嫦娥二号任务地面应用系统实时业务仿真关键技术研究*

肖 媛，张志强，吕 昌，温卫斌

(1.中国科学院国家天文台，北京 100012;2.中国科学院研究生院，北京 100049;3.中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081)

进入21世纪以来，世界航天活动呈现蓬勃发展的新态势。按照国家制定的发展计划，作为我国航天事业重要组成部分的探月工程将分为“绕”、“落”、“回”三期工程组织实施对月球的无人探测活动。其中，一期工程的主要目标是实现绕月探测;二期工程的目标是实现月球软着陆探测和自动巡视探测;三期工程的目标是实现自动采样返回［1］。

随着嫦娥一号任务的圆满完成，探月工程实现了一期目标并全面进入了二期实施阶段。嫦娥二号(Chang’E-2，CE-2)探测器就是探月工程二期的先导星，其主要目标是对二期工程的月面软着陆区进行详查，并获取月面高清晰影像。

与CE-1相比，CE-2有效载荷的工作模式、数据量、数据处理方法和下传码速率等均有很大变化。特别是探测数据下行码速率提高了很多，要求至少具备15 Mbps以上的实时数据处理能力，此外成像相机的分辨率比CE-1提高了一个数量级。因此，CE-2任务对地面应用系统实时数据处理能力提出了非常高的要求。对实时数据接收与传输的软硬件改造，成为地面应用系统适应性改造能否成功的关键［2］。

本文对嫦娥二号任务地面应用系统实时业务仿真的关键技术进行了研究。通过模拟其他分系统实时数据发送过程，运行数据接收实时处理、显示的实时作业流程，对地面应用系统数据传输、处理、存储和显示的能力进行仿真测试，找出软硬件性能瓶颈，优化设计方案。并在完成适应性改造后，通过仿真试验进一步验证系统能否满足CE-2的任务要求，确保地面应用系统改造设计的正确性、完备性和可靠性。

1 系统结构和功能介绍

仿真是一种利用计算机并通过建立模型进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已成为对系统进行分析、设计、试验和评估的有效办法。仿真与系统和模型有着密切的关系。系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真通过对模型进行实验以达到研究系统的目的［3］。

地面应用系统(GSDSA)负责卫星下行数据的接收、处理和科学应用研究，并最终实现科学目标，是一个要为月球科学探测提供各种支持与服务的实时、多功能、业务化运行的系统。GSDSA的主要任务包括:完成对卫星有效载荷的在轨运行控制与探测任务管理、科学探测数据的接收与处理、科学探测产品的生成与共享管理、探测产品的应用研究等。该系统由运行管理(OMS)、数据接收(DAS)、数据预处理(DPS)、数据管理(DMS)、科学应用与研究(SAS)5个分系统组成。

其中，运行管理分系统是GSDSA业务流程自动化的运行管理中心。OMS负责制定卫星有效载荷的探测计划与GSDSA的业务运行计划，协调测控和卫星系统完成对有效载荷的在轨业务运行管理，调度GSDSA的业务运行，提供集中统一的人机监控界面，参加各级各类联调、测试与演练，使得各个分系统能协调一致地在一起工作，稳定可靠地完成规定的任务。

运行管理应用软件(OMSA)的主要任务包括下述5类:计划生成及卫星有效载荷管理;卫星有效载荷运行状态监视;GSDSA的业务运行调度;联调与在轨测试;提供仿真测试环境。图1是OMSA实时业务运行时的系统关联图。

图1 OMSA实时业务系统关联图Fig.1 Connections of an OMSA real-time operating system

本文的研究对象是地面应用系统实时业务作业仿真，主要包括以下几方面:(1)地面站实时数据同步、解调、译码和成帧数据发送;(2)总部运行管理实时成帧数据接收、处理及显示;(3)总部预处理系统原始数据预处理;(4)总部数据管理系统的数据归档。

实时业务仿真系统是一个与OMSA真实的业务运行环境在功能上相似、性能上相近的计算机实物、半实物测试环境仿真系统。投入使用后，将完成以下任务:(1)为地面应用系统人员与软硬件设备的联调演练;(2)为地面应用系统运行管理、预处理和产品生成与存档软件的仿真测试、验证与确认;(3)为地面应用系统运行中的故障分析、定位和预案制定等提供一个近似真实的系统环境［4］。

2 关键技术分析

分析地面应用系统实时业务仿真的需求，主要关键技术和需要解决的问题有以下几点:

首先，通过图1地面应用系统实时业务系统关联图可以看出，实时业务接口关系非常复杂，实时业务仿真首先需要解决的问题是将现有各分系统实时数据流接口在各仿真模块中实现;

其次，由于地面应用系统各系统接口数据量很大，对所有接口数据完全仿真是不现实也是不必要的。仿真系统将对关键实时数据流控制及调度消息接口进行仿真，即对实时数据的接收、发送以及数据处理触发数据等进行仿真;

第三，针对CE-2有效载荷大数据量，实现高速传输的实时处理技术，需要解决最高15 Mbps速率情况下数据传输仿真。研究采用现有通信链路进行高速、无误码发送和接收数据的方法;

第四，实现高速数据处理仿真方法及处理结果的正确性验证方法技术。一是要保证处理数据过程中有效数据不会丢失;二是要解决高速实时数据的计算机处理能力，并以此对真实业务系统硬件改造提供依据;

最后，需要解决实时高速处理的结果如何在计算机终端正确、可靠地实时显示问题。

3 仿真系统设计

3.1 仿真系统设计流程

实时业务仿真系统是在CE-1任务地面应用系统实时业务功能基础上，结合CE-2任务地面应用系统新的改造需求进行研究和设计的，主要采用软件工程的方法进行研究，图2给出了仿真系统的仿真设计流程方案。

图2 实时业务系统仿真设计流程图Fig.2 Flowchart of the design of the simulated real-time operating system

具体技术路线如下:

(1)分析CE-2任务地面应用系统实时业务需求，分析实时业务仿真系统各模块功能，对建立实时业务事件、活动、过程等逻辑关系的建模要素进行分析;

(2)分析地面应用系统实时业务接口，建立仿真模型、仿真模型接口和仿真数据处理方法;

(3)仿真系统模块研制和仿真系统功能测试及确认;

(4)仿真系统运行和仿真结果分析。

3.2 仿真系统建模

由实时业务仿真系统的主要任务和功能可知，在实际运用中，其地位相当于所有要与OMSA进行各种互操作的系统、分系统成分的仿真替代物，负责仿真和模拟它们与OMSA实时业务软件的互操作与数据交换［5－6］。

实时业务信息仿真软件的仿真对象与内容为:

(1)卫星有效载荷及其实时下行数据;

(2)测控中心及其与OMSA间的实时数据交换;

(3)部署在总部外的DASA及其与OMSA间的实时数据交换;

(4)部署在总部内的DPSA、DMSA及其与OMSA间的实时数据交换。

仿真系统在功能上主要可分为以下几个模块:DASA信息仿真模块、DPSA信息仿真模块、DMSA信息仿真模块和BACC信息仿真模块。此时，仿真系统关联如图3。图3与图1相似，以虚线标示出了需要仿真或模拟的OMSA外部接口和在这些接口上传输的信息。

图3 实时业务仿真系统关联图Fig.3 Connections of the simulated OMSA real-time operating system

4 仿真系统的实现

4.1 仿真软件设计

仿真软件的设计主要考虑仿真软件的外部接口功能。在设计与编写实时数据传输外部接口的仿真软件时，将根据实际要求把仿真软件与运行管理软件建立网络逻辑链接，模拟产生和传输运行管理软件的输入数据，以检验OMS对正确或错误输入数据的反应;同时仿真软件可接收和处理运行管理软件的输出数据，判断其正确性，并可根据运行管理软件的输出数据内容和具体要求改变相关输入数据的内容。外部接口仿真功能仿真的接口包括OMS与各分系统的实时数据接口［7］。接口仿真功能是一个完整独立的系统，其中包括3个子功能:仿真运行管理子功能、数据通信子功能和数据处理与仿真子功能。具体功能叙述如下:

仿真运行管理子功能:作为一个独立的系统，仿真运行管理子功能实现外部接口仿真功能的启动、管理和关闭任务。外部接口仿真功能的运行平台独立于运行管理软件的运行平台，但不需要限制平台的种类。仿真运行管理子功能将提供一个操作界面显示外部接口仿真功能的运行情况，且可通过操作界面选择启动的接口程序，或全部启动，或只启动部分接口程序。

数据通信子功能:由于是外部接口的仿真，必然涉及数据通信问题。数据通信子功能完全依照运行管理软件外部接口的定义要求，模拟各分系统与运行管理软件建立各自的逻辑链路，并接收或传输规定的通信数据。

数据处理与仿真子功能:数据处理与仿真子功能要实现3方面的任务。首先是外部数据的准备，最主要的是卫星数据的准备，如遥测数据和探测数据等;二是采集各类数据通过数据通信子功能发送给运行管理软件;三是接收、处理运行管理软件发出的数据，判断运行管理软件数据的正确性，并将判断结果显示在屏幕上。要求数据仿真子功能自动响应运行管理软件的命令而发出不同的信息。图4为仿真软件的流程图。

图4 仿真软件流程图Fig.4 The flowchart of the simulation software

4.2 仿真实例

在仿真系统软件环境下，利用CE-1获得的真实数据对CE-2任务实时处理能力进行了仿真试验。通过该试验测试实时数据处理模块所能承受的码速率极限。

试验选用了两个具有代表性的CE-1数据文件，命名为文件1、文件2。设置几个不同的传输速率值，模拟由两个地面站同时发送数据到OMS的实时处理情况。通过试验得到了目前OMS系统配置下的实时处理极限能力。试验结果如表1。

表1 成帧数据处理的结果Table 1 The results of framing-data processing

试验结果表明，当码速率达到15 Mbps以后，系统资源消耗到达了处理极限，同时实时处理的数据出现了丢失，说明目前的硬件环境还无法适应CE-2地面应用系统实时处理能力的要求。

5 结论

嫦娥二号地面应用系统实时数据处理是地面应用系统的关键业务。通过建立实时业务仿真系统，对整个系统的体系结构进行模拟，并对可能出现系统性能瓶颈的地方进行仿真试验和分析，获得了实时数据处理的能力指标，为嫦娥二号地面应用系统应用软件和硬件改造提供了技术基础。通过对实时业务仿真的研究，为进一步开展卫星在轨运行管理仿真研究提供了经验。

［1］叶培建，孙泽洲，饶炜.嫦娥一号月球探测卫星研制综述 ［J］.航天器工程，2007，16(6):9-15.Ye Peijian，Sun Zezhou，Rao Wei.Research and Development of Chang’E-1 ［J］.Spacecraft Engineering，2007，16(6):9-15.

［2］中国科学院国家天文台，中国科学院空间科学与应用研究中心.中国科学院与嫦娥一号探月卫星 ［J］.中国科学院院刊，2007，22(6):491-492，497.National Astronomical Observataries，Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences.Chinese Academy of Sciences and Chang’E-1 ［J］.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2007，22(6):491 －492，497.

［3］肖英.卫星地面应用系统任务仿真研究 ［J］.无线电工程，2007，37(6):26-28.Xiao Ying.Research on Task Simulation of Resource Satellite Application System ［J］.Radio Engineering of China，2007，37(6):26-28.

［4］M Warhaut，P Ferri，E Montagnon.Rosetta Ground Segment and Mission Operations ［J］.Space Science Reviews，2007，128:189 –204.

［5］王恒霖，曹建国.仿真系统的设计与应用 ［M］.北京:科学出版社，2003.Wang Henglin，Cao Jianguo.The Design and Application of the Simulation System ［M］.Beijing:Science Press，2003.

［6］贾连兴.仿真技术与软件 ［M］.北京:国防工业出版社，2006.Jia Lianxing.Simulation Technology and Software［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.

［7］萨默维尔.软件工程［M］.程成，陈霞，译.北京:北京机械工业出版社，2007.3.Ian Sommerville.Software Engineering［M］.trans Cheng Cheng，Chen Xia.Beijing:China Machine Press，2008.