测试仿真一体化技术在航天器研制中的应用

作者：北京康拓工控 王军鹰

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 在航天器研制过程中，需要对研制对象进行大量测试和仿真，其对象包括整星、部件、算法等。测试和仿真贯穿航天器研制的整个过程，从而对被测试和被仿真对象的设计进行全面、系统的评估。我国从开始研制航天器之初，便开始了对航天器的测试仿真工作，至今已有50多年的历史，航天器及部件的测试和仿真技术已广泛应用在各研制阶段。随着航天技术的发展，航天器复杂程度越来越高、功能越来越多、在轨时间越来越长，航天的投入和风险也越来越高，因此，需要不断提高仿真器设计水平，以满足航天技术发展的需要。 航天器研制中的测试和仿真航天器仿真分为数学仿真、半物理仿真、物理仿真3种类型。数学仿真是借助电子计算机，对被仿真对象的数学模型进行计算，用数学的方法进行仿真运算，验证数学模型、测控算法是否正确。半物理仿真将数学模型和物理模型相结合，借助电子计算机进行模拟运算，验证测控算法和物理设计是否正确。物理仿真是建立被仿真对象的物理模型，从实物上考察设计的正确性。 在航天器在不同研制阶段，会采用不同类型的仿真。在研制初期，采用数学仿真，利用计算机进行软件计算，对研制对象的数学模型、控制算法进行研究，研究的结果将作为实际物理器件研制的理论参考；在研制过程中，采用半物理仿真，制作仿真器，加入算法，对控制算法和部分电路、接口、信号进行验证；在研制的最后，会研制航天器样机，进行完全的物理仿真，考察整个航天器设计是否有问题。 原有仿真器的问题 我国航天器研制已有50年的历史，采用的仿真方法是非常实用而有效的，并已取得了辉煌的成绩。目前，计算机软硬件技术飞速发展，性能已经比原来的计算设备有了几个数量级的提升，因此，有效地改进原有仿真器的需求就摆在了面前。原有仿真器的问题总结如下： （1）仿真器设计架构不统一，硬件、软件设计千差万别，技术水平参差不齐，从而导致仿真器仿真效果差异较大，性能、安全性、易用性不能保证；设计周期长，不能形成成熟的设计方案，很少具有继承性。 （2）仿真器一旦设计完成，就不易修改。由于没有统一架构，软、硬件各不相同，导致后期修改、维护成为问题，经常需要固定的人员采用特定的方法并调试设备才能完成，可能会拖延航天器的研制进度。 （3）仿真器与测试设备没有一套全面的系统化方案，不能构成一个有机的整体，导致在后期试验过程中，仿真器和测试设备互相制约，限制了各自功能的发挥。 （4）仿真器在后期试验中，不能轻易地根据试验结果随时在线调整算法和参数，导致被仿真的测控算法和控制参数不能达到理论计算的精准度；而正是因为某些偶发的微小偏差，导致航天器实际运行中的控制失误和寿命缩短。 航天器测试仿真一体化设备 为解决仿真器存在的问题，需要对原有问题提出解决方案。 （1）制定统一的仿真器架构，采用相同的处理器、相同的总线标准、相同的机械结构，尽量采用商用货架产品（COTS）， 最大限度地降低后期维护的难度和成本，缩短研制周期。 （2）仿真器在采用与测试系统相同的处理器和总线标准基础上，采用相同的软件平台和应用软件开发工具，生成标准的测试程序集（TPS）， 便于后期对数学模型和测控算法、参数进行移植和维护。 （3）仿真器与其测试设备具有一定的兼容性，在试验过程中，可以由一台计算机统一指挥。同时，仿真器数学模型和测控算法与测试设备的测试算法具有相同的修改方法和调试工具，这样不但可以统一调试工具和修改平台，降低使用难度，而且测试人员也可以对仿真器进行维护，减少测试过程中的人力投入。 （4）仿真器的数学模型和测控算法，能够在后期测试过程中在线修改、下装，使测试过程不仅是检测被测对象的过程，也是不断完善、精确调整测控算法、参数的过程，从而大量减少试验次数，使仿真器在长时间的全轨道测试过程中得到进一步精确调整，为航天器运行的长寿命、高精度运行打下基础。 为了达到上述目标，北京康拓工控在原有“KT8000通用自动测试平台”的基础上，利用测试仿真一体化技术，研制了与之配套的“航天器仿真系统”.“航天器仿真系统”是一个通用的仿真测试解决方案，它具有一套成熟的设计架构，硬件、软件大多采用成熟而标准的产品，达到了与“KT8000通用自动测试平台”统一调试、配套使用的目的。“航天器仿真系统”处理器采用Intel公司X86系列CPU,CPU板具有100Mbps以太网接口，以及其他多种标准接口，满足了CPU板的通用性。I/O板卡除物理仿真板卡外，其他大多属于通用板卡，具有多种类型。CPU板、I/O 板、物理仿真板卡等全采用6U大 板结构，增大了板卡面积，能容纳更多电路和器件，从而实现了更多的功能。板卡总线采用了欧洲AT96（IEEE996）标准，后出线、后插针结构，既方便了板卡拔插，又增强了板卡的抗震、抗油污粉尘能力，保证了板卡连接的可靠性。连接板卡的机架，采用6U标准机架，机架母板具有2条总线，一条是欧洲AT96（IEEE996）标准的96芯标准总线，另一条是96芯用户自定义总线，用户自定义总线可以被I/O板卡用来做对外信号的输入输出端口，在母板背面，安装96芯电缆插座，可以通过电缆连接至其他设备。 “航天器仿真系统”机箱属于定制产品，内部安装了机架和板卡。机箱面板装有仿真器信号状态指示灯和操作按钮。机箱背板安装仿真信号插座，能够输入输出仿真信号。插座内部通过电缆，与机架母板背面96芯电缆插座相连。仿真器软件平台采用高可靠、高精度通用实时操作系统（RTOS），可实现毫秒级精度的任务调度，为仿真器准确可靠运行提供了保证。仿真器应用软件采用标准组态软件，通过添加标准组态软件算法后，它可以充分满足航天器部件测试算法的要求。使用仿真器时，需用以太网将仿真器CPU板与策略组态计算机相连，策略组态计算机是一台普通的商用计算机，内部安装Windows操作系统和组态软件的算法组态工具，通过组态方式生成仿真算法，并将仿真算法下载到仿真器中，仿真器运行仿真算法，通过仿真接口输入、输出仿真信号，从而实现仿真过程。 “航天器仿真系统”中采用的板卡、机架，除仿真板卡外，全部采用了商用货架产品（COTS）， 减低了后期的维修、维护、更换工作的难度；随着实验的进行，还会不断有更高性能的兼容板卡供选用。系统软件和应用软件也是通用的商业产品，有很长的应用时间和大量的使用实例，保证了软件的可靠性。由于软件新版本的向下兼容，保证了后期同类仿真器也可以运行原有仿真器的算法。由于采用了通用组态软件，使仿真器的仿真算法可以组态生成，避免了繁琐易错的编程过程，也使后期算法的修改、维护变得简单易行。同时，由于生成的仿真算法以文件形式存储，以标准的模块方式被调用，因此，收集已完成的仿真算法可以生成测试程序集（TPS），供以后的仿真器调用，减轻了以后同类型仿真器的研发难度。 “航天器仿真系统”是在原有“KT8000通用自动测试平台”技术基础上研制的，采用了与测试平台相同的架构、相同的系统和应用软件，因此，它与测试平台具有很好的兼容性。当采用“KT8000通用自动测试平台”进行航天器测试时，由于测试平台通过调度机下装测试算法，而仿真器与测试平台采用相同的组态软件，因此，用以太网连接仿真器与调度机，仿真算法就也可以通过调度机组态、修改并下装了，从而实现了测试算法和仿真算法的组态、修改、下装、调试的一体化。 测试仿真一体化的优点 采用测试仿真一体化技术，实现了测试算法和仿真算法的组态、修改、下装、调试的一体化，使测试系统和仿真器有机结合，具有如下优点： （1）采用同一组态平台，节省了人力、物力。由于测试算法和仿真算法能够共同在调度机上组态、修改、下装、调试，因此，节省了仿真器的调试设备，使测试人员也有能力、有条件对仿真算法进行修改调试。 （2）在部件研制进度拖后时，仿真器可以作为替代品，先参加系统调试。由于仿真器采用大量的成熟产品和技术，因此研制时间非常短，在仿真算法成熟的情况下，可以提前作为被仿真对象的替代品，加入系统联调，为提前调试系统及其他部件提供了保证，使各部件研制开发过程得以并行，大大缩短了整个系统的研制时间。 （3）同步控制测试过程和仿真过程。仿真器通过以太网连接测试系统，调度机可以通过以太网访问仿真器，发送控制指令，读取运行状态，因此，可以实现对测试系统和仿真器的同步调度，实现测试过程和仿真过程的高度同步。 （4）仿真数据和测试数据同步存储，实现仿真和测试数据的拟合。由于仿真器与测试系统采用相同架构、相同软件，因此仿真器通过以太网连接测试系统，可以将内部数学模型的计算数据实时传输给测试系统的服务器，服务器将仿真器的理论数据与测试系统的测试数据同步存储，并实现实时拟合，将拟合曲线在测试系统的客户端实时显示，测试人员以通过调度机随时调整仿真器中的算法和参数，大幅提高了仿真算法和参数的正确性和精度。 结束语 上述测试仿真一体化技术被广泛应用在多种型号的航天器研制中，已研制了地球敏感器、陀螺、帆板、动量轮、遥测遥控等近20种部件的仿真器。仿真器有研制周期短、性能稳定、使用灵活、易于维护的优点。随着测试技术、仿真技术、计算机技术的飞速发展，将会有更多更好的测试仿真的新方法、新系统、新设备出现，这些新技术也将会被越来越广泛地应用到各行各业中去，为提高各行业的劳动生产率提供支持。(end)

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