CN104834226B - 一种数字卫星仿真***及数字卫星状态快速切换方法 - Google Patents
一种数字卫星仿真***及数字卫星状态快速切换方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种数字卫星仿真***及数字卫星状态快速切换的方法，仿真***包括：当前状态栈，保存数字卫星的当前工作状态；目标工作状态栈，保存所需切入的目标工作状态；状态表，保存当前可切换的各个工作状态以及每个工作状态所需的上下文数据；状态树，保存各个工作状态间切换对应的指令ID以及每个工作状态保持需要上注的指令ID；指令池，保存保持各个工作状态所需的指令以及各个工作状态间切换需要的切换指令，每条指令唯一对应一指令ID号；执行池，保存从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值。本发明利用状态池，实现了数字卫星工作状态自动快速切换。
Description
技术领域
本发明涉及航天、航空中卫星测实技术领域，尤其涉及一种基于状态池及时钟脉冲的数字卫星仿真***及数字卫星状态快速切换方法。
背景技术
传统的卫星设计流程中，物理卫星硬件研制、星上软件开发、软件加载到整星物理***测试三个环节是独立进行的，并且各个环节都使用真实物理卫星硬件环境。但是真实的物理卫星硬件环境受成本、技术条件等各方面的限制，存在很多问题；如无法生成多批次同样卫星进行各种试验，无法对卫星进行相关的具有一定危险性的测试，无法模拟空间任务等等。
数字卫星仿真***利用计算机软硬件及网络环境，在地面实验室中通过卫星数据模型实现卫星产品的数字化虚拟，将真实物理卫星通过地面计算机设备虚拟化为全数字模式。数字卫星仿真***通过卫星数字化代替真实物理卫星的方式，可以有效解决传统的使用真实物理卫星开发所不能解决的问题，数字卫星仿真***的出现可以极大的提高卫星研发生产力，同时可以很大程度上提升卫星产品的质量与可靠性。
在数字卫星仿真***使用过程中，如果能快速在卫星的各个工作状态中切换，则能充分提升仿真***在卫星任务演练、故障试验等应用科目上的使用能力和效率。传统的数字卫星仿真***由于需要和动力学***相配合，而动力学***运行过程中的各项状态属于紧耦合特点，动力学***的状态在运行过程中无法快速切换；如果仅仅快速切换数字卫星仿真***中的卫星工作状态，由于工作状态切换后同动力学***中已有的状态不一致，会导致卫星工作状态保持时间短，状态出现异常情况概率高，卫星后续继续运行容易出现故障。故需要一种新的方法，实现卫星工作状态自动快速切换的功能。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中数字卫星无法快速在各个工作状态中切换的技术问题，提供一种数字卫星仿真***及数字卫星状态快速切换方法，利用状态池，配合动力学***，实现了数字卫星工作状态自动快速切换的功能。
为实现上述目的，本发明提供了一种数字卫星仿真***，包括状态池，所述状态池中包含当前状态栈、目标工作状态栈、状态表、状态树、指令池以及执行池；所述当前状态栈，用于保存数字卫星所处的当前工作状态；所述目标工作状态栈，用于保存用户设定的数字卫星状态切换所需切入的目标工作状态；所述状态表，用于保存数字卫星当前可切换的各个工作状态以及每个工作状态所需要的上下文数据；所述状态树，用于保存数字卫星各个工作状态间切换对应的指令ID以及每个工作状态保持需要上注的指令ID；所述指令池，用于保存数字卫星保持各个工作状态所需的指令以及各个工作状态间切换需要的切换指令，其中每条指令唯一对应一指令ID号；所述执行池，用于保存数字卫星从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值，其中，所述指令序列中的指令来自所述指令池，所述动力学初值来自所述状态表中的上下文数据。
为实现上述目的，本发明还提供了一种数字卫星状态快速切换的方法，采用本发明所述的数字卫星仿真***，包括如下步骤：(1)实时将数字卫星当前工作状态填写到数字卫星仿真***中状态池的当前状态栈中；(2)接收到状态快速切换指令后，从状态池的目标工作状态栈中读取切换指令对应的目标工作状态；(3)根据所述当前状态栈以及所述目标工作状态栈，获取数字卫星从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值，并写入所述状态池的执行池中；(4)从所述执行池中读取动力学初值以设置动力学***初始状态的各项值，同时从所述执行池中读取指令序列并依次将指令序列中的各项指令发送到数字卫星，将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中。
本发明的优点在于：当数字卫星仿真***接收到用户快速状态切换指令后，仿真***会从状态池的执行池中读取动力学初值以设置动力学***初始状态的各项值，同时依次发送执行池中指令序列中的各项指令，实现将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中。利用状态池、配合时间脉冲，实现了数字卫星工作状态自动快速切换以及数字卫星和动力学***同步运行。
附图说明
图1，本发明所述的数字卫星仿真***的架构示意图；
图2，本发明所述状态表的架构示意图；
图3，本发明所述状态树的架构示意图；
图4，本发明所述指令池的架构示意图；
图5，本发明所述执行池的架构示意图；
图6，本发明所述的数字卫星状态快速切换的方法的流程示意图；
图7，数字卫星仿真***状态快速切换工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的数字卫星仿真***及数字卫星状态快速切换方法做详细说明。
参考图1，本发明所述的数字卫星仿真***的架构示意图，所述仿真***包括状态池10，所述状态池10中包含当前状态栈11、目标工作状态栈12、状态表13、状态树14、指令池15以及执行池16。其中，状态池10可以保存数字卫星的各个工作状态和工作状态间转换关系，所需的各种值数据，以及所需的指令数据，同时实时记录卫星当前工作状态，便于一键快速切换。
所述当前状态栈11，用于保存数字卫星所处的当前工作状态。
所述目标工作状态栈12，用于保存用户设定的数字卫星状态切换所需快速切入的目标工作状态。
所述状态表13，用于保存数字卫星当前可切换的各个工作状态以及每个工作状态所需要的上下文数据。所述上下文数据包括轨道数据、姿态数据、控制单机数据等数据，任何卫星***一定有一个初始启动状态。
作为可选的实施方式，所述状态表13中包括状态ID号、状态名、上下文表ID号以及上下文表。参考图2，本发明所述状态表的架构示意图，所述状态表13通过表格的形式来保存数据，便于存储以及查找。所述状态ID号，用于唯一标识数字卫星的各个工作状态，即卫星的每个工作状态对应唯一状态ID号来标识；所述状态名，用于保存数字卫星每一工作状态的名字；所述上下文表ID号，用于唯一标识数字卫星每一工作状态对应的上下文表；所述上下文表，用于保存有数字卫星每一工作状态对应的上下文数据，即每个工作状态都对应唯一的一个上下文表，每个上下文表都有唯一的一个上下文表ID号。其中，状态表13中的状态ID号、状态名、上下文表ID号以及上下文表中包含的上下文数据都可以由用户人为进行设置。
所述状态树14，用于保存数字卫星各个工作状态间切换对应的指令ID以及每个工作状态保持需要上注的指令ID。状态树14是数字卫星各个工作状态间的状态转换关系树，描述各个工作状态间切换对应的指令ID，以及每个工作状态保持需要上注的指令ID。
作为可选的实施方式，所述状态树14上的每个节点对应保持该工作状态所需上注的所有指令ID，每条边对应状态切换需要的指令ID。参考图3，本发明所述状态树的架构示意图，其中，状态树14中的每个节点对应的工作状态从状态表13中采集，每个节点和每条边对应的指令ID可以由用户在数字卫星仿真***运行前填写。
所述指令池15，用于保存数字卫星保持各个工作状态所需的指令(如轨道注入数据等)以及各个工作状态间切换需要的切换指令，其中每条指令唯一对应一指令ID号。参考图4，本发明所述指令池的架构示意图，其中，指令池15中指令ID和每条指令的内容可以由用户在数字卫星仿真***运行前填写完成。
所述执行池16，用于保存数字卫星从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值。参考图5，本发明所述执行池的架构示意图，其中，所述指令序列中的指令来自所述指令池15，所述动力学初值来自所述状态表13中的上下文数据。动力学初值写入的具体过程为：状态池10从目标工作状态栈12中读取目标工作状态；通过查找状态表13找到目标工作状态对应的上下文表，将上下文表中的上下文数据作为动力学***初始化需要的动力学初值写入执行池16的动力学初值中。指令序列写入的具体过程为：状态池10通过比对当前状态栈11中的状态和目标工作状态栈12中的状态在状态树14中的位置，自动搜索找到状态切换需要的最短路径；根据最短路径获取切换过程所需的各个指令ID，并根据各个指令ID从指令池15中读取相应指令按顺序形成指令序列写入执行池16的指令序列中；获取目标工作状态在状态树14中的节点对应的状态保持需要的所有指令ID，并根据指令ID从指令池15中读取相应指令写入执行池16的所述指令序列中。
通过本发明所述的数字卫星仿真***，仿真***随时将数字卫星所处当前工作状态填写到状态池的当前状态栈中，目标工作状态栈中是用户填写的数字卫星需要快速切换进入的工作状态；当仿真***接收到用户快速状态切换指令后，仿真***会从状态池的执行池中读取动力学初值，设置动力学***初始状态的各项值，同时从所述执行池中读取指令序列并依次将指令序列中的各项指令发送到数字卫星，实现将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中。
参考图6，本发明所述的数字卫星状态快速切换的方法的流程示意图，采用本发明所述数字卫星仿真***。所述方法包括如下步骤：S61：实时将数字卫星当前工作状态填写到数字卫星仿真***中状态池的当前状态栈中；S62：接收到状态快速切换指令后，从状态池的目标工作状态栈中读取切换指令对应的目标工作状态；S63：根据所述当前状态栈以及所述目标工作状态栈，获取数字卫星从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值，并写入所述状态池的执行池中；S64：从所述执行池中读取动力学初值以设置动力学***初始状态的各项值，同时从所述执行池中读取指令序列并依次将指令序列中的各项指令发送到数字卫星，将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中；以下给出上述方法的详细说明。
S61：实时将数字卫星当前工作状态填写到数字卫星仿真***中状态池的当前状态栈中。
数字卫星仿真***随时将数字卫星所处当前工作状态填写到状态池的当前状态栈中，目标工作状态栈中是用户填写的数字卫星需要快速切换进入的目标工作状态。
S62：接收到状态快速切换指令后，从状态池的目标工作状态栈中读取切换指令对应的目标工作状态。
S63：根据所述当前状态栈以及所述目标工作状态栈，获取数字卫星从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值，并写入所述状态池的执行池中。
作为可选的实施方式，获取动力学初值进一步采用如下方式：根据目标工作状态栈中的目标工作状态，通过查找所述状态池的状态表找到目标工作状态对应的上下文表，将上下文表中的上下文数据作为动力学***初始化需要的动力学初值写入执行池的动力学初值中。
作为可选的实施方式，获取所需的指令序列进一步采用如下方式：1)比对当前状态栈中的当前工作状态和目标工作状态栈中的目标工作状态在所述状态池的状态树中的位置，自动搜索找到状态切换需要的最短路径；2)根据所述最短路径获取切换过程所需的各个指令ID，并根据各个指令ID从所述状态池的指令池中读取相应指令按顺序形成指令序列写入执行池的指令序列中；3)获取目标工作状态在状态树中的节点对应的状态保持需要的所有指令ID，并根据指令ID从所述状态池的指令池中读取相应指令写入所述指令序列中。
S64：从所述执行池中读取动力学初值以设置动力学***初始状态的各项值，同时从所述执行池中读取指令序列并依次将指令序列中的各项指令发送到数字卫星，将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中。
本发明进一步结合时间脉冲，在实现将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中的同时，使得数字卫星和动力学***同步运行。作为优选的实施方式，步骤S64之后进一步包括：S65：当数字卫星和动力学***均进入目标工作状态所对应的目标星上时间点等待状态后，时间脉冲自动跳时到目标星上时间点前一预设时间；S66：当时间脉冲到达目标星上时间点时，时间脉冲向数字卫星仿真***发送秒脉冲，数字卫星和动力学***同时启动，开始同步运行。
当数字卫星和动力学***均进入目标工作状态所对应的目标星上时间点等待状态，进一步可以通过以下方式实现：1)当数字卫星的工作状态到达目标星上时间点所需状态时，数字卫星的时间驱动切换到星上自主时间模块，同时数字卫星仿真***向数字卫星发送授时指令，将星上自主时间模块的时间授时为目标星上时间点前若干秒；2)当数字卫星使用星上自主时间模块运行至目标星上时间点时，数字卫星仿真***将数字卫星暂停运行并将动力学***重新启动，动力学***恢复到目标星上时间点所需的动力学初值，其中，数字卫星在动力学***重启过程中处于等待状态；3)动力学***重启完成后，进入等待状态。
通过本发明所述的数字卫星状态快速切换的方法，当数字卫星仿真***接收到用户快速状态切换指令后，仿真***会从状态池的执行池中读取动力学初值以设置动力学***初始状态的各项值，同时依次发送执行池中指令序列中的各项指令，实现将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中。利用状态池、配合时间脉冲，实现了数字卫星工作状态自动快速切换以及数字卫星和动力学***同步运行。
以下结合附图给出本发明所述的数字卫星状态快速切换的方法的一实施例，一对本发明作进一步解释说明。
参考图7，数字卫星仿真***状态快速切换工作流程示意图。假设Tp时间为需要仿真***快速切入的目标工作状态所对应的目标星上时间点。
首先动力学***初始状态设置为Tp时间所需要的时间、轨道、姿态等数据值(数据从状态池的执行池中获取)，数字卫星时间使用动力学时间驱动，开始运行仿真***；仿真***向数字卫星中上注一系列达到Tp时间卫星状态所需的各种相关指令序列(包括轨道数据、状态切换指令等，指令序列从状态池的执行池中获取)。
当数字卫星的状态到达Tp时间所需状态时，数字卫星的时间驱动自动断开动力学时间而切换到星上自主时间模块；同时仿真***向数字卫星发送授时指令，将星上自主时间模块的时间授时为Tp时间前几秒。
当数字卫星使用星上自主时间模块运行至Tp时间点时，仿真***自动将数字卫星暂停运行。此时，动力学***重新启动，恢复到Tp时间所需的各初始状态量；数字卫星在动力学***重启过程中处于等待状态。动力学***重启完成后，保持Tp时间状态，也进入等待状态。
当数字卫星和动力学***均进入Tp时间等待状态后，时间脉冲自动跳时到Tp时间前ΔT时间，ΔT时间的大小取决于现场用户希望等待的时间需求。当时间脉冲到达Tp时间的时候，时间脉冲向仿真***发送秒脉冲，数字卫星和动力学同时开始启动运行，实现了整个仿真***从特定Tp时间状态开始运行的功能，同时实现了动力学***同数字卫星的同步运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种数字卫星仿真***，其特征在于，包括状态池，所述状态池中包含当前状态栈、目标工作状态栈、状态表、状态树、指令池以及执行池；
所述当前状态栈，用于保存数字卫星所处的当前工作状态；
所述目标工作状态栈，用于保存用户设定的数字卫星状态切换所需切入的目标工作状态；
所述状态表，用于保存数字卫星当前可切换的各个工作状态以及每个工作状态所需的上下文数据；
所述状态树，用于保存数字卫星各个工作状态间切换所需的指令ID以及每个工作状态保持所需上注的所有指令ID；
所述指令池，用于保存数字卫星保持各个工作状态所需的指令以及各个工作状态间切换所需的切换指令，其中每条指令唯一对应一指令ID号；
所述执行池，用于保存数字卫星从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值，其中，所述指令序列中的指令来自所述指令池，所述动力学初值来自所述状态表中的上下文数据。
2.根据权利要求1所述的数字卫星仿真***，其特征在于，所述状态表中包括状态ID号、状态名、上下文表ID号以及上下文表；
所述状态ID号，用于唯一标识数字卫星的各个工作状态；
所述状态名，用于保存数字卫星每一工作状态的名字；
所述上下文表ID号，用于唯一标识数字卫星每一工作状态对应的上下文表；
所述上下文表，用于保存有数字卫星每一工作状态对应的上下文数据。
3.根据权利要求1所述的数字卫星仿真***，其特征在于，所述状态树上的每个节点对应保持该工作状态所需上注的所有指令ID，每条边对应工作状态间切换所需的指令ID。
4.一种数字卫星状态快速切换的方法，采用权利要求1-3任意一项所述的数字卫星仿真***，其特征在于，包括如下步骤：
(1)实时将数字卫星当前工作状态填写到数字卫星仿真***中状态池的当前状态栈中；
(2)接收到状态快速切换指令后，从状态池的目标工作状态栈中读取切换指令对应的目标工作状态；
(3)根据所述当前状态栈以及所述目标工作状态栈，获取数字卫星从当前工作状态切换到目标工作状态并保持目标工作状态所需的指令序列以及动力学***初始化需要的动力学初值，并写入所述状态池的执行池中；
(4)从所述执行池中读取动力学初值以设置动力学***初始状态的各项值，同时从所述执行池中读取指令序列并依次将指令序列中的各项指令发送到数字卫星，将数字卫星快速切换到对应目标工作状态中。
5.根据权利要求4所述的数字卫星状态快速切换的方法，其特征在于，步骤(3)中获取动力学初值进一步包括：根据目标工作状态栈中的目标工作状态，通过查找所述状态池的状态表找到目标工作状态对应的上下文表，将上下文表中的上下文数据作为动力学***初始化需要的动力学初值写入执行池的动力学初值中。
6.根据权利要求4所述的数字卫星状态快速切换的方法，其特征在于，步骤(3)中获取所需的指令序列进一步包括：
(31)比对当前状态栈中的当前工作状态和目标工作状态栈中的目标工作状态在所述状态池的状态树中的位置，自动搜索找到状态切换需要的最短路径；
(32)根据所述最短路径获取切换所需的指令ID，并根据指令ID从所述状态池的指令池中读取相应指令按顺序形成指令序列写入执行池的指令序列中；
(33)获取目标工作状态在状态树中的节点对应的状态保持所需上注的所有指令ID，并根据指令ID从所述状态池的指令池中读取相应指令写入所述指令序列中。
7.根据权利要求4所述的数字卫星状态快速切换的方法，其特征在于，步骤(4)之后进一步包括：
(5)当数字卫星和动力学***均进入目标工作状态所对应的目标星上时间点等待状态后，时间脉冲自动跳时到目标星上时间点前一预设时间；
(6)当时间脉冲到达目标星上时间点时，时间脉冲向数字卫星仿真***发送秒脉冲，数字卫星和动力学***同时启动，开始同步运行。
8.根据权利要求7所述的数字卫星状态快速切换的方法，其特征在于，步骤(5)之前进一步包括：
(A)当数字卫星的工作状态到达目标星上时间点所需状态时，数字卫星的时间驱动切换到星上自主时间模块，同时数字卫星仿真***向数字卫星发送授时指令，将星上自主时间模块的时间授时为目标星上时间点前若干秒；
(B)当数字卫星使用星上自主时间模块运行至目标星上时间点时，数字卫星仿真***将数字卫星暂停运行并将动力学***重新启动，动力学***恢复到目标星上时间点所需的动力学初值，其中，数字卫星在动力学***重启过程中处于等待状态；
(C)动力学***重启完成后，进入等待状态。
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