技术领域
[0001] 本
发明涉及卫星技术领域，特别涉及一种基于卫星信息流的全数字化仿真系统。
背景技术
[0002] 数字化建设是我国重点发展的科技领域之一，国外对数字化仿真重视程度较高、起步较早，尤其在航天领域积累了较深的技术能
力储备。如美国国家航空航天局、波音公司、欧洲空间研究与技术中心及德国的IZT公司都将数字化仿真作为院所或集团的重要战略保障及科技攻关点。纵然国外在数字化仿真技术上投入了巨大的财力、人力和物力，但由于仿真系统的不够真、不够细等原因依旧带来了多个灾难性事件。较之国外数字化仿真系统具备的较强技术能力，国内更由于起步较晚，
门槛较高，存在诸多差距，投入并应用的仿真系统就存在造价高昂、操作繁琐、仿真
精度低等问题，实际用户体验较差且任务满足度较低。仿真技术的限制、模型的失真、仿真
覆盖性的不足及仿真验证实现的差异都间接导致了以上悲剧的产生。
[0003] 由此可见，基于信息流仿真所存在的巨大现实意义及
风险规避价值无可替代。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于卫星信息流的全数字化仿真系统，以解决现有的卫星数字化仿真精度低的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于卫星信息流的全数字化仿真系统，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统包括信息流仿真系统、一体化集成开发环境、时钟同步装置及实时网络通信装置，其中：
[0006] 所述一体化集成开发环境、所述时钟同步装置及所述信息流仿真系统通过所述实时网络通信装置通信；
[0007] 所述时钟同步装置为所述信息流仿真系统、所述一体化集成开发环境及所述实时网络通信装置提供时钟
信号；
[0008] 所述信息流仿真系统用于配置初始参数，定义被测设备
接口、发送内容、比照内容和测试程序之间的成员关系组成，并将配置结果储存于
数据库中；
[0009] 所述一体化集成开发环境用于自动生成测试程序，将数据库中的配置结果生成测试程序，并将测试程序烧录到被测设备上；
[0010] 所述信息流仿真系统包括芯片级仿真单元、
电路级仿真单元和类计算机仿真单元；
[0011] 所述芯片级仿真单元直接运行目标代码及进行指令解析，或存在寄存器界面和状态轮转；
[0012] 所述电路级仿真单元去除所述寄存器界面，以
电信号为主要输入输出；
[0013] 所述类计算机仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码；
[0014] 所述信息流仿真系统、一体化集成开发环境、时钟同步装置及实时网络通信装置构成平台级仿真单元，所述平台级仿真单元的数据流与真实卫星的数据流保持一致。
[0015] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统还包括系统仿真评估单元，所述系统仿真评估单元根据性能指标体系和评估方法的比较，对测试报告中的结果进行分析，并形成诊断报告。
[0016] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统还包括
可视化运行界面，所述可视化运行界面包括场景仿真界面、显示界面和
人机交互界面，其中：
[0017] 所述场景仿真界面用于显示卫星实时处于的仿真场景；
[0018] 所述显示界面用于显示仿真的数据和结果；
[0019] 所述人机交互界面用于输入仿真参数和条件。
[0020] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统还包括数字化卫星平台和卫星故障预案库，其中：
[0021] 所述数字化卫星平台作为被测设备；
[0022] 所述卫星故障预案库用于存储卫星故障预案，以作为系统仿真评估单元的评估要素。
[0023] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述实时网络通信装置包括标准交互接口及适配，以及智能接口适配及长线传输，其中：
[0024] 所述标准交互接口及适配用于下载所述信息流仿真系统和可视化运行界面的数据；
[0025] 所述智能接口适配及长线传输用于下载所述一体化集成开发环境、所述时钟同步装置及所述信息流仿真系统之间的通信模型，还用于下载所述系统仿真评估单元、可视化运行界面、数字化卫星平台和卫星故障预案库之间的通信模型。
[0026] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，
[0027] 所述芯片级仿真单元用于CPU处理器、DSP处理器、FGPA逻辑部件、
存储器或总线
控制器的仿真；
[0028] 所述电路级仿真单元用于看门狗电路、地址选择
逻辑电路、同轴
电缆电路仿真；
[0029] 所述类计算机仿真单元用于陀螺、
飞轮或
舵片仿真；
[0030] 所述平台级仿真单元用于整个卫星平台数据流的仿真。
[0031] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述芯片级仿真单元直接运行目标代码及进行指令解析，包括：
[0032] 根据精确时间指令级仿真模型进行仿真，以线性解释方式模拟执行指令，包括：
[0033] 第一，通过指令技术产生仿真时间的方式，使用外部时钟驱动被测芯片主循环，以使仿真时间不依赖被测芯片；
[0034] 第二，增加延时处理机制，在指令模拟执行过程中，依据被测芯片
说明书以及当下执行情景计算指令执行所耗指令周期数量，同时根据执行过程中是否存在外部I/O
访问，添加I/O延时，最后相加形成最终延时；当下次时钟驱动到达时，首先判断是否需要延时跳过。
[0035] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述芯片级仿真单元存在寄存器界面和状态轮转包括：
[0036] 第一，被动等待处理器I/O读写操作，并处理反馈至外部世界，或被动等待外部世界信息交换，以中断或寄存器状态变化通知处理器；
[0037] 第二，根据RS422总线控制器、CAN总线控制器和1553B总线控制器的数据传输速率具有时间属性，提供RS422总线控制器、CAN总线控制器和1553B总线控制器能够按照与实际一致的时序特征进行数据交换的功能；
[0038] 第三，根据
硬件模
块在同一计算机中的映射地址空间相异，或不同
计算机系统甚至不同I/O地址空间中地址映射位线相异，实现在适应不同映射动态可变的寄存器地址映射功能。
[0039] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述电路级仿真单元去除所述寄存器界面，以电信号为主要输入输出包括：
[0040] 第一，基于逻辑信号仿真，包括复位、中断，影响处理器状态；
[0041] 第二，基于电气特征仿真，包括
电压变化或
电流变化影响数据通讯；
[0042] 第三，设计外设接口，建立相应模型库。
[0043] 可选的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述类计算机仿真单元包括单机级仿真单元、分系统级仿真单元及系统级仿真单元，其中：
[0044] 所述单机级仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码包括：
[0045] 第一，对于单机对外接口的数据包，根据数据协议来定义单机输入输出等相关的数据结构；
[0046] 第二，定义单机数据成员属性，包括单机对外遥测量、加电
开关机标志，利用已经从外部数据源导入到本地的数据量对单机成员属性的刷新设置；
[0047] 第三，定义单机接口，根据单机数据格式约定，对上行遥控信道发送来的指令进行解析，对于指令中的遥测包
请求、特殊包请求指令等所有指令进行相应包的组
帧或者相应的单机动作；
[0048] 第四，定义单机通道接口，根据单机对外接口类型及数量，建立相应的单机对外通信信道；
[0049] 所述分系统级仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码包括：将多个数学模型与底层硬件虚拟化相结合，以实现对高层次模块的模拟，所述多个数学模型包括空间
姿态动力模块、近地轨道动力模块、深空轨道动力模块和热磁辐照模块。
[0050] 在本发明提供的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，通过芯片级仿真单元直接运行目标代码及进行指令解析，或存在寄存器界面和状态轮转，电路级仿真单元去除寄存器界面，以电信号为主要输入输出，类计算机仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码，平台级仿真单元的数据流与真实卫星的数据流保持一致，实现了以虚拟CPU为
基础，科学的环境模型为依据，搭建一体化的数字卫星仿真技术
框架，进一步实现了对卫星平台进行精细颗粒度的分解，针对芯片、电路建立最基本仿真单元，并在此基础上进行虚拟化构建，以达到对卫星行为级别的精细颗粒度仿真；并实现芯片级、单机级、分系统级、卫星平台级多维度仿真。
[0051] 具体的，本发明基于信息流，从底层芯片、电路级至单机、系统级分层仿真构建数字，满足卫星总体论证、设计、研制和验证的全过程；其次，解决了精细颗粒度和多维度仿真的难题；数据流仿真和真实卫
星系统完全一致，有效加快了卫星研制进度、提高了卫星研制
质量，该成果成功应用于卫星的论证、设计、研制及在轨运行全过程。最后，低成本、低风险，高保真，高效率的模拟硬件行为，解决了硬件未全部就绪的情况下，开展
软件全流程作业，提供了卫星研制单位低成本高灵活性并行开发研制平台。
附图说明
[0052] 图1是本发明一
实施例的基于卫星信息流的全数字化仿真系统示意图；
[0053] 图2是本发明一实施例的精确时间指令级仿真模型示意图；
[0054] 图3是本发明一实施例的逻辑件信息流通用模型示意图；
[0055] 图4是本发明一实施例的电路级仿真技术研究路线示意图；
[0056] 图5～6是本发明一实施例的信息流接口与状态转换示意图；
[0057] 图中所示：10-信息流仿真系统；11-单机级仿真单元；12-硬件重定向；13-硬件设备；14-多实体数学模型；15-信息系统；20-一体化集成开发环境；21-仿真模型库；22-数据库；23-工具库；24-可视化建模；30-时钟同步装置；31-多时钟模拟；32-多时钟同步；40-实时网络通信装置；41-标准交互接口及适配；42-智能接口适配及长线传输；50-系统仿真评估单元；60-可视化运行界面；61-场景仿真界面；62-显示界面；63-人机交互界面；70-数字化卫星平台；80-卫星故障预案库；90-通讯模型。
具体实施方式
[0058] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于卫星信息流的全数字化仿真系统作进一步详细说明。根据下面说明和
权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0059] 本发明的核心思想在于提供一种基于卫星信息流的全数字化仿真系统，以解决现有的卫星数字化仿真精度低的问题。
[0060] 为实现上述思想，本发明提供了一种基于卫星信息流的全数字化仿真系统，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统包括信息流仿真系统、一体化集成开发环境、时钟同步装置及实时网络通信装置，其中：所述一体化集成开发环境、所述时钟同步装置及所述信息流仿真系统通过所述实时网络通信装置通信；所述时钟同步装置为所述信息流仿真系统、所述一体化集成开发环境及所述实时网络通信装置提供
时钟信号；所述信息流仿真系统用于配置初始参数，定义被测设备接口、发送内容、比照内容和测试程序之间的成员关系组成，并将配置结果储存于数据库中；所述一体化集成开发环境用于自动生成测试程序，将数据库中的配置结果生成测试程序，并将测试程序烧录到被测设备上；所述信息流仿真系统包括芯片级仿真单元、电路级仿真单元和类计算机仿真单元；所述芯片级仿真单元直接运行目标代码及进行指令解析，或存在寄存器界面和状态轮转；所述电路级仿真单元去除所述寄存器界面，以电信号为主要输入输出；所述类计算机仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码；所述信息流仿真系统、一体化集成开发环境、时钟同步装置及实时网络通信装置构成平台级仿真单元，所述平台级仿真单元的数据流与真实卫星的数据流保持一致。
[0061] 本发明首次提出了基于卫星信息流的全数字化仿真实现技术，实现了全数字化的高保真卫星信息仿真系统，紧跟国家数字化发展战略的步伐，针对卫星研制过程中论证手段缺乏、联调验证方法落后、新型装备任务演练缺少演练平台等导致的方案反复、测试不充分、研制周期长等难题，区别传统的任务级仿真，从底层芯片、电路级至单机、系统级分层仿真构建，创造性地提出了针对卫星信息流的全数字化高保真仿真理论和方法，有力推动了航天产业数字化的
进程。本发明采用基于信息流的全数字化仿真在平台通用性、高保真性、信息流处理、仿真精度、模型精细化、故障覆盖等方面处于国际先进地位。
[0062] <实施例一>
[0063] 本实施例提供一种基于卫星信息流的全数字化仿真系统，如图1所示，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统包括信息流仿真系统10、一体化集成开发环境20、时钟同步装置30及实时网络通信装置40，其中：所述一体化集成开发环境20、所述时钟同步装置30及所述信息流仿真系统10通过所述实时网络通信装置40通信；所述时钟同步装置30为所述信息流仿真系统10、所述一体化集成开发环境20及所述实时网络通信装置40提供时钟信号；所述信息流仿真系统10用于配置初始参数，定义被测设备(即数字化卫星平台70)接口、发送内容、比照内容和测试程序之间的成员关系组成，并将配置结果储存于一体化集成开发环境20的数据库22中；所述一体化集成开发环境20用于自动生成测试程序，将数据库22中的配置结果生成测试程序，并将测试程序烧录到被测设备(即数字化卫星平台70)上；所述信息流仿真系统10包括芯片级仿真单元、电路级仿真单元和类计算机仿真单元；所述芯片级仿真单元直接运行目标代码及进行指令解析，或存在寄存器界面和状态轮转；所述电路级仿真单元去除所述寄存器界面，以电信号为主要输入输出；所述类计算机仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码；所述信息流仿真系统10、一体化集成开发环境20、时钟同步装置30及实时网络通信装置40构成平台级仿真单元，所述平台级仿真单元的数据流与真实卫星的数据流保持一致。
[0064] 具体的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统还包括系统仿真评估单元50，所述系统仿真评估单元50根据性能指标体系和评估方法的比较，对测试报告中的结果进行分析，并形成诊断报告。所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统还包括可视化运行界面60，所述可视化运行界面60包括场景仿真界面61、显示界面62和人机交互界面63，其中：所述场景仿真界面61用于显示卫星实时处于的仿真场景；所述显示界面62用于显示仿真的数据和结果；所述人机交互界面63用于输入仿真参数和条件。所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统还包括数字化卫星平台70和卫星故障预案库80，其中：所述数字化卫星平台70作为被测设备；所述卫星故障预案库80用于存储卫星故障预案，以作为系统仿真评估单元50的评估要素。
[0065] 进一步的，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述基于卫星信息流的全数字化仿真系统还包括实时网络通信装置40，所述实时网络通信装置40包括标准交互接口及适配41，以及智能接口适配及长线传输42，其中：所述标准交互接口及适配41用于下载所述信息流仿真系统10和可视化运行界面60的数据；所述智能接口适配及长线传输42用于下载所述一体化集成开发环境20、所述时钟同步装置30及所述信息流仿真系统10之间的通讯模型90，还用于下载所述系统仿真评估单元50、可视化运行界面60、数字化卫星平台70和卫星故障预案库80之间的通讯模型90。
[0066] 如图1所示，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述芯片级仿真单元用于CPU处理器、DSP处理器、FGPA逻辑部件、存储器或总线控制器的仿真，所述电路级仿真单元用于看门狗电路、地址选择逻辑电路、同轴电缆电路仿真；所述类计算机仿真单元用于陀螺、飞轮或舵片仿真；所述平台级仿真单元用于整个卫星平台数据流的仿真。
[0067] 为实现高效率的指令级精确CPU仿真，建立一种分层的统一时间管理系统(Universal Time Management)，它独立于指令集模拟，可设置任意精度，支持多处理器系统，同时能够为
外围设备提供时钟。该时钟系统便于管理，且运行速度极快，能够满足系统仿真平台对时间系统的绝大部分要求。时钟同步装置30包括多时钟模拟31和多时钟同步32，仿真处理器执行目标码的仿真时间属性，如指令执行时间、延时时间等，尽量精确与实际保持一致。对于抽象出的时间等属性，提供可配置的方式，进行相应调节。
[0068] 如图2所示，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述芯片级仿真单元直接运行目标代码及进行指令解析，包括：根据精确时间指令级仿真模型进行仿真，以线性解释方式模拟执行指令，包括：第一，通过指令技术产生仿真时间的方式，使用外部时钟驱动被测芯片主循环，以使仿真时间不依赖被测芯片，如休眠等执行与否状态均能向前流动；第二，增加延时处理机制，在指令模拟执行过程中，依据被测芯片说明书以及当下执行情景计算指令执行所耗指令周期数量，同时根据执行过程中是否存在外部I/O访问，添加I/O延时，最后相加形成最终延时；当下次时钟驱动到达时，首先判断是否需要延时跳过；通过上述设计，实现具有精确时间属性的仿真处理器。本方法适用于针对图1中的虚拟CPU进行仿真。
[0069] 卫星上常用的外设接口有串口、AD、1553B总线，CAN总线，SpaceWire等，虽然通信协议已标准化，但功能实现方式，各厂家的实现也具有较大差异性。以逻辑件为具有寄存器操作界面的一类量产芯片、总线控制器等硬件模块，进行行为级信息流仿真。这类硬件模块具有相似的行为级信息流运行特征，即桥接处理器与外部世界，一端为寄存器操作界面，另一端为信息交互界面；被动等待处理器I/O读写操作，并处理反馈至外部世界；被动等待外部世界信息交换，以中断或寄存器状态变化通知处理器。
[0070] 如图3所示，在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述芯片级仿真单元存在寄存器界面和状态轮转包括：第一，被动等待处理器I/O读写操作，并处理反馈至外部世界，或被动等待外部世界信息交换，以中断或寄存器状态变化通知处理器；第二，根据RS422总线控制器、CAN总线控制器和1553B总线控制器的数据传输速率具有时间属性，提供RS422总线控制器、CAN总线控制器和1553B总线控制器能够按照与实际一致的时序特征进行数据交换的功能；第三，动态地址映射，硬件模块在同一计算机中常常大量重复存在，而映射于不同的地址空间，此外不同计算机系统甚至不同I/O地址空间中地址映射位线并不一致，需要实现在适应不同映射动态可变的寄存器地址映射功能。以达到模块复用的目的，加快虚拟计算机部署速度。根据硬件模块在同一计算机中的映射地址空间相异，或不同计算机系统甚至不同I/O地址空间中地址映射位线相异，实现在适应不同映射动态可变的寄存器地址映射功能，即对于图1中的虚拟
实时时钟、虚拟内存、虚拟存储器、虚拟总线控制器、虚拟IO和虚拟AD/DA所适用的仿真。
[0071] 进一步的，对不具备寄存器操作界面的逻辑控
制模块等电路级信息流仿真模拟，如看门狗电路、地址选择逻辑、同轴电缆等。该类硬件能够直接或间接影响仿真计算机的行为，基于逻辑信号或电气特征进行信息流仿真。在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，如图4所示，所述电路级仿真单元去除所述寄存器界面，以电信号为主要输入输出包括：第一，基于逻辑信号仿真，包括复位、中断，影响处理器状态；第二，基于电气特征仿真，包括电压变化或电流变化影响数据通讯；第三，使用标准化信息流仿真技术设计思想设计外设接口，建立相应模型库。
[0072] 另外，如图5～6所示，卫星上的单机，可分为
传感器和执行器两大类。此类硬件具备固定的功能，但由于没有标准化，各厂家的实现具有较大差异性。对目前卫星的传感器、执行器、单机、数据传输总线等进行了大量而充分的调研。在此基础上为卫星所有的逻辑部件、单机和分系统建立数学模型并开发了信息流仿真模型。在所述的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，所述类计算机仿真单元包括单机级仿真单元11、分系统级仿真单元及系统级仿真单元，其中：单机级仿真单元包括虚拟CPU(包含有单机软件)，虚拟实时时钟，虚拟内存，虚拟存储器，虚拟总线控制器，虚拟IO，虚拟AD/DA，所述单机级仿真单元11进行行为级仿真以替代运行目标代码包括：第一，对于单机对外接口的数据包，根据数据协议来定义单机输入输出等相关的数据结构；第二，定义单机数据成员属性，包括单机对外遥测量、加电开关机标志，利用已经从外部数据源导入到本地的数据量对单机成员属性的刷新设置；第三，定义单机接口，根据单机数据格式约定，对上行遥控信道发送来的指令进行解析，对于指令中的遥测包请求、特殊包请求指令等所有指令进行相应包的组帧或者相应的单机动作；第四，定义单机通道接口，根据单机对外接口类型及数量，建立相应的单机对外通信信道；单机级仿真单元11、硬件重定向12和硬件设备13构成分系统仿真单元，分系统仿真单元还包括多实体数学模型14，所述分系统级仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码包括：为了模拟卫星复杂信息流数据生成，本发明仿真技术还集成了多个可配置的卫星数学模型，将多个多实体数学模型14与底层硬件虚拟化相结合，以实现对高层次模块的模拟(即分系统1、分系统2、分系统3、分系统4、
能源热控、环境模型和网络通信，以实现任务1、任务2和任务3，最终发送至信息系统15)，各模块使用高精度时钟同步装置进行时统，标准交互接口进行通信互联，使数据流仿真与真实卫星系统完全一致。基于卫星信息流仿真系统可实现芯片级、单机级、分系统级、卫星平台级多维度仿真。所述多个数学模型14包括空间姿态动力模块、近地轨道动力模块、深空轨道动力模块和热磁辐照模块。依据硬件分类或者仿真原理的不同，形成标准化的信息流仿真方法；其次，依据应用系统的需求，建立统一标准。
[0073] 在本发明提供的基于卫星信息流的全数字化仿真系统中，通过芯片级仿真单元直接运行目标代码及进行指令解析，或存在寄存器界面和状态轮转，电路级仿真单元去除寄存器界面，以电信号为主要输入输出，类计算机仿真单元进行行为级仿真以替代运行目标代码，平台级仿真单元的数据流与真实卫星的数据流保持一致，实现了以虚拟CPU为基础，科学的环境模型为依据，搭建一体化的数字卫星仿真技术框架，进一步实现了对卫星平台进行精细颗粒度的分解，针对芯片、电路建立最基本仿真单元，并在此基础上进行虚拟化构建，以达到对卫星行为级别的精细颗粒度仿真；并实现芯片级、单机级、分系统级、卫星平台级多维度仿真。
[0074] 具体的，本发明基于信息流，从底层芯片、电路级至单机、系统级分层仿真构建数字，满足卫星总体论证、设计、研制和验证的全过程；其次，解决了精细颗粒度和多维度仿真的难题；数据流仿真和真实卫星系统完全一致，有效加快了卫星研制进度、提高了卫星研制质量，该成果成功应用于卫星的论证、设计、研制及在轨运行全过程。最后，低成本、低风险，高保真，高效率的模拟硬件行为，解决了硬件未全部就绪的情况下，开展软件全流程作业，提供了卫星研制单位低成本高灵活性并行开发研制平台。
[0075] 综上，上述实施例对基于卫星信息流的全数字化仿真系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
[0076] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
