航天器地面伴飛系統(tǒng)遙測遙控數(shù)據(jù)接口設(shè)計與實現(xiàn)

史世杰, 陳立平, 蔣興沛, 吳義忠

1.華中科技大學, 武漢 430074 2.蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司, 蘇州 215000

0 引 言

數(shù)字孿生主要由真實空間的實際系統(tǒng),虛擬空間的虛擬模型,以及虛實系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息交互的接口3個部分組成[1].通過數(shù)字孿生技術(shù),能夠?qū)ο到y(tǒng)全生命周期進行管理[2],實時映射出真實系統(tǒng)的工作狀態(tài).因此對于在軌航天器狀態(tài)信息缺失、不連續(xù)等問題,可基于數(shù)字孿生的思想,通過搭建航天器地面伴飛系統(tǒng),將航天器在軌遙測遙控數(shù)據(jù)與高精度數(shù)字仿真模型進行融合,實現(xiàn)對航天器運行狀態(tài)的模擬.然而航天器傳回地面的是沒有處理的二進制原始數(shù)據(jù)[3],無法直接注入航天器數(shù)字模型進行仿真,需要開展航天器地面伴飛系統(tǒng)遙測遙控數(shù)據(jù)接口設(shè)計與實現(xiàn)研究,完成原始二進制數(shù)據(jù)的解析,將遙測遙控信息準確地注入航天器數(shù)字模型,實現(xiàn)地面伴飛系統(tǒng)與在軌航天器的狀態(tài)同步仿真.

而在航空航天領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)一直備受關(guān)注.2010年美國NASA在文獻[4]中提到了“基于仿真的系統(tǒng)工程:NASA數(shù)字孿生”這一技術(shù)挑戰(zhàn),旨在通過數(shù)字孿生技術(shù)提升系統(tǒng)壽命和任務成功概率.文獻[5]對數(shù)字孿生技術(shù)在美國空軍和NASA下一代飛行器設(shè)計中的要求、發(fā)展和應用問題進行了探討,并分析了傳統(tǒng)方法的不足.文獻[6]指出了美歐軍工巨頭公司也在積極推進數(shù)字孿生技術(shù)應用來降低成本,縮短研發(fā)周期,并對數(shù)字孿生技術(shù)在諾格公司F-35戰(zhàn)斗機、空客公司A350XWB等型號中的應用效果進行了介紹.在國內(nèi),也有不少學者對數(shù)字孿生技術(shù)展開研究.文獻[7]對數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天中的應用展開了介紹,重點關(guān)注了機身數(shù)字孿生在壽命預測與維護決策方面的應用,并對地面伴飛系統(tǒng)的初步應用框架進行了探討.而文獻[8]則對數(shù)字孿生技術(shù)在航天制造領(lǐng)域中的應用進行了研究,介紹了數(shù)字孿生有關(guān)的背景與概念,并總結(jié)了未來應用中的一些挑戰(zhàn).

本文以航天器地面伴飛系統(tǒng)為研究對象,對其中涉及的遙測遙控數(shù)據(jù)處理接口展開了深入研究,對地面伴飛系統(tǒng)中遙測遙控數(shù)據(jù)的標準化封裝、數(shù)字模型與遙測遙控數(shù)據(jù)雙向映射技術(shù)進行了詳細介紹.并完成了遙測遙控數(shù)據(jù)接口的設(shè)計與實現(xiàn),通過實際工程案例展示了接口的應用效果.

1 遙測遙控數(shù)據(jù)的標準化封裝

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS),對航天測控和數(shù)據(jù)傳輸中的各種通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)處理規(guī)范進行了研究[9],在數(shù)據(jù)鏈路層中,定義了遙測數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議[10]、遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議[11]、高級在軌系統(tǒng)[12]、鄰近空間鏈路協(xié)議[13]4種標準.而在應用層中,各種型號航天器的遙測遙控數(shù)據(jù)種類復雜,格式不統(tǒng)一[14-15],難以與伴飛系統(tǒng)數(shù)字仿真模型之間進行有效的融合.因此如何解決航天器遙測遙控數(shù)據(jù)的異構(gòu)差異,并將遙測遙控數(shù)據(jù)和仿真模型、工具進行有效的集成、操作、展示、統(tǒng)一管理,成為了地面數(shù)字伴飛系統(tǒng)中迫切需要解決的關(guān)鍵問題.通過對航天器遙測遙控數(shù)據(jù)的標準化封裝,將其與航天器系統(tǒng)數(shù)字模型進行有效的集成和融合,為航天器地面數(shù)字伴飛系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了真實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

遙測遙控數(shù)據(jù)標準化封裝技術(shù)的具體工作原理如圖1所示.首先通過TCP/IP或UDP協(xié)議,將遙測遙控數(shù)據(jù)傳遞給相應的數(shù)據(jù)解析器,數(shù)據(jù)解析器根據(jù)相應的鏈路協(xié)議,完成遙測遙控數(shù)據(jù)解析,提取其中有用的航天器狀態(tài)信息,并以相應的數(shù)據(jù)格式進行緩存,然后通過數(shù)據(jù)適配器,將指定格式的遙測遙控數(shù)據(jù)信息進行標準化封裝,得到統(tǒng)一格式表達的航天器遙測遙控組件.經(jīng)過標準化封裝后的遙測遙控組件,能夠清晰、完整地表達遙測遙控數(shù)據(jù)中的所有關(guān)鍵信息,并且開放性良好,便于其它軟件程序集成,使得航天器地面伴飛系統(tǒng)能夠方便地進行統(tǒng)一化的對接和數(shù)據(jù)處理.

圖1 遙測遙控數(shù)據(jù)標準化封裝原理

2 數(shù)字模型與遙測遙控數(shù)據(jù)的雙向映射

航天器在其整個任務周期之內(nèi)會產(chǎn)生大量的遙測遙控數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)只能反應系統(tǒng)當前的工作狀態(tài),無法對未來的工作狀態(tài)進行預測.而純粹的系統(tǒng)數(shù)字仿真模型則是根據(jù)預設(shè)的飛行程序進行仿真計算,不能融入空間環(huán)境的變化和人為干預等因素.這樣造成了2個信息孤島,使得設(shè)計人員無法全面詳盡地掌握航天器在真實空間環(huán)境下的工作狀態(tài)和性能指標.

而航天器地面數(shù)字伴飛系統(tǒng)能夠打通遙測遙控數(shù)據(jù)和仿真模型之間的聯(lián)系,建立航天器系統(tǒng)數(shù)字模型與遙測遙控數(shù)據(jù)之間的雙向映射,使得遙測遙控數(shù)據(jù)與數(shù)字模型的仿真輸入數(shù)據(jù)建立正向輸入映射關(guān)系、數(shù)字模型的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與遙控數(shù)據(jù)建立反向反饋映射關(guān)系.基于這種數(shù)字模型和遙測遙控數(shù)據(jù)之間的雙向映射機制,航天器的數(shù)字模型能夠有效地集成和融合遙測遙控數(shù)據(jù),達到地面數(shù)字伴飛的效果.

航天器數(shù)字模型與遙測遙控數(shù)據(jù)的雙向映射原理如圖2所示.通過第1節(jié)中描述的遙測遙控數(shù)據(jù)標準化封裝技術(shù),將遙測遙控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可識別的設(shè)備狀態(tài)或設(shè)備參數(shù)(功率、電壓、電流等).通過將這些狀態(tài)信息與數(shù)字模型建立映射關(guān)聯(lián),使得數(shù)字模型能夠成功地適配對接在線遙測遙控數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)字模型與遙測遙控數(shù)據(jù)的正向輸入映射;而通過數(shù)字模型仿真計算,對仿真模型過程或結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析處理,能夠輔助人工決策,產(chǎn)生新的遙控指令數(shù)據(jù).通過將指令數(shù)據(jù)與實際系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián),從而實現(xiàn)數(shù)字模型與遙測遙控數(shù)據(jù)之間的負向反饋映射.

圖2 數(shù)字模型與遙測遙控數(shù)據(jù)的雙向映射原理

3 遙測遙控數(shù)據(jù)接口設(shè)計與實現(xiàn)

航天器在軌遙測遙控數(shù)據(jù)通過測站、指揮中心的層層傳輸,傳遞至地面伴飛系統(tǒng),然而由于地面測站覆蓋度的影響,難以保證遙測數(shù)據(jù)的全面覆蓋,因此對于遙測遙控數(shù)據(jù)缺失的非測控弧段,地面伴飛系統(tǒng)采用預設(shè)的模型參數(shù)和飛行指令對在軌航天器進行仿真模擬.在離開非測控弧段后,通過對比系統(tǒng)模型仿真計算星時與在軌數(shù)據(jù)中星時的差別,保證地面伴飛系統(tǒng)與航天器時間上的一致.而對于航天器的測控弧段,地面伴飛系統(tǒng)的主要仿真流程如圖3所示,其中遙測遙控數(shù)據(jù)接口是地面伴飛系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán),能夠?qū)⒅笓]中心提供的數(shù)據(jù)解析為航天器在軌狀態(tài)信息,并將其注入航天器數(shù)字仿真模型,為伴飛系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐.當仿真結(jié)果偏差較大時,重新完成航天器在軌狀態(tài)信息的注入,對仿真模型的狀態(tài)進行修正,確保伴飛系統(tǒng)的計算結(jié)果與在軌航天器飛行狀態(tài)同步.遙測遙控數(shù)據(jù)接口主要包含了遙測遙控數(shù)據(jù)對接模塊,數(shù)據(jù)驅(qū)動與狀態(tài)同步模塊.本節(jié)將針對各個模塊的具體設(shè)計思路和功能實現(xiàn)展開介紹.

圖3 航天器地面伴飛系統(tǒng)仿真流程

3.1 數(shù)據(jù)對接模塊

數(shù)字對接模塊能夠與指揮中心的數(shù)據(jù)進行對接,為航天器地面伴飛系統(tǒng)實時接受在軌遙測遙控數(shù)據(jù),并將其解析處理為可識別的在軌運行狀態(tài)信息(如設(shè)備加電總時間、發(fā)動機開關(guān)機次數(shù)等).數(shù)據(jù)對接模塊的工作流程如圖4所示,通過指揮中心提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務器,在軌遙測遙控數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP或UDP協(xié)議建立連接,并采用訂閱模式接收指定數(shù)據(jù),得到在軌遙測遙控數(shù)據(jù)包.然后按照大綱數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)范進行拆包、解析,并將其關(guān)聯(lián)到具體設(shè)備參數(shù),生成相應的數(shù)據(jù)緩存和設(shè)備的飛行事件序列.

圖4 數(shù)據(jù)對接模塊工作流程

接受的在軌數(shù)據(jù)以多個數(shù)據(jù)包的形式傳輸,每個數(shù)據(jù)包中都包含了數(shù)據(jù)協(xié)議分類、協(xié)議版本號、包名稱、包原碼、參數(shù)個數(shù)、參數(shù)解碼、原碼等信息.而對于具體型號的航天器,通過導入數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)配置文件(見圖5,xml語言)建立數(shù)據(jù)與航天器數(shù)字仿真模型參數(shù)之間的映射關(guān)系,配置文件以子系統(tǒng)-設(shè)備-參數(shù)的層次結(jié)構(gòu)對在軌遙測遙控數(shù)據(jù)進行描述,包含了數(shù)據(jù)的名稱、代號、數(shù)據(jù)類型、設(shè)備的名稱、代號等信息.對接模塊可根據(jù)相應的協(xié)議,配置參數(shù)信息同時對多個數(shù)據(jù)進行接受,實時獲取在軌數(shù)據(jù)加入緩存,并依據(jù)數(shù)據(jù)類型將解析的參數(shù)存儲在MongoDB數(shù)據(jù)庫中.

圖5 數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)配置xml文件

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動與狀態(tài)同步模塊

航天器地面伴飛系統(tǒng)需要將遙測遙控數(shù)據(jù)解析得到的狀態(tài)信息注入航天器數(shù)字仿真模型中進行實時同步仿真.數(shù)據(jù)驅(qū)動與狀態(tài)同步模塊主要具有數(shù)據(jù)驅(qū)動和狀態(tài)同步2個功能.在系統(tǒng)模型仿真計算時,通過數(shù)據(jù)驅(qū)動功能,將環(huán)境工況和飛行事件等信息注入到航天器仿真模型中,通過實際數(shù)據(jù)驅(qū)動地面伴飛系統(tǒng)運行.而隨著模型仿真時誤差的積累,在仿真結(jié)果偏離航天器真實狀態(tài)時,通過狀態(tài)同步功能,將環(huán)境工況數(shù)據(jù)、飛行事件、仿真狀態(tài)參數(shù)等信息注入航天器仿真模型,重新對仿真計算進行初始化后,繼續(xù)進行仿真求解,實現(xiàn)仿真模型與實際航天器系統(tǒng)的狀態(tài)同步.數(shù)據(jù)驅(qū)動與狀態(tài)同步模塊的工作流程如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)驅(qū)動與狀態(tài)同步模塊工作流程

而在地面伴飛仿真過程中,可以通過閾值偏差分析、曲線對比分析的方式對系統(tǒng)仿真狀態(tài)進行評估,將在軌數(shù)據(jù)信息與仿真結(jié)果進行對比,輔助人工決策判斷.

1)閾值偏差分析:對于具體航天器的具體參數(shù),依據(jù)其設(shè)計技術(shù)指標,對其正常工作范圍進行判斷,并計算在軌數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的誤差,當其數(shù)據(jù)偏離設(shè)計范圍時,對其進行標識警告.例如對于供配電系統(tǒng)其母線電壓需要保持穩(wěn)定,其設(shè)計工作范圍為29±1 V,系統(tǒng)會依據(jù)此范圍,對母線電壓進行標識警告.

2)曲線對比分析:可對歷史仿真數(shù)據(jù)與在軌數(shù)據(jù)曲線進行對比,通過曲線之間的相減,曲線的積分微分等方式對仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)之間的差異進行評估判斷.并且可以支持對評估算法的擴充,便于應對更加復雜的分析情況.

4 遙測遙控數(shù)據(jù)接口應用實例

通過前文的分析,對航天器地面伴飛系統(tǒng)中遙測遙控數(shù)據(jù)接口進行了實現(xiàn),并已成功在某型號航天器地面伴飛平臺中得到應用.本節(jié)主要對所設(shè)計的遙測遙控數(shù)據(jù)接口使用效果進行分析,并簡要地介紹了航天器地面伴飛系統(tǒng)中所涉及的數(shù)字仿真模型.

4.1 伴飛系統(tǒng)Modelica仿真模型

航天器地面伴飛系統(tǒng)作為在軌航天器的一個地面孿生系統(tǒng),需要對在軌航天器進行高保真度的建模,得到地面虛擬仿真模型.而遙測遙控數(shù)據(jù)接口作為真實世界在軌航天器與虛擬環(huán)境中仿真模型的信息通道,傳遞遙測遙控信息,保證狀態(tài)同步.目前航天器任務、結(jié)構(gòu)復雜,并且涉及多個領(lǐng)域的專業(yè)知識[16],可以采用基于Modelica語言的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真技術(shù)[17-21],完成航天器仿真模型的實現(xiàn).本例中,采用Modelica語言對航天器供配電系統(tǒng)中涉及的工作環(huán)境、太陽能電池陣、蓄電池、供配電單元、以及各種負載模型進行了實現(xiàn),搭建了系統(tǒng)級仿真模型(如圖7所示),然后通過圖5中的xml配置方式,完成在軌數(shù)據(jù)與仿真模型之間的關(guān)聯(lián)映射,所建立Modelica模型反應了系統(tǒng)的真實拓撲.最后系統(tǒng)的Modelica模型通過MWorks軟件求解器快速求解,以滿足地面伴飛系統(tǒng)實時同步的仿真需求.

圖7 航天器供配電系統(tǒng)Modelica仿真模型

4.2 結(jié)果分析

通過航天器地面伴飛系統(tǒng),對上述案例展開了伴飛仿真.應用結(jié)果表明,遙測遙控數(shù)據(jù)接口能夠成功連接在軌數(shù)據(jù)(如圖8所示),實時接受在軌遙測遙控數(shù)據(jù)包,并將數(shù)據(jù)包按照大綱規(guī)范協(xié)議進行拆包、數(shù)據(jù)拼接、解析處理,為航天器數(shù)字仿真模型提供真實的在軌狀態(tài)信息、環(huán)境工況參數(shù)、飛行事件參數(shù).部分仿真結(jié)果與遙測數(shù)據(jù)對比情況如圖9所示,可見仿真結(jié)果與遙測值相差較小.而圖10給出了伴飛系統(tǒng)仿真結(jié)果中剩余電量,蓄電池組充放電功率仿真曲線,從圖中可以看出蓄電池充放電正常,剩余電量充足.所設(shè)計的遙測遙控數(shù)據(jù)接口整體功能正常,數(shù)據(jù)傳輸準確,為航天器地面伴飛系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),具有較好的應用效果.

圖8 遙測遙控數(shù)據(jù)連接

圖9 伴飛系統(tǒng)仿真結(jié)果與遙測遙控結(jié)果對比

圖10 伴飛系統(tǒng)仿真曲線

5 結(jié) 論

航天器地面伴飛系統(tǒng)是在軌航天器的地面孿生體,映射了在軌航天器的飛行狀態(tài),便于地面監(jiān)測與對比,能夠通過仿真數(shù)據(jù)對航天器運行狀態(tài)進行更加全面的評估.本文主要解決了地面伴飛系統(tǒng)中遙測遙控數(shù)據(jù)接口的設(shè)計與實現(xiàn)問題,能夠順利完成原始二進制數(shù)據(jù)的解析和在軌航天器運行狀態(tài)的注入功能,保證地面伴飛系統(tǒng)與在軌航天器運行同步.本研究所設(shè)計的航天器遙測遙控數(shù)據(jù)接口,已成功應用于某型號航天器地面數(shù)字伴飛系統(tǒng)中,能夠滿足伴飛系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)需要,為航天器地面伴飛提供有效的數(shù)據(jù)支撐.