基于信息流的耦合数字卫星构建方法

石薇 王永 常亮 王明亮

(1 中国科学院上海微小卫星创新研究院, 上海 201203)(2 上海微小卫星工程中心, 上海 201203)(3 上海飞机设计研究院, 上海 201210)

卫星作为高成本的复杂航天产品，针对其研制过程中论证手段缺乏、联调验证方法落后、新型装备任务演练缺少演练平台等导致的方案反复、测试不充分、研制周期长等问题，将数字虚拟化技术引入卫星全生命周期中，可实现对开发测试支撑，破除硬件限制，实现低成本、低风险，高保真，高效率的硬件模拟行为[1]。能够支持卫星软件各分系统并行作业，在卫星硬件未全部就绪的情况下，提供开展软件开发、测试作业的条件保障；拓展仿真模拟应用，支持单星及系统间测控、运控等系统仿真测试，构建虚拟卫星、系统模拟仿真体系，降低成本、风险；在此基础上进行在轨维护服务，结合历史数据与当前数据，使用数字化模型与交叉耦合算法，实现卫星的故障预测、定位、诊断等，及时在地面上对在轨卫星进行修复或任务调整等操作[2]。

文献[3]以虚拟化仿真来模拟硬件，结合姿轨控动力学模型等给出的外部数据，进行星务软件在轨维护验证。文献[4]基于可扩充处理器架构第八版(SPARC V8)的虚拟中央处理器(CPU)及其外部设备仿真，开展星载软件测试验证。文献[5]基于虚拟测试框架软件(VTEST)开发出一款虚拟数字信号处理器(DSP)及其外部设备，应用于软件测试。文献[6]提出了太阳同步轨道卫星能源系统的结构框架，给出能量平衡计算方法和结果。文献[7]设计简便的散热面面积及隔热层厚度计算模型，具有优化热系统动态特性的效果。综上，数字卫星以CPU虚拟仿真为核心，通过硬件行为模拟，结合力学等专业数学模型仿真，构造低成本高效率的仿真卫星。另外，大部分仿真在控制、电子、机械等单领域方面开展工作，而在多领域协同仿真方面，仍处于初步阶段。

本文所述数字卫星不需要借助其他工具，可跨系统运行，支持多种CPU虚拟处理器和多种外部设备，联合不同物理场下的数学模型，扩展了数字卫星仿真的覆盖面，加强了仿真的真实性。

1 基于信息流的数字卫星设计

区别于任务级仿真，基于信息流的数字卫星构建方法以虚拟处理器为基础，装载未修改的星载软件，结合耦合数学模型，搭建基于真实硬件、物理环境的数字卫星，如图1所示。

图1 基于信息流的数字卫星设计框架

该框架对卫星平台进行元器件级颗粒度的分解，针对芯片、电路建立最基本仿真单元，并在此基础上进行虚拟化构建，以达到对整星信息流级别的精细仿真。

为了模拟卫星复杂多源数据生成，该构建方法还集成了多个可配置的卫星数学模型，包括空间姿态动力学、轨道动力学、能源平衡等空间环境模型等。数学模型与底层硬件虚拟化相结合，可实现对高层次模块的模拟。

2 信息流仿真技术

信息流仿真系统包括芯片级仿真单元、电路级仿真单元和类计算机仿真单元；芯片级仿真单元直接运行目标代码进行指令解析，或存在寄存器界面和状态轮转；电路级仿真单元去除寄存器界面，以电信号为主要输入输出；类计算机仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码。信息流仿真系统、时钟同步装置及实时网络通信装置构成平台级仿真单元，平台级仿真单元的信息流与真实卫星的信息流保持一致，如表1所示。

表1 信息流仿真适用对照表

为实现高效率的指令级精确CPU仿真，建立一种分层的统一时间管理系统，独立于指令集模拟，可设置任意精度，支持多处理器系统，同时能够为外围设备提供时钟。该时钟系统便于管理，运行速度快，能够满足系统仿真平台对时间系统的实时性要求。

对处理器进行源码级仿真，目标代码不经修改直接加载，仿真处理器执行目标码的时间属性，如指令执行时间、延时时间等，尽量精确与实际保持一致。对于抽象出的时间等属性，提供可配置的方式，进行相应调节。

总线、逻辑部件等硬件具有相似的运行特征，这类硬件一端为寄存器操作界面，另一端为信息交互界面；外部信息与处理器间通过输入输出设备(I/O)读写操作进行数据处理，采用行为级仿真对总线、逻辑部件进行仿真。

着重从时序及实时地址映射处理逻辑部件模型：对串口、总线等硬件考虑时间特性模拟，并对传输速率及传输方式进行模拟；采用实时I/O空间映射算法，减少I/O地址读写占据的大量内存映射空间，缩短查询时间。

对不具备操作界面的逻辑控制模块等采用行为仿真模拟，使用标准化信息流仿真技术设计思想，来设计外设接口，建立相应模型库。

根据需要对卫星的单机建立类计算机仿真或行为级仿真模型。类计算机仿真如前所述，行为级仿真步骤如下：①对于单机对外接口的数据包，根据数据协议来定义单机输入输出等相关的数据结构。②定义单机数据成员属性，例如单机对外各种遥测量、加电开关机标志。利用已经从外部数据源导入到本地的数据量对单机成员属性的刷新设置等。③定义单机接口，根据单机数据格式约定，对上行遥控信道发送来的指令进行解析，对于指令中的遥测包请求、特殊包请求指令等所有指令进行相应包的组帧或者相应的单机动作。④定义单机通道接口，根据单机对外接口类型及数量，建立相应的单机对外通信信道。

各模块使用高精度时钟同步装置进行时统，标准交互接口进行通信互联，使信息流仿真与真实卫星系统完全一致。仿真间的时序通过时间同步保证，区分高频事件与低频事件，使用统一时间管理系统以不同方式管理，保证整体仿真协调一致。分层分发时间基准，通过异构的方式，逐层采用不同策略同步，通过关键节点汇合，降低不同模块相互干扰，解耦仿真部件仿真速度差异性。

3 耦合数字模型

提出一种将多种物理场融合交叉实现的设计，通过对真实环境进行建模构建。单机仿真模型中具有物理学意义的数据由耦合数字模型提供，单机协议属性的数据由信息流仿真模拟。以陀螺为例，陀螺角速度、温度、功耗等数据通过耦合数字模型仿真计算，陀螺加电状态等通过信息流仿真提供。

通过加载DLL耦合数字模型的方式，实现耦合数字模型与信息流仿真的交互，见图2。

图2 信息流仿真与耦合数字模型交互实现

仿真耦合数字模型由子系统模型与子系统模型间交叉状态组成，如图3所示。根据卫星力、电、热等连续仿真模型和事件驱动等离散仿真模型来区分，将子系统模型分为连续系统模型和离散系统模型两类，对系统的连续、离散属性采用状态方程或离散事件系统规范进行描述。

图3 耦合数字模型实现

对卫星进行数字化建模时，考虑每个离散事件的特性，便于不同特性模型通过对应算法进行集成。对卫星动力学模型细分为刚体、多体、柔性等动力学库，根据不同需求选择相应模型；卫星能源仿真根据姿轨控动力学模型输出的姿态变化，基于信息流仿真得到的不同负载的运行等对电源系统的影响，构建了动态电源系统能量平衡的仿真系统，对卫星的具体能量状态进行计算并建模；热分析模型通过动力学模型输出结果，以及能源计算输出的功耗，计算卫星外表面的空间外热流，使用线性化方法求解整星的连续温度场分布。

3.1 动力学模型

动力学模型通过计算机程序模拟卫星在空间受控或不受控情况下真实的轨道和姿态运动及与卫星姿轨控分系统有关的空间力学、光学、磁学环境，计算与姿轨控系统有关的物理量、量测量及控制量[8]。动力学模型在不同约束条件下等呈现不同的特征，本文针对不同卫星结构、轨道高度、卫星单机下建立模型库，摆脱商业分析软件(STK、Matlab等)的束缚，根据需求生成相应的C程序动力学模型，见图4。

图4 C程序动力学模型库

3.2 实时能源模型

能量平衡分析是卫星长期安全可靠运行的必要条件和重要保障，精确计算卫星实时能源状态变化一直是当下能源系统设计的难题[9-10]。

实时能源模型根据动力学模型输出的光照条件和帆板数据计算帆板输出电流，结合动力学模型输出的位置和姿态，通过信息流仿真得到单机开关状态，将单机功耗代入计算，得到卫星实时功耗和放电深度，较精确得到卫星实时能源情况，验证卫星所设计的能源系统平衡效果，为能源系统设计的适当调整提供了参考依据。见图5。

图5 能源平衡模型库

通过线性插值建立实时电池容量与蓄电池电压之间的转换，便于蓄电池充放电控制，同时给出热分析模型中计算所需的实时功耗。

3.3 热分析模型

热分析一般采用热网络法计算卫星外热流与瞬态温度场[8]，实时热控环节的温度变化难以掌握。本文所述的热分析模型采用简洁、准确的计算方式，通过动力学模型给出的轨道参数和姿态信息，计算地球阴影、光照状态，得出地球、太阳和卫星之间的位置关系，计算卫星外表面的空间外热流；根据能源模型计算得到的卫星实时功耗以及三种实时外热流计算结果，对卫星舱内、散热面、核心单机的温度进行处理，使用线性化方法开发符合卫星传热建模需求的求解器；然后将各个模块整合，形成完整的动态连续热分析模型。

外热流建模计算并输出每一时刻(τ)下卫星每个外表面面元的3种外热流的大小。对于不规则卫星外表面，可通过外表面投影计算[7]。对卫星建立有内热源的三维非稳态导热微分方程求解动态连续温度，见图6。

图6 热分析模型库

计算得到的温度结果影响动力学模型中单机模型输出，更精细化地仿真当前卫星状态。

4 仿真应用实例

提出的面向信息流的耦合数字卫星构建方法所建立的虚拟卫星已成功应用于多个型号中。在卫星技术设计验证时，提供虚拟运行环境，验证技术可行性；在开发调试过程中，无需硬件支持，提供卫星软件并行研发手段以及迭代进化环境；在测试验证阶段，支持单星及星座系统间、测控、运控、演练等大型试验，降低成本和风险；在轨维护阶段，快速提供故障反演平台，及时对在轨卫星进行修复或任务调整等操作。

通过测试机在数字卫星与硬件实物上的运行结果，星务、测控、姿轨控、能源、热控等功能均正确仿真，表2为某数字卫星与在轨卫星比较结果，真星与数字卫星结果保持一致，数字卫星运行正确。

表2 数字卫星与在轨卫星运行结果对比

5 结束语

本文提出面向信息流的数字卫星构建方法，以卫星内部的信息流为研究对象，将复杂的卫星模型分解为单机、芯片等较小模型；综合动力学、能源、热分析等算法，建立了卫星耦合交叉模型，改变了以往依赖单个系统仿真进行论证规划的设计局面，实现了多种论证方案任务满足度的快速评估。最后，将所提出的方法在仿真平台中实现，初步说明所提出的方法适用于卫星研制全周期，提升卫星系统设计效率。