肖 媛，張志強(qiáng)，呂 昌，溫衛(wèi)斌

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049;3.中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界航天活動(dòng)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的新態(tài)勢(shì)。按照國(guó)家制定的發(fā)展計(jì)劃，作為我國(guó)航天事業(yè)重要組成部分的探月工程將分為“繞”、“落”、“回”三期工程組織實(shí)施對(duì)月球的無(wú)人探測(cè)活動(dòng)。其中，一期工程的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)繞月探測(cè);二期工程的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月球軟著陸探測(cè)和自動(dòng)巡視探測(cè);三期工程的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣返回［1］。

隨著嫦娥一號(hào)任務(wù)的圓滿完成，探月工程實(shí)現(xiàn)了一期目標(biāo)并全面進(jìn)入了二期實(shí)施階段。嫦娥二號(hào)(Chang’E-2，CE-2)探測(cè)器就是探月工程二期的先導(dǎo)星，其主要目標(biāo)是對(duì)二期工程的月面軟著陸區(qū)進(jìn)行詳查，并獲取月面高清晰影像。

與CE-1相比，CE-2有效載荷的工作模式、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)處理方法和下傳碼速率等均有很大變化。特別是探測(cè)數(shù)據(jù)下行碼速率提高了很多，要求至少具備15 Mbps以上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，此外成像相機(jī)的分辨率比CE-1提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，CE-2任務(wù)對(duì)地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力提出了非常高的要求。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收與傳輸?shù)能浻布脑欤蔀榈孛鎽?yīng)用系統(tǒng)適應(yīng)性改造能否成功的關(guān)鍵［2］。

本文對(duì)嫦娥二號(hào)任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)模擬其他分系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程，運(yùn)行數(shù)據(jù)接收實(shí)時(shí)處理、顯示的實(shí)時(shí)作業(yè)流程，對(duì)地面應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲(chǔ)和顯示的能力進(jìn)行仿真測(cè)試，找出軟硬件性能瓶頸，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。并在完成適應(yīng)性改造后，通過(guò)仿真試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)能否滿足CE-2的任務(wù)要求，確保地面應(yīng)用系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)的正確性、完備性和可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹

仿真是一種利用計(jì)算機(jī)并通過(guò)建立模型進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。它具有經(jīng)濟(jì)、可靠、實(shí)用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，已成為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和評(píng)估的有效辦法。仿真與系統(tǒng)和模型有著密切的關(guān)系。系統(tǒng)是研究的對(duì)象，模型是系統(tǒng)的抽象，仿真通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的［3］。

地面應(yīng)用系統(tǒng)(GSDSA)負(fù)責(zé)衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)的接收、處理和科學(xué)應(yīng)用研究，并最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，是一個(gè)要為月球科學(xué)探測(cè)提供各種支持與服務(wù)的實(shí)時(shí)、多功能、業(yè)務(wù)化運(yùn)行的系統(tǒng)。GSDSA的主要任務(wù)包括:完成對(duì)衛(wèi)星有效載荷的在軌運(yùn)行控制與探測(cè)任務(wù)管理、科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的接收與處理、科學(xué)探測(cè)產(chǎn)品的生成與共享管理、探測(cè)產(chǎn)品的應(yīng)用研究等。該系統(tǒng)由運(yùn)行管理(OMS)、數(shù)據(jù)接收(DAS)、數(shù)據(jù)預(yù)處理(DPS)、數(shù)據(jù)管理(DMS)、科學(xué)應(yīng)用與研究(SAS)5個(gè)分系統(tǒng)組成。

其中，運(yùn)行管理分系統(tǒng)是GSDSA業(yè)務(wù)流程自動(dòng)化的運(yùn)行管理中心。OMS負(fù)責(zé)制定衛(wèi)星有效載荷的探測(cè)計(jì)劃與GSDSA的業(yè)務(wù)運(yùn)行計(jì)劃，協(xié)調(diào)測(cè)控和衛(wèi)星系統(tǒng)完成對(duì)有效載荷的在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行管理，調(diào)度GSDSA的業(yè)務(wù)運(yùn)行，提供集中統(tǒng)一的人機(jī)監(jiān)控界面，參加各級(jí)各類聯(lián)調(diào)、測(cè)試與演練，使得各個(gè)分系統(tǒng)能協(xié)調(diào)一致地在一起工作，穩(wěn)定可靠地完成規(guī)定的任務(wù)。

運(yùn)行管理應(yīng)用軟件(OMSA)的主要任務(wù)包括下述5類:計(jì)劃生成及衛(wèi)星有效載荷管理;衛(wèi)星有效載荷運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視;GSDSA的業(yè)務(wù)運(yùn)行調(diào)度;聯(lián)調(diào)與在軌測(cè)試;提供仿真測(cè)試環(huán)境。圖1是OMSA實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖。

圖1 OMSA實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖Fig.1 Connections of an OMSA real-time operating system

本文的研究對(duì)象是地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)作業(yè)仿真，主要包括以下幾方面:(1)地面站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步、解調(diào)、譯碼和成幀數(shù)據(jù)發(fā)送;(2)總部運(yùn)行管理實(shí)時(shí)成幀數(shù)據(jù)接收、處理及顯示;(3)總部預(yù)處理系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理;(4)總部數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)歸檔。

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)是一個(gè)與OMSA真實(shí)的業(yè)務(wù)運(yùn)行環(huán)境在功能上相似、性能上相近的計(jì)算機(jī)實(shí)物、半實(shí)物測(cè)試環(huán)境仿真系統(tǒng)。投入使用后，將完成以下任務(wù):(1)為地面應(yīng)用系統(tǒng)人員與軟硬件設(shè)備的聯(lián)調(diào)演練;(2)為地面應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行管理、預(yù)處理和產(chǎn)品生成與存檔軟件的仿真測(cè)試、驗(yàn)證與確認(rèn);(3)為地面應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行中的故障分析、定位和預(yù)案制定等提供一個(gè)近似真實(shí)的系統(tǒng)環(huán)境［4］。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

分析地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真的需求，主要關(guān)鍵技術(shù)和需要解決的問(wèn)題有以下幾點(diǎn):

首先，通過(guò)圖1地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖可以看出，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)接口關(guān)系非常復(fù)雜，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真首先需要解決的問(wèn)題是將現(xiàn)有各分系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流接口在各仿真模塊中實(shí)現(xiàn);

其次，由于地面應(yīng)用系統(tǒng)各系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)量很大，對(duì)所有接口數(shù)據(jù)完全仿真是不現(xiàn)實(shí)也是不必要的。仿真系統(tǒng)將對(duì)關(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流控制及調(diào)度消息接口進(jìn)行仿真，即對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送以及數(shù)據(jù)處理觸發(fā)數(shù)據(jù)等進(jìn)行仿真;

第三，針對(duì)CE-2有效載荷大數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)膶?shí)時(shí)處理技術(shù)，需要解決最高15 Mbps速率情況下數(shù)據(jù)傳輸仿真。研究采用現(xiàn)有通信鏈路進(jìn)行高速、無(wú)誤碼發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方法;

第四，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理仿真方法及處理結(jié)果的正確性驗(yàn)證方法技術(shù)。一是要保證處理數(shù)據(jù)過(guò)程中有效數(shù)據(jù)不會(huì)丟失;二是要解決高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理能力，并以此對(duì)真實(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)硬件改造提供依據(jù);

最后，需要解決實(shí)時(shí)高速處理的結(jié)果如何在計(jì)算機(jī)終端正確、可靠地實(shí)時(shí)顯示問(wèn)題。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)是在CE-1任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)功能基礎(chǔ)上，結(jié)合CE-2任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)新的改造需求進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)的，主要采用軟件工程的方法進(jìn)行研究，圖2給出了仿真系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)流程方案。

圖2 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flowchart of the design of the simulated real-time operating system

具體技術(shù)路線如下:

(1)分析CE-2任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求，分析實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)各模塊功能，對(duì)建立實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)事件、活動(dòng)、過(guò)程等邏輯關(guān)系的建模要素進(jìn)行分析;

(2)分析地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)接口，建立仿真模型、仿真模型接口和仿真數(shù)據(jù)處理方法;

(3)仿真系統(tǒng)模塊研制和仿真系統(tǒng)功能測(cè)試及確認(rèn);

(4)仿真系統(tǒng)運(yùn)行和仿真結(jié)果分析。

3.2 仿真系統(tǒng)建模

由實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)的主要任務(wù)和功能可知，在實(shí)際運(yùn)用中，其地位相當(dāng)于所有要與OMSA進(jìn)行各種互操作的系統(tǒng)、分系統(tǒng)成分的仿真替代物，負(fù)責(zé)仿真和模擬它們與OMSA實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)軟件的互操作與數(shù)據(jù)交換［5－6］。

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)信息仿真軟件的仿真對(duì)象與內(nèi)容為:

(1)衛(wèi)星有效載荷及其實(shí)時(shí)下行數(shù)據(jù);

(2)測(cè)控中心及其與OMSA間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換;

(3)部署在總部外的DASA及其與OMSA間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換;

(4)部署在總部?jī)?nèi)的DPSA、DMSA及其與OMSA間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

仿真系統(tǒng)在功能上主要可分為以下幾個(gè)模塊:DASA信息仿真模塊、DPSA信息仿真模塊、DMSA信息仿真模塊和BACC信息仿真模塊。此時(shí)，仿真系統(tǒng)關(guān)聯(lián)如圖3。圖3與圖1相似，以虛線標(biāo)示出了需要仿真或模擬的OMSA外部接口和在這些接口上傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

圖3 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖Fig.3 Connections of the simulated OMSA real-time operating system

4 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 仿真軟件設(shè)計(jì)

仿真軟件的設(shè)計(jì)主要考慮仿真軟件的外部接口功能。在設(shè)計(jì)與編寫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸外部接口的仿真軟件時(shí)，將根據(jù)實(shí)際要求把仿真軟件與運(yùn)行管理軟件建立網(wǎng)絡(luò)邏輯鏈接，模擬產(chǎn)生和傳輸運(yùn)行管理軟件的輸入數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)OMS對(duì)正確或錯(cuò)誤輸入數(shù)據(jù)的反應(yīng);同時(shí)仿真軟件可接收和處理運(yùn)行管理軟件的輸出數(shù)據(jù)，判斷其正確性，并可根據(jù)運(yùn)行管理軟件的輸出數(shù)據(jù)內(nèi)容和具體要求改變相關(guān)輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)容。外部接口仿真功能仿真的接口包括OMS與各分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口［7］。接口仿真功能是一個(gè)完整獨(dú)立的系統(tǒng)，其中包括3個(gè)子功能:仿真運(yùn)行管理子功能、數(shù)據(jù)通信子功能和數(shù)據(jù)處理與仿真子功能。具體功能敘述如下:

仿真運(yùn)行管理子功能:作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，仿真運(yùn)行管理子功能實(shí)現(xiàn)外部接口仿真功能的啟動(dòng)、管理和關(guān)閉任務(wù)。外部接口仿真功能的運(yùn)行平臺(tái)獨(dú)立于運(yùn)行管理軟件的運(yùn)行平臺(tái)，但不需要限制平臺(tái)的種類。仿真運(yùn)行管理子功能將提供一個(gè)操作界面顯示外部接口仿真功能的運(yùn)行情況，且可通過(guò)操作界面選擇啟動(dòng)的接口程序，或全部啟動(dòng)，或只啟動(dòng)部分接口程序。

數(shù)據(jù)通信子功能:由于是外部接口的仿真，必然涉及數(shù)據(jù)通信問(wèn)題。數(shù)據(jù)通信子功能完全依照運(yùn)行管理軟件外部接口的定義要求，模擬各分系統(tǒng)與運(yùn)行管理軟件建立各自的邏輯鏈路，并接收或傳輸規(guī)定的通信數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理與仿真子功能:數(shù)據(jù)處理與仿真子功能要實(shí)現(xiàn)3方面的任務(wù)。首先是外部數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，最主要的是衛(wèi)星數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，如遙測(cè)數(shù)據(jù)和探測(cè)數(shù)據(jù)等;二是采集各類數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通信子功能發(fā)送給運(yùn)行管理軟件;三是接收、處理運(yùn)行管理軟件發(fā)出的數(shù)據(jù)，判斷運(yùn)行管理軟件數(shù)據(jù)的正確性，并將判斷結(jié)果顯示在屏幕上。要求數(shù)據(jù)仿真子功能自動(dòng)響應(yīng)運(yùn)行管理軟件的命令而發(fā)出不同的信息。圖4為仿真軟件的流程圖。

圖4 仿真軟件流程圖Fig.4 The flowchart of the simulation software

4.2 仿真實(shí)例

在仿真系統(tǒng)軟件環(huán)境下，利用CE-1獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)CE-2任務(wù)實(shí)時(shí)處理能力進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。通過(guò)該試驗(yàn)測(cè)試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊所能承受的碼速率極限。

試驗(yàn)選用了兩個(gè)具有代表性的CE-1數(shù)據(jù)文件，命名為文件1、文件2。設(shè)置幾個(gè)不同的傳輸速率值，模擬由兩個(gè)地面站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到OMS的實(shí)時(shí)處理情況。通過(guò)試驗(yàn)得到了目前OMS系統(tǒng)配置下的實(shí)時(shí)處理極限能力。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 成幀數(shù)據(jù)處理的結(jié)果Table 1 The results of framing-data processing

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)碼速率達(dá)到15 Mbps以后，系統(tǒng)資源消耗到達(dá)了處理極限，同時(shí)實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了丟失，說(shuō)明目前的硬件環(huán)境還無(wú)法適應(yīng)CE-2地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力的要求。

5 結(jié)論

嫦娥二號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理是地面應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。通過(guò)建立實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并對(duì)可能出現(xiàn)系統(tǒng)性能瓶頸的地方進(jìn)行仿真試驗(yàn)和分析，獲得了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的能力指標(biāo)，為嫦娥二號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用軟件和硬件改造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仿真的研究，為進(jìn)一步開(kāi)展衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理仿真研究提供了經(jīng)驗(yàn)。

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