一种航天器空间环境效应仿真分析软件架构

焦子龙，赵 明，姜利祥，李 涛，刘宇明，姜海富，孙继鹏，郑慧奇，朱云飞

（1. 可靠性与环境工程技术重点实验室； 2. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

航天器在轨运行过程中，因真空、中性大气、等离子体、带电粒子辐射、微流星体及空间碎片、推力器羽流等空间环境因素的影响，可能导致分系统或航天器性能下降，甚至任务无法完成。国内外航天器在轨故障统计分析相关研究发现，空间环境是主要影响因素之一。空间环境效应的主要研究方式包括地面试验、在轨实验、仿真分析等。仿真分析利用计算机软件评估空间环境对航天器的影响程度，可为空间环境效应防护奠定基础，为航天器在轨故障诊断及机理分析提供支撑，有助于减少物理试验成本，进而提高航天器研制效率，是航天器系统设计分析的重要组成部分。

空间环境效应仿真分析软件是工业软件的一种。工业软件的本质是专业知识和技术诀窍的模型化、模块化、标准化和软件化，可以让经验与知识得以更好地保护与传承、更快地运转和更大规模地应用，推动专业知识的沉淀、复用和重构。国外工业巨头都有自己的工业软件开发部门，自有/专用软件数量巨大。例如，波音公司使用了大约1000 种商用软件，而自己研发的自有/专用软件近7000 种。对我国而言，空间环境效应仿真分析软件还存在禁运风险，因此自主研发、实现国产化需求迫切。

航天器空间环境效应涉及因素多，历史积累的经验算法较多，软件复杂，开发工作量大，因此需要系统总结分析软件架构，避免重复劳动，同时更好地适应未来航天技术发展的需求。本文通过对国外空间环境效应分析软件最新技术的调研分析，以及我国未来航天技术空间环境效应分析需求，提出了一种空间环境效应分析软件架构。

1 国内外研究现状

鉴于航天器在轨任务及自身的复杂性，以及空间环境及其效应的复杂多变，国内外研制了多种空间环境效应仿真分析软件，其中既有系统级的集成式分析软件，也有针对单一空间环境因素的分析软件。

1.1 集成式分析软件

SYSTEMA 软 件 由Matra Marconi Space 公 司（目前为空客防务与空间公司）于1990 年开发，目前最新版本为4.8.3。图1 为该软件的总体结构。该软件为“支持空间系统工程的多学科解决方案”，空间环境影响仿真分析为其重要组成部分，包含热流模拟及分析、辐射总剂量、羽流冲击和污染、环境扰动、原子氧腐蚀、材料放气污染以及太阳能电池性能退化、天线耦合干扰、空间碎片等多个子模块。而几何建模、任务分析、结果处理及显示等功能为各模块公用。软件已成功用于科学探测、通信导航等多领域航天器设计中，典型结果如图2 所示。

图1 SYSTEMA 软件总体结构[9]Fig. 1 Architecture of the SYSTEMA software[9]

图2 SYSTEMA 软件的典型计算结果[9]Fig. 2 Typical simulation results of SYSTEMA software[9]

比利时的皇家空间天气研究所（Royal Belgian Institute for Space Aeronomy，BIRA-IASB）联合其他单位在ESA 资助下开发了空间环境信息系统（Space ENVironment Information System，SPENVIS）。其最新版本称为下一代SPENVIS（SPENVIS-NG）。该系统的目标是实现基于web、面向服务的分布式框架，具备可伸缩、可扩展、安全的优异特性。它提供了软件开发工具（SDK），使得用户可开发自己的环境及效应模型放入该系统，同时支持与其他系统或软件的交互。它采用了五层架构，包括人机交互层、机器层、逻辑层、模型层和数据层。逻辑层用来管理整个系统，负责工作流的处理。模型层集成了所有空间环境模型。SPENVIS-NG 系统采用数据生产者/消费者模型管理输入、输出和空间环境模型。空间环境模型既是数据的消费者，也是数据的生产者。空间环境模型存放位置和运行环境不限，甚至可以是远程的计算机/服务器，例如用户可直接调用NASA 的社区管理建模中心的空间环境模型。SPENVIS-NG 系统通过与系统无关的方式（如Java、XML）进行模型调用。一次空间环境效应分析过程可以是单因素或多因素的空间环境效应分析，也可以是某种效应参数化的多次分析。

NASA 为国际空间站任务开发了Environments WorkBench 软件，用于空间环境效应分析。它主要包含轨道定义、航天器定义、空间环境及效应分析、图形界面等功能模块，能够在Windows 和Unix 平台运行。它包含超过100 种空间环境及效应模型；采用了称为软件总线（Software Bus）的技术来提供功能扩充或功能升级，即通过在总线上增加功能模块（modules）或以新模块替换现有模块来扩充或升级功能，用户只需通过配置文件进行相应配置即可。该软件成功用于空间站表面电位的分析及控制。

1.2 单一空间环境因素效应分析软件

针对单一因素空间环境效应也开发了大量的分析软件，如原子氧效应分析软件FLUXAVG、带电粒子辐射效应分析软件SpaceRadiation、单粒子效应分析软件SEMM-2和CRÈME-MC、内带电效应分析软件NUMIT和DICTAT、空间碎片/微流星体效应分析软件BUMPER 和ESABASE、 等离子体环境效应分析软件NASCAP-2K和SPIS、材料放气污染分析软件COMOVA 和NASAN等。其具体特点限于篇幅不再赘述。总的来说，上述软件采用了经过大量研究和试验验证的模型和算法，成功用于多个卫星型号当中，已经成为事实上的标准。

我国也发展了多种单一因素空间环境效应分析软件，如原子氧效应分析软件MOFS、带电粒子辐射效应分析软件、单粒子效应分析软件、内带电效应分析软件ATIC、空间碎片/微流星体效应分析软件MODAOST、材料放气污染分析软件MCAT等。

1.3 空间环境模型及数据库

空间环境模型是空间环境效应仿真的重要组成部分。NASA 建立社区协调建模中心（Community Coordinated Modeling Center, CCMC）网站，集合了空间环境分析所需的大量空间环境模型，可通过网页访问进行计算得到环境参数。欧空局提出了“Planetary Space Weather Services”，提供太阳系其他行星和行星际的空间天气和态势感知服务，满足火星、彗星、木星探测等深空探测任务的需求；一方面是分析空间环境效应的需要，另一方面也是空间探测数据解读的需要。

1.4 小结

为分析评价空间环境效应，国内外开发了多种空间环境效应分析软件，既有集成式的系统级分析软件，也有针对单一因素的分析软件或程序。对比这两种软件类型，前者更便于航天器设计人员进行空间环境效应分析，其优点包括：界面统一，学习成本低；轨道定义及航天器几何模型定义等输入数据的工作量较小；可进行多种空间环境因素的叠加效应分析；架构统一，便于二次开发及升级。因此，我们认为集成式系统级的分析软件是未来发展方向。但我国目前缺乏相应的集成式系统级分析软件。

此外，航天技术的发展对分析软件提出了更新更高的要求，比如：空间太阳能电站等未来大型、超大型航天器的空间环境效应分析需求；空间环境多因素协同效应分析等更精细分析的需求；基于实时空间环境数据建立动态空间环境模型开展空间环境效应分析的需求。软件设计研制中应充分考虑上述需求。

2 空间环境软件架构分析

2.1 空间环境效应分析

空间环境效应较为复杂，有近20 种之多，如表1 所示。

表1 典型空间环境效应Table 1 Typical effects of space environmental factors

在不同的航天器研制阶段，对于不同的产品层级，空间环境效应分析的目的不同。一般而言，航天器研制可划分为可行性论证、方案设计、初样研制、正样研制、在轨运行等阶段。而航天器产品层级可划分为元器件/材料级、设备/分系统级、系统级等。一般的空间环境效应分析流程如图3 所示。在可行性论证和方案设计阶段，需要进行空间环境背景特性分析，判断空间环境影响严重程度，对轨道、发射时间、预期在轨工作寿命等参数进行确定。在初样研制阶段，需要定量分析空间环境效应影响，考虑相应的防护设计及措施。对于在轨运行阶段，卫星出现故障或异常时，需要基于空间环境效应分析，结合其他分析或试验，制定并采取合适的故障或异常排除措施。

图3 空间环境效应分析流程Fig. 3 Flowchart for analysis of space environmental effects

初样研制阶段中的空间环境效应分析包含空间环境单一因素或多个因素效应分析。不同空间环境因素的效应分析流程大致相同。因此，空间环境效应分析软件的基本功能应至少包括任务或轨道数据处理、航天器三维模型操作、空间环境模型库遴选、空间环境因素效应仿真、材料属性等各种数据的存储及管理、可视化等。

2.2 架构分析

软件架构是对软件系统组成及其各部分相互关系的描述。好的架构为软件系统的可靠性、可移植性、互操作性等奠定基础，且便于软件开发和功能升级。因此，有必要开展空间环境效应分析软件的架构分析及设计。本文基于常用的分层软件架构及航天器空间环境效应分析流程、基本功能等知识，提出了一种7 层软件架构，如图4 所示，包括用户界面层、业务逻辑层、业务实现层、算法层、基础算法层、数据访问层及数据层。

图4 航天器空间环境效应分析软件架构示意Fig. 4 Architecture of software for analyzing space environmental effects on spacecraft

用户界面层负责与用户的交互，接收输入数据，输出用户期望的结果。它可以是图形界面、基于网页的界面，也可以支持类似Python 的脚本语言，可实现批处理功能；同时，还提供软件全部功能的API 接口，以集成到用户的分析工具或程序中。

业务逻辑层将现有的空间环境效应分析规范或流程软件化，实现效应分析的自动化、流程化。业务实现层将效应模型、知识、经验等软件化。

算法层提供可调用的空间环境效应计算中需用到的数值计算方法，如用于通量计算的射线追踪方法、用于等离子体计算的PIC 方法、用于中性大气计算的DSMC 方法等。

基础算法层为算法层提供服务，包括实现坐标变换、几何模型处理、矩阵计算等的数学算法。空间环境模型采用不同的坐标系，如地球辐射带环境模型采用L-B 坐标系、中性大气环境模型采用地理坐标系，深空探测任务还涉及行星坐标系、太阳系坐标系等，因此需要坐标变换功能。对于航天器几何模型，一般需要几何模型简化，划分网格，设置边界条件，进行格式转换等相关的功能模块。

数据访问层为效应分析中的输入和输出数据提供读取接口。空间环境效应分析中涉及大量不同来源和特性的数据，比如：大量的实验数据和经验数据，空间环境因素模型需要的太阳黑子数、太阳F10.7 通量、地磁Ap 指数等观测数据；此外还包括仿真分析算例的数据等。

数据格式在空间环境效应分析软件中也具有重要作用。针对空间环境效应方面数据标准格式方面的研究明显不足，目前仅有针对碎片环境模型和效应分析工具之间的接口：标准环境接口（Standard Environment Interface, STENVI）。作为初步建议，本文提出CFD 通用标记系统（CFD General Notation System, CGNS）格式作为效应仿真输出数据格式。CGNS 格式开源、跨平台，适合于需要存储场数据的科学和工程领域，可实现数据的树形结构化存储及随机访问，并允许对数据插入注释。空间环境效应仿真结果一般为场数据。一次仿真的数据集包括不同空间环境因素、不同轨道位置等大量子集。采用CGNS 格式可较好实现集中管理、高效读写。

2.3 系统架构原型初步应用

微流星体撞击通量计算是空间环境效应分析的重要项目。按照图4 中的架构，建立了用于微流星体撞击通量计算的原型系统。原型系统实现了图4 中部分模块，包括业务实现层的微流星体通量计算模块、算法层的射线追踪模块、基础算法层的坐标变换模块、数据访问层的三角网格读取模块和结果输出模块以及微流星体环境模型接口模块等。大型航天器结构复杂，其自身的遮挡效应是微流星体撞击通量计算中的关键。通量计算方法参见文献[44-45]。航天器几何模型如图5 所示，网格数量为24696 个；其轨道为400 km 圆轨道。

图5 航天器几何模型Fig. 5 A geometric model of spacecraft

微流星体撞击通量计算结果如图6 所示。微流星体环境模型为Grün 模型，它定义了距太阳一个天文单位（1AU）处相对静止的随机翻转的面积为1 m的平板在各向同性的微流星体流中一年时间内受到的撞击数目。图6 给出的是直径＜0.1 mm 的微流星体颗粒的撞击通量分布，可以看出，迎风方向撞击数最大，为6.597，朝向地球（-

z

）方向撞击数最小，仅为0.305。此外，由于表面单元之间复杂的遮挡关系，使得撞击数目分布极不均匀。

图6 微流星体通量计算结果Fig. 6 Results of simulated micrometeoroid impact flux

3 结束语

航天器空间环境效应仿真分析是航天器系统设计的重要组成部分。我国目前尚无系统级空间环境效应仿真分析软件，且未来航天任务发展对此类软件提出了迫切需求。作为工业软件的一种，空间环境效应仿真分析软件必须实现自主研制和国产化。由于行业特殊性，以往以项目方式定制化开发的做法使软件在知识经验积累、持续改进、消化吸收新技术方面存在明显不足，陷入低层次重复研究。

为解决上述问题，本文对国内外空间环境效应分析软件进行了系统调研分析，指出空间环境软件的基本功能应至少包括任务或轨道数据处理、航天器三维模型操作、空间环境模型库、空间环境因素效应仿真、材料属性等各种数据的存储及管理、可视化等；提出了一种7 层软件架构，包括用户界面层、业务逻辑层、业务实现层、算法层、基础算法层、数据访问层及数据层；提出采用CGNS 格式管理效应仿真数据。最后，介绍了采用该系统架构实现的微流星体撞击通量计算原型系统，给出了复杂结构航天器微流星体撞击通量典型结果。

原型系统仅是该架构在复杂结构航天器遮挡效应计算中的初步应用，其证明该架构具有足够的弹性，便于将已有仿真相关的程序、算法、模型等快速集成，可作为下一代自主可控空间环境效应仿真分析软件架构研究的起点，在此基础上深入开展标准模块接口和数据格式的相关研究，为软件开发奠定坚实基础。