航天器分布式系统仿真验证平台设计与实现

邢 涛，周 晖，魏传锋

（1.中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094； 2.中国航天科技集团公司，北京 100048）

0 引言

航天器系统仿真作为航天器总体设计分析的重要手段，在航天器总体设计、航天器工程研制和在轨运行阶段都发挥了巨大作用[1]。

最近十几年，随着网络技术和计算机技术的发展，航天器仿真技术被认为是迄今为止最有效、经济的综合集成方法，是推动航天科技进步的战略技术之一[2-3]。在以卫星为代表的复杂产品系统仿真领域，仿真平台分成以HLA 为典型代表的分布式和以SMP2 为典型代表的集中式2 大类。前者通用性、可扩展性强，能够较好地兼容异构模型，但仿 真实时性较差[4-7]；后者技术难度大，但仿真实时性好，效率高，适用于半物理仿真[8-10]。

航天器分布式系统仿真验证平台依托合理配置的高性能工作站、稳定的服务器以及具有强大计算能力的并行计算机，在一个分布式的网络结构上配置以通用性与扩展性强的仿真支撑环境，将航天器各分系统数学模型进行集成仿真，能够兼顾分布式仿真与实时仿真的优点，实现航天器大系统自动闭环迭代，从而对系统设计方案进行验证，获得系统整体最优方案，有效提高航天器总体仿真水平，是航天器系统仿真领域未来的发展方向[8]。

1 系统结构设计

航天器分布式系统仿真验证平台采用以太网、实时网2 类综合的分布式异构型体系结构，其中以太网在Windows 操作系统运行，主要完成数学仿真、仿真回放等对实时性要求不高的仿真任务；实时网在RedHawk 实时Linux 操作系统运行，主要利用高性能并行计算机实现对实时性要求非常高的仿真任务。

航天器分布式系统仿真验证平台采用模块化方法进行设计，依据航天器系统仿真的需求，将系统划分为仿真模型集成软件、各分系统仿真模型、仿真数据库、遥控指令子系统、故障仿真子系统、航天器地面综合测试子系统、可视化子系统等多个功能模块（如图1所示）。其中，仿真模型集成软件是平台进行航天器系统仿真的控制基础与功能核心，在仿真过程中提供仿真模型管理、仿真试验配置、仿真试验同步、仿真试验进程管理、仿真节点管理和仿真数据管理与评估等功能，还提供仿真人机交互手段和其他功能模块的接口，以实现大系统闭环，完成仿真任务；遥控指令子系统负责航天器遥控指令的生成与输出；故障仿真子系统负责航天器故障生成与输出；可视化子系统负责仿真结果的二维和三维可视化。

图1 航天器分布式系统仿真验证平台系统结构 Fig.1 System organization of the distributed system simulation platform for spacecraft

2 硬件组成

航天器分布式系统仿真验证平台（硬件组成如图2所示）采用分布式仿真网络结构，总体上分为3 个功能区域。

图2 航天器分布式系统仿真验证平台硬件组成 Fig.2 Hardware of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真试验管理调度区部署一台采用Windows XP 操作系统的高性能计算机安装仿真模型集成软件，作为航天器分布式系统仿真验证平台的中央调度器；再部署一台安装有Windows Server 操作系统的高性能工作站作为航天器分布式系统仿真验证平台的数据服务器。仿真试验管理调度区各服务器通过以太网接入平台。

仿真子系统部署区部署若干台采用Windows XP 操作系统的高性能计算机安装航天器各分系统模型软件和可视化系统软件；再部署若干台模拟器作为半物理仿真信号发生器。各服务器和模拟器通过以太网和专用通信网接入平台。

仿真试验计算区部署若干台安装Windows 操作系统的高性能服务器作为非实时仿真的计算服务器；再部署若干台安装有RedHawk 实时Linux操作系统的iHawk 实时计算机作为实时仿真的计算服务器，每台iHawk 计算机都配置有一块反射内存卡和一块RCIM 时钟卡，反射内存卡用来进行每秒百兆Byte 级别的高速数据传输，RCIM 时钟卡之间通过专用的菊花线缆连接，用来进行微秒级的时钟同步与校准。非实时计算服务器通过以太网接入平台，实时计算机通过实时网络接入系统。

3 系统软件设计

航天器分布式系统仿真验证平台具有良好的开放性与可扩展性。平台的软件系统主要由仿真模型集成软件、仿真数据库、各分系统专用仿真软件、 商用软件、可视化系统软件等组成。

仿真模型集成软件是平台的核心，也是平台良好的通用性和可扩展性的保证。它承担着仿真模型管理、图形化试验设计、仿真调度与进程控制、仿真数据后处理等任务。仿真模型集成软件分主控端 软件、节点端软件2 个配置项。主控端软件安装在仿真试验管理调度区的计算机上，采用C#语言利用面向对象的方法开发，实现仿真数据库读取访问、仿真模型信息显示、仿真试验设计配置、仿真试验运行管理、仿真数据处理与评估、网络通信、可视化数据配置、仿真模式控制等8 大项功能。节点端软件安装在仿真子系统部署区的分系统计算机和信号模拟器信号采集计算机上，采用C#语言利用面向对象的方法开发，实现模型信息获取与配置、试验运行控制、试验状态监控、数据通信等功能。根据航天器系统仿真的实际需求，节点端内置的分系统软件接口模块可以实现与C++源代码、C++、C#动态库、MATLAB 程序（.m,.mdl 格式文件）、可执行文件（.exe 格式的专用或商用软件）等多种形式的分系统仿真模型之间的数据与指令接口，保证了平台的通用性与可扩展性。

航天器分布式系统仿真验证平台工作流程如图3所示。

图3 航天器分布式系统仿真验证平台工作流程 Fig.3 Operation flow chart of the distributed system simulation platform for spacecraft

仿真数据库分为3 个子库：1）仿真模型数据库，用来存储试验所需的仿真模型并提供相应读写接口；2）仿真试验数据库，用来存储试验配置文件并提供相应的读写接口；3）仿真结果数据库，用来存储仿真过程中的单步仿真数据和最终的仿真结果数据，并提供相应的读写接口。

仿真模型软件可以是使用C++、C#、MATLAB等语言开发的航天器分系统专业软件，也可以是通用型的商业软件，只要是符合航天器分布式系统仿真验证平台的接口规则，都可以接入平台进行系统仿真计算。

4 系统应用

以某型号卫星方案设计全面仿真验证为仿真应用背景，对其进行在轨姿轨控专项方案仿真。仿真试验中使用了轨道模型、姿态控制模型、推进分系统模型、飞行程序、空间链路模型、电源分系统模型、数传分系统模型、空间环境模型、姿态动力学模型，以及起辅助作用的全零输出、整型多常数输出等模型。其中，轨道分系统模型、控制分系统模型、推进分系统模型、空间链路模型、电源分系统模型、数传分系统模型是以.exe 形式接入系统；其他模型是以动态链接库形式接入系统。各模型数据输入输出关系如图4所示。

图4 仿真模型数据输入输出关系 Fig.4 Output input relation of the simulation model

通过仿真模型录入、仿真试验设计、仿真调度、试验数据评估4 个步骤完成了该次仿真试验。方案设计中关键参数的仿真结果见图5～图7。

图5 卫星姿态控制曲线 Fig.5 Curves of the satellite attitude control

图6 太阳电池阵输出功率 Fig.6 Output Power of the solar array

图7 太阳电池阵启控时星体俯仰角速度变化曲线 Fig.7 Pitch rate changes under solar array control

与传统仿真试验相比，本系统兼顾数学仿真的多学科耦合特性与半物理仿真的实时性能，且操作简便，仿真效率高，仿真结果准确，能够满足型号总体设计方案不同阶段的系统仿真验证需求。

5 结束语

本分布式系统仿真验证平台主要用于航天器的系统仿真工作，以期解决航天器系统仿真中集成平台的体系结构、数据集成、设计过程集成、应用集成等关键技术问题。本仿真系统运行稳定，通用性强，操作简单，用户界面友好，较好地满足了用户的需求，已应用于相关部门的科研工作中，具有较大的应用价值。同时，在系统设计实现过程中遇到并解决的部分理论问题和实际问题，有助于推进基于不同系统环境和网络环境下的分布式集成仿真系统的应用。

（References）

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