本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法，具體是指一種基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法，屬于衛(wèi)星仿真技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)作為衛(wèi)星的核心，其性能將會直接影響整個衛(wèi)星任務(wù)能否成功；因此一旦發(fā)生故障，往往會對整星帶來嚴(yán)重的影響。姿軌控系統(tǒng)故障在控制系統(tǒng)中會傳播、累計(jì)，遙測診斷存在延時性且信息不全，自主診斷又受星載計(jì)算機(jī)限制等，因此僅靠理論分析是不夠的，需要試驗(yàn)驗(yàn)證與理論相結(jié)合的方式來探索故障診斷與重構(gòu)技術(shù)。在仿真試驗(yàn)中要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，首先就是對故障進(jìn)行模擬，建立故障模型。

現(xiàn)有的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法具有一定的局限性，具體包括：

1、完全采用真實(shí)單機(jī)的物理仿真系統(tǒng)雖然具有真實(shí)性，但難以模擬控制系統(tǒng)的各種故障模式，只適合于模擬控制系統(tǒng)的正常模式。要進(jìn)行控制部件的故障模擬，必須進(jìn)行人為的破壞，而且能夠模擬的故障模式極為有限，由于衛(wèi)星上控制部件價(jià)格通常都非常昂貴，顯然為此付出的代價(jià)太大，成本太高。

2、仿真過程的可控性不高，真實(shí)單機(jī)和模型之間不能實(shí)時切換。

3、完全采用模型進(jìn)行故障模擬的仿真系統(tǒng)仿真逼真度差，實(shí)時性要求不高，不能完全反映實(shí)際敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件運(yùn)行過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)及方法，可進(jìn)行故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)試驗(yàn)，提高衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)單機(jī)硬件和姿態(tài)軌道工作在故障模式的容錯能力，保證衛(wèi)星的安全性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)，采用宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單機(jī)的模型及故障模式，包含：故障模擬宿主機(jī)，運(yùn)行Matlab建模軟件，基于Simulink進(jìn)行故障模型建立，并生成VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)下的目標(biāo)應(yīng)用程序；故障模擬目標(biāo)機(jī)，其與所述的故障模擬宿主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接，運(yùn)行VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)和目標(biāo)應(yīng)用程序進(jìn)行故障仿真；故障注入及指令控制機(jī)，其分別與所述的故障模擬目標(biāo)機(jī)以及星上單機(jī)連接，用于發(fā)送單機(jī)的故障模式指令，實(shí)現(xiàn)故障模擬目標(biāo)機(jī)的單機(jī)模型串口與星上單機(jī)的真實(shí)單機(jī)串口之間的切換。

所述的故障模擬目標(biāo)機(jī)中設(shè)置有一組I/O板卡，其通過地面測試設(shè)備與姿軌控計(jì)算機(jī)連接，生成姿軌控計(jì)算機(jī)的輸入信號，并采集姿軌控計(jì)算機(jī)的輸出信號，用于模型解算。

在所述的故障模擬宿主機(jī)與故障模擬目標(biāo)機(jī)之間，需要傳輸以下信息：目標(biāo)應(yīng)用程序，由故障模擬宿主機(jī)生成并通過網(wǎng)絡(luò)下載至故障模擬目標(biāo)機(jī)；控制信號，在故障模擬宿主機(jī)上改變目標(biāo)應(yīng)用程序的屬性，并且啟動及停止目標(biāo)應(yīng)用程序；信號數(shù)據(jù)，在故障模擬宿主機(jī)上更改故障模型的參數(shù)值，并將更新的參數(shù)值通過網(wǎng)絡(luò)下載至故障模擬目標(biāo)機(jī)。

所述的故障注入及指令控制機(jī)內(nèi)設(shè)置有繼電器，其通過該繼電器實(shí)現(xiàn)與故障模擬目標(biāo)機(jī)以及星上單機(jī)之間的切換連接，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)單機(jī)串口和單機(jī)模型串口的切換。

本發(fā)明還提供一種基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法，包含以下步驟：

S1、故障模擬宿主機(jī)通過Matlab建模軟件運(yùn)行Simulink，建立故障模型，進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置，將故障模型編譯生成可在Vxworks操作系統(tǒng)中運(yùn)行的目標(biāo)應(yīng)用程序；

S2、故障模擬目標(biāo)機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)下載由故障模擬宿主機(jī)生成的目標(biāo)應(yīng)用程序并運(yùn)行；

S3、故障注入及指令控制機(jī)向故障模擬目標(biāo)機(jī)動態(tài)注入所需的故障；

S4、故障注入及指令控制機(jī)根據(jù)內(nèi)置的繼電器實(shí)現(xiàn)故障模擬目標(biāo)機(jī)與星上單機(jī)之間的切換連接，進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)控制的故障模擬試驗(yàn)。

本發(fā)明所述的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法，還包含：S5、對仿真運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與顯示，進(jìn)行故障診斷與重構(gòu)分析及驗(yàn)證試驗(yàn)。

所述的S4中，當(dāng)連續(xù)通訊故障或連續(xù)數(shù)據(jù)故障次數(shù)不超過故障次數(shù)閾值時，對于數(shù)據(jù)故障其故障數(shù)據(jù)小于故障閾值時，對異常數(shù)據(jù)不以采用，且故障注入及指令控制機(jī)對于星上單機(jī)和故障模擬目標(biāo)機(jī)不進(jìn)行切換處理；當(dāng)連續(xù)故障次數(shù)超過故障次數(shù)閾值時，對于數(shù)據(jù)故障其故障數(shù)據(jù)大于故障閾值時，故障注入及指令控制機(jī)對于星上單機(jī)和故障模擬目標(biāo)機(jī)進(jìn)行切換。

綜上所述，本發(fā)明提供的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)及方法，可進(jìn)行故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)試驗(yàn)，提高衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)單機(jī)硬件和姿態(tài)軌道工作在故障模式的容錯能力，保證衛(wèi)星的安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明中的基于嵌入式VxWorks的故障模擬目標(biāo)機(jī)和故障模擬宿主機(jī)之間交互式工作的示意圖；

圖4為本發(fā)明中的基于嵌入式VxWorks的故障模擬目標(biāo)機(jī)的功能圖；

圖5為本發(fā)明中的故障注入及指令控制機(jī)的功能圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合圖1～圖5，詳細(xì)說明本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其采用宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單機(jī)的模型及故障模式，包含：故障模擬宿主機(jī)1，采用Windows操作系統(tǒng)，運(yùn)行Matlab建模軟件，基于Simulink(其為MATLAB的重要組件之一)進(jìn)行故障模型建立，并生成VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)下的目標(biāo)應(yīng)用程序；故障模擬目標(biāo)機(jī)2，其與所述的故障模擬宿主機(jī)1通過網(wǎng)絡(luò)連接，運(yùn)行VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)和目標(biāo)應(yīng)用程序進(jìn)行故障仿真，保證仿真系統(tǒng)的實(shí)時性及可靠性；故障注入及指令控制機(jī)3，其分別與所述的故障模擬目標(biāo)機(jī)2(單機(jī)模型)以及星上單機(jī)4(真實(shí)單機(jī))連接，用于發(fā)送單機(jī)的故障模式指令，實(shí)現(xiàn)真實(shí)單機(jī)串口與單機(jī)模型串口的切換。

所述的故障模擬目標(biāo)機(jī)2中設(shè)置有一組I/O(輸入/輸出)板卡，其通過地面測試設(shè)備6與姿軌控計(jì)算機(jī)5連接，并以真實(shí)信號進(jìn)行通訊。如圖1所示，所述的地面測試設(shè)備5包括信號采集設(shè)備、地面控制設(shè)備以及終端顯示設(shè)備等。

如圖3所示，為基于嵌入式VxWorks的故障模擬目標(biāo)機(jī)和故障模擬宿主機(jī)之間交互式工作的示意圖。VxWorks是一種用于產(chǎn)品原型開發(fā)、測試和配置實(shí)時系統(tǒng)的PC機(jī)操作系統(tǒng)。為了提高實(shí)時仿真能力，VxWorks采用了宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)的技術(shù)途徑，其中故障模擬宿主機(jī)1采用Simulik建立故障模型，進(jìn)行仿真前的參數(shù)配置，然后采用RTW和一個VC編譯器將Simulik故障模型編譯為實(shí)時目標(biāo)代碼成為一個可執(zhí)行的目標(biāo)應(yīng)用程序并下載到故障模擬目標(biāo)機(jī)2；而故障模擬目標(biāo)機(jī)2則啟動實(shí)時內(nèi)核，運(yùn)行目標(biāo)應(yīng)用程序，通過I/O板卡與外部的目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終實(shí)現(xiàn)姿軌控系統(tǒng)半物理的實(shí)時仿真測試。

在所述的故障模擬宿主機(jī)1與故障模擬目標(biāo)機(jī)2之間，需要傳輸交換以下信息：1、目標(biāo)應(yīng)用程序，由故障模擬宿主機(jī)1生成并通過網(wǎng)絡(luò)下載至故障模擬目標(biāo)機(jī)2；2、控制信號，在故障模擬宿主機(jī)1上改變目標(biāo)應(yīng)用程序的屬性，并且啟動及停止目標(biāo)應(yīng)用程序；3、信號數(shù)據(jù)，在故障模擬宿主機(jī)1上更改Simulik模型的參數(shù)值，并將更新的參數(shù)值通過網(wǎng)絡(luò)下載至故障模擬目標(biāo)機(jī)2。

所述的VxWorks操作系統(tǒng)包括：Wind內(nèi)核、I/O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、板極支持包BSP(Board Support Package)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。其中，Wind內(nèi)核是VxWorks操作系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)基本功能的微內(nèi)核。Wind內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的功能包括多任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的同步和進(jìn)程間通信機(jī)制、內(nèi)存管理、定時器和中斷處理等。

如圖4所示，為故障模擬目標(biāo)機(jī)的功能圖，其包括：主控板、多個RS422串口卡、D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換卡和反射內(nèi)存卡等。該故障模擬目標(biāo)機(jī)2中還設(shè)置有一塊單板計(jì)算機(jī)以及一組I/O板卡，運(yùn)行VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)和仿真模型，并通過I/O板卡生成姿軌控計(jì)算機(jī)的輸入信號，并采集姿軌控計(jì)算機(jī)的輸出信號，用于模型解算。

本實(shí)施例中，VxWorks操作系統(tǒng)提供多種標(biāo)準(zhǔn)I/O板卡的I/O驅(qū)動設(shè)備庫，為不同的I/O板卡提供不同的驅(qū)動程序。在應(yīng)用中，將所用到的I/O板卡對應(yīng)模板拖入模型中，進(jìn)行采集卡的參數(shù)設(shè)計(jì)，并在實(shí)際仿真過程中接入相應(yīng)的板卡，在編入模型文件時，其中的板卡信息會編譯為可執(zhí)行代碼，下載到故障模擬目標(biāo)機(jī)2上后，目標(biāo)通過數(shù)據(jù)采集卡和外部目標(biāo)設(shè)備(姿軌控計(jì)算機(jī))建立聯(lián)系，構(gòu)成實(shí)時仿真回路。

如圖5所示，為故障注入及指令控制機(jī)的功能圖，其通過控制配套板卡上內(nèi)置的繼電器，實(shí)現(xiàn)與故障模擬目標(biāo)機(jī)2以及星上單機(jī)4之間的切換連接，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)單機(jī)串口和單機(jī)模型串口的切換。同時能夠通過網(wǎng)絡(luò)控制故障模擬目標(biāo)機(jī)2中的仿真模型，負(fù)責(zé)發(fā)送故障模式指令。

如圖2所示，為本發(fā)明提供的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法的具體流程圖，包含以下步驟：

S1、故障模擬宿主機(jī)1通過Matlab建模軟件運(yùn)行Simulink，安裝目標(biāo)代碼編譯器，建立Simulink故障模型，進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置，利用Matlab的RTW將Simulink故障模型編譯生成可在Vxworks操作系統(tǒng)中運(yùn)行的實(shí)時目標(biāo)代碼(模型名.lo)，成為一個可執(zhí)行的目標(biāo)應(yīng)用程序，以作為敏感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型；

S2、故障模擬目標(biāo)機(jī)2通過網(wǎng)絡(luò)下載由故障模擬宿主機(jī)1生成的目標(biāo)應(yīng)用程序并運(yùn)行，與動力學(xué)仿真軟件、星上控制軟件組成閉環(huán)仿真系統(tǒng)；

S3、故障注入及指令控制機(jī)3根據(jù)應(yīng)用軟件Visual C++開發(fā)的故障注入軟件，實(shí)現(xiàn)向故障模擬目標(biāo)機(jī)2動態(tài)注入所需的故障；

S4、故障注入及指令控制機(jī)3根據(jù)內(nèi)置的繼電器實(shí)現(xiàn)故障模擬目標(biāo)機(jī)2與星上單機(jī)4之間的切換連接，允許故障模擬目標(biāo)機(jī)2中的部分模型用真實(shí)單機(jī)替代，進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)控制的故障模擬試驗(yàn)。

本發(fā)明所述的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法，還包含：S5、采用數(shù)據(jù)采集及遙測終端軟件對仿真運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與顯示，進(jìn)行故障診斷與重構(gòu)分析及驗(yàn)證試驗(yàn)。

所述的S4中，當(dāng)連續(xù)通訊故障或連續(xù)數(shù)據(jù)故障次數(shù)不超過故障次數(shù)閾值時，對于數(shù)據(jù)故障其故障數(shù)據(jù)小于故障閾值時，對異常數(shù)據(jù)不以采用，且故障注入及指令控制機(jī)3對于星上單機(jī)4和故障模擬目標(biāo)機(jī)2不進(jìn)行切換處理；當(dāng)連續(xù)故障次數(shù)超過故障次數(shù)閾值時，對于數(shù)據(jù)故障其故障數(shù)據(jù)大于故障閾值時，故障注入及指令控制機(jī)3對于星上單機(jī)4和故障模擬目標(biāo)機(jī)2進(jìn)行切換。

故障模擬系統(tǒng)通過控制連續(xù)故障次數(shù)，及數(shù)據(jù)故障偏置值，對這些指標(biāo)進(jìn)行測試，檢驗(yàn)姿軌控系統(tǒng)的故障診斷這部分功能是否正確，檢驗(yàn)系統(tǒng)對故障的隔離與系統(tǒng)重構(gòu)功能是否有效。各故障單機(jī)的故障閾值及故障次數(shù)閾值可以通過注數(shù)更改。

本發(fā)明所述的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬方法，試驗(yàn)前將故障模擬系統(tǒng)初始化為正常情況下姿軌控系統(tǒng)的狀態(tài)，與星上姿軌控計(jì)算機(jī)通訊的星上單機(jī)為真實(shí)單機(jī)。每次故障試驗(yàn)完畢后，將故障模擬系統(tǒng)恢復(fù)到真實(shí)單機(jī)接入系統(tǒng)的狀態(tài)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于嵌入式VxWorks的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)及方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、能夠仿真模擬各種故障模式，進(jìn)行故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)試驗(yàn)，提高衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)單機(jī)硬件和姿態(tài)軌道工作在故障模式的容錯能力，保證衛(wèi)星的安全性。

2、仿真系統(tǒng)成本低，由于衛(wèi)星上控制部件價(jià)格通常非常昂貴，控制部件的故障模擬，必須進(jìn)行人為的破壞，而且能夠模擬的故障模式極為有限，為此付出的代價(jià)太大；而本發(fā)明提供的故障模擬系統(tǒng)的故障用模型來代替，不需要真實(shí)單機(jī)，故成本大大降低，且靈活。

3、可控性高，真實(shí)單機(jī)和模型可以方便地進(jìn)行實(shí)時切換，試驗(yàn)過程中可根據(jù)故障試驗(yàn)的要求，通過故障注入及指令控制機(jī)來實(shí)時控制各單機(jī)和模型之間的切換，大大提高了工作效率。

4、仿真逼真度高，根據(jù)當(dāng)前故障試驗(yàn)內(nèi)容，只對需要設(shè)置故障的單機(jī)用模型進(jìn)行故障注入，其余均切換至真實(shí)單機(jī)，更加真實(shí)的模擬衛(wèi)星在軌的工作狀態(tài)。

5、提高了仿真的實(shí)時性。衛(wèi)星控制系統(tǒng)從采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出、衛(wèi)星動力學(xué)計(jì)算、輸出數(shù)據(jù)給電信號源或各種模擬器直到敏感器輸出測量結(jié)果的全過程所耗的時間應(yīng)小于星上姿軌控計(jì)算機(jī)一個控制周期0.5秒的時間；動力學(xué)模型和單機(jī)模型均采用VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)，保證仿真系統(tǒng)的實(shí)時性。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。