航天器推进剂补加仿真模拟试验系统的制作方法

本发明涉及一种航天器推进剂补加仿真模拟试验系统。

背景技术：

推进剂在轨补加技术为空间站建造所必需的关键技术之一，目前国际空间站上所用的推进剂补加系统是采用的俄罗斯补加技术，其基本过程为：携带推进剂的货运飞船(补加航天器)与空间站(被补加航天器)对接，空间站通过自身携带压气机为膜盒贮箱建立低气压环境，利用压力差将货运飞船携带的推进剂传输至空间站膜盒贮箱。

目前我国正在开展航天器推进剂在轨补加技术的研制工作，其中推进补加信息交互协议、推进剂补加飞行程序及推进剂在轨补加的具体飞控实施是掌握推进剂在轨补加技术的重要组成部分。在航天器地面测试阶段，需在航天器上开展专项测试对补加信息交互协议及补加飞行程序的正确性进行验证，该专项测试需耗费大量人力和时间，因此若通过对补加信息设计的模拟进行提前验证，可以避免对专项测试产生反复，减少地面研制的工作量。在航天器飞控任务准备阶段，需开展航天器推进剂在轨补加飞控任务的演练工作，包括对推进剂补加流程及程序进行演练、对推进剂补加飞控实施方案和实施流程进行验证、对推进剂补加飞控地面监控软件进行测试、对参加飞控试验人员进行训练等，而这些演练工作的开展需基于对航天器上补加设备状态、补加控制过程、补加关键参数、补加信息流设计等的正确模拟。

此外，航天器研制过程中，对补加信息协议及补加飞行程序的测试验证，一般采用在整器状态下通过专项测试或大系统间的接口联试来实现；飞控任务准备过程中，对补加实施过程的演练，一般通过地面发送指令以及指令对应的遥测参数变化来简单模拟补加过程。现有的技术手段存在以下几个问题：①地面测试阶段，在整器状态下对补加信息协议及补加飞行程序进行专项测试可以达到最真实的验证效果，但该方法需花费大量的人力和时间成本，特别当补加信息协议及程序设计存在问题时，会导致专项测试的反复，增大工作量；②飞控任务准备阶段，以往由飞控中心开展的飞控演练只能对指令发送及对应的遥测变化进行简单的模拟，但对补加过程中关键阶段和关键事件的判断起到重要作用的温度、压力、剩余量等缓变的参数却无法真实模拟，同时无法对补加故障模式进行模拟，缺少专门的补加仿真模拟验证系统。

对于传统的地面测试验证方法，当补加信息协议及程序设计中存在问题时，会导致测试反复，增大工作量；同时现有的地面飞控演练系统只能简单的进行遥测参数变化的模拟，与推进剂补加的实际在轨状态差距较大。因此有必要设计专门的推进剂补加信息模拟验证系统，对地面测试过程中补加设计状态(如补加飞行程序、补加信息交换协议等)进行提前验证，并用于补加飞控任务准备阶段的飞控地面演练，提高飞控演练真实性和演练效果，验证推进剂在轨补加具体实施方案安排的合理性和正确性。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种航天器推进剂补加仿真模拟试验系统。

为实现上述目的，本发明提供一种航天器推进剂补加仿真模拟试验系统，包括：补加仿真模拟装置和被补加仿真模拟装置；其中：

补加仿真模拟装置由补加仿真主控制器、补加仿真数据控制器、补加仿真测控器和补加仿真启动器构成；

被补加仿真模拟装置由被补加仿真主控制器、被补加仿真数据控制器、被补加仿真测控器和被补加仿真启动器构成；

所述补加仿真模拟装置和被补加仿真模拟装置通过网络相互可交互信息地连接，并在推进剂补加仿真模拟试验过程中相互交互模拟故障信息。

根据本发明的一个方面，补加仿真启动器用于向补加仿真主控制器输出仿真模拟试验系统启动的初始条件参数，启动仿真模拟试验；

补加仿真数据控制器用于向所述补加仿真主控制器输出程控指令和注入数据，使所述补加仿真主控制器模拟建立补加推进剂的一个或多个动作；

补加仿真测控器用于向所述补加仿真主控制器输出遥控指令，使所述补加仿真主控制器模拟建立补加推进剂所需设备的启动或停止；

补加仿真主控制器用于根据补加仿真启动器赋予的初始启动条件、补加仿真数据控制器建立的补加推进剂的一个或多个动作以及补加仿真测控器所建立的补加推进剂所需设备的启动或停止指令，模拟补加推进剂飞船向空间站补加推进剂工况。

根据本发明的一个方面，所述补加仿真主控制器包括补加网络通信模块、补加指令及数据注入模块、补加遥测模块、补加信息交互模块、补加控制模块、补加故障模拟模块和补加模拟数据库。

根据本发明的一个方面，所述补加网络通信模块用于接收并识别网络报文数据，然后转发给所述补加指令及数据注入模块、所述补加信息交互模块或者所述补加控制模块；并将所述补加遥测模块、所述补加信息交互模块和/或所述补加控制模块传输的数据组成网络报文数据发送给所述补加仿真数据控制器、所述补加仿真启动器及所述被补加仿真控制器。

所述补加模拟数据库用于存储动作指令、注入数据、遥测参数以及故障模式供所述补加指令及数据注入模块和所述补加遥测模块查询；

所述补加指令及数据注入模块基于所述补加模拟数据库解析来自所述补加网络通信模块转发的数据信息中的遥控指令、程控指令和注入数据，提取与指令或者注入数据对应的编码，根据编码查询所述补加模拟数据库中相应的遥测参数，将遥测参数发送给所述补加遥测模块；

所述补加遥测模块基于所述补加模拟数据库动态模拟仿真所述遥测参数和补加故障参数；

所述补加信息交互模块用于读取来自所述补加遥测模块的最新状态遥测参数，并且更新所述补加仿真主控制器和所述被补加仿真主控制器之间用于交互数据的信息交互数据帧，然后将所述数据帧发送给所述补加网络通信模块组成网络报文数据包发送给所述被补加仿真主控制器；

所述补加控制模块用于执行并回应来自所述补加仿真启动器的启动命令，并且解析来自所述补加仿真启动器的故障状态参数，将解析后的故障状态参数发送给所述补加故障模拟模块进行仿真模拟；

所述补加故障模拟模块根据所述补加控制模块发送的故障状态参数动态模拟故障模式。

根据本发明的一个方面，所述补加网络通信模块采用UDP协议实现所述补加仿真主控制器与所述补加仿真数据控制器、所述补加仿真测控器和所述补加仿真启动器之间的以太网数据交互。

根据本发明的一个方面，被补加仿真启动器用于向被补加仿真主控制器输出仿真模拟试验系统启动的初始条件参数，启动仿真模拟试验；

被补加仿真数据控制器用于向所述被补加仿真主控制器输出程控指令和注入数据，使所述被补加仿真主控制器模拟建立补加推进剂的一个或多个动作；

被补加仿真测控器用于向所述被补加仿真主控制器输出遥控指令，使所述被补加仿真主控制器模拟建立补加推进剂所需设备的启动或停止；

被补加仿真主控制器用于根据被补加仿真启动器赋予的初始启动条件、被补加仿真数据控制器建立的接收补加推进剂的一个或多个动作以及被补加仿真测控器所建立的接收补加推进剂所需设备的启动或停止指令，模拟空间站接收补加推进剂飞船向空间站补加推进剂工况。

根据本发明的一个方面，所述被补加网络通信模块用于接收并识别网络报文数据，然后转发给所述被补加指令及数据注入模块、所述被补加信息交互模块或者所述被补加控制模块；并将所述被补加遥测模块、所述被补加信息交互模块和/或所述被补加控制模块传输的数据组成网络报文数据发送给所述被补加仿真数据控制器和所述被补加仿真启动器及所述被补加仿真控制器。

所述被补加模拟数据库用于存储动作指令、注入数据、遥测参数以及故障模式供所述被补加指令及数据注入模块和所述被补加遥测模块查询；

所述被补加指令及数据注入模块基于所述被补加模拟数据库解析来自所述被补加网络通信模块转发的数据信息中的遥控指令、程控指令和注入数据，提取与指令或者注入数据对应的编码，根据编码查询所述被补加模拟数据库中相应的遥测参数，将遥测参数发送给所述被补加遥测模块；

所述被补加遥测模块基于所述被补加模拟数据库动态模拟仿真所述遥测参数和补加故障参数；

所述被补加信息交互模块用于读取来自所述被补加遥测模块的最新状态遥测参数，并且更新所述补加仿真主控制器和所述被补加仿真主控制器之间用于交互数据的信息交互数据帧，然后将所述数据帧发送给所述被补加网络通信模块组成网络报文数据包发送给所述补加仿真主控制器；

所述被补加控制模块用于执行并回应来自所述被补加仿真启动器的启动命令，并且解析来自所述被补加仿真启动器的故障状态参数，将解析后的故障状态参数发送给所述被补加故障模拟模块进行仿真模拟；

所述被补加故障模拟模块根据所述被补加控制模块发送的故障状态参数动态模拟故障模式。

根据本发明的一个方面，所述被补加网络通信模块采用UDP协议实现所述被补加仿真主控制器与所述被补加仿真数据控制器、所述被补加仿真测控器和所述被补加仿真启动器之间的以太网数据交互。

根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统取得了以下有益的技术效果：

本系统仅通过软件仿真方法就可以在航天器地面测试阶段对补加飞行程序和补加信息协议的正确性进行测试验证，大大降低了人力和时间成本，降低了航天器研制成本。

本系统可以用于飞控地面演练，实现对补加过程、补加参数、补加流程进行动态仿真模拟，同时对补加过程中的温度、压力等参数的模拟真实性高，与实际在轨情况更接近。

通过本模拟系统可以在飞控任务准备阶段对推进剂补加流程及补加程序进行演练，对推进剂补加飞控实施方案和实施流程进行验证，对地面监控软件和显示页面的正确性进行测试，同时可对飞控人员进行训练，研制成本低，飞控演练效果明显。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统的结构布置图；

图2示意性表示根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统中补加仿真主控制器的软件划分和数据传输关系图；

图3示意性表示根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统中被补加仿真主控制器的软件划分和数据传输关系图。

具体实施方式

此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，附图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

图1示意性表示根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统的结构布置图。如图1所示，根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统包括补加仿真模拟装置1和被补加仿真模拟装置2。其中，补加仿真模拟装置1由补加仿真主控制器101、补加仿真数据控制器102、补加仿真测控器103和补加仿真启动器104构成。被补加仿真模拟装置2由被补加仿真主控制器201、被补加仿真数据控制器202、被补加仿真测控器203和被补加仿真启动器204构成。在本发明中，补加仿真模拟装置1和被补加仿真模拟装置2通过网络相互可交互信息地连接，并在推进剂补加仿真模拟试验过程中相互交互模拟故障信息。

根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统中的补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201实际上模拟的是补加推进剂的航天器(例如货运飞船)和被补加推进剂的航天器(例如空间站)。其他的控制器、测控器或者启动器模拟的是地面操控单元，即与上行空间的航天器通信并且实现信息数据交互和控制的地面控制部分。在本发明中，补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201实现的主要功能及对外接口相同，只是具体的配置参数存在差异。根据本发明的一种实施方式，补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201内部软件可由Windows操作系统和推进剂补加仿真软件组成，仿真软件采用Visual C#开发，采用多线程和模块化、构件化设计思想，以提高通用性和复用性。其他控制器、测控器或者启动器同样采用上述设计构思。

在本发明中，补加仿真启动器104是用于向补加仿真主控制器101输出仿真模拟试验系统启动的初始条件参数，启动仿真模拟试验。例如，补加仿真启动器104向补加仿真主控制器101发出启动、停止、跳时或者断点保存等条件参数作为命令来启动仿真模拟试验。根据补加仿真启动器104发出的不同命令，补加仿真主控制器101做出不同反应的仿真模拟试验，同时发送相应的应答信息告知补加仿真启动器104。

补加仿真数据控制器102用于向补加仿真主控制器101输出程控指令和注入数据，使补加仿真主控制器101模拟建立补加推进剂的一个或多个动作。例如输出全部补加阀门关闭、压气机抽气启动及补加到位量等数据指令，补加仿真主控制器101在接收到上述指令后进行相应的动作。

补加仿真测控器103用于向补加仿真主控制器101输出遥控指令，使补加仿真主控制器101模拟建立补加推进剂所需设备的启动或者停止。例如输出阀门、推进剂贮箱，管道等的开启或者关闭的状态等。

补加仿真主控制器101用于根据补加仿真启动器104赋予的初始启动条件、补加仿真数据控制器102建立的补加推进剂的一个或多个动作以及补加仿真测控器103所建立的补加推进剂所需设备的启动或停止指令，模拟补加推进剂飞船向空间站补加推进剂工况。

在本发明中，被补加仿真启动器204用于向被补加仿真主控制器201输出仿真模拟试验系统启动的初始条件参数，启动仿真模拟试验。例如，被补加仿真启动器204向被补加仿真主控制器201发出启动、停止、跳时或者断点保存等条件参数作为命令来启动仿真模拟试验。根据被补加仿真启动器204发出的不同命令，被补加仿真主控制器201做出不同反应的仿真模拟试验，同时发送相应的应答信息告知被补加仿真启动器204。

被补加仿真数据控制器202用于向所述被补加仿真主控制器201输出程控指令和注入数据，使所述被补加仿真主控制器201模拟建立补加推进剂的一个或多个动作。例如输出全部被补加阀门关闭、压气机抽气启动及补加到位量等数据指令，被补加仿真主控制器201在接收到上述指令后进行相应的动作。

被补加仿真测控器203用于向所述被补加仿真主控制器201输出遥控指令，使所述被补加仿真主控制器201模拟建立补加推进剂所需设备的启动或停止。例如输出阀门、推进剂贮箱，管道等的开启或者关闭的状态等。

被补加仿真主控制器201用于根据被补加仿真启动器204赋予的初始启动条件、被补加仿真数据控制器202建立的接收补加推进剂的一个或多个动作以及被补加仿真测控器203所建立的接收补加推进剂所需设备的启动或停止指令，模拟空间站接收补加推进剂飞船向空间站补加推进剂工况。

根据本发明的以上设置，实际仿真模拟航天器推进剂补加的实验过程如下：

首先，对补加仿真主控制器101、补加仿真数据控制器102、补加仿真测控器103和补加仿真启动器104以及被补加仿真主控制器201、被补加仿真数据控制器202、被补加仿真测控器203和被补加仿真启动器204通过以太网进行网络通信。其中，补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201通过网络通信实现数据交互。

然后同时进行以下工作流程：

对补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201接收到的由补加仿真数据控制器102和被补加仿真数据控制器202发出的推进剂补加指令和注入数据进行判断和解析处理，根据指令和注入数据进行推进剂补加模拟，同时由补加仿真数据控制器102和被补加仿真数据控制器202更新对补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201的遥测数据。

将推进剂补加过程中的遥测数据组包输送给补加仿真数据控制器102和被补加仿真数据控制器202，然后由补加仿真数据控制器102和被补加仿真数据控制器202将遥测数据组包传送给地面显示系统进行显示。在此过程中，组包后的遥测数据是按照周期性地输出给补加仿真数据控制器102和被补加仿真数据控制器202，然后通过补加仿真数据控制器102和被补加仿真数据控制器202统一输送给监显系统进行显示。在本发明中，遥测数据组包后通常在0.5～1s(即周期时长)的时间内输送给补加仿真数据控制器102和被补加仿真数据控制器202。

动态更新补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201之间的推进剂补加信息交互数据。在本发明中，推进剂补加信息交互数据组帧后在0.5～1s的时间内在补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201之间交互输送。

上述功能和动作的实现主要是由补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201的内部软件完成的。

在本发明中，仿真模拟航天器推进剂补加的实验过程中，可以根据实际需要，对补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201进行故障模拟验证。例如由补加仿真启动器104和被补加仿真启动器204发出控制命令，其中包括启动、停止、跳时以及任意断点保存和启动的功能，以开启仿真模拟试验，根据控制命令加上故障指令来实现故障模式的加载及撤销等功能，实现故障模拟验证。

图2和图3示意性表示根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统中补加仿真主控制器和被补加仿真主控制器的软件划分和数据传输关系图。在本发明中，如图2所示，补加仿真主控制器101的软件划分为补加网络通信模块、补加指令及数据注入模块、补加遥测模块、补加信息交互模块、补加控制模块、补加故障模拟模块和补加模拟数据库。

如图3所示，被补加仿真主控制器201的软件划分为被补加网络通信模块、被补加指令及数据注入模块、被补加遥测模块、被补加信息交互模块、被补加控制模块、被补加故障模拟模块和被补加模拟数据库。

结合图2和图3，具体说明上述各模块的功能和作用。其中，补加网络通信模块用于接收由补加仿真主控制器101、补加仿真测控器103和/或补加仿真启动器104发出的网络报文数据，根据约定的报文功能类型进行识别，并转发给补加指令及数据注入模块、补加信息交互模块或者补加控制模块进行处理。此外，补加网络通信模块还用于将补加遥测模块、补加信息交互模块和/或补加控制模块传输的数据组成网络报文数据发送给补加仿真数据控制器102补加仿真启动器104和被补加仿真主控制器201。

补加模拟数据库主要负责实现对补加指令、注入数据、遥测参数以及故障模式进行存储和查询等功能。补加指令及数据注入模块、补加遥测模块基于补加模拟数据库实现指令的解析、遥测参数的模拟以及故障现象的模拟。

补加指令及数据注入模块基于补加模拟数据库解析来自补加网络通信模块转发的数据信息中的遥控指令、程控指令和注入数据，从中提取与指令或者注入数据对应的编码，根据编码查询补加模拟数据库中相应的遥测参数，将遥测参数发送给补加遥测模块，然后由补加遥测模块实现遥测参数对指令的响应变化。

补加遥测模块主要实现对根据本发明的航天器推进剂补加仿真模拟试验系统中的所有遥测参数的动态模拟。例如对地面发送的指令或注入数据进行动态响应，模拟相关遥测参数的变化，如接收到补加阀门开关指令后实时更新补加阀门的开关状态遥测信息；实现对补加管路、阀门、贮箱及气瓶等的温度、压力参数，推进剂剩余量参数，压气机转速等相关参数的动态模拟；实现对补加故障状态参数的动态模拟。此外，补加管路及阀门的温度、压力参数，推进剂贮箱剩余量参数，以及压气机的转速等参数，为补加过程中需重点监视的状态参数，为尽可能真实的模拟实际工作状态，对地面补加试验中获得的数据进行整理、分析及统计，建立每类参数的数学模型，由补加遥测模块基于各类参数的数学模型实现对这些参数进行动态模拟。

补加信息交互模块主要实现补加仿真主控制器101和被补加仿真主控制器201之间互传数据的动态模拟，包括补加阶段字信息、补加到位信息、补加故障状态信息、补加管路压力等比较重要的状态信息，每个信息交互周期到来时，由补加信息交互模块从补加遥测模块中读取以上互传遥测参数的最新状态值，并对信息交互数据帧中的内容进行更新，然后将该数据帧发送给补加网络通信模块组成网络报文数据包发送给被补加仿真主控制器201，从而实现补加信息的交互。

补加控制模块主要实现对来自补加仿真启动器控制命令的响应。例如接收来自补加仿真启动器的启动、停止、跳时及断点保存等命令后，执行相应操作，并回复应答信息；接收到相应的故障模拟状态字后进行解析，并送补加故障模拟模块实现相应故障模式的模拟。

补加故障模拟模块主要实现不同补加故障模式的模拟，根据补加控制模块给出的故障状态字信息，通过调用补加遥测模块实现对该故障现象的动态模拟。

根据本发明的一种实施方式，为实现对补加各类故障现象的模拟，采用数据库查询方式，将各故障模式按照顺序进行排列并给予唯一的ID号，每一个ID号对应一个故障描述文件，补加遥测模块接收到来自补加故障模拟模块的故障ID号后，从补加模拟数据库中提取该ID号所对应的故障数据，根据故障描述文件内容对故障源进行设置，实现补加故障现象的模拟。

在本发明中，被补加仿真主控制器201中的被补加网络通信模块、被补加指令及数据注入模块、被补加遥测模块、被补加信息交互模块、被补加控制模块、被补加故障模拟模块和被补加模拟数据库的功能和作用与补加仿真主控制器101中的补加网络通信模块、补加指令及数据注入模块、补加遥测模块、补加信息交互模块、补加控制模块、补加故障模拟模块和补加模拟数据库的功能和作用相同，不再赘述。但被补加模拟数据库与补加模拟数据库的存储数据是不同的。

为解决现有技术中的问题，本发明采用计算机仿真技术设计了上述推进剂补加仿真模拟试验系统，通过软件实现对补加控制计算机和补加信息流进行仿真，对补加过程的状态参数进行模拟，对补加故障模式进行模拟，从而实现对推进剂在轨补加过程的动态模拟。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。