CN103926848A - 卫星仿真系统及其数据同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种卫星仿真系统，该系统包含：制导导航控制模块；调度模块，其输入端信号连接制导导航控制模块；动力学模块，其输入端信号连接调度模块；执行机构指令存储区，其双向信号连接动力学模块，输入端信号连接制导导航控制模块；敏感器数据存储区，其双向信号连接制导导航控制模块，输入端信号连接动力学模块；制导导航控制模块与动力学模块相互通过共享内存信号连接。本发明数据同步误差可控使得卫星超实时仿真系统精度与卫星半物理仿真等效，但卫星超实时仿真系统组成简单，成本低；仿真过程可控，在不影响仿真的仿真精度的情况下，仿真过程可以暂停；仿真速率可控，仿真过程可观。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星仿真技术，具体涉及一种卫星仿真系统及其数据同步方法。
背景技术
随着现代航天技术的发展，人们对未来航天器的创新设计和应用进行了卓有成效的研究，计算机仿真技术为这些研究提供了基础的、不可或缺的支持。现在，从卫星设计、卫星制造、卫星系统运营、星座组网直到卫星应用开发，都离不开计算机仿真提供的大量实验数据。仿真也为人们进行未来卫星的概念性创新应用研究提供了最有效的手段。
全数字仿真和半物理仿真是卫星系统研制过程中两种重要的实验方法。全数字仿真由加载动力学的dspace（数字空间）和星载计算机组成，由各自的时钟保证仿真同步。半物理仿真由加载动力学的dspace，卫星单机，星载计算机组成，也由各自的时钟保证仿真同步。
华为技术有限公司沈高在专利《实现数据同步、获知数据同步结果方法及其系统、HLR》（公开号CN 10101811113A），以同步请求和同步响应信号实现主备寄存器位置的数据同步。华为技术有限公司张普朝在专利《数据同步的方法、系统、中间数据节点及种植数据节点》（申请公布号CN 102143194 A）中，以数据同步标识和同步数据组成数据同步信息，实现多个终端节点的数据同步。上述方法中各节点或终端均基于物理时间同步，应用于卫星系统仿真存在如下缺点：
1 仿真实验成本高：Dspace等设备及星载计算机价格昂贵，配套试验的测试、记录需要大量的人员；
2 仿真过程不可控：基于物理时间的同步不可暂停，试验任务出现异常，不能暂停分析问题，只能停止分析事后数据；
3 仿真速率不可控：基于物理时间同步的技术只能应用于实时仿真，对于长时间的实验等同的仿真时间；
4 仿真系统搭建组成复杂：仿真过程参与设备包括Dspace，星载计算机等设备，数量多并且接口连接复杂。
发明内容
本发明提供一种卫星仿真系统及其数据同步方法，可用于超实时和欠实时仿真系统，数据同步误差可控、仿真过程可控、仿真速率可控、仿真过程可观。
为实现上述目的，本发明提供一种卫星仿真系统，其特点是，该系统包含：
制导导航控制模块；
调度模块，其输入端信号连接制导导航控制模块，接收制导导航控制模块发送的运行时间，每收到一次运行时间即发送启动指令；
动力学模块，其输入端信号连接调度模块；响应调度模块的启动指令，请求并执行执行机构指令；
执行机构指令存储区，其双向信号连接动力学模块，输入端信号连接制导导航控制模块，接收动力学模块的执行机构指令请求并发送执行机构指令至动力学模块；
敏感器数据存储区，其双向信号连接制导导航控制模块，输入端信号连接动力学模块，用于接收和存储敏感器数据；
上述制导导航控制模块与动力学模块相互通过共享内存信号连接。
上述的制导导航控制模块包含星载模块。
一种上述卫星仿真系统的数据同步方法，其特点是，该方法包含：
制导导航控制模块每过T时间向调度模块发送运行时间；T为动力学模块的离散周期；
调度模块每收到运行时间，即向动力学模块发送启动指令，动力学模块响应启动指令，发送执行机构指令请求，并包含指令请求时刻，当执行机构指令的时刻等于指令请求时刻，则返回执行机构指令至动力学模块，动力学模块收到执行机构指令并运行一次，运行结束即输出该时刻的敏感器数据；
制导导航控制模块发送敏感器数据请求，敏感器数据请求包含数据请求时刻和敏感器代码，当敏感器数据的时刻等于数据请求时刻，则返回敏感器数据至制导导航控制模块，制导导航控制模块继续运行并输出执行机构指令及该指令的时刻。
上述制导导航控制模块为自主运行；动力学模块为不自主运行。
上述动力学模块运行一次，系统时间累加一个采样周期。
上述动力学模块输出敏感器数据存入敏感器数据存储区；制导导航控制模块向敏感器数据存储区发送敏感器数据请求，敏感器数据存储区反馈敏感器数据给制导导航控制模块。
上述数据请求时刻为制导导航控制模块运行时间以T的整数倍向下取整。
若敏感器数据的时刻小于数据请求时刻，则不向制导导航控制模块返回敏感器数据。
上述制导导航控制模块输出执行机构指令存入执行机构指令存储区；动力学模块向执行机构指令存储区发送执行机构指令请求，执行机构指令存储区反馈执行机构指令给动力学模块。
上述执行机构指令的时刻取制导导航控制模块当前时刻以T的整数倍向上取整。
若执行机构指令的时刻小于指令请求时刻，则不向动力学模块返回执行机构指令。
上述制导导航控制模块发出敏感器数据请求后暂停运行，并在敏感器数据返回之后恢复并继续运行。
上述动力学模块运行一次完成后进入暂停状态，等待调度模块下一次的启动指令。
上述动力学模块运行一次完成时，若调度模块需要向调度模块发送系统的当前时间。
上述动力学模块接收调度模块的启动指令时，向调度模块反馈系统时间作为校验信息。
上述调度模块根据制导导航控制模块发送的运行时间和动力学模块反馈的系统时间诊断系统的运行状态。
本发明卫星仿真系统及其数据同步方法和现有技术的卫星系统仿真相比，其优点在于，本发明数据同步误差可控，数据同步误差可控使得卫星超实时仿真系统精度与卫星半物理仿真等效，但卫星超实时仿真系统组成简单，成本低；
本发明仿真过程可控，在不影响仿真的仿真精度的情况下，仿真过程可以暂停；
本发明仿真速率可控，在动力学模块中增加延迟环节，或者采用更小的系统离散化周期，增加动力学模块运行一个采样周期的物理时间可以调整仿真速率。调度模块也可以控制动力学模块的运行速率；
本发明仿真过程可观，动力学软件可以反馈给调度模块系统运行时间，调度软件通过比较制导导航控制模块和动力学模块的运行时间诊断仿真过程。
附图说明
图1为本发明卫星仿真系统及其数据同步的原理图；
图2为本发明的数据流格式；
图3为本发明的数据存储格式。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明公开一种卫星超实时仿真系统，该系统包含：制导导航控制模块，调度模块，动力学模块，执行机构指令存储区和敏感器数据存储区。
制导导航控制模块1（GNC，Guidance Navigation & Control）由星载模块反编译后，并与动力学模块运行在同一平台上形成，模拟实现卫星星载模块的功能。其中，星载模块实现卫星的星载计算机功能，具体进行敏感器数据采集、控制指令解算、执行机构控制功能。
调度模块2输入端信号连接制导导航控制模块1，接收制导导航控制模块1发送的运行时间，每收到一次运行时间即发送启动指令。
动力学模块3输入端信号连接调度模块；响应调度模块2的启动指令，请求并执行执行机构指令。其中，动力学模块实现卫星在轨的动力学特性仿真，包括姿态动力学、轨道动力学模型。
执行机构指令存储区5双向信号连接动力学模块3，输入端信号连接制导导航控制模块1，接收动力学模块3的执行机构指令请求并发送执行机构指令至动力学模块3。
敏感器数据存储区4双向信号连接制导导航控制模块1，输入端信号连接动力学模块3，用于接收和存储敏感器数据。
卫星超实时仿真系统中数据流包含三种类型：时间数据、敏感器数据、执行机构指令数据。调度模块2对制导导航控制模块1和动力学软件3的时间调度。敏感器数据和执行机构指令数据不经过调度模块2，动力学模块3和制导导航控制模块1通过共享内存等途径信号连接并直接交互。其中，制导导航控制模块1自主运行；动力学模块3不自主运行，通过调度模块2指令调度运行。
本发明还公开一种卫星仿真系统的数据同步方法，该方法包含：
制导导航控制模块1首先运行，并且每经过T时刻向调度模块2发送运行时间。调度模块2每接收到一次制导导航控制模块1的运行时间，向动力学模块3发送一次启动指令，动力学模块3则运行一次，整个系统时间累加一个采样周期，并且按照图2所示的数据流格式，动力学模块3将敏感器数据存入敏感器数据存储区4。
动力学模型采用零阶保持器等方法进行离散化，T为动力学模块3的离散化周期，其需要满足三方面需求：1满足动力学模型递推精度需求；2满足制导导航控制模块1敏感器数据请求的数据延迟需求；3满足卫星超实时仿真系统仿真速度需求。
如图1所示，动力学模块3可以向调度模块2反馈系统时间作为校验信息（虚线所示），调度模块2根据制导导航控制模块1发送的运行时间和动力学模块3反馈的时间信息诊断系统运行状态。
制导导航控制模块1与动力学软件时间的同步通过敏感器数据请求进行控制。故制导导航控制模块1向敏感器数据存储区4发送敏感器数据请求，格式如图3所示，敏感器数据请求包含数据请求时刻和敏感器代码，数据请求时刻为制导导航控制模块1运行时间以T的整数倍向下取整。制导导航控制模块1发出敏感器数据请求后暂停运行，在敏感器数据返回之前处于暂停状态。若敏感器数据存储区4内敏感器数据的时刻小于数据请求时刻，则不向制导导航控制模块1返回数据；当且仅当敏感器数据存储区4内敏感器数据的时刻等于数据请求时刻时，则返回敏感器数据至制导导航控制模块1。制导导航控制模块1收到敏感器数据返回之后恢复并继续运行，并输出执行机构指令及该指令的时刻，执行机构指令的时刻取制导导航控制模块1当前时刻以T的整数倍向上取整，如图3格式存入执行机构指令存储区5。
如上述说明，动力学模块3不自主运行，调度模块2每发送一次启动指令，动力学模块3则启动运行一次。其运行流程如下：调度模块2每收到制导导航控制模块1发出的运行时间，即向动力学模块3发送启动指令，动力学模块3响应启动指令启动，首先向执行机构指令存储区5发送执行机构指令请求以要求执行机构指令，请求中包含指令请求时刻，该指令请求时刻取动力学模块3当前时刻，数据格式如图2。若执行机构指令的时刻小于指令请求时刻，则不向动力学模块3返回执行机构指令。当执行机构指令的时刻等于指令请求时刻，则返回执行机构指令至动力学模块3，动力学模块3收到执行机构指令并运行一次，运行结束后，敏感器数据的时刻取动力学模块3当前时刻，运行结束即输出该时刻的敏感器数据存入敏感器数据存储区4。动力学模块3运行一次完成后进入暂停状态，等待调度模块2下一次的启动指令。并且动力学模块3运行一次完成时，若调度模块2需要向调度模块发送系统的当前时间。
其中，敏感器数据存储区/执行机构指令存储区可通过共享内存，管道等方式实现，采用先入先出机制，即先存入的数据先进行输出。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (16)
1.一种卫星仿真系统，其特征在于，该系统包含：
制导导航控制模块；
调度模块，其输入端信号连接所述制导导航控制模块，接收制导导航控制模块发送的运行时间，每收到一次运行时间即发送启动指令；
动力学模块，其输入端信号连接所述调度模块；响应调度模块的启动指令，请求并执行执行机构指令；
执行机构指令存储区，其双向信号连接动力学模块，输入端信号连接制导导航控制模块，接收动力学模块的执行机构指令请求并发送执行机构指令至动力学模块；
敏感器数据存储区，其双向信号连接所述制导导航控制模块，输入端信号连接所述动力学模块，用于接收和存储敏感器数据；
所述制导导航控制模块与动力学模块相互通过共享内存信号连接。
2.如权利要求1所述的卫星仿真系统，其特征在于，所述的制导导航控制模块包含星载模块。
3.一种如权利要求1或2中所述卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，该方法包含：
制导导航控制模块每过T时间向调度模块发送运行时间；T为动力学模块的离散周期；
调度模块每收到运行时间，即向动力学模块发送启动指令，动力学模块响应启动指令，发送执行机构指令请求，并包含指令请求时刻，当执行机构指令的时刻等于指令请求时刻，则返回执行机构指令至动力学模块，动力学模块收到执行机构指令并运行一次，运行结束即输出该时刻的敏感器数据；
制导导航控制模块发送敏感器数据请求，敏感器数据请求包含数据请求时刻和敏感器代码，当敏感器数据的时刻等于数据请求时刻，则返回敏感器数据至制导导航控制模块，制导导航控制模块继续运行并输出执行机构指令及该指令的时刻。
4.如权利要求3所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述制导导航控制模块为自主运行；动力学模块为不自主运行。
5.如权利要求3所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述动力学模块运行一次，系统时间累加一个采样周期。
6.如权利要求3所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述动力学模块输出敏感器数据存入敏感器数据存储区；制导导航控制模块向敏感器数据存储区发送敏感器数据请求，敏感器数据存储区反馈敏感器数据给制导导航控制模块。
7.如权利要求3或6所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述数据请求时刻为制导导航控制模块运行时间以T的整数倍向下取整。
8.如权利要求7所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，若敏感器数据的时刻小于数据请求时刻，则不向制导导航控制模块返回敏感器数据。
9.如权利要求3所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述制导导航控制模块输出执行机构指令存入执行机构指令存储区；动力学模块向执行机构指令存储区发送执行机构指令请求，执行机构指令存储区反馈执行机构指令给动力学模块。
10.如权利要求3或9所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述执行机构指令的时刻取制导导航控制模块当前时刻以T的整数倍向上取整。
11.如权利要求9所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，若执行机构指令的时刻小于指令请求时刻，则不向动力学模块返回执行机构指令。
12.如权利要求3所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述制导导航控制模块发出敏感器数据请求后暂停运行，并在敏感器数据返回之后恢复并继续运行。
13.如权利要求3所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述动力学模块运行一次完成后进入暂停状态，等待调度模块下一次的启动指令。
14.如权利要求3或5所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述动力学模块运行一次完成时，若调度模块需要向调度模块发送系统的当前时间。
15.如权利要求3所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述动力学模块接收调度模块的启动指令时，向调度模块反馈系统时间作为校验信息。
16.如权利要求15所述的卫星仿真系统的数据同步方法，其特征在于，所述调度模块根据制导导航控制模块发送的运行时间和动力学模块反馈的系统时间诊断系统的运行状态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170606 |