航天器接口数据单映射建模与仿真研究

刘 潺，陈立平，史世杰，蒋兴沛，吴义忠

（1.华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074；2.苏州同元软控信息技术有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引 言

在航天器工程中，数据接口的管理是一项十分复杂且重要的工作。航天器系统中往往拥有上百个设备，并且设备之间的接口涉及到机、电、热等多个领域。各接口之间的相容协调工作，是航天器任务顺利执行的基础保障。接口数据单（Interface Data Sheet，IDS）是航天器总体，以及各分系统，设备之间接口协调的载体和依据，能够以表格化的形式记录各个设备的物理属性。文献[2]从航天器设备接口数据安全性出发，对IDS系统业务流程与数据安全方面的不足进行分析，提升了设备接口数据管理的安全性。文献[3]为了使IDS系统能够满足越来越复杂的参数采集、处理需求，在IDS系统中引入插件管理机制，增加了IDS系统的灵活性。随着航天器系统工程复杂度的提高，IDS提供了接口数据的信息化、数字化管理功能，已经在许多型号的设计、生产、验证中得到了广泛应用。

而目前国内针对航天器供配电系统的设计验证，通常是靠工程师依据IDS中的设备信息和接点分配关系，对各设备进行手工建模，然后集成各模型，进行系统级仿真验证，随着系统规模和复杂度的提高，设计工作量变大，且易于出错。而随着基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，MBSE）思 想的提出，将计算机可以理解与执行的模型作为系统研制基础，通过模型贯穿型号研制的全生命周期，能够方便地对系统进行设计、分析、优化、验证，近些年来已经得到了国内外的广泛关注。

因此本文以某型号航天器供配电系统为研究对象，基于IDS接口数据单，提取设备电气特性参数，分析设备间电气传输路径，并基于多领域统一建模语言Modelica，实现航天器IDS接口数据单到供配电系统仿真框架的自动生成转化，能够有效减少工作量，避免人为引入误差，提高仿真验证效率，具有实际工程应用价值。

1 基于接口数据单的映射建模仿真系统

1.1 系统基本组成与功能

电气系统的仿真验证是航天器顺利运行，完成任务的基础保障。供配电系统为在轨运行的航天器提供了能源供应，是设计的重中之重。而随着航天器任务和型号的复杂多样化，针对具体某一单一型号的设计模式已经难以满足工程设计需求。自动化生成模型，基础模型的复用、扩展能够大大减少开发设计工作，提升研发效率。通过航天器接口数据单映射建模仿真系统，能够方便、快速地对不同型号的供配电系统进行建模仿真，并且基于生成的系统仿真模型框架，能够对模型的参数、方程进行完善调整，对系统模型采用不同的仿真求解算法，进行快速设计验证。

基于接口数据单的映射建模仿真系统由Modelica基础模型库和IDS信息提取映射生成模块组成。系统工作时通过分析IDS中的数据，提取电气对象组织关系、设备节点连接关系、电气特性参数，并基于由多领域统一建模与仿真语言Modelica搭建的基础模型库，依据IDS与基础模型之间的映射转换关系，将接口数据单中的数据转换为航天器供配电系统模型仿真框架，其具体转换流程示意图如图1所示。系统生成的Modelica仿真模型框架，包含了对系统中参数和对象的声明，以及各个设备之间的连接关系。

图1 基于IDS自动生成仿真模型框架的流程示意图

1.2 基于Modelica的供配电通用模型库

为了实现模型的重用与扩展，需要以层次化、结构化的思想对模型进行组织。按照自底向上的思路，可将航天器供配电系统中的电气模型划分为基础模型库、通用模型库和型号模型库，供配电系统模型组织结构如图2所示。

图2 供配电系统模型组织结构

1）基础模型库主要包含电学基础仿真单元，包括门电路、电容、电阻、电感、二极管等数字电路或模拟电路元器件，是电学仿真的基础。

2）通用模型库通过基础模型库中的模型搭建集成，是对电气设备中共有特性的模型描述。包括了各种接口、导线等。在供配电系统中，可包含各种通用的负载模型、接口电路、供电模型、配电模型等。各设备模型只描述设备的通用属性和行为，并不涉及具体型号信息。

3）型号模型库是对通用模型库的进一步集成、特化，包含了具体任务型号的信息，是直接用于构建具体任务型号的仿真模型。

而在基于接口数据单的映射建模仿真系统中，采用Modelica语言对航天器供配电系统的通用模型库进行描述，对于不同任务型号的系统，可通过Modelica模型的复用与扩展机制，快速实现系统的映射模型构建。Modelica是一门专门为多领域统一建模仿真而设计的语言，具有陈述式、非因果、面向对象等特点，已经在航空、航天、车辆、船舶等领域得到了广泛的应用。对于设备之间不同领域特性的描述问题，采用Modelica语言可以进行统一描述，无需跨平台联合仿真。并且在用于不同型号时，可以基于Modelica语言的继承、重声明等特性，方便地实现模型的复用和扩展。

2 Modelica仿真框架生成关键技术

2.1 接口数据单与Modelica语言相互映射协议

基于接口数据单的供配电系统映射建模的关键在于确定IDS数据与Modelica语言模型之间的映射规则。IDS记录了航天设备多个专业的表单数据信息。对于供配电系统而言，IDS中包括了从分系统、设备、电连接器到接点的各电气对象组织关系，规定了设备所属的系统和舱段信息，电连接器与连接接点的所属关系。并且通过电源表单，对各设备的电源属性、工作模式、功耗大小、工作电压进行了规定。通过电连接器表单，规定了各设备上所属的电连接器代号，电连接管脚类型（针孔）等电连接器信息。而电连接器节点分配表单则规定了电连接器中接点号、接点流向、信号类型、信号名称等接点信息。而Modelica是一门多领域统一建模与仿真语言，以类和对象的方式组织模型行为，封装模型数据。IDS中电气特性参数与Modelica模型之间对应关系可按如下几点确定。

1）对于航天接口数据单中的设备、电连接器等电气对象及其组织关系，由Modelica面向对象的建模机制实现，以Modelica封装类对象一一对应；

2）对于航天接口数据单中航天器各分系统，采用Modelica包结构（Package）对分系统中的设备进行组织管理；

3）对于航天接口数据单中各电气对象之间的连接关系，采用Modelica中的connect方程连接机制对应；

4）对于航天接口数据单中各电气对象的电阻、电压、电流流向、功耗等电气特性参数，采用Modelica语言中的相关parameter参量对应实现。

IDS接口数据单电气组织结构到Modelica模型的映射关系如图3所示。

图3 IDS接口数据单电气组织结构到Modelica模型的映射关系

2.2 仿真框架生成算法实现

依据IDS接口数据单与Modelica模型之间规定的映射关系，对仿真框架生成算法展开实现，以完成设备拓扑连接关系到供配电系统仿真框架的自动转换。

首先构建供配电基础模型库，包括封装电连接器类型、电阻类型、环境工况类型、控制开关类型等基础类型模型，作为生成封装类模型可调用的基础类库。基于IDS接口数据单转换为供配电系统仿真模型框架的具体流程，如图4所示。

图4 接口数据单转换为供配电系统仿真模型框架流程图

1）将航天接口数据单作为转换处理的原始输入数据；

2）依次遍历接口数据单文件，并判断接口数据单是否遍历完成，如果未完成则作为当前处理接口数据单进入下一步，否则转入步骤7）；

3）从当前处理的航天接口数据单中提取出电气对象信息（分系统、设备、电连接器等电气对象的组织关系以及电气特性参数等数据信息）；

4）检索判断模型库的层次结构中是否存在与当前接口数据单对应的Modelica封装类，如果不存在则转入下一步，否则转入步骤6）；

5）在模型库相应层级中建立当前接口数据单对应的Modelica封装类型，并根据2.1节中定义的映射协议，依次对电器特性参数、对外接口连接、方程框架等进行声明；

6）在模型库中调用封装类型，在供配电系统模型框架中声明此类型的对象实例，完成后转入步骤2）；

7）提取IDS接口数据单中航天电连接器接点分配信息，包含接点与接点的连接关系、信号类型、线型、用线要求、电流、电压等，转入下一步。

8）依次遍历接点分配关系，判断接点分配关系是否遍历完成，如果未完成则作为当前接点分配关系转入下一步，否则转入步骤10）；

9）根据接点分配关系信息，在供配电系统模型框架中声明相应对象实例连接方程，完成后进入步骤8）；

10）在供配电系统模型框架中声明外部输出参数，包含母线电压、母线电流、总负载功率、蓄电池荷电状态等；

11）声明系统模型环境参数，包含光照强度、轨道周期、太阳角等，至此供配电系统仿真模型框架生成完毕。

3 供配电系统映射建模仿真应用实例

通过前文的分析，对基于接口数据单的映射建模仿真系统进行了实现，并成功应用于某型号的航天器供配电系统的研制设计中。系统能够自动提取IDS中的设备参数和连接信息，依据IDS与Modelica语言映射规则，映射生成供配电系统的Modelica模型仿真框架，并提供基础的模型调试与仿真求解环境，提高了系统设计的效率。

图5展示了接口数据单与Modelica模型的关系映射窗口，其包含了设备模型生成、删除、调试、映射关系的添加与删除，系统模型的生成与调试等功能，并给出了实际设备列表、模型列表以及设备与模型的映射连线关系。其中关系映射表中能够展示设备的名称、代号以及与之对应的模型名称。接口映射表中显示了各个设备相应的接点与信号信息，并且可以通过设备参数列表对电气参数进行修改。

图5 接口数据单与Modelica模型关系映射

通过生成模型功能可得到某航天器供配电系统模型，如图6所示。系统模型包含了IDS接口信息单中各分系统、设备布局、电连接器间的拓扑结构，以及各设备的电气特性参数。并且可以对映射模型中的模型源码、参数、方程、算法进行完善调整，以更好地实现系统模型效果。

图6 航天器供配电系统映射模型

图7展示了在各负载设备总功率变化的情况下，蓄电池组荷电状态的变化情况，可以看出供配电系统工作正常，能够满足各负载设备的工作需要。

图7 系统仿真结果

4 结 语

本文基于航天接口数据单IDS与多领域统一建模语言Modelica，对航天器供配电系统映射建模仿真问题进行了研究，探讨了IDS与Modelica模型之间的映射机制与算法实现，并在实际工程中验证了生成模型的有效性与正确性。基于接口数据单的供配电系统映射建模与仿真系统，能够提取接口数据单IDS中有效的电气特性参数与设备间的连接关系，并基于多领域统一建模与仿真语言Modelica，自动生成系统的仿真模型框架，能够方便快速地对不同型号系统展开仿真验证，具有重要的工程价值与意义。