电子产品世界

作者 贾艳胜 钟金凤 汪礼成 林荣峰 周胜良 上海航天控制技术研究所(上海 200233)

贾艳胜(1983-)，男，工程师，研究方向：卫星星载软件设计。

摘要：对基于综合电子计算机的卫星姿轨控系统和星务系统的软件协同运行及仿真技术进行了研究。介绍了综合电子计算机的硬件组成，对综合电子控制系统联合仿真进行了软件框架设计、数据池数据结构设计、数据池操作接口函数等设计。并针对该计算机设计了一种控制系统联合仿真闭环验证系统。试验结果满足控制系统的各项指标要求，整个联合仿真技术为卫星综合电子技术的应用提供了参考依据。

引言

　　卫星控制系统和星务系统是卫星平台的两个功能独立的大系统，传统卫星的姿轨控计算机与总体星务计算机是独立的两台单机，系统间通过1553B总线或CAN总线进行数据交互。交互的数据复杂，软件的通用性和继承性较差。综合电子计算机立足于建立未来型号的通用性与标准化，为卫星平台提供统一的数据管理、控制与数据处理等业务。综合电子对各个分系统硬件进行了集成，大大提高了硬件和软件的复用程度，并且降低了整星的质量、体积和功耗。

　　本文针对综合电子计算机进行软件架构设计，把星务软件和姿轨控软件集成为一套软件系统运行在卫星管理单元中，并在硬件上设计了一种基于综合电子计算机的控制系统闭环仿真系统，仿真结果表明控制指标及实时性满足系统要求，对后续综合电子卫星控制系统的地面仿真技术有很大的工程应用价值。

1 综合电子计算机系统组成

　　综合电子计算机主要由以下几部分组成：

　　(1)通用处理器A模块，综合电子软件的硬件载体是卫星大脑。软件按功能分为姿控和星务两部分。姿控部分主要完成卫星的姿态控制和轨道控制;星务部分负责接收遥控包，解析后执行或转发，同时还负责遥测组包、组帧、加扰后送“信道关口模块”的工作。

　　(2)通用处理器B模块与通用处理器A模块功能相同，并互为主备份。

　　(3)A/D采集模块：负责采集各个单机的模拟量信息。

　　(4)信道关口模块：完成遥测遥控明密状态管理。

　　(5)时基&串行IO模块Ⅰ型、II型、III型：Ⅰ型负责接收通用处理模块及信道关口模块的遥控输入，根据遥控包识别区分输出对象，实行信号的转发;II型、III型主要实现了多路通用RS422串口的收发功能、多路同步信号SYNC功能、多路输出RTS请求信号功能，提供时间基准、电磁阀输出、自锁阀输出、D/A输出、切权指令等功能。

　　(6)配电模块和功率驱动模块：主要通过电源板对各个模块进行供配电，并对特定信号进行功率放大。

　　(7)1553B总线模块：主要与其他分系统进行数据交互。

2 多系统软件系统设计

　　综合电子计算机使用的中央处理器为AT697，遵循SPARC V8指令集。编程语言采用Ada语言。

　　在综合电子系统软件中，姿轨控软件与综合电子软件共同运行，由调度内核负责调度。

2.1 软件调度模式及访问约束

　　综合电子软件与姿轨控软件间的调度关系采用多任务调度模式，设计4个任务：背景任务、调度主任务、姿轨控任务和遥控任务，优先级依次提高。

　　在多任务结构中，为防止资源访问冲突，需对软硬件接口资源的互斥访问进行约束。

　　硬件接口采取隔离访问的方式，以避免硬件信号锁定引起的多任务间调度互锁。其中，时基IO板II、III型访问的姿轨控单机接口由姿轨控软件访问，信道关口模块、时基IO板I型、1553B总线接口都由综合电子软件访问;通用处理器模块中的资源需要根据应用情况作进一步地隔离分工，原则上对该模块上的两个软件配置项公用硬件资源姿轨控软件只可读不可写。

　　所有串口单机的数据采集由姿轨控软件完成，模拟量数据、IO数据和遥控数据等由综合电子软件采集，姿轨控软件不得操作相应的硬件单元。

　　两个软件配置项间的数据接口采取数据池的方式通信，通过保护对象、握手信号等手段保证数据的完整性。

2.2 软件框架设计

　　软件框架设计如图1所示。图中的星务软件列出了与姿轨控相关模块的数据流和控制流。

　　A.姿轨控软软件

　　采集姿轨控系统内部各单机的数据，按照姿态控制算法进行卫星的姿态轨道计算和控制计算，生成控制指令发给相应的执行机构，同时接收地面的遥控数据，向星务系统发送遥测参数。

　　(1)陀螺组合、红外地球敏感器、反作用飞轮单机通过异步RS422串口与综合电子计算机相连，数据采集由姿轨控软件直接采集获取;

　　(2)星敏感器通过同步RS422串口与综合电子计算机相连，位于综合电子计算机中的时基&IO模块III型板，星敏感器数据的采集由姿轨控软件直接采集获取。

　　为避免硬件信号锁定引起的多任务间调度互锁，星务软件不对异步RS422和同步RS422进行访问。

　　B.星务软件

　　星务软件负责处理遥控遥测信息，采集除串口外所有的控制系统的模拟量数据、数字量数据，同时负责向磁力矩器发送控制指令，向推力器发送喷气指令。具体如下：

　　(1)遥控：综合电子的遥控直接指令、间接指令与注数均按照CCSDS分包遥控标准进行遥控数据帧组帧。采用遥控中断方式接收遥控数据，对接收到的遥控数据进行CRC校验。

　　(2)遥测：综合电子的遥测按照CCSDS分包遥测标准进行遥测数据帧组帧。

　　(3)数据采集：采集姿控模拟量数字量。

　　(4)指令输出：执行磁力矩器和推力器控制指令。

　　C.数据池

　　综合电子软件和姿轨控软件间的数据池包括以下几类：测量数据、遥控数据、遥测数据、控制指令、时钟接口，分别对这些数据进行说明。

　　(1)测量数据：由综合电子软件统一采集，供姿轨控软件读取使用，这些数据包括：三轴磁强计数据、0-1式太阳敏感器数据、模拟式太阳敏感器、单机加断电、星箭分离和控制权状态。

　　(2)遥控数据：星务软件按照CCSDS包格式组帧，以整包形式将遥控数据转发给姿轨控软件。

　　(3)遥测数据：姿轨控软件产生的遥测按照CCSDS标准进行组包，通过数据池发送给星务软件，星务软件按照CCSDS标准负责遥测数据的组包、组帧和发送。

　　(4)控制指令：姿轨控软件计算得到的磁力矩器指令和喷气指令通过数据池发给星务软件，星务软件负责把控制指令发往内部功能模块和指令输出模块。

　　(5)时钟接口：星务软件通过数据池向姿轨控软件提供访问系统时钟的接口。

3 联合仿真设计

　　为了使姿轨控和星务在综合电子计算机中能够协同运行，以及验证采用上述软件设计的姿轨控软件运行的时间消耗、实时性和系统控制效果是否满足预期要求，设计仿真验证系统如图2。

　　将综合电子工程样机与DSPACE动力学仿真设备相连，通过星载软件监控台加载与显示终端PC机加载综合电子软件目标代码，并与遥测PC机、遥控PC机、数据库PC机、动力学显示与控制终端PC机一起共同组成姿轨控闭环测试仿真测试系统。

　　(1)DSPACE动力学仿真设备：模拟卫星的姿态动力学、轨道动力学和单机动力学。仿真设备将单机动力学中敏感器信息按照真实单机的通讯协议(RS422、A/D、开关量)发送至星载计算机，同时接收星载计算机发送的喷气指令、飞轮转速指令、磁力矩器指令送给姿态动力学与轨道动力学。

　　(2)动力学显示与控制终端：通过图形用户接口与动力学仿真设备实时交互数据。一方面通过图形用户接口设置动力学的相关参变量，在线修改动力学模型;另一方面通过图形用户接口在线显示动力学模型的相关参变量;

　　(3)星载软件监控台加载终端：通过测试口把编译好的星载软件目标代码加载到星载计算机运行。

　　(4)遥控终端：通过1553B总线把遥控注数包发送给星载计算机。

　　(5)遥测终端：接收并显示1553B总线中的遥测数据，实时数据显示以及事后数据查询和数据回放的功能。

　　(6)数据库终端：把 1553B中的遥测数据集中存放到数据库中，便于事后数据回放和数据查询。

4 试验结果及分析

　　为了验证姿轨控系统长期工作下的时间性能和控制效果，选择红外飞轮控制模式对系统各种指标进行考核。试验曲线如图3~图5所示。

　　由仿真曲线可知，在红外轮控模式下，系统的控制精度满足控制指标的要求，且实时性较好，且在姿轨控的500ms控制周期内，软件的运行消耗时间为110ms，耗时较少。

5 结论

　　(1)本文对基于综合电子计算机的多系统软件协同运行及联合仿真技术进行了研究;

　　(2)在软件上按照系统分为多个任务，在多任务结构中，为防止资源访问冲突，对软硬件接口资源的互斥访问进行约束。并对多个任务之间的数据池交互采用保护对象的方式，确保了数据的读写同步;

　　(3)设计了一种综合电子计算机控制系统的联合仿真验证系统，将采用上述架构的综合电子计算机接入动力学形成闭环;

　　(4)试验结果表明整个联合仿真技术满足控制系统的各项指标要求，具有一定的工程应用价值。

　　参考文献：

　　[1]GJB1198.6A-2004.航天器测控和数据管理第七部分:分包遥测.

　　[2]GJB1198.7A-2004.航天器测控和数据管理第七部分:分包遥控.

　　[3]Ada Reference Manual. ISO/IEC 8652:1995，159-186.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第71页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 卫星 综合电子计算机 多任务 保护对象 姿轨控系统 201707