石薇 王永 常亮 王明亮

(1 中國科學院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院, 上海 201203)(2 上海微小衛(wèi)星工程中心, 上海 201203)(3 上海飛機設計研究院, 上海 201210)

衛(wèi)星作為高成本的復雜航天產品，針對其研制過程中論證手段缺乏、聯調驗證方法落后、新型裝備任務演練缺少演練平臺等導致的方案反復、測試不充分、研制周期長等問題，將數字虛擬化技術引入衛(wèi)星全生命周期中，可實現對開發(fā)測試支撐，破除硬件限制，實現低成本、低風險，高保真，高效率的硬件模擬行為[1]。能夠支持衛(wèi)星軟件各分系統(tǒng)并行作業(yè)，在衛(wèi)星硬件未全部就緒的情況下，提供開展軟件開發(fā)、測試作業(yè)的條件保障；拓展仿真模擬應用，支持單星及系統(tǒng)間測控、運控等系統(tǒng)仿真測試，構建虛擬衛(wèi)星、系統(tǒng)模擬仿真體系，降低成本、風險；在此基礎上進行在軌維護服務，結合歷史數據與當前數據，使用數字化模型與交叉耦合算法，實現衛(wèi)星的故障預測、定位、診斷等，及時在地面上對在軌衛(wèi)星進行修復或任務調整等操作[2]。

文獻[3]以虛擬化仿真來模擬硬件，結合姿軌控動力學模型等給出的外部數據，進行星務軟件在軌維護驗證。文獻[4]基于可擴充處理器架構第八版(SPARC V8)的虛擬中央處理器(CPU)及其外部設備仿真，開展星載軟件測試驗證。文獻[5]基于虛擬測試框架軟件(VTEST)開發(fā)出一款虛擬數字信號處理器(DSP)及其外部設備，應用于軟件測試。文獻[6]提出了太陽同步軌道衛(wèi)星能源系統(tǒng)的結構框架，給出能量平衡計算方法和結果。文獻[7]設計簡便的散熱面面積及隔熱層厚度計算模型，具有優(yōu)化熱系統(tǒng)動態(tài)特性的效果。綜上，數字衛(wèi)星以CPU虛擬仿真為核心，通過硬件行為模擬，結合力學等專業(yè)數學模型仿真，構造低成本高效率的仿真衛(wèi)星。另外，大部分仿真在控制、電子、機械等單領域方面開展工作，而在多領域協(xié)同仿真方面，仍處于初步階段。

本文所述數字衛(wèi)星不需要借助其他工具，可跨系統(tǒng)運行，支持多種CPU虛擬處理器和多種外部設備，聯合不同物理場下的數學模型，擴展了數字衛(wèi)星仿真的覆蓋面，加強了仿真的真實性。

1 基于信息流的數字衛(wèi)星設計

區(qū)別于任務級仿真，基于信息流的數字衛(wèi)星構建方法以虛擬處理器為基礎，裝載未修改的星載軟件，結合耦合數學模型，搭建基于真實硬件、物理環(huán)境的數字衛(wèi)星，如圖1所示。

圖1 基于信息流的數字衛(wèi)星設計框架

該框架對衛(wèi)星平臺進行元器件級顆粒度的分解，針對芯片、電路建立最基本仿真單元，并在此基礎上進行虛擬化構建，以達到對整星信息流級別的精細仿真。

為了模擬衛(wèi)星復雜多源數據生成，該構建方法還集成了多個可配置的衛(wèi)星數學模型，包括空間姿態(tài)動力學、軌道動力學、能源平衡等空間環(huán)境模型等。數學模型與底層硬件虛擬化相結合，可實現對高層次模塊的模擬。

2 信息流仿真技術

信息流仿真系統(tǒng)包括芯片級仿真單元、電路級仿真單元和類計算機仿真單元；芯片級仿真單元直接運行目標代碼進行指令解析，或存在寄存器界面和狀態(tài)輪轉；電路級仿真單元去除寄存器界面，以電信號為主要輸入輸出；類計算機仿真單元進行行為級仿真以替代運行目標代碼。信息流仿真系統(tǒng)、時鐘同步裝置及實時網絡通信裝置構成平臺級仿真單元，平臺級仿真單元的信息流與真實衛(wèi)星的信息流保持一致，如表1所示。

表1 信息流仿真適用對照表

為實現高效率的指令級精確CPU仿真，建立一種分層的統(tǒng)一時間管理系統(tǒng)，獨立于指令集模擬，可設置任意精度，支持多處理器系統(tǒng)，同時能夠為外圍設備提供時鐘。該時鐘系統(tǒng)便于管理，運行速度快，能夠滿足系統(tǒng)仿真平臺對時間系統(tǒng)的實時性要求。

對處理器進行源碼級仿真，目標代碼不經修改直接加載，仿真處理器執(zhí)行目標碼的時間屬性，如指令執(zhí)行時間、延時時間等，盡量精確與實際保持一致。對于抽象出的時間等屬性，提供可配置的方式，進行相應調節(jié)。

總線、邏輯部件等硬件具有相似的運行特征，這類硬件一端為寄存器操作界面，另一端為信息交互界面；外部信息與處理器間通過輸入輸出設備(I/O)讀寫操作進行數據處理，采用行為級仿真對總線、邏輯部件進行仿真。

著重從時序及實時地址映射處理邏輯部件模型：對串口、總線等硬件考慮時間特性模擬，并對傳輸速率及傳輸方式進行模擬；采用實時I/O空間映射算法，減少I/O地址讀寫占據的大量內存映射空間，縮短查詢時間。

對不具備操作界面的邏輯控制模塊等采用行為仿真模擬，使用標準化信息流仿真技術設計思想，來設計外設接口，建立相應模型庫。

根據需要對衛(wèi)星的單機建立類計算機仿真或行為級仿真模型。類計算機仿真如前所述，行為級仿真步驟如下：①對于單機對外接口的數據包，根據數據協(xié)議來定義單機輸入輸出等相關的數據結構。②定義單機數據成員屬性，例如單機對外各種遙測量、加電開關機標志。利用已經從外部數據源導入到本地的數據量對單機成員屬性的刷新設置等。③定義單機接口，根據單機數據格式約定，對上行遙控信道發(fā)送來的指令進行解析，對于指令中的遙測包請求、特殊包請求指令等所有指令進行相應包的組幀或者相應的單機動作。④定義單機通道接口，根據單機對外接口類型及數量，建立相應的單機對外通信信道。

各模塊使用高精度時鐘同步裝置進行時統(tǒng)，標準交互接口進行通信互聯，使信息流仿真與真實衛(wèi)星系統(tǒng)完全一致。仿真間的時序通過時間同步保證，區(qū)分高頻事件與低頻事件，使用統(tǒng)一時間管理系統(tǒng)以不同方式管理，保證整體仿真協(xié)調一致。分層分發(fā)時間基準，通過異構的方式，逐層采用不同策略同步，通過關鍵節(jié)點匯合，降低不同模塊相互干擾，解耦仿真部件仿真速度差異性。

3 耦合數字模型

提出一種將多種物理場融合交叉實現的設計，通過對真實環(huán)境進行建模構建。單機仿真模型中具有物理學意義的數據由耦合數字模型提供，單機協(xié)議屬性的數據由信息流仿真模擬。以陀螺為例，陀螺角速度、溫度、功耗等數據通過耦合數字模型仿真計算，陀螺加電狀態(tài)等通過信息流仿真提供。

通過加載DLL耦合數字模型的方式，實現耦合數字模型與信息流仿真的交互，見圖2。

圖2 信息流仿真與耦合數字模型交互實現

仿真耦合數字模型由子系統(tǒng)模型與子系統(tǒng)模型間交叉狀態(tài)組成，如圖3所示。根據衛(wèi)星力、電、熱等連續(xù)仿真模型和事件驅動等離散仿真模型來區(qū)分，將子系統(tǒng)模型分為連續(xù)系統(tǒng)模型和離散系統(tǒng)模型兩類，對系統(tǒng)的連續(xù)、離散屬性采用狀態(tài)方程或離散事件系統(tǒng)規(guī)范進行描述。

圖3 耦合數字模型實現

對衛(wèi)星進行數字化建模時，考慮每個離散事件的特性，便于不同特性模型通過對應算法進行集成。對衛(wèi)星動力學模型細分為剛體、多體、柔性等動力學庫，根據不同需求選擇相應模型；衛(wèi)星能源仿真根據姿軌控動力學模型輸出的姿態(tài)變化，基于信息流仿真得到的不同負載的運行等對電源系統(tǒng)的影響，構建了動態(tài)電源系統(tǒng)能量平衡的仿真系統(tǒng)，對衛(wèi)星的具體能量狀態(tài)進行計算并建模；熱分析模型通過動力學模型輸出結果，以及能源計算輸出的功耗，計算衛(wèi)星外表面的空間外熱流，使用線性化方法求解整星的連續(xù)溫度場分布。

3.1 動力學模型

動力學模型通過計算機程序模擬衛(wèi)星在空間受控或不受控情況下真實的軌道和姿態(tài)運動及與衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)有關的空間力學、光學、磁學環(huán)境，計算與姿軌控系統(tǒng)有關的物理量、量測量及控制量[8]。動力學模型在不同約束條件下等呈現不同的特征，本文針對不同衛(wèi)星結構、軌道高度、衛(wèi)星單機下建立模型庫，擺脫商業(yè)分析軟件(STK、Matlab等)的束縛，根據需求生成相應的C程序動力學模型，見圖4。

圖4 C程序動力學模型庫

3.2 實時能源模型

能量平衡分析是衛(wèi)星長期安全可靠運行的必要條件和重要保障，精確計算衛(wèi)星實時能源狀態(tài)變化一直是當下能源系統(tǒng)設計的難題[9-10]。

實時能源模型根據動力學模型輸出的光照條件和帆板數據計算帆板輸出電流，結合動力學模型輸出的位置和姿態(tài)，通過信息流仿真得到單機開關狀態(tài)，將單機功耗代入計算，得到衛(wèi)星實時功耗和放電深度，較精確得到衛(wèi)星實時能源情況，驗證衛(wèi)星所設計的能源系統(tǒng)平衡效果，為能源系統(tǒng)設計的適當調整提供了參考依據。見圖5。

圖5 能源平衡模型庫

通過線性插值建立實時電池容量與蓄電池電壓之間的轉換，便于蓄電池充放電控制，同時給出熱分析模型中計算所需的實時功耗。

3.3 熱分析模型

熱分析一般采用熱網絡法計算衛(wèi)星外熱流與瞬態(tài)溫度場[8]，實時熱控環(huán)節(jié)的溫度變化難以掌握。本文所述的熱分析模型采用簡潔、準確的計算方式，通過動力學模型給出的軌道參數和姿態(tài)信息，計算地球陰影、光照狀態(tài)，得出地球、太陽和衛(wèi)星之間的位置關系，計算衛(wèi)星外表面的空間外熱流；根據能源模型計算得到的衛(wèi)星實時功耗以及三種實時外熱流計算結果，對衛(wèi)星艙內、散熱面、核心單機的溫度進行處理，使用線性化方法開發(fā)符合衛(wèi)星傳熱建模需求的求解器；然后將各個模塊整合，形成完整的動態(tài)連續(xù)熱分析模型。

外熱流建模計算并輸出每一時刻(τ)下衛(wèi)星每個外表面面元的3種外熱流的大小。對于不規(guī)則衛(wèi)星外表面，可通過外表面投影計算[7]。對衛(wèi)星建立有內熱源的三維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程求解動態(tài)連續(xù)溫度，見圖6。

圖6 熱分析模型庫

計算得到的溫度結果影響動力學模型中單機模型輸出，更精細化地仿真當前衛(wèi)星狀態(tài)。

4 仿真應用實例

提出的面向信息流的耦合數字衛(wèi)星構建方法所建立的虛擬衛(wèi)星已成功應用于多個型號中。在衛(wèi)星技術設計驗證時，提供虛擬運行環(huán)境，驗證技術可行性；在開發(fā)調試過程中，無需硬件支持，提供衛(wèi)星軟件并行研發(fā)手段以及迭代進化環(huán)境；在測試驗證階段，支持單星及星座系統(tǒng)間、測控、運控、演練等大型試驗，降低成本和風險；在軌維護階段，快速提供故障反演平臺，及時對在軌衛(wèi)星進行修復或任務調整等操作。

通過測試機在數字衛(wèi)星與硬件實物上的運行結果，星務、測控、姿軌控、能源、熱控等功能均正確仿真，表2為某數字衛(wèi)星與在軌衛(wèi)星比較結果，真星與數字衛(wèi)星結果保持一致，數字衛(wèi)星運行正確。

表2 數字衛(wèi)星與在軌衛(wèi)星運行結果對比

5 結束語

本文提出面向信息流的數字衛(wèi)星構建方法，以衛(wèi)星內部的信息流為研究對象，將復雜的衛(wèi)星模型分解為單機、芯片等較小模型；綜合動力學、能源、熱分析等算法，建立了衛(wèi)星耦合交叉模型，改變了以往依賴單個系統(tǒng)仿真進行論證規(guī)劃的設計局面，實現了多種論證方案任務滿足度的快速評估。最后，將所提出的方法在仿真平臺中實現，初步說明所提出的方法適用于衛(wèi)星研制全周期，提升衛(wèi)星系統(tǒng)設計效率。