對(duì)定制單機(jī)的特殊協(xié)議，使用面向過(guò)程的Ada、C/C++等高級(jí)語(yǔ)言，能夠規(guī)避資源浪費(fèi)等問(wèn)題，靈活性更好。

隨著對(duì)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件越來(lái)越高的重用化要求，軟件研制方基于工程積累的、在軌飛行驗(yàn)證過(guò)的成熟軟件構(gòu)件，正在建立可反復(fù)利用、可用于后續(xù)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件重用的構(gòu)件庫(kù)，以往的開(kāi)發(fā)方式仍以人工手工編碼的方式進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，難以適應(yīng)當(dāng)前基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)、以及軟件定義衛(wèi)星等技術(shù)的發(fā)展，盡管一些動(dòng)態(tài)建模工具已具有一定的自動(dòng)生成軟件代碼的功能，以及相應(yīng)的模型形式化驗(yàn)證功能，但對(duì)于生成的軟件代碼在真實(shí)目標(biāo)環(huán)境的運(yùn)行驗(yàn)證手段不足，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)提出方的需求開(kāi)展可信驗(yàn)證。

同時(shí)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)是提供可信證據(jù)，驅(qū)動(dòng)協(xié)同演化和協(xié)同開(kāi)發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)主要應(yīng)用于軟件配置項(xiàng)測(cè)試和驗(yàn)證過(guò)程中，傳統(tǒng)方法中，常使用插樁、植入探針或“打點(diǎn)”的方式進(jìn)行，這類(lèi)方式會(huì)直接改變軟件產(chǎn)品的實(shí)體，影響獲得結(jié)果和證據(jù)的準(zhǔn)確性及可信性。

基于上述分析，本文通過(guò)采用純軟件的實(shí)現(xiàn)方法為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)提供一個(gè)可監(jiān)控的、可信的軟件開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)，提出了一種基于虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證技術(shù)，并與任務(wù)提出方使用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模工具實(shí)現(xiàn)的控制算法模型進(jìn)行協(xié)同、同步、動(dòng)態(tài)仿真，運(yùn)用軟件非干涉運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)，在不改變衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件實(shí)體的情況下，對(duì)軟件實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)態(tài)行為和執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，獲取可信的開(kāi)發(fā)證據(jù)和應(yīng)用證據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)需求的驗(yàn)證與確認(rèn)。

1 衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件的建模設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)態(tài)建模工具模型實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件功能

軟件與硬件設(shè)備尚未開(kāi)始設(shè)計(jì)的情況下，在衛(wèi)星控制系統(tǒng)研制的早期，需要驗(yàn)證整個(gè)方案設(shè)計(jì)的可行性，在控制算法模型內(nèi)部仿真軟件算法控制等模型，使用動(dòng)態(tài)建模工具搭建控制算法模型仿真系統(tǒng)，形成一個(gè)全數(shù)字的閉環(huán)仿真系統(tǒng)，與動(dòng)力學(xué)模型之間進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)交互，用以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)方案的可行性，如圖1所示。

衛(wèi)星控制系統(tǒng)由控制器、敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)前衛(wèi)星使用的敏感器主要包括慣性敏感器、太陽(yáng)敏感器、恒星敏感器、地球敏感器等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括反作用飛輪、控制力矩陀螺、推力器等。這些敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制器之間普遍采用RS422串口通訊協(xié)議、MIL-STD-1553B總線(xiàn)協(xié)議、AD模擬量輸入、PWM脈沖寬度調(diào)制、CAN總線(xiàn)協(xié)議等，因此，在建立動(dòng)力學(xué)模型的輸入模塊和輸出模塊也采用這些通訊協(xié)議的模擬模塊。

動(dòng)力學(xué)模型在接收到衛(wèi)星控制器發(fā)送的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令后，采用常微分方程組或偏微分方程等的組合，同時(shí)考慮衛(wèi)星的剛體彈性體混合系統(tǒng)及剛體液體混合系統(tǒng)的特性，模擬撓性衛(wèi)星的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和軌道動(dòng)力學(xué)，特別是對(duì)衛(wèi)星受到的主要外力矩進(jìn)行模擬，比如太陽(yáng)輻射壓力矩、重力梯度力、氣動(dòng)力、地磁場(chǎng)力矩等環(huán)境力，以及主要內(nèi)力矩進(jìn)行模擬，比如推力器的噴射力矩、反作用飛輪產(chǎn)生的角動(dòng)量力矩、液體推進(jìn)劑產(chǎn)生的液體晃動(dòng)力矩、太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩。

圖1 使用動(dòng)態(tài)建模工具實(shí)現(xiàn)控制算法模型仿真系統(tǒng)

為了使得控制算法模型與外部數(shù)據(jù)可以交互，使用動(dòng)態(tài)建模工具建立姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型和軌道動(dòng)力學(xué)模型的外圍設(shè)備，同時(shí)建立控制器模型，從而達(dá)到閉環(huán)仿真驗(yàn)證衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案的目的。

相對(duì)于衛(wèi)星控制器的控制算法模型來(lái)說(shuō)，控制算法模型的運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)輸入模塊接口，獲取控制算法模型數(shù)據(jù)是輸出模塊接口。

輸入模塊包括422模塊(模擬RS422串口通訊協(xié)議)、1553B模塊(模擬MIL-STD-1553B總線(xiàn)協(xié)議)、AD模塊(模擬模擬量輸入功能)、DIO模塊(模擬數(shù)字輸入輸出電路)、PWM模塊(模擬脈沖寬度調(diào)制方法)和CAN模塊(模擬控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)協(xié)議)等，他們作為動(dòng)力學(xué)敏感器采集接口的輸入。

輸出模塊包括422模塊、1553B模塊、AD模塊、DIO模塊、PWM模塊和CAN模塊等，他們作為動(dòng)力學(xué)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的輸出。

由于輸入模塊和輸出模塊均是使用動(dòng)態(tài)建模工具建立的、模擬真實(shí)硬件通訊協(xié)議的軟件模塊，因此，使用共享內(nèi)存技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制算法模型的控制，使用動(dòng)態(tài)建模工具實(shí)現(xiàn)的控制算法模型的仿真數(shù)據(jù)在內(nèi)部傳遞。

1.2 基于虛擬化技術(shù)的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件功能

在衛(wèi)星控制系統(tǒng)研制流程中，軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)往往是在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，在這個(gè)階段，使用動(dòng)態(tài)建模工具無(wú)法對(duì)真實(shí)計(jì)算機(jī)算法處理軟件進(jìn)行功能驗(yàn)證與性能測(cè)試，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)的控制算法模型仿真系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)無(wú)能為力。針對(duì)這種情況，使用軟件虛擬化技術(shù)[3]來(lái)仿真真實(shí)硬件目標(biāo)板，仿真出與真實(shí)硬件相同的

圖3 集成的閉環(huán)仿真系統(tǒng)

運(yùn)行效果，在虛擬平臺(tái)上直接加載衛(wèi)星控制軟件的二進(jìn)制文件運(yùn)行，替代早期的動(dòng)態(tài)建模仿真系統(tǒng)中的算法控制單元，提出了全數(shù)字超實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[4]的需求，并能在系統(tǒng)中進(jìn)行衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件的運(yùn)行調(diào)試，用以驗(yàn)證軟件的功能，如圖2所示。

輸入模塊包括422模塊、1553B模塊、AD模塊、DIO模塊、PWM模塊和CAN模塊等，他們作為敏感器模型的輸出。姿態(tài)確定是姿態(tài)控制的前提，它的任務(wù)是利用星上的姿態(tài)敏感器測(cè)量所得的衛(wèi)星姿態(tài)信息，經(jīng)過(guò)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件處理求得衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)于空間參考坐標(biāo)系的姿態(tài)角或姿態(tài)四元數(shù)信息。

輸出模塊包括422模塊、1553B模塊、AD模塊、DIO模塊、PWM模塊和CAN模塊等，他們作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的輸入。姿態(tài)控制的任務(wù)是衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件利用姿態(tài)確定求得的姿態(tài)角或姿態(tài)四元數(shù)信息，使用控制算法計(jì)算求得相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制脈沖寬度、轉(zhuǎn)速、力矩等指令。

圖2 虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)

仿真數(shù)據(jù)在虛擬目標(biāo)機(jī)軟件內(nèi)部傳遞，輸入模塊以及輸出模塊完全模擬真實(shí)硬件單機(jī)接口，使用全局變量以及分布式總線(xiàn)可以與外部數(shù)據(jù)交互，將監(jiān)控探針直接設(shè)置在各軟件構(gòu)件上，當(dāng)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件在虛擬目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行時(shí)，直接由仿真系統(tǒng)負(fù)責(zé)記錄各類(lèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)，再由分析工具將運(yùn)行數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)軟件的目標(biāo)碼或源代碼整合，可以獲得需要的監(jiān)控信息，從而達(dá)到驗(yàn)證軟件功能的目的。

1.3 虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)建模工具控制算法模型仿真的集成

將控制算法模型仿真系統(tǒng)與虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)集成，形成一個(gè)全數(shù)字閉環(huán)仿真系統(tǒng)，在驗(yàn)證軟件功能的同時(shí)，也可有效幫助衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件任務(wù)提出方，即在動(dòng)態(tài)建模工具算法控制等模型與控制軟件之間建立數(shù)據(jù)閉環(huán)交互，便于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)人員驗(yàn)證系統(tǒng)控制算法的正確性，如圖3所示。

虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)建模工具控制算法模型之間的數(shù)據(jù)交互使用分布式總線(xiàn)的協(xié)議。

控制算法模型仿真系統(tǒng)通過(guò)代理，掛在分布式總線(xiàn)上，動(dòng)力學(xué)模型產(chǎn)生敏感器的輸出信號(hào)，通過(guò)分布式總線(xiàn)，輸入到虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)，虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)控制軟件，產(chǎn)生執(zhí)行器的輸出，再次通過(guò)分布式總線(xiàn)，輸入到控制算法模型仿真系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)中。往返計(jì)算，迭代循環(huán)，不斷驗(yàn)證控制軟件的功能和性能。

使用外部的協(xié)同仿真工具[5]統(tǒng)一控制二者之間的數(shù)據(jù)同步，控制仿真速率，確保虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)仿真周期與動(dòng)態(tài)建模工具控制算法模型仿真步長(zhǎng)的同步性，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的驗(yàn)證。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目說(shuō)明

“某型號(hào)衛(wèi)星姿軌控軟件”構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證系統(tǒng)是應(yīng)用了基于虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)的運(yùn)行監(jiān)控與可信驗(yàn)證技術(shù)的仿真平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)基于SPARC V7架構(gòu)CPU、基于ERC32的姿軌控計(jì)算機(jī)Ada語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試與測(cè)試，用于星載軟件進(jìn)行黑盒的從單元、構(gòu)件[6]到系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證、開(kāi)發(fā)、測(cè)試、維護(hù)，和全壽命周期的外部輸入輸出和軟件源代碼本身的全過(guò)程跟蹤、記錄等白盒，執(zhí)行效率更高、系統(tǒng)驗(yàn)證更全面、可信度更高[7]地開(kāi)展衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)的驗(yàn)證與確認(rèn)工作，能夠?qū)πl(wèi)星控制策略進(jìn)行快速仿真驗(yàn)證，對(duì)比使用純動(dòng)態(tài)建模工具建模搭建的仿真系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)狀態(tài)執(zhí)行控制更逼近真實(shí)環(huán)境。

2.2 基于虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證技術(shù)的搭建

虛擬目標(biāo)機(jī)[8]和其虛擬外圍環(huán)境，通過(guò)模擬嵌入式軟件運(yùn)行所需要的目標(biāo)機(jī)硬件及外部的信號(hào)并讓嵌入式軟件像在真實(shí)目標(biāo)機(jī)上一樣運(yùn)行(計(jì)算和處理)[9]，在協(xié)同仿真軟件的協(xié)同調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)基于Ada/C/C++/匯編等語(yǔ)言的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件與控制算法仿真模型在基于虛擬化技術(shù)的系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證平臺(tái)模式下實(shí)時(shí)、超實(shí)時(shí)閉環(huán)運(yùn)行監(jiān)控與可信驗(yàn)證。

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，包含三大部分。第一部分是在軌系統(tǒng)，包括衛(wèi)星和GPS接收機(jī)，它們將真實(shí)在軌數(shù)據(jù)反饋到地面；第二部分是地面用戶(hù)，包括專(zhuān)業(yè)用戶(hù)和基地用戶(hù)，他們接收在軌數(shù)據(jù)，放入資源庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)遙測(cè)和三維立體顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀；第三部分是實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證系統(tǒng)，包括虛擬星載計(jì)算機(jī)和動(dòng)力學(xué)及單機(jī)模型，他們根據(jù)地面仿真數(shù)據(jù)，作為遙控指令的判斷，并將指令發(fā)送給地面站，進(jìn)行在軌遙控，同時(shí)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，作為仿真數(shù)據(jù)的比對(duì)和性能驗(yàn)證。

在試驗(yàn)室驗(yàn)證系統(tǒng)中，我們采用動(dòng)態(tài)建模工具控制算法模型仿真系統(tǒng)與虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)集成，形成基于虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真系統(tǒng)，其中，使用分布式協(xié)同仿真中間件，從面向用戶(hù)的操作界面軟件生成的測(cè)試用例，通過(guò)遙控轉(zhuǎn)發(fā)控制指令給虛擬目標(biāo)機(jī)，再經(jīng)過(guò)中間件的時(shí)序調(diào)度和仿真控制，將虛擬目標(biāo)機(jī)產(chǎn)生的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給封裝姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和軌道動(dòng)力學(xué)模型的模型仿真模塊，同時(shí)將各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，包括虛擬目標(biāo)機(jī)產(chǎn)生的遙測(cè)數(shù)據(jù)，以及模型仿真模塊產(chǎn)生的過(guò)程采集數(shù)據(jù)，打包轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和遙測(cè)顯示軟件，一起構(gòu)建成衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)目標(biāo)衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件的運(yùn)行。

虛擬目標(biāo)機(jī)負(fù)責(zé)解析衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件程序內(nèi)核[10]，在系統(tǒng)級(jí)閉環(huán)仿真時(shí)可在虛擬目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行目標(biāo)軟件，在虛擬CPU中加載基于ERC32/Ada語(yǔ)言軟件實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件目標(biāo)碼，聯(lián)合運(yùn)行動(dòng)態(tài)建模工具搭建的控制算法模型，實(shí)施軟件非干涉監(jiān)控技術(shù)時(shí)，首先設(shè)計(jì)監(jiān)控任務(wù)定義機(jī)制，根據(jù)監(jiān)控需求生成監(jiān)控任務(wù)清單，比如設(shè)立影響算法運(yùn)行的關(guān)鍵的、兩個(gè)系統(tǒng)相應(yīng)的觀(guān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行同步動(dòng)態(tài)比對(duì)，同時(shí)在系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行并存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)所有軟件構(gòu)件運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、篩選和分析，獲得關(guān)鍵的可信證據(jù)。

2.3 驗(yàn)證分析

對(duì)基于虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，取動(dòng)態(tài)建模工具模型仿真步長(zhǎng)為1ms，為做到同步仿真，則虛擬目標(biāo)機(jī)的仿真步長(zhǎng)也設(shè)定為1 ms。在模型與衛(wèi)星控制軟件集成之后，為形成一個(gè)時(shí)序正確的閉環(huán)衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真工具，引入?yún)f(xié)同仿真工具來(lái)實(shí)現(xiàn)二者之間的周期同步。

在基于虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證技術(shù)中，還可以接入其他必要的外部終端軟件，對(duì)在衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)中應(yīng)用的故障模擬軟件、遙控注數(shù)軟件及遙測(cè)顯示終端，進(jìn)行無(wú)縫接入。

外部終端軟件可以對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和回放，為驗(yàn)證環(huán)境提供判讀依據(jù)。

故障模擬軟件可以進(jìn)行故障預(yù)案的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性。

遙控注數(shù)軟件可以對(duì)遙控指令進(jìn)行地面仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的功能。

經(jīng)過(guò)最終的測(cè)試比對(duì)，以Matlab/Simulink為例使用動(dòng)態(tài)建模工具仿真運(yùn)行的遙測(cè)閉環(huán)曲線(xiàn)與使用虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證系統(tǒng)仿真的遙測(cè)閉環(huán)曲線(xiàn)基本相同，選用相同的衛(wèi)星控制系統(tǒng)模式閉環(huán)控制工況，選用影響衛(wèi)星控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵觀(guān)測(cè)點(diǎn)姿態(tài)角和姿態(tài)角速度進(jìn)行比對(duì)觀(guān)測(cè)，如圖4～圖7所示，上圖為衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方使用動(dòng)態(tài)建模工具仿真獲得的姿態(tài)角曲線(xiàn)和姿態(tài)角速度曲線(xiàn)，下圖為用虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證系統(tǒng)仿真的姿態(tài)角曲線(xiàn)和姿態(tài)角速度曲線(xiàn)，仿真結(jié)果可信。

圖4 動(dòng)態(tài)建模工具姿態(tài)角仿真曲線(xiàn)圖

圖6 動(dòng)態(tài)建模工具姿態(tài)角速度仿真曲線(xiàn)圖

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了一套“某型號(hào)衛(wèi)星姿軌控軟件”構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證系統(tǒng)，利用基于虛擬化技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件構(gòu)件庫(kù)可信驗(yàn)證技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩套衛(wèi)星控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)同步比對(duì)閉環(huán)仿真，集成了控制算法模型與真實(shí)衛(wèi)星控制軟件，在確?；A(chǔ)功能、算法邏輯正確的前提下，通過(guò)軟件非干涉運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)獲得的可信證據(jù)，與純動(dòng)態(tài)建模工具搭建的仿真系統(tǒng)比對(duì)結(jié)果表明，該技術(shù)全面有效的驗(yàn)證了軟件構(gòu)件庫(kù)的功能和可信性，對(duì)于在真實(shí)目標(biāo)平臺(tái)上衛(wèi)星控制系統(tǒng)的模擬仿真，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性方面有著更大的優(yōu)勢(shì)，增加了衛(wèi)星控制軟件的可靠性和安全性。

圖7 虛擬目標(biāo)機(jī)分布式仿真系統(tǒng)姿態(tài)角速度曲線(xiàn)圖