嫦娥二號任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)仿真關(guān)鍵技術(shù)研究*

肖 媛，張志強，呂 昌，溫衛(wèi)斌

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049;3.中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

進入21世紀(jì)以來，世界航天活動呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的新態(tài)勢。按照國家制定的發(fā)展計劃，作為我國航天事業(yè)重要組成部分的探月工程將分為“繞”、“落”、“回”三期工程組織實施對月球的無人探測活動。其中，一期工程的主要目標(biāo)是實現(xiàn)繞月探測;二期工程的目標(biāo)是實現(xiàn)月球軟著陸探測和自動巡視探測;三期工程的目標(biāo)是實現(xiàn)自動采樣返回［1］。

隨著嫦娥一號任務(wù)的圓滿完成，探月工程實現(xiàn)了一期目標(biāo)并全面進入了二期實施階段。嫦娥二號(Chang’E-2，CE-2)探測器就是探月工程二期的先導(dǎo)星，其主要目標(biāo)是對二期工程的月面軟著陸區(qū)進行詳查，并獲取月面高清晰影像。

與CE-1相比，CE-2有效載荷的工作模式、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)處理方法和下傳碼速率等均有很大變化。特別是探測數(shù)據(jù)下行碼速率提高了很多，要求至少具備15 Mbps以上的實時數(shù)據(jù)處理能力，此外成像相機的分辨率比CE-1提高了一個數(shù)量級。因此，CE-2任務(wù)對地面應(yīng)用系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)處理能力提出了非常高的要求。對實時數(shù)據(jù)接收與傳輸?shù)能浻布脑欤蔀榈孛鎽?yīng)用系統(tǒng)適應(yīng)性改造能否成功的關(guān)鍵［2］。

本文對嫦娥二號任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)仿真的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。通過模擬其他分系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)發(fā)送過程，運行數(shù)據(jù)接收實時處理、顯示的實時作業(yè)流程，對地面應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲和顯示的能力進行仿真測試，找出軟硬件性能瓶頸，優(yōu)化設(shè)計方案。并在完成適應(yīng)性改造后，通過仿真試驗進一步驗證系統(tǒng)能否滿足CE-2的任務(wù)要求，確保地面應(yīng)用系統(tǒng)改造設(shè)計的正確性、完備性和可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹

仿真是一種利用計算機并通過建立模型進行科學(xué)實驗的技術(shù)。它具有經(jīng)濟、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點，已成為對系統(tǒng)進行分析、設(shè)計、試驗和評估的有效辦法。仿真與系統(tǒng)和模型有著密切的關(guān)系。系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng)的抽象，仿真通過對模型進行實驗以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的［3］。

地面應(yīng)用系統(tǒng)(GSDSA)負(fù)責(zé)衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)的接收、處理和科學(xué)應(yīng)用研究，并最終實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，是一個要為月球科學(xué)探測提供各種支持與服務(wù)的實時、多功能、業(yè)務(wù)化運行的系統(tǒng)。GSDSA的主要任務(wù)包括:完成對衛(wèi)星有效載荷的在軌運行控制與探測任務(wù)管理、科學(xué)探測數(shù)據(jù)的接收與處理、科學(xué)探測產(chǎn)品的生成與共享管理、探測產(chǎn)品的應(yīng)用研究等。該系統(tǒng)由運行管理(OMS)、數(shù)據(jù)接收(DAS)、數(shù)據(jù)預(yù)處理(DPS)、數(shù)據(jù)管理(DMS)、科學(xué)應(yīng)用與研究(SAS)5個分系統(tǒng)組成。

其中，運行管理分系統(tǒng)是GSDSA業(yè)務(wù)流程自動化的運行管理中心。OMS負(fù)責(zé)制定衛(wèi)星有效載荷的探測計劃與GSDSA的業(yè)務(wù)運行計劃，協(xié)調(diào)測控和衛(wèi)星系統(tǒng)完成對有效載荷的在軌業(yè)務(wù)運行管理，調(diào)度GSDSA的業(yè)務(wù)運行，提供集中統(tǒng)一的人機監(jiān)控界面，參加各級各類聯(lián)調(diào)、測試與演練，使得各個分系統(tǒng)能協(xié)調(diào)一致地在一起工作，穩(wěn)定可靠地完成規(guī)定的任務(wù)。

運行管理應(yīng)用軟件(OMSA)的主要任務(wù)包括下述5類:計劃生成及衛(wèi)星有效載荷管理;衛(wèi)星有效載荷運行狀態(tài)監(jiān)視;GSDSA的業(yè)務(wù)運行調(diào)度;聯(lián)調(diào)與在軌測試;提供仿真測試環(huán)境。圖1是OMSA實時業(yè)務(wù)運行時的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖。

圖1 OMSA實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖Fig.1 Connections of an OMSA real-time operating system

本文的研究對象是地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)作業(yè)仿真，主要包括以下幾方面:(1)地面站實時數(shù)據(jù)同步、解調(diào)、譯碼和成幀數(shù)據(jù)發(fā)送;(2)總部運行管理實時成幀數(shù)據(jù)接收、處理及顯示;(3)總部預(yù)處理系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理;(4)總部數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)歸檔。

實時業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)是一個與OMSA真實的業(yè)務(wù)運行環(huán)境在功能上相似、性能上相近的計算機實物、半實物測試環(huán)境仿真系統(tǒng)。投入使用后，將完成以下任務(wù):(1)為地面應(yīng)用系統(tǒng)人員與軟硬件設(shè)備的聯(lián)調(diào)演練;(2)為地面應(yīng)用系統(tǒng)運行管理、預(yù)處理和產(chǎn)品生成與存檔軟件的仿真測試、驗證與確認(rèn);(3)為地面應(yīng)用系統(tǒng)運行中的故障分析、定位和預(yù)案制定等提供一個近似真實的系統(tǒng)環(huán)境［4］。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

分析地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)仿真的需求，主要關(guān)鍵技術(shù)和需要解決的問題有以下幾點:

首先，通過圖1地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖可以看出，實時業(yè)務(wù)接口關(guān)系非常復(fù)雜，實時業(yè)務(wù)仿真首先需要解決的問題是將現(xiàn)有各分系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)流接口在各仿真模塊中實現(xiàn);

其次，由于地面應(yīng)用系統(tǒng)各系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)量很大，對所有接口數(shù)據(jù)完全仿真是不現(xiàn)實也是不必要的。仿真系統(tǒng)將對關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)流控制及調(diào)度消息接口進行仿真，即對實時數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送以及數(shù)據(jù)處理觸發(fā)數(shù)據(jù)等進行仿真;

第三，針對CE-2有效載荷大數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)高速傳輸?shù)膶崟r處理技術(shù)，需要解決最高15 Mbps速率情況下數(shù)據(jù)傳輸仿真。研究采用現(xiàn)有通信鏈路進行高速、無誤碼發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方法;

第四，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理仿真方法及處理結(jié)果的正確性驗證方法技術(shù)。一是要保證處理數(shù)據(jù)過程中有效數(shù)據(jù)不會丟失;二是要解決高速實時數(shù)據(jù)的計算機處理能力，并以此對真實業(yè)務(wù)系統(tǒng)硬件改造提供依據(jù);

最后，需要解決實時高速處理的結(jié)果如何在計算機終端正確、可靠地實時顯示問題。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計

3.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計流程

實時業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)是在CE-1任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)功能基礎(chǔ)上，結(jié)合CE-2任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)新的改造需求進行研究和設(shè)計的，主要采用軟件工程的方法進行研究，圖2給出了仿真系統(tǒng)的仿真設(shè)計流程方案。

圖2 實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)仿真設(shè)計流程圖Fig.2 Flowchart of the design of the simulated real-time operating system

具體技術(shù)路線如下:

(1)分析CE-2任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)需求，分析實時業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)各模塊功能，對建立實時業(yè)務(wù)事件、活動、過程等邏輯關(guān)系的建模要素進行分析;

(2)分析地面應(yīng)用系統(tǒng)實時業(yè)務(wù)接口，建立仿真模型、仿真模型接口和仿真數(shù)據(jù)處理方法;

(3)仿真系統(tǒng)模塊研制和仿真系統(tǒng)功能測試及確認(rèn);

(4)仿真系統(tǒng)運行和仿真結(jié)果分析。

3.2 仿真系統(tǒng)建模

由實時業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)的主要任務(wù)和功能可知，在實際運用中，其地位相當(dāng)于所有要與OMSA進行各種互操作的系統(tǒng)、分系統(tǒng)成分的仿真替代物，負(fù)責(zé)仿真和模擬它們與OMSA實時業(yè)務(wù)軟件的互操作與數(shù)據(jù)交換［5－6］。

實時業(yè)務(wù)信息仿真軟件的仿真對象與內(nèi)容為:

(1)衛(wèi)星有效載荷及其實時下行數(shù)據(jù);

(2)測控中心及其與OMSA間的實時數(shù)據(jù)交換;

(3)部署在總部外的DASA及其與OMSA間的實時數(shù)據(jù)交換;

(4)部署在總部內(nèi)的DPSA、DMSA及其與OMSA間的實時數(shù)據(jù)交換。

仿真系統(tǒng)在功能上主要可分為以下幾個模塊:DASA信息仿真模塊、DPSA信息仿真模塊、DMSA信息仿真模塊和BACC信息仿真模塊。此時，仿真系統(tǒng)關(guān)聯(lián)如圖3。圖3與圖1相似，以虛線標(biāo)示出了需要仿真或模擬的OMSA外部接口和在這些接口上傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

圖3 實時業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖Fig.3 Connections of the simulated OMSA real-time operating system

4 仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 仿真軟件設(shè)計

仿真軟件的設(shè)計主要考慮仿真軟件的外部接口功能。在設(shè)計與編寫實時數(shù)據(jù)傳輸外部接口的仿真軟件時，將根據(jù)實際要求把仿真軟件與運行管理軟件建立網(wǎng)絡(luò)邏輯鏈接，模擬產(chǎn)生和傳輸運行管理軟件的輸入數(shù)據(jù)，以檢驗OMS對正確或錯誤輸入數(shù)據(jù)的反應(yīng);同時仿真軟件可接收和處理運行管理軟件的輸出數(shù)據(jù)，判斷其正確性，并可根據(jù)運行管理軟件的輸出數(shù)據(jù)內(nèi)容和具體要求改變相關(guān)輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)容。外部接口仿真功能仿真的接口包括OMS與各分系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)接口［7］。接口仿真功能是一個完整獨立的系統(tǒng)，其中包括3個子功能:仿真運行管理子功能、數(shù)據(jù)通信子功能和數(shù)據(jù)處理與仿真子功能。具體功能敘述如下:

仿真運行管理子功能:作為一個獨立的系統(tǒng)，仿真運行管理子功能實現(xiàn)外部接口仿真功能的啟動、管理和關(guān)閉任務(wù)。外部接口仿真功能的運行平臺獨立于運行管理軟件的運行平臺，但不需要限制平臺的種類。仿真運行管理子功能將提供一個操作界面顯示外部接口仿真功能的運行情況，且可通過操作界面選擇啟動的接口程序，或全部啟動，或只啟動部分接口程序。

數(shù)據(jù)通信子功能:由于是外部接口的仿真，必然涉及數(shù)據(jù)通信問題。數(shù)據(jù)通信子功能完全依照運行管理軟件外部接口的定義要求，模擬各分系統(tǒng)與運行管理軟件建立各自的邏輯鏈路，并接收或傳輸規(guī)定的通信數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理與仿真子功能:數(shù)據(jù)處理與仿真子功能要實現(xiàn)3方面的任務(wù)。首先是外部數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，最主要的是衛(wèi)星數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，如遙測數(shù)據(jù)和探測數(shù)據(jù)等;二是采集各類數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信子功能發(fā)送給運行管理軟件;三是接收、處理運行管理軟件發(fā)出的數(shù)據(jù)，判斷運行管理軟件數(shù)據(jù)的正確性，并將判斷結(jié)果顯示在屏幕上。要求數(shù)據(jù)仿真子功能自動響應(yīng)運行管理軟件的命令而發(fā)出不同的信息。圖4為仿真軟件的流程圖。

圖4 仿真軟件流程圖Fig.4 The flowchart of the simulation software

4.2 仿真實例

在仿真系統(tǒng)軟件環(huán)境下，利用CE-1獲得的真實數(shù)據(jù)對CE-2任務(wù)實時處理能力進行了仿真試驗。通過該試驗測試實時數(shù)據(jù)處理模塊所能承受的碼速率極限。

試驗選用了兩個具有代表性的CE-1數(shù)據(jù)文件，命名為文件1、文件2。設(shè)置幾個不同的傳輸速率值，模擬由兩個地面站同時發(fā)送數(shù)據(jù)到OMS的實時處理情況。通過試驗得到了目前OMS系統(tǒng)配置下的實時處理極限能力。試驗結(jié)果如表1。

表1 成幀數(shù)據(jù)處理的結(jié)果Table 1 The results of framing-data processing

試驗結(jié)果表明，當(dāng)碼速率達(dá)到15 Mbps以后，系統(tǒng)資源消耗到達(dá)了處理極限，同時實時處理的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了丟失，說明目前的硬件環(huán)境還無法適應(yīng)CE-2地面應(yīng)用系統(tǒng)實時處理能力的要求。

5 結(jié)論

嫦娥二號地面應(yīng)用系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)處理是地面應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。通過建立實時業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行模擬，并對可能出現(xiàn)系統(tǒng)性能瓶頸的地方進行仿真試驗和分析，獲得了實時數(shù)據(jù)處理的能力指標(biāo)，為嫦娥二號地面應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用軟件和硬件改造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過對實時業(yè)務(wù)仿真的研究，為進一步開展衛(wèi)星在軌運行管理仿真研究提供了經(jīng)驗。

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