邢 濤，周 暉，魏傳鋒

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094； 2.中國航天科技集團公司，北京 100048）

0 引言

航天器系統(tǒng)仿真作為航天器總體設(shè)計分析的重要手段，在航天器總體設(shè)計、航天器工程研制和在軌運行階段都發(fā)揮了巨大作用[1]。

最近十幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，航天器仿真技術(shù)被認為是迄今為止最有效、經(jīng)濟的綜合集成方法，是推動航天科技進步的戰(zhàn)略技術(shù)之一[2-3]。在以衛(wèi)星為代表的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，仿真平臺分成以HLA 為典型代表的分布式和以SMP2 為典型代表的集中式2 大類。前者通用性、可擴展性強，能夠較好地兼容異構(gòu)模型，但仿 真實時性較差[4-7]；后者技術(shù)難度大，但仿真實時性好，效率高，適用于半物理仿真[8-10]。

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺依托合理配置的高性能工作站、穩(wěn)定的服務(wù)器以及具有強大計算能力的并行計算機，在一個分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上配置以通用性與擴展性強的仿真支撐環(huán)境，將航天器各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行集成仿真，能夠兼顧分布式仿真與實時仿真的優(yōu)點，實現(xiàn)航天器大系統(tǒng)自動閉環(huán)迭代，從而對系統(tǒng)設(shè)計方案進行驗證，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)方案，有效提高航天器總體仿真水平，是航天器系統(tǒng)仿真領(lǐng)域未來的發(fā)展方向[8]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺采用以太網(wǎng)、實時網(wǎng)2 類綜合的分布式異構(gòu)型體系結(jié)構(gòu)，其中以太網(wǎng)在Windows 操作系統(tǒng)運行，主要完成數(shù)學(xué)仿真、仿真回放等對實時性要求不高的仿真任務(wù)；實時網(wǎng)在RedHawk 實時Linux 操作系統(tǒng)運行，主要利用高性能并行計算機實現(xiàn)對實時性要求非常高的仿真任務(wù)。

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺采用模塊化方法進行設(shè)計，依據(jù)航天器系統(tǒng)仿真的需求，將系統(tǒng)劃分為仿真模型集成軟件、各分系統(tǒng)仿真模型、仿真數(shù)據(jù)庫、遙控指令子系統(tǒng)、故障仿真子系統(tǒng)、航天器地面綜合測試子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)等多個功能模塊（如圖1所示）。其中，仿真模型集成軟件是平臺進行航天器系統(tǒng)仿真的控制基礎(chǔ)與功能核心，在仿真過程中提供仿真模型管理、仿真試驗配置、仿真試驗同步、仿真試驗進程管理、仿真節(jié)點管理和仿真數(shù)據(jù)管理與評估等功能，還提供仿真人機交互手段和其他功能模塊的接口，以實現(xiàn)大系統(tǒng)閉環(huán)，完成仿真任務(wù)；遙控指令子系統(tǒng)負責(zé)航天器遙控指令的生成與輸出；故障仿真子系統(tǒng)負責(zé)航天器故障生成與輸出；可視化子系統(tǒng)負責(zé)仿真結(jié)果的二維和三維可視化。

圖1 航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.1 System organization of the distributed system simulation platform for spacecraft

2 硬件組成

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺（硬件組成如圖2所示）采用分布式仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，總體上分為3 個功能區(qū)域。

圖2 航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺硬件組成 Fig.2 Hardware of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真試驗管理調(diào)度區(qū)部署一臺采用Windows XP 操作系統(tǒng)的高性能計算機安裝仿真模型集成軟件，作為航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺的中央調(diào)度器；再部署一臺安裝有Windows Server 操作系統(tǒng)的高性能工作站作為航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)器。仿真試驗管理調(diào)度區(qū)各服務(wù)器通過以太網(wǎng)接入平臺。

仿真子系統(tǒng)部署區(qū)部署若干臺采用Windows XP 操作系統(tǒng)的高性能計算機安裝航天器各分系統(tǒng)模型軟件和可視化系統(tǒng)軟件；再部署若干臺模擬器作為半物理仿真信號發(fā)生器。各服務(wù)器和模擬器通過以太網(wǎng)和專用通信網(wǎng)接入平臺。

仿真試驗計算區(qū)部署若干臺安裝Windows 操作系統(tǒng)的高性能服務(wù)器作為非實時仿真的計算服務(wù)器；再部署若干臺安裝有RedHawk 實時Linux操作系統(tǒng)的iHawk 實時計算機作為實時仿真的計算服務(wù)器，每臺iHawk 計算機都配置有一塊反射內(nèi)存卡和一塊RCIM 時鐘卡，反射內(nèi)存卡用來進行每秒百兆Byte 級別的高速數(shù)據(jù)傳輸，RCIM 時鐘卡之間通過專用的菊花線纜連接，用來進行微秒級的時鐘同步與校準(zhǔn)。非實時計算服務(wù)器通過以太網(wǎng)接入平臺，實時計算機通過實時網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺具有良好的開放性與可擴展性。平臺的軟件系統(tǒng)主要由仿真模型集成軟件、仿真數(shù)據(jù)庫、各分系統(tǒng)專用仿真軟件、 商用軟件、可視化系統(tǒng)軟件等組成。

仿真模型集成軟件是平臺的核心，也是平臺良好的通用性和可擴展性的保證。它承擔(dān)著仿真模型管理、圖形化試驗設(shè)計、仿真調(diào)度與進程控制、仿真數(shù)據(jù)后處理等任務(wù)。仿真模型集成軟件分主控端 軟件、節(jié)點端軟件2 個配置項。主控端軟件安裝在仿真試驗管理調(diào)度區(qū)的計算機上，采用C#語言利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)庫讀取訪問、仿真模型信息顯示、仿真試驗設(shè)計配置、仿真試驗運行管理、仿真數(shù)據(jù)處理與評估、網(wǎng)絡(luò)通信、可視化數(shù)據(jù)配置、仿真模式控制等8 大項功能。節(jié)點端軟件安裝在仿真子系統(tǒng)部署區(qū)的分系統(tǒng)計算機和信號模擬器信號采集計算機上，采用C#語言利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)，實現(xiàn)模型信息獲取與配置、試驗運行控制、試驗狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信等功能。根據(jù)航天器系統(tǒng)仿真的實際需求，節(jié)點端內(nèi)置的分系統(tǒng)軟件接口模塊可以實現(xiàn)與C++源代碼、C++、C#動態(tài)庫、MATLAB 程序（.m,.mdl 格式文件）、可執(zhí)行文件（.exe 格式的專用或商用軟件）等多種形式的分系統(tǒng)仿真模型之間的數(shù)據(jù)與指令接口，保證了平臺的通用性與可擴展性。

航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺工作流程如圖3所示。

圖3 航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺工作流程 Fig.3 Operation flow chart of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真數(shù)據(jù)庫分為3 個子庫：1）仿真模型數(shù)據(jù)庫，用來存儲試驗所需的仿真模型并提供相應(yīng)讀寫接口；2）仿真試驗數(shù)據(jù)庫，用來存儲試驗配置文件并提供相應(yīng)的讀寫接口；3）仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫，用來存儲仿真過程中的單步仿真數(shù)據(jù)和最終的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，并提供相應(yīng)的讀寫接口。

仿真模型軟件可以是使用C++、C#、MATLAB等語言開發(fā)的航天器分系統(tǒng)專業(yè)軟件，也可以是通用型的商業(yè)軟件，只要是符合航天器分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺的接口規(guī)則，都可以接入平臺進行系統(tǒng)仿真計算。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

以某型號衛(wèi)星方案設(shè)計全面仿真驗證為仿真應(yīng)用背景，對其進行在軌姿軌控專項方案仿真。仿真試驗中使用了軌道模型、姿態(tài)控制模型、推進分系統(tǒng)模型、飛行程序、空間鏈路模型、電源分系統(tǒng)模型、數(shù)傳分系統(tǒng)模型、空間環(huán)境模型、姿態(tài)動力學(xué)模型，以及起輔助作用的全零輸出、整型多常數(shù)輸出等模型。其中，軌道分系統(tǒng)模型、控制分系統(tǒng)模型、推進分系統(tǒng)模型、空間鏈路模型、電源分系統(tǒng)模型、數(shù)傳分系統(tǒng)模型是以.exe 形式接入系統(tǒng)；其他模型是以動態(tài)鏈接庫形式接入系統(tǒng)。各模型數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系如圖4所示。

圖4 仿真模型數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系 Fig.4 Output input relation of the simulation model

通過仿真模型錄入、仿真試驗設(shè)計、仿真調(diào)度、試驗數(shù)據(jù)評估4 個步驟完成了該次仿真試驗。方案設(shè)計中關(guān)鍵參數(shù)的仿真結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 衛(wèi)星姿態(tài)控制曲線 Fig.5 Curves of the satellite attitude control

圖6 太陽電池陣輸出功率 Fig.6 Output Power of the solar array

圖7 太陽電池陣啟控時星體俯仰角速度變化曲線 Fig.7 Pitch rate changes under solar array control

與傳統(tǒng)仿真試驗相比，本系統(tǒng)兼顧數(shù)學(xué)仿真的多學(xué)科耦合特性與半物理仿真的實時性能，且操作簡便，仿真效率高，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，能夠滿足型號總體設(shè)計方案不同階段的系統(tǒng)仿真驗證需求。

5 結(jié)束語

本分布式系統(tǒng)仿真驗證平臺主要用于航天器的系統(tǒng)仿真工作，以期解決航天器系統(tǒng)仿真中集成平臺的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)集成、設(shè)計過程集成、應(yīng)用集成等關(guān)鍵技術(shù)問題。本仿真系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通用性強，操作簡單，用戶界面友好，較好地滿足了用戶的需求，已應(yīng)用于相關(guān)部門的科研工作中，具有較大的應(yīng)用價值。同時，在系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)過程中遇到并解決的部分理論問題和實際問題，有助于推進基于不同系統(tǒng)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分布式集成仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。

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