CN116796548A - 卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SysML语言的卫星平台单机综合管理单元电接口数字化建模方法卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，包括：定义卫星综合电子分系统任务上下文，捕获综合电子分系统所有外部电接口，将综合电子分系统的外部电接口中属于综合管理单元的部分，映射形成综合管理单元的外部接口；对描述综合管理单元外部电接口的port或proxy port进行全面的数字化定义与建模；综合管理单元电接口典型信号属性的参数计算及接口关键信号特性的可视化表达；基于参数的Hyperlinks链接生成基于模型的电接口数据单。可全面系统地捕获综合管理单元的接口，对接口进行基于模型的规范化定义，实现接口特性的动态更新，方便接口规格的确认和校验，可进一步推广至其他领域，达到降本增效，提高产品质量的目的。

Description

卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法

技术领域

本发明属于宇航类单机的仿真与建模领域，具体涉及一种卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法。

背景技术

卫星综合管理单元作为星务软件和姿轨控软件的运行平台，承担整星各分系统的遥测遥控、数据采集、程序控制、提供整星时统等功能，具有接口类型复杂、接口数量多的特点。以某型号的卫星综合管理单元为例，各式的电连接器数目达37个，输入输出信号线路多达1900多路。综合管理单元现有的接口数据单主要采用基于文本，人工定义的方式。为了保证接口信息描述的完整准确，仅综合管理单元一个单机、定义接口数据单的文档便有110多页。

基于文本的接口数据单对接口属性的描述中，存在条理性差、不规范、不一致、多义性等问题。为了实现接口数据单与设计图纸的匹配对应和校验，通常需要采用人工校核的方式，费时费力，且容易出错。当出现技术状态更改时，接口数据单也需要人工进行更改，很容易发生遗漏或错误。

近些年来，基于模型的系统工程(MBSE)快速发展，能够有效克服基于文本的系统工程(TES)所面临的问题。MBSE在航天航空、船舶等复杂工程领域已经得到广泛应用，整机级系统层基于MBSE的接口识别与控制已积累一定的研究成果。申请号为CN114936451A的中国专利，公开了一种基于MBSE的复杂产品数字样机建模方法，在系统的内部模块图中进行接口设计，通过流口《flowPort》表达信号或能量传输，普通接口表示结构上的连接关系。申请号为CN115186389A的中国专利，公开一种基于SysML定义的民用飞机机载系统功能接口定义方法，从飞机运行场景出发，明确系统功能接口来源，通过接口模块(interfaceblock)流属性(flow property)定义飞机机载系统某功能与参与者之间的输入、输出。申请号为CN112558498A的中国专利，提出一种基于数据池的MBSE飞行器系统间联合设计与验证方法，通过建立接口数据池(包括“xxx.h”和“xxx.lib”格式的头文件和数据库)实现从模型信号向型号数据接口的快速定义，统一接口管理，减少接口数据定义工作量。

然而，目前国内外尚未公布基于SysML语言，适用于宇航电单机的物理层接口的系统性的识别和定义方法。现有方法针对飞机机载系统、飞行器系统的接口定义方法也无法直接应用到子系统或者单机层面。这方面的研究也未见相关文献研究的披露。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于SysML语言的宇航类卫星平台单机综合管理单元接口的数字化建模方法。

本发明的目的是：目前卫星综合管理单元接口类型复杂、接口数量多，接口数据单需要基于文本，人工定义，从而带来的一系列问题。为此，本发明基于SysML语言，采用MagicDraw建模软件，给出一种用于卫星综合管理单元电接口的数字化建模方案。从而基于综合管理单元的物理层模型，自动产生信息完整的接口数据单。本发明提出的接口建模方法同样适用于其他系统或单机。

本发明所采用技术方案的具体实施步骤如下：

步骤1，高效准确地捕获识别综合管理单元的所有外部电接口。具体而言：

步骤1.1，定义卫星综合电子分系统任务上下文。综合电子分系统任务上下文中，包含综合电子分系统、以及与综合电子分系统发生信息交互的卫星中其他所有单元(分系统\子系统\单机等)。综合管理单元是卫星综合电子分系统的主要硬件组成部分。

步骤1.2，在综合电子分系统任务上下文的内部块图(IBD)中，根据实际的连接关系，捕获综合电子分系统所有的外部电接口。识别综合电子分系统与测控分系统、姿轨控分系统、热控分系统、供配电分系统、太阳阵子系统、GNSS子系统、载荷分系统等分系统(子系统)之间的所有的信息交互接口。

步骤1.3，采用未定义类型的proxy port或port，将综合电子分系统的外部接口中属于综合管理单元的接口不重不漏地映射到综合管理单元之上。从而充分、全面、准确地捕获综合管理单元单机的所有外部接口。

步骤2，采用block、interface block模型元素对描述综合管理单元外部电接口的port或proxy port进行数字化定义。

具体而言，对综合管理单元的外部接口，例如与测控子系统进行通信的三线制同步RS422上行遥控接口、二线制同步RS422下行遥测接口、应答机遥测的异步RS422接口、应答机CAN总线通信接口、测控子系统模拟量遥测采集接口、应答机遥控指令OC门接口、供电接口等，运用由blcok或interface block定义的port或proxy port进行建模。

步骤2.1,定义某一类电接口的抽象父类block。综合管理单元的典型接口类包括：三线制同步RS422接口、二线制同步RS422接口、异步RS422接口、CAN总线接口、OC门接口、供电接口等。分别采用block模型元素建立父类接口模型，与之一一对应。以三线制同步RS422接口为例，定义抽象父类模块：RS422_3。

步骤2.2,具体定义抽象父类block的相关属性，包括结构特性(包括值属性、流属性、约束属性、接口属性)和行为特性。以抽象父类模块RS422_3为例：

在RS422_3中定义值属性描述接口的特性参数。主要的特性参数包括：通信速率(real类，单位为bps)、先传送最高字节(Boolean类，默认为true)、时钟周期(time类，单位为ms)等。并设定参数的默认值。

在RS422_3模块中定义流属性，描述接口传递的信息流。可选的，流属性可以是简单的字符串类型变量：上行遥测PCM码，也可以是block元素定义的数据类型。

在RS422_3模块中定义约束块属性，描述接口特性参数间的约束关系。如定义接口时序参数约束块，描述接口信号的时钟周期与信号脉宽、时钟延时、门控信号延时、时钟上升沿、时钟信号下降沿后的数据保持时间等参数之间的数值关系。根据典型信号特征，设置约束关系。

在RS422_3中定义接口属性，描述RS422_3接口所包含的嵌套子接口，如时钟、门控、数据接口。

在RS422_3中利用活动或状态机对接口行为进行建模，描述接口传递信号的动态特性。

特别的，采用readself、readStructuralFeature等活动实现对RS422_3中特性参数(如值属性)的访问。

步骤2.3,通过继承抽象父类block，定义描述综合管理单元外部电接口类型的block或interface block。根据实际接口的特性，对继承的相关值属性、流属性、接口属性进行重定义。

特别地，在子类block中继承父类的约束块，并调用子类block的值属性，实现子类值属性参数的约束及特定属性值的计算。

特别地，在子类block中继承父类的行为，并调用子类block的属性参数，实现子类行为定义。

以抽象父类模块RS422_3为例，通过继承block元素RS422_3，定义测控子系统中应答机A上行遥控接口block、应答机B上行遥控接口block、应答机Q/V上行遥控接口block等，并对值属性通信速率、时钟周期等参数根据实际情况进行定义。

步骤2.4，利用接口定义子类block对综合管理单元模型中由port建模的电接口类型进行定义。利用interface block继承子类block，对模型中综合管理单元中由proxyport建模的电接口类型进行定义。

步骤3，综合管理单元电接口属性的参数约束与计算及接口关键信号特性的可视化表达。

步骤3.1，接口参数性能的动态计算。以应答机A上行遥控接口port为例，在定义其类型的应答机A上行遥控接口block中创建参数图，将描述参数关系的约束块(如接口时序参数约束块)与应答机A上行遥控接口block中相应的值属性建立关联，采用bindingconnector连接约束块的参数与对应的值属性。运行仿真，实现约束下应答机A上行遥控接口block中相关值属性的求解。

特别的，参数图中可使用matlab脚本编写的.m文件定义约束块，调用matlab求解器计算。

步骤3.2，接口信号特性及时序的可视化表达。以应答机A上行遥控接口port为例，在应答机A上行遥控接口block的活动图中编写脚本代码，获取电接口属性block中的参数(如先传送最高字节、时钟周期、时钟上升沿、信号上升沿等)，调用simulink的电路仿真模块，联合matlab/simulink仿真，实现接口特性如接口时序关系的可视化表达。

步骤4，生成综合管理单元基于模型的电接口数据单。

基于综合管理单元block，生成包含综合管理单元单机对外接口的黑盒化接口数据表和描述综合管理单元单机内部各组成间、外部接口和内部模块间的白盒化接口数据表。在黑盒化数据表和白盒化数据表中，包含接口名称、接口类型、接口所属单机/模块的信息、接口间的信息流、接口信息的去向、接口电信号属性等的描述。

特别的，通过建立定义接口类型block特性参数值的Hyperlinks链接，对接口数据单中的接口电信号相应属性值进行定义。

基于模型定义的综合管理单元接口数据单，接口的数目、属性均可随模型修改而动态变化更新。通过综合管理单元黑盒接口数据单可生成格式为.xlsx，.html，.csv的综合管理单元外部接口控制文件，基于模型生成可控接口数据单。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明通过综合管理单元所在综合电子分系统的任务上下文进行接口分析，能够全面、系统地，不重不漏地捕获综合管理单元的所有接口。

(2)本发明通过block、interface block对综合管理单元的电接口类型进行规范的、详细的描述，描述了接口的结构属性(如属性参数、内嵌接口、信息流特征)和行为特性(信号的时序关系和电信号的波形特性)，利于接口信息准确定义，实现系统物理层定义和接口定义的同时进行。进一步的，本发明对接口典型信号时序特征实现可视化，以校验互联接口属性的一致性，以及接口规格是否满足工程需求。

(3)本发明采用基于模型的接口数据单定义，实现系统设计和接口数据单的动态更新，提高单机设计师与分系统设计师的沟通效率。

(4)本发明的设计方法不仅可以应用于宇航型号同类单机、子系统产品的设计开发，还可以进一步扩展应用到其他领域的产品设计中，不但可以有效产品设计开发周期，并且可以降低产品的设计开发成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的建模流程框图；

图2为本发明一实施例的某型号综合管理单元部分电接口定义图；

图3为本发明一实施例的综合管理单元某一个三线制RS422电接口参数图；

图4为本发明一实施例的综合管理单元某一个三线制RS422电接口行为图；

图5为本发明一实施例的综合管理单元某一个三线制RS422接口电信号的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

如图1所示为本发明所采用的技术路线。某型号卫星综合管理单元的电接口模型数字化建模的具体实施步骤如下：

步骤1，高效准确地捕获和识别综合管理单元的所有外部电接口。

步骤1.1，通过SysML语言及BDD图定义卫星综合电子分系统的任务上下文。综合电子分系统任务上下文中，包含综合电子分系统、地测调试系统、姿轨控调试系统、配电子系统、姿轨控分系统、PDCU分系统、热控分系统、GNSS分系统、太阳阵子系统、推进分系统、各个载荷分系统等所有与综合电子分系统发生信息交互的卫星其他单元。综合电子分系统由综合管理单元、星务软件与加载监控软件等组成，综合管理单元是卫星综合电子分系统的唯一硬件组成。所有单元均采用block元素进行建模。

步骤1.2，在综合电子分系统任务上下文的内部块图(IBD)中，根据实际的互接关系，捕获综合电子分系统所有的外部电接口。包括综合电子分系统与地测调试系统、姿轨控调试系统、配电子系统、姿轨控分系统、PDCU分系统、热控分系统、GNSS分系统、太阳阵子系统、推进分系统、各个载荷分系统等之间的交互接口。采用未定义类型的proxy port或port对综合电子分系统与其他分系统或单机的外部接口建摸。

步骤1.3，将综合电子分系统的外部接口不重不漏地映射到综合管理单元之上。充分、准确地识别综合管理单元单机的所有外部接口。为清晰表达，图中并未画出综合电子分系统block所定义的外部接口。

步骤2，根据接口的复杂程度和重要程度，运用block、interface block分别对描述综合管理单元外部电接口的port和proxy port模型元素的类型进行定义。

具体而言：

步骤2.1,由block元素定义电接口的抽象父类。

归纳整理综合管理单元的所有外部电接口，分类抽象若干父类接口，并建模。典型的父类接口，包括RS422串口_同步3线(代表同步三线制RS422串口)、RS422串口_同步3线(代表二线制同步RS422接口)、RS422串口_异步(代表异步RS422接口)、CAN总线A/B(代表CAN总线通信接口)、OC门驱动接口、供电接口、模拟量遥测采集接口等。

步骤2.2,具体定义抽象父类block的相关属性，包括结构特性(包括值属性、)和行为特性。如图4所示，以抽象父类模块RS422串口_同步3线模块为例：

在RS422串口_同步3线模块中定义值属性描述接口及接口信号的特性参数。主要的特性参数包括：码速率(real类，单位为bps)、高字节在前(Boolean类)、门控低电平有效(Boolean类)，时钟周期(time类，单位为微秒)等。并设定参数的默认值。

在RS422串口_同步3线模块中定义流属性，描述接口传递的信息流。可选的，流属性可以是简单的字符串类型变量：上行遥控PCM码。流属性也可以是由block元素定义的数据类型，例如，上行遥控数据block。

在RS422串口_同步3线模块中定义约束属性，描述接口特性参数间的约束关系。如定义接口时序参数约束块，描述时钟周期与时钟延时、门控信号延时、时钟上升沿、时钟信号下降沿后的数据保持时间等参数之间的数值关系。根据接口典型信号的特征，设置约束关系。

在RS422串口_同步3线模块中利用活动或状态机定义模块的行为特性，描述接口传递信号的动态特性。

特别的，采用readself、readStructuralFeature等活动实现对RS422串口_同步3线模块中特性参数(如值属性)的访问。

在RS422串口_同步3线模块中定义接口属性，描述RS422_3接口所包含的嵌套子接口，如时钟、门控、数据接口。

步骤2.3,具体定义实际电接口的数字化模型block。通过继承抽象父类block，定义描述综合管理单元外部电接口类型的block或interface block。根据实际接口的特性，对继承的相关值属性、流属性、接口属性进行重定义。

特别地，在子类block中继承父类的约束块，并调用子类block的值属性参数，实现子类值属性参数的约束及特定属性值的计算。

特别地，在子类block中继承父类的行为，并调用子类block的属性参数，实现子类行为定义。

如图2所示，继承RS422串口_同步3线模块，定义测控子系统中应答机A上行遥控接口模块、应答机B上行遥控接口模块、应答机Q/V上行遥控接口模块等，并对通信速率、时钟周期等参数根据实际情况进行定义。同样地，继承RS422串口_同步2线模块，定义测控子系统中应答机A遥测接口模块、应答机B遥测接口模块、应答机Q/V遥测接口模块等。

步骤2.4，利用接口定义子类block对综合管理单元模型中由port建模的电接口类型进行定义。利用interface block继承子类block，对模型中综合管理单元中由proxyport建模的电接口类型进行定义。

步骤3，综合管理单元电接口属性的参数计算及接口关键信号特性的可视化表达。

步骤3.1，接口参数性能的动态计算。如图3所示，以应答机A上行遥控接口port为例，定义其类型的应答机A上行遥控接口block中创建参数图，将描述参数关系的约束块(如接口时序参数约束块)与应答机A上行遥控接口block中相应的值属性建立关联，采用binding connector连接约束块的参数与block中对应的值属性。根据若干设定初始值可进行参数的求解。

特别的，对于数学关系复杂的接口，参数图中可使用matlab脚本编写的.m文件定义约束块，调用matlab求解器计算。

步骤3.2，接口信号特性及时序的可视化表达。如图4所示，以随遇应答机遥控接口接口port为例，在随遇应答机遥控接口block的GetData活动图中编写脚本代码，获取电接口属性block中的参数(如先传送最高字节、时钟周期、时钟上升沿、信号上升沿等)，RS422_3线_display活动则调用simulink的电路仿真模块，联合matlab/simulink仿真，实现接口特性如接口时序关系的可视化表达。

如图5所示，利用simulink模型可视化表达了随遇应答机遥控接口电信号的时序关系。通过可视化时序表达，可进一步检查接口属性定义的准确性，实现接口的仿真验证。

步骤4，生成综合管理单元基于模型的电接口数据单。

基于综合管理单元block，生成包含综合管理单元单机对外接口的黑盒化接口数据表和描述综合管理单元单机内部各组成间、外部接口和内部模块间的白盒化接口数据表。在综合管理单元对外接口数据表中，包含接口名称、接口类型、接口所属单机/模块的信息、接口间的信息流、接口信息的去向(如，去往姿轨控分系统)、接口电信号属性(如“码速率”，“时钟周期”等参数)等的描述。

进一步的，通过建立接口类型block特性参数值(如“太阳阵控异步RS422_2_收/发”interface block中名为“码速率”的值属性)的Hyperlinks链接，对接口数据单中接口信号的相应属性值(接口数据单中“太阳阵异步RS422遥控”行对应的“接口电气特性”一列中的“码速率”字段)进行定义。使得综合管理单元接口数据单中，接口的数目、接口信号的属性均可随模型的修改而动态变化更新。通过综合管理单元的黑盒、白盒接口数据单可生成格式为.xlsx，.html，.csv的接口控制文件，从而基于模型生成可控接口数据单。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，包括：

步骤1，捕获识别卫星平台单机的综合管理单元的所有外部电接口；

步骤2，采用block和interface block模型元素对描述综合管理单元的外部电接口的port或proxy port进行数字化定义；

步骤3，对综合管理单元的外部电接口的典型信号属性的参数约束与计算及接口关键信号特性进行可视化表达；

步骤4，自动生成综合管理单元基于模型的电接口数据单。

2.根据权利要求1所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，所述步骤1，包括：

步骤1.1，定义卫星综合电子分系统的任务上下文，其中，综合电子分系统的任务上下文中，包含：综合电子分系统、以及与综合电子分系统发生信息交互的卫星中其他所有单元，卫星中其他所有单元包括：分系统、子系统或单机，综合管理单元是卫星综合电子分系统的主要硬件组成部分；

步骤1.2，在卫星综合电子分系统任务上下文的内部块图IBD中，根据实际的连接关系，捕获综合电子分系统所有的外部电接口，识别卫星综合电子分系统与测控分系统、姿轨控分系统、热控分系统、供配电分系统、太阳阵子系统、GNSS子系统和载荷分系统的分系统之间的所有的信息交互接口；

步骤1.3，采用未定义类型的proxy port或port，将卫星综合电子分系统的外部接口中属于综合管理单元的接口不重不漏地映射到综合管理单元之上，以捕获综合管理单元单机的所有外部接口。

3.根据权利要求1所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，所述步骤2，包括：

步骤2.1,定义某一类电接口的抽象父类block，整理归纳综合管理单元的典型电接口类包括：三线制同步RS422接口、二线制同步RS422接口、异步RS422接口、CAN总线接口、OC门接口和供电接口；分别采用block模型元素建立父类接口模型与之一一对应；

步骤2.2，定义抽象父类block的相关属性，包括结构特性和行为特性；

步骤2.3，通过继承抽象父类block，定义描述综合管理单元外部电接口类型的block或interface block；根据实际接口的特性，对继承的相关值属性、流属性、接口属性进行重定义；

步骤2.4，利用接口定义子类block对综合管理单元模型中由port建模的电接口类型进行定义，利用interface block继承子类block，对综合管理单元模型中由proxy port建模的电接口类型进行定义。

4.根据权利要求3所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，分别采用block模型元素建立父类接口模型与之一一对应，包括：

定义三线制同步RS422接口对应的抽象父类模块文件RS422_3。

5.根据权利要求3所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，所述结构特性，包括：值属性、流属性、约束属性和接口属性。

6.根据权利要求3所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，定义抽象父类block的相关属性，包括：

在抽象父类模块RS422_3中定义值属性描述接口的特性参数，特性参数包括：通信速率、先传送最高字节和时钟周期，并设定参数的默认值；

在抽象父类模块RS422_3中定义流属性，描述接口传递的信息流；

在抽象父类模块RS422_3中定义约束块属性，描述接口特性参数间的约束关系，包括：定义接口时序参数约束块，描述接口信号的时钟周期与信号脉宽、时钟延时、门控信号延时、时钟上升沿和时钟信号下降沿后数据保持时间的参数之间的数值关系；根据典型信号特征，设置约束关系；

在抽象父类模块RS422_3中定义接口属性，描述RS422_3接口所包含的嵌套子接口，包括：时钟、门控和数据接口；

在抽象父类模块RS422_3中利用活动或状态机对接口行为进行建模，描述接口传递信号的动态特性；

采用readself和readStructuralFeature的活动实现对抽象父类模块RS422_3中特性参数的访问。

7.根据权利要求3所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，通过继承抽象父类block，定义描述综合管理单元外部电接口类型的block或interface block；根据实际接口的特性，对继承的相关值属性、流属性、接口属性进行重定义，包括：

在子类block中继承父类的约束块，并调用子类block的值属性，实现子类值属性参数的约束及特定属性值的计算；

在子类block中继承父类的行为，并调用子类block的属性参数，实现子类行为定义。

8.根据权利要求1所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，所述步骤3，包括：

步骤3.1，接口参数性能的动态计算，包括：定义其类型的应答机A上行遥控接口block中创建参数图，将描述参数关系的约束块与应答机A上行遥控接口block中相应的值属性建立关联，采用binding connector连接约束块的参数与对应的值属性；运行仿真，实现约束下应答机A上行遥控接口block中相关值属性的求解；

步骤3.2，接口信号特性及时序的可视化表达，包括在应答机A上行遥控接口block的活动图中编写脚本代码，获取电接口属性block中的参数，调用simulink的电路仿真模块，联合matlab/simulink仿真，实现接口特性如接口时序关系的可视化表达。

9.根据权利要求1所述的卫星平台单机综合管理单元电接口的数字化建模方法，其特征在于，所述步骤4，包括：

步骤4.1，基于综合管理单元block，生成包含综合管理单元单机对外接口的黑盒化接口数据表和描述综合管理单元单机内部各组成间、外部接口和内部模块间的白盒化接口数据表；在黑盒化数据表和白盒化数据表中，包含：接口名称、接口类型、接口所属单机或模块的信息、接口间的信息流、接口信息的去向和接口电信号属性的描述；

步骤4.2，通过建立定义接口类型block属性参数值的Hyperlinks链接，对接口数据单中的接口信号相应特性进行定义；

步骤4.3，基于模型定义的综合管理单元接口数据单，接口的数目、属性均可随模型修改而动态变化更新；通过综合管理单元黑盒接口数据单可生成格式为.xlsx，.html，.csv的综合管理单元外部接口控制文件，基于模型生成可控接口数据单。