基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟系统及方法，采用宿主机‑目标机技术实现单机的模型及故障模式，包含：故障模拟宿主机，运行Matlab建模软件，基于Simulink进行故障模型建立，并生成VxWorks实时操作系统下的目标应用程序；故障模拟目标机，其与所述的故障模拟宿主机通过网络连接，运行VxWorks实时操作系统和目标应用程序进行故障仿真；故障注入及指令控制机，其分别与所述的故障模拟目标机以及星上单机连接，用于发送单机的故障模式指令，实现故障模拟目标机的单机模型串口与星上单机的真实单机串口之间的切换。本发明可进行故障诊断与系统重构试验，提高卫星姿轨控系统单机硬件和姿态轨道工作在故障模式的容错能力，保证卫星的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星姿轨控系统的故障模拟方法，具体是指一种基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟方法，属于卫星仿真技术领域。

背景技术

卫星姿轨控系统作为卫星的核心，其性能将会直接影响整个卫星任务能否成功；因此一旦发生故障，往往会对整星带来严重的影响。姿轨控系统故障在控制系统中会传播、累计，遥测诊断存在延时性且信息不全，自主诊断又受星载计算机限制等，因此仅靠理论分析是不够的，需要试验验证与理论相结合的方式来探索故障诊断与重构技术。在仿真试验中要进行试验验证，首先就是对故障进行模拟，建立故障模型。

现有的卫星姿轨控系统的故障模拟方法具有一定的局限性，具体包括：

1、完全采用真实单机的物理仿真系统虽然具有真实性，但难以模拟控制系统的各种故障模式，只适合于模拟控制系统的正常模式。要进行控制部件的故障模拟，必须进行人为的破坏，而且能够模拟的故障模式极为有限，由于卫星上控制部件价格通常都非常昂贵，显然为此付出的代价太大，成本太高。

2、仿真过程的可控性不高，真实单机和模型之间不能实时切换。

3、完全采用模型进行故障模拟的仿真系统仿真逼真度差，实时性要求不高，不能完全反映实际敏感器和执行机构的硬件运行过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟系统及方法，可进行故障诊断与系统重构试验，提高卫星姿轨控系统单机硬件和姿态轨道工作在故障模式的容错能力，保证卫星的安全性。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟系统，采用宿主机-目标机技术实现单机的模型及故障模式，包含：故障模拟宿主机，运行Matlab建模软件，基于Simulink进行故障模型建立，并生成VxWorks实时操作系统下的目标应用程序；故障模拟目标机，其与所述的故障模拟宿主机通过网络连接，运行VxWorks实时操作系统和目标应用程序进行故障仿真；故障注入及指令控制机，其分别与所述的故障模拟目标机以及星上单机连接，用于发送单机的故障模式指令，实现故障模拟目标机的单机模型串口与星上单机的真实单机串口之间的切换。

所述的故障模拟目标机中设置有一组I/O板卡，其通过地面测试设备与姿轨控计算机连接，生成姿轨控计算机的输入信号，并采集姿轨控计算机的输出信号，用于模型解算。

在所述的故障模拟宿主机与故障模拟目标机之间，需要传输以下信息：目标应用程序，由故障模拟宿主机生成并通过网络下载至故障模拟目标机；控制信号，在故障模拟宿主机上改变目标应用程序的属性，并且启动及停止目标应用程序；信号数据，在故障模拟宿主机上更改故障模型的参数值，并将更新的参数值通过网络下载至故障模拟目标机。

所述的故障注入及指令控制机内设置有继电器，其通过该继电器实现与故障模拟目标机以及星上单机之间的切换连接，从而实现真实单机串口和单机模型串口的切换。

本发明还提供一种基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟方法，包含以下步骤：

S1、故障模拟宿主机通过Matlab建模软件运行Simulink，建立故障模型，进行模型参数设置，将故障模型编译生成可在Vxworks操作系统中运行的目标应用程序；

S2、故障模拟目标机通过网络下载由故障模拟宿主机生成的目标应用程序并运行；

S3、故障注入及指令控制机向故障模拟目标机动态注入所需的故障；

S4、故障注入及指令控制机根据内置的继电器实现故障模拟目标机与星上单机之间的切换连接，进行卫星姿态控制的故障模拟试验。

本发明所述的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟方法，还包含：S5、对仿真运行状态进行数据采集与显示，进行故障诊断与重构分析及验证试验。

所述的S4中，当连续通讯故障或连续数据故障次数不超过故障次数阈值时，对于数据故障其故障数据小于故障阈值时，对异常数据不以采用，且故障注入及指令控制机对于星上单机和故障模拟目标机不进行切换处理；当连续故障次数超过故障次数阈值时，对于数据故障其故障数据大于故障阈值时，故障注入及指令控制机对于星上单机和故障模拟目标机进行切换。

综上所述，本发明提供的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟系统及方法，可进行故障诊断与系统重构试验，提高卫星姿轨控系统单机硬件和姿态轨道工作在故障模式的容错能力，保证卫星的安全性。

附图说明

图1为本发明中的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟系统的结构示意图；

图2为本发明中的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟方法的流程图；

图3为本发明中的基于嵌入式VxWorks的故障模拟目标机和故障模拟宿主机之间交互式工作的示意图；

图4为本发明中的基于嵌入式VxWorks的故障模拟目标机的功能图；

图5为本发明中的故障注入及指令控制机的功能图。

具体实施方式

以下结合图1～图5，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明提供的卫星姿轨控系统的故障模拟系统的结构示意图，其采用宿主机-目标机技术实现单机的模型及故障模式，包含：故障模拟宿主机1，采用Windows操作系统，运行Matlab建模软件，基于Simulink(其为MATLAB的重要组件之一)进行故障模型建立，并生成VxWorks实时操作系统下的目标应用程序；故障模拟目标机2，其与所述的故障模拟宿主机1通过网络连接，运行VxWorks实时操作系统和目标应用程序进行故障仿真，保证仿真系统的实时性及可靠性；故障注入及指令控制机3，其分别与所述的故障模拟目标机2(单机模型)以及星上单机4(真实单机)连接，用于发送单机的故障模式指令，实现真实单机串口与单机模型串口的切换。

所述的故障模拟目标机2中设置有一组I/O(输入/输出)板卡，其通过地面测试设备6与姿轨控计算机5连接，并以真实信号进行通讯。如图1所示，所述的地面测试设备5包括信号采集设备、地面控制设备以及终端显示设备等。

如图3所示，为基于嵌入式VxWorks的故障模拟目标机和故障模拟宿主机之间交互式工作的示意图。VxWorks是一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC机操作系统。为了提高实时仿真能力，VxWorks采用了宿主机-目标机的技术途径，其中故障模拟宿主机1采用Simulik建立故障模型，进行仿真前的参数配置，然后采用RTW和一个VC编译器将Simulik故障模型编译为实时目标代码成为一个可执行的目标应用程序并下载到故障模拟目标机2；而故障模拟目标机2则启动实时内核，运行目标应用程序，通过I/O板卡与外部的目标设备进行数据交换，最终实现姿轨控系统半物理的实时仿真测试。

在所述的故障模拟宿主机1与故障模拟目标机2之间，需要传输交换以下信息：1、目标应用程序，由故障模拟宿主机1生成并通过网络下载至故障模拟目标机2；2、控制信号，在故障模拟宿主机1上改变目标应用程序的属性，并且启动及停止目标应用程序；3、信号数据，在故障模拟宿主机1上更改Simulik模型的参数值，并将更新的参数值通过网络下载至故障模拟目标机2。

所述的VxWorks操作系统包括：Wind内核、I/O系统、文件系统、板极支持包BSP(Board Support Package)和网络系统等。其中，Wind内核是VxWorks操作系统的核心，是实现实时多任务操作系统基本功能的微内核。Wind内核实现的功能包括多任务调度、任务间的同步和进程间通信机制、内存管理、定时器和中断处理等。

如图4所示，为故障模拟目标机的功能图，其包括：主控板、多个RS422串口卡、D/A(数字/模拟)转换卡和反射内存卡等。该故障模拟目标机2中还设置有一块单板计算机以及一组I/O板卡，运行VxWorks实时操作系统和仿真模型，并通过I/O板卡生成姿轨控计算机的输入信号，并采集姿轨控计算机的输出信号，用于模型解算。

本实施例中，VxWorks操作系统提供多种标准I/O板卡的I/O驱动设备库，为不同的I/O板卡提供不同的驱动程序。在应用中，将所用到的I/O板卡对应模板拖入模型中，进行采集卡的参数设计，并在实际仿真过程中接入相应的板卡，在编入模型文件时，其中的板卡信息会编译为可执行代码，下载到故障模拟目标机2上后，目标通过数据采集卡和外部目标设备(姿轨控计算机)建立联系，构成实时仿真回路。

如图5所示，为故障注入及指令控制机的功能图，其通过控制配套板卡上内置的继电器，实现与故障模拟目标机2以及星上单机4之间的切换连接，从而实现真实单机串口和单机模型串口的切换。同时能够通过网络控制故障模拟目标机2中的仿真模型，负责发送故障模式指令。

如图2所示，为本发明提供的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟方法的具体流程图，包含以下步骤：

S1、故障模拟宿主机1通过Matlab建模软件运行Simulink，安装目标代码编译器，建立Simulink故障模型，进行模型参数设置，利用Matlab的RTW将Simulink故障模型编译生成可在Vxworks操作系统中运行的实时目标代码(模型名.lo)，成为一个可执行的目标应用程序，以作为敏感器或执行机构的模型；

S2、故障模拟目标机2通过网络下载由故障模拟宿主机1生成的目标应用程序并运行，与动力学仿真软件、星上控制软件组成闭环仿真系统；

S3、故障注入及指令控制机3根据应用软件Visual C++开发的故障注入软件，实现向故障模拟目标机2动态注入所需的故障；

S4、故障注入及指令控制机3根据内置的继电器实现故障模拟目标机2与星上单机4之间的切换连接，允许故障模拟目标机2中的部分模型用真实单机替代，进行卫星姿态控制的故障模拟试验。

本发明所述的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟方法，还包含：S5、采用数据采集及遥测终端软件对仿真运行状态进行数据采集与显示，进行故障诊断与重构分析及验证试验。

所述的S4中，当连续通讯故障或连续数据故障次数不超过故障次数阈值时，对于数据故障其故障数据小于故障阈值时，对异常数据不以采用，且故障注入及指令控制机3对于星上单机4和故障模拟目标机2不进行切换处理；当连续故障次数超过故障次数阈值时，对于数据故障其故障数据大于故障阈值时，故障注入及指令控制机3对于星上单机4和故障模拟目标机2进行切换。

故障模拟系统通过控制连续故障次数，及数据故障偏置值，对这些指标进行测试，检验姿轨控系统的故障诊断这部分功能是否正确，检验系统对故障的隔离与系统重构功能是否有效。各故障单机的故障阈值及故障次数阈值可以通过注数更改。

本发明所述的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟方法，试验前将故障模拟系统初始化为正常情况下姿轨控系统的状态，与星上姿轨控计算机通讯的星上单机为真实单机。每次故障试验完毕后，将故障模拟系统恢复到真实单机接入系统的状态。

与现有技术相比，本发明提供的基于嵌入式VxWorks的卫星姿轨控系统的故障模拟系统及方法，具有以下优点和有益效果：

1、能够仿真模拟各种故障模式，进行故障诊断与系统重构试验，提高卫星姿轨控系统单机硬件和姿态轨道工作在故障模式的容错能力，保证卫星的安全性。

2、仿真系统成本低，由于卫星上控制部件价格通常非常昂贵，控制部件的故障模拟，必须进行人为的破坏，而且能够模拟的故障模式极为有限，为此付出的代价太大；而本发明提供的故障模拟系统的故障用模型来代替，不需要真实单机，故成本大大降低，且灵活。

3、可控性高，真实单机和模型可以方便地进行实时切换，试验过程中可根据故障试验的要求，通过故障注入及指令控制机来实时控制各单机和模型之间的切换，大大提高了工作效率。

4、仿真逼真度高，根据当前故障试验内容，只对需要设置故障的单机用模型进行故障注入，其余均切换至真实单机，更加真实的模拟卫星在轨的工作状态。

5、提高了仿真的实时性。卫星控制系统从采集执行机构输出、卫星动力学计算、输出数据给电信号源或各种模拟器直到敏感器输出测量结果的全过程所耗的时间应小于星上姿轨控计算机一个控制周期0.5秒的时间；动力学模型和单机模型均采用VxWorks实时操作系统，保证仿真系统的实时性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。