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航天器数字化设计与系统仿真技术
作者: 来源:本站原创 文章点击数:

  随着微电子、微机械、新型计算机、高性能复合材料以及精密加工工艺技术的发展与进步,航天器的功能密度不断提高、研制成本不断降低。现代航天器载荷种类繁多、飞行任务灵活多样、性能指标千差万别,传统的以卫星平台为核心的设计和研制模式已无法适应其技术发展;基于传统的设计思路、依靠实物试验的研制方式及串行工作的管理模式难以实现航天器高性能、短周期、低成本的研制目标,因此,必须研究和提出适应航天器技术特点的新的设计理念和研制方法。
  先进的数字化设计与系统仿真技术是提高航天器性能和质量、降低研制成本和风险、缩短研制周期以及保障在轨可靠运行的重要途径和手段。各国航天机构投入大量经费进行该领域的研究,所建立的设计与仿真系统在航天器设计与研制的各个阶段都发挥着重要作用。在航天器数字化设计与仿真[1-6]、星上电子系统高密度集成[7-9]、虚拟集成与测试[10]以及物理仿真验证[11-15]等方面取得重要的技术突破,获得了大量的研究成果。

  在国防预研、973和863计划的支持下,结合“试验卫星一号”设计与研制,哈工大在电子系统高密度集成、柔性化平台、航天器数字化设计与系统仿真等方面取得了大量创新性研究成果,建立了具有国际先进水平的航天器数字化设计与仿真环境。

  航天器的设计与研制流程及其关键技术

  航天器设计与研制流程主要分为任务分析与设计、总体方案设计与优化、技术设计、柔性化平台数字化设计、系统半物理仿真验证与卫星研制等阶段,数字化设计和系统仿真过程贯穿整个研制流程。
  在高置信度模型数据库基础上,通过任务分析与设计,给出卫星系统功能和参数指标;再通过方案设计、优化和系统仿真评价,完成卫星总体方案的技术设计;在技术设计基础上,进行柔性化平台的数字化设计,主要进行基于片上系统控制单元(SoC)的电子系统一体化设计、各功能模块设计和飞行软件设计。在电子系统设计过程中并行进行飞行软件的开发、研制与调试,继而以电子系统为核心,进行面向有效载荷的最优匹配优化设计,通过全系统、全过程、全模式的数学仿真,完成系统的柔性化集成、测试和仿真评价,建立柔性化平台;最后,研制电子系统的原理样机,并以此为核心构建物理和半物理仿真环境,电子系统原理样机的软件采用仿真模块通过自动代码生成。
  设计与研制流程中涉及的关键技术包括:基于SoC的高集成度电子系统数字化设计与仿真、以高集成度电子系统为核心的柔性化平台设计、基于柔性化平台的整星数字化设计以及系统仿真验证等技术。

  高集成度电子系统的数字化设计与仿真

  现代航天器的技术特点是系统集成度高、运行管理功能集中并适合于模块化设计。因此,电子系统在整星数字化设计与系统仿真过程中具有核心地位。电子系统高密度集成的主要技术途径是SoC的设计理论和方法。

  1 基于SoC的高集成度电子系统数字化设计与仿真
  基于SoC进行电子系统设计与仿真的方法主要包括:软硬件协同设计、超深亚微米IC设计和IP核生成及复用等。设计与仿真过程通常分为3个步骤,一是规划电子系统功能;二是确定实现相关功能的IP模块,IP模块是SoC设计的基本单元,主要包括CPU内核、存储器控制器、AMBA控制器、定时器、UART、DMA、PWM、看门狗等;三是基于IP模块集成电子系统进行联合仿真,对系统软件进行验证,继而下载到FPGA中进行系统功能仿真,最后将IP模块进行SoC集成,研制满足性能指标要求的硬件。

  2 星载电子系统数字化设计与仿真环境总体框架和性能
  为进行航天器电子系统高密度集成,在Lilac软、硬件开发平台基础上建立了星载电子系统数字化设计与仿真环境,包括设计平台和仿真验证平台2部分。

  星载电子系统数字化设计与仿真环境包含了当前电子系统设计最优秀的工具和IP,能够实现先进的IC设计。可以实现星载电子系统从RTL低层设计到系统联调的顶层仿真与试验,整个过程采用一致的时序,能够对信号进行完整性分析,保证对延迟计算、各种约束、可测性和物理性能的全面验证。

  3 基于高集成度电子系统的航天器通用核心模块——“微型核”
  “微型核”是航天器的通用核心,集成了平台电子系统的所有功能,由片上系统控制单元模块(SoC)、I/O接口电路、射频单元电路(RFIC)以及微型姿态和轨道敏感器组成,SoC模块即通常的星务管理系统,负责数据存储与处理、自主运行管理、电源控制与管理以及热管理等,并通过I/O接口实现其数据采集和控制功能;微型姿态和轨道敏感器通过I/O接口为SoC模块提供姿态和轨道测量信息;RFIC模块完成星间和星地通信功能。“微型核”具有丰富、灵活的对外接口和较强的扩展性,能根据不同的有效载荷和飞行任务需求,快速集成各类航天器。
  基于星载电子系统数字化设计与仿真环境完成了“微型核”原理样机的设计与研制,其中集成了大量自主设计的IP模块,包括SPARC V8 内核、存储管理控制、PCI总线控制器、通用串行口、PWM调制、定时器、DMA和看门狗等。



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