CN111367257A - 一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明根据在轨自主导航制导任务特点及其对仿真快速性的要求，提供一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试系统，通过虚拟计算机、动力学模型、数据总线和协同仿真模块实现硬件超实时+软件超实时双重超实时嵌套方式的仿真；其中硬件超实时面向任务全过程的GNC系统闭环回路模拟，普适性强，仿真精度高；软件超实时面向任务自由运行阶段的快速状态递推，仿真加速比高。本发明能够综合两者优势，仿真过程中两种超实时方式协调配合使用可有效加快仿真进程，满足试验快速性要求。

Description

一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星控制系统快速仿真测试技术，使用硬件超实时和软件超实时两种超实时嵌套的快速仿真测试方法。

背景技术

卫星控制系统测试常用的测试方式有：实时仿真和半物理仿真等，这类仿真测试方法，需要将星载软件运行于真实星载计算机上。受限于硬件条件，这类仿真测试方法只能按照实时步长进行测试，对于长周期任务的仿真耗时耗力。

超实时仿真测试使用虚拟计算机技术，星载软件运行于测试设备模拟的星载计算机环境中，可以使仿真时长(所测试系统内部的运行时长)大于仿真用时(实际测试所用时间)，从而实现超实时仿真。

此前的超实时仿真测试方法表现出如下缺点：

1)超实时系统中运行的星载计算机与动力学模型仿真步长是串联运行的，超实时加速率低。

2)超实时模式单一。对于长周期任务，仿真时间过长，耗时耗力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双重超实时的快速仿真测试系统及方法，能够从硬件超实时和软件超实时两个层面加速仿真测试，从而极大提高仿真效率。

本发明的技术方案是：一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试系统，通过虚拟计算机、动力学模型、数据总线和协同仿真模块实现硬件超实时+软件超实时双重超实时嵌套方式的仿真；所述的动力学模型包括实时动力学模型和超实时动力学模型两套独立的模型；

硬件超实时是利用虚拟计算机模拟星载软件运行环境，通过数据总线与实时动力学模型进行信息交互；

所述的协同仿真模块用于协同虚拟计算机和动力学模块之间的时序，使二者实现并列运行；所述的实时动力学模型按照真实步长实时运行，用于参与闭环控制；所述的超实时动力学模型收到软件超实时启动命令后，按照设定的超实时步长进行轨道和姿态推算，推算结束后将结束点的轨道信息和结束点时间赋予实时动力学模型，通过数据总线交互至运行在虚拟计算机上的星载软件。

优选的，硬件超实时适用于任务全流程，在任意工况下均可以实现超实时；

在硬件超实时基础上加入软件超实时适用于卫星在无轨控喷气的工况。

优选的，所述的硬件超实时优选适用于星载软件需要实时持续一段时间进行运算或者产生轨控效果的工况。

优选的，所述的虚拟计算机和动力学模型并行运行在同一CPU的不同内核中或者多台计算机中。

优选的，动力学模型中的实时动力学模型和超实时动力学模型运行在同一CPU的同一内核中。

优选的，所述实时动力学模型实时解算卫星动力学方程，并与星载软件进行信息交互，模型的运行、暂停、终止会影响星载软件运行；

超实时动力学模型超实时解算卫星动力学方程，只与实时动力学模型进行数据交互，模型的运行、暂停、终止不会影响星载软件运行。

优选的，所述的星载软件作为控制回路中的控制器输出控制信号，控制信号通过数据总线输入动力学模型，动力学模型实时解算卫星轨道和姿态动力学，输出新的姿态信息反馈给星载软件，从而构成闭环控制。

优选的，所述的协同仿真模块通过下述方式实现协同虚拟计算机和动力学模块之间的时序，使二者实现并列运行：

在每个协同仿真周期的起始时刻，由协同仿真模块向虚拟计算机和实时动力学模型发出启动信号，虚拟计算机内的星载软件开始运行，实时动力学模型开始仿真计算，并在每个动力学仿真步长结束后，将输出信息(如各敏感器的姿态信息)存放在数据总线的指定存储区域A；

当协同仿真模块检测到星载软件有外部通讯的需求后，协同仿真模块从所述指定存储区域A内读取信息并传递给星载软件进行计算；当协同仿真模块检测到星载软件有控制信息(如喷气时长)输出时，将该信息存储到指定区域B，并在动力学下一个仿真步长开始时，协同仿真模块从所述指定存储区域B内读取信息并传递给动力学模型，动力学模型根据控制信息作出相应的状态模拟。

优选的，在一个协同仿真周期内，虚拟计算机与动力学模型是并列运行的，而不是星载软件运行完一个仿真周期后再将信息给动力学模型进行计算。使用该并行方式可以大幅提高超实时速率。

一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试方法，其特征在于包括主流程、数据交互子流程、超实时子流程，其中：

主流程：

步骤一：协同仿真周期起始时刻，选择是否启动超实时模式，发出启动信号，进入步骤二；

步骤二：星载软件和动力学模型同时并列运行，运行数据交互子流程，运行超实时子流程，进入步骤三；此处的动力学模型当未启动超实时模式时，只运行实时动力学模型；当启动超实时模式时，同时运行实时动力学模型和超实时动力学模型；

步骤三：判断是否收到星载软件运行结束信号，如果没有收到，进入步骤四；如果收到，进入步骤五；

步骤四：判断是否收到动力学模型运行结束信号，如果没有收到，进入步骤二；如果收到，进入步骤七；

步骤五：星载软件暂停运行，动力学模型继续运行，运行超实时子流程，进入步骤六；

步骤六：星载软件已运行结束，判断是否收到动力学模型运行结束信号，如果没有收到，进入步骤五；如果收到，进入步骤九；

步骤七：动力学模型暂停运行，星载软件继续运行，运行数据交互子流程，进入步骤八；

步骤八：动力学模型已经运行结束，判读是否收到星载软件运行结束信号，如果没有收到，进入步骤七；如果收到，进入步骤九；

步骤九：星载软件与动力学模型均运行结束，一个协同仿真周期结束，进入步骤一，开始下一个协同仿真周期；

数据交互子流程：

(1)：星载软件是否有外部通讯需求，如果有，进入步骤(2)；如果没有，进入步骤(3)；

(2)：协同仿真软件根据通讯指令，在指定区域取对应姿态敏感器的姿态信息反馈给星载软件，进入步骤(3)；

(3)：星载软件是否有控制信息输出，如果有，进入步骤(4)；如果没有，进入步骤(5)；

(4)：协同仿真软件将控制信息存放在指定区域，等待动力学模型运行一个步长后，将控制信息传输给动力学模型，进入步骤(5)；

(5)：返回主流程；

超实时子流程：

S1：判断是否正在运行超实时模式，如果否，进入步骤S2；如果是，进入步骤S4；

S2：动力学模型判断是否收到超实时模式启动指令，如果是，进入步骤S3；如果不是，进入步骤S6；

S3；超实时动力学模型读取实时动力学模型当前状态作为超实时动力学模型的起始状态，按照设定的超实时步长开始仿真，进入步骤S4；

S4：超实时动力学模型是否运算至设定时长，如果是，进入步骤S5；如果不是进入步骤S6；

S5：将超实时动力学模型计算结果，赋值给实时动力学模型，实时动力学模型由新的状态开始进行动力学方程解算；实时动力学模型将新状态下的时间和姿态信息传输给星载软件，进入步骤S6；

S6：返回主流程。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明在“硬件行为模拟”和“软件运算”两个层面实现超实时运行。其中硬件超实时面向任务全过程的GNC系统闭环回路模拟，普适性强，仿真精度高；软件超实时面向任务自由运行阶段的快速状态递推，仿真加速比高。本发明能够综合两者优势，仿真过程中两种超实时方式协调配合使用可有效加快仿真进程，满足试验快速性要求。

2)本发明采用星载软件与动力学模型并行运行的方式，充分利用计算机多核资源或者多台计算机资源，从而达到提高超实时速率的目的。

3)本发明的动力学模型中，并存两套动力学模型。使用该方式可以保证在进行超实时递推计算的过程中，动力学模型仍然可以与星载软件通讯，提供正确的时间、姿态和轨道信息。

附图说明

图1是本发明系统组成；

图2是本发明协同仿真时序示意；

图3是本发明软件超实时流程示意。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明系统包括虚拟计算机、动力学模型、数据总线和协同仿真模块四个组成，是一种双重超实时仿真测试系统。双重超实时包括硬件超实时和软件超实时，其中硬件超实时是通过将星载计算机虚拟化，在脱离星上产品的设备中模拟星载软件运行环境，通过数据总线与实时动力学模型进行信息(控制信号和测量信息)交互。

星载软件作为控制回路中的控制器输出控制信号，控制信号通过总线输入动力学模型，动力学模型中的执行机构响应控制信号。动力学模型根据新的状态实时解算卫星轨道和姿态动力学，姿态模拟器输出新的姿态信息反馈给星载软件，从而构成闭环控制。在本发明中星载软件和动力学模型分别于计算机CPU的两个内核中或者多台计算机中并行运行，通过协同仿真模块同步两者的时序。软件超实时是在动力学模型中运行两套独立的动力学模型(两套模型运行在同一CPU的同一内核中)，一套(称为实时动力学模型)按照真实步长实时运行，用于参与闭环控制。另一套(称为超实时动力学模型)当收到软件超实时启动命令后，按照设定的超实时步长在后台进行快速轨道和姿态推算，推算结束后将结束点的状态即轨道信息及结束点时间赋予实时动力学模型，从而实现软件超实时。

硬件超实时适用于任务全流程，在任意工况下均可以实现超实时；特别是对于星载程序需要实时持续一段时间进行运算或者产生轨控效果的工况，系统只可以使用硬件超实时加速仿真；软件超实时超实时倍率高，适用于卫星长时间处于漂飞的工况下运行，在硬件超实时基础上加入软件超实时进行快速轨道递推，提高仿真效率。

虚拟计算机中运行星载软件及模拟其运行环境。为了保证程序运算过程、结果和逻辑与星上运行结果一致，需在虚拟计算机中模拟运行环境，包括虚拟CPU、虚拟内存、虚拟时钟、虚拟中断、虚拟I/O等。其中虚拟CPU集成相应CPU的指令集，用于程序运算和逻辑处理；虚拟内存用于程序存储和数据存储；虚拟时钟用于模拟时钟积数，用于控制周期判断；虚拟中断用于模拟遥控遥测中断信号；虚拟I/O用于模拟CPU外设芯片，模拟422、1553等各类通讯接口。

动力学模型中包含各类测量敏感器、执行机构、姿态动力学和轨道动力学，用于模拟测量部件和执行部件的行为。

如图2所示，一般t_Xi>>t_Di，取n＝t_Xi/t_Di，其中n为正整数。在每个协同仿真周期(t_Si)以星上软件运行一个控制周期(t_Xi)且动力学完成n个步长仿真(t_Din)为判断条件，即t_Si＝max(t_Xi，t_Din)。以第1个协同仿真周期为例，在T₀时刻(也即t_S0时刻)协同仿真模块向虚拟计算机和动力学模型(实时动力学模型)发出启动信号，虚拟计算机中的星载软件开始运算。运行到t_D11＝t_D时，动力学模型完成一个步长的仿真，仿真过程中产生的姿态信息存放在姿态信息存储区域内，动力学模型进入下一个仿真周期。运行到t_D1a＝at_D时，星载软件读取姿态信息并进行计算。运行到t_D1b＝bt_D时，虚拟计算机输出控制信息存储到特定区域，在b+1个仿真步长起始前，协同仿真模块将控制信息输入动力学模型，动力学模型在第b+1个步长仿真时作出相应的状态模拟。虚拟计算机运行一个控制周期后向协同仿真软件发出结束信号，动力学模型运行n个仿真步长后同样发出结束信号，协同仿真模块在接收到两个结束信号后，向两个模块发出下一个协同仿真周期的启动信号，两个模块一旦有一方先运行结束即暂停运行等待下一个启动信号。星载软件是以星载计算机的晶振周期或虚拟计算机中模拟的晶振周期作为时钟周期的，1个机器周期包含12个时钟周期，执行1条指令需要若干机器周期。假如星载计算机以12MHz晶振为时钟周期，那么执行1条单周期指令需要用时1μs(即星上系统钟增加1μs)，而虚拟计算机的晶振远大于12MHz，如3GHz，执行1条单周期指令只需要用时0.004μs(即完成该条指令仿真用时0.004μs，而星上时钟累加1μs)，从而实现硬件超实时。

上文所述中：

t_Si为第i个(i＝1，2，3…)协同仿真周期时间(以协同仿真模块发出启动信号为始，到收到星载软件和动力学模型运行结束信号为止的时长)；

t_Xi为第i个协同仿真周期内星上控制周期时间(以虚拟晶振脉冲进行积数)；

t_D为实时动力学仿真步长(由模型参数设定)，t_Dik为第i个协同仿真周期内第k(1≤k≤n)个动力学步长；

a表示星载软件进行外部通讯时，该协同仿真周期内动力学运行于第a个步长；

b表示星载软件有控制指令输出时，该协同仿真周期内动力学运行于第b个步长。

如图3所示，动力学模型中包含实时动力学模型和超实时动力学模型。实时模式运行时，通过实时动力学模型与星载软件进行数据交互。软件超实时模式运行时，超实时动力学模型读取当前实时动力学模型的状态作为初值，以实时动力学模型步长的W倍(W＞1，为可设置参数)进行超实时运算，运算结束后，通过将新的动力学状态赋给实时动力学模型，再通过实时动力学模型将新的状态赋予星载软件，从而实现软件超实时。

结合两种超实时原理的特点，针对不同的工况使用不同的超实时功能，可以达到快速仿真的目的。

本例给出一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试方法，包括主流程、数据交互子流程、超实时子流程，其中：

主流程：

步骤一：协同仿真周期起始时刻，选择是否启动超实时模式，发出启动信号，进入步骤二；

步骤二：星载软件和动力学模型同时并列运行，运行数据交互子流程，运行超实时子流程，进入步骤三；此处的动力学模型当未启动超实时模式时，只运行实时动力学模型；当启动超实时模式时，同时运行实时动力学模型和超实时动力学模型；

步骤三：判断是否收到星载软件运行结束信号，如果没有收到，进入步骤四；如果收到，进入步骤五；

步骤四：判断是否收到动力学模型运行结束信号(动力学模型运行一个协同仿真周期所规定的步长，即下文所描述的一个协同仿真周期内，动力学模型运行n个步长，在超实时模式下，两个模型同时启动同时结束运行)，如果没有收到，进入步骤二；如果收到，进入步骤七；

步骤五：星载软件暂停运行，动力学模型继续运行，运行超实时子流程，进入步骤六；

步骤六：星载软件已运行结束，判断是否收到动力学模型运行结束信号，如果没有收到，进入步骤五；如果收到，进入步骤九；

步骤七：动力学模型暂停运行，星载软件继续运行，运行数据交互子流程，进入步骤八；

步骤八：动力学模型已经运行结束，判读是否收到星载软件运行结束信号，如果没有收到，进入步骤七；如果收到，进入步骤九；

步骤九：星载软件与动力学模型均运行结束，一个协同仿真周期结束，进入步骤一，开始下一个协同仿真周期；

数据交互子流程：

(1)：星载软件是否有外部通讯需求，如果有，进入步骤(2)；如果没有，进入步骤(3)；

(2)：协同仿真软件根据通讯指令，在指定区域取对应姿态敏感器的姿态信息反馈给星载软件，进入步骤(3)；

(3)：星载软件是否有控制信息输出，如果有，进入步骤(4)；如果没有，进入步骤(5)；

(4)：协同仿真软件将控制信息存放在指定区域，等待动力学模型运行一个步长后，将控制信息传输给动力学模型，进入步骤(5)；

(5)：返回主流程；

超实时子流程：

S1：判断是否正在运行超实时模式，如果否，进入步骤S2；如果是，进入步骤S4；

S2：动力学模型判断是否收到超实时模式启动指令，如果是，进入步骤S3；如果不是，进入步骤S6；

S3；超实时动力学模型读取实时动力学模型当前状态作为超实时动力学模型的起始状态，按照设定的超实时步长开始仿真，进入步骤S4；

S4：超实时动力学模型是否运算至设定时长，如果是，进入步骤S5；如果不是进入步骤S6；

S5：将超实时动力学模型计算结果，赋值给实时动力学模型，实时动力学模型由新的状态开始进行动力学方程解算；实时动力学模型将新状态下的时间和姿态信息传输给星载软件，进入步骤S6；

S6：返回主流程。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试系统，其特征在于：通过虚拟计算机、动力学模型、数据总线和协同仿真模块实现硬件超实时+软件超实时双重超实时嵌套方式的仿真；所述的动力学模型包括实时动力学模型和超实时动力学模型两套独立的模型；

硬件超实时是利用虚拟计算机模拟星载软件运行环境，通过数据总线与实时动力学模型进行信息交互；

所述的协同仿真模块用于协同虚拟计算机和动力学模块之间的时序，使二者实现并列运行；所述的实时动力学模型按照真实步长实时运行，用于参与闭环控制；所述的超实时动力学模型收到软件超实时启动命令后，按照设定的超实时步长进行轨道和姿态推算，推算结束后将结束点的轨道信息和结束点时间赋予实时动力学模型，通过数据总线交互至运行在虚拟计算机上的星载软件。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：硬件超实时适用于任务全流程，在任意工况下均可以实现超实时；

在硬件超实时基础上加入软件超实时适用于卫星在无轨控喷气的工况。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的硬件超实时优选适用于星载软件需要实时持续一段时间进行运算或者产生轨控效果的工况。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的虚拟计算机和动力学模型并行运行在同一CPU的不同内核中或者多台计算机中。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：动力学模型中的实时动力学模型和超实时动力学模型运行在同一CPU的同一内核中。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述实时动力学模型实时解算卫星动力学方程，并与星载软件进行信息交互，模型的运行、暂停、终止会影响星载软件运行；

超实时动力学模型超实时解算卫星动力学方程，只与实时动力学模型进行数据交互，模型的运行、暂停、终止不会影响星载软件运行。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的星载软件作为控制回路中的控制器输出控制信号，控制信号通过数据总线输入动力学模型，动力学模型实时解算卫星轨道和姿态动力学，输出新的姿态信息反馈给星载软件，从而构成闭环控制。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的协同仿真模块通过下述方式实现协同虚拟计算机和动力学模块之间的时序，使二者实现并列运行：

在每个协同仿真周期的起始时刻，由协同仿真模块向虚拟计算机和实时动力学模型发出启动信号，虚拟计算机内的星载软件开始运行，实时动力学模型开始仿真计算，并在每个动力学仿真步长结束后，将输出信息存放在数据总线的指定存储区域A；

当协同仿真模块检测到星载软件有外部通讯的需求后，协同仿真模块从所述指定存储区域A内读取信息并传递给星载软件进行计算；当协同仿真模块检测到星载软件有控制信息输出时，将该信息存储到指定区域B，并在动力学下一个仿真步长开始时，协同仿真模块从所述指定存储区域B内读取信息并传递给动力学模型，动力学模型根据控制信息作出相应的状态模拟。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：在一个协同仿真周期内，虚拟计算机与动力学模型是并列运行的。

10.一种运用于控制系统的双重超实时快速仿真测试方法，其特征在于包括主流程、数据交互子流程、超实时子流程，其中：

主流程：

步骤一：协同仿真周期起始时刻，选择是否启动超实时模式，发出启动信号，进入步骤二；

步骤二：星载软件和动力学模型同时并列运行，运行数据交互子流程，运行超实时子流程，进入步骤三；此处的动力学模型当未启动超实时模式时，只运行实时动力学模型；当启动超实时模式时，同时运行实时动力学模型和超实时动力学模型；

步骤三：判断是否收到星载软件运行结束信号，如果没有收到，进入步骤四；如果收到，进入步骤五；

步骤四：判断是否收到动力学模型运行结束信号，如果没有收到，进入步骤二；如果收到，进入步骤七；

步骤五：星载软件暂停运行，动力学模型继续运行，运行超实时子流程，进入步骤六；

步骤六：星载软件已运行结束，判断是否收到动力学模型运行结束信号，如果没有收到，进入步骤五；如果收到，进入步骤九；

步骤七：动力学模型暂停运行，星载软件继续运行，运行数据交互子流程，进入步骤八；

步骤八：动力学模型已经运行结束，判读是否收到星载软件运行结束信号，如果没有收到，进入步骤七；如果收到，进入步骤九；

步骤九：星载软件与动力学模型均运行结束，一个协同仿真周期结束，进入步骤一，开始下一个协同仿真周期；

数据交互子流程：

(1)：星载软件是否有外部通讯需求，如果有，进入步骤(2)；如果没有，进入步骤(3)；

(2)：协同仿真软件根据通讯指令，在指定区域取对应姿态敏感器的姿态信息反馈给星载软件，进入步骤(3)；

(3)：星载软件是否有控制信息输出，如果有，进入步骤(4)；如果没有，进入步骤(5)；

(4)：协同仿真软件将控制信息存放在指定区域，等待动力学模型运行一个步长后，将控制信息传输给动力学模型，进入步骤(5)；

(5)：返回主流程；

超实时子流程：

S1：判断是否正在运行超实时模式，如果否，进入步骤S2；如果是，进入步骤S4；

S2：动力学模型判断是否收到超实时模式启动指令，如果是，进入步骤S3；如果不是，进入步骤S6；

S3；超实时动力学模型读取实时动力学模型当前状态作为超实时动力学模型的起始状态，按照设定的超实时步长开始仿真，进入步骤S4；

S4：超实时动力学模型是否运算至设定时长，如果是，进入步骤S5；如果不是进入步骤S6；

S5：将超实时动力学模型计算结果，赋值给实时动力学模型，实时动力学模型由新的状态开始进行动力学方程解算；实时动力学模型将新状态下的时间和姿态信息传输给星载软件，进入步骤S6；

S6：返回主流程。

Images