[发明专利]基于多路数据总线的嵌入式实时仿真与故障模拟系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多路数据总线的嵌入式实时仿真与故障模拟系统，属于航天器冗余系统可靠性测试和验证领域。

背景技术

高可靠性是对航天器运行的基本要求，冗余容错技术是保证系统高可靠性的有效设计措施。对于航天器冗余系统，需要有效的测试手段，通过向被测冗余系统注入故障来测试系统的容错能力，验证系统的冗余设计。

现有的基于故障模拟的航天器冗余系统测试方法主要分为两种。一种方法通过在数据传输通道中串接故障注入装置，实时获取冗余系统数据，然后基于故障仿真方法向原数据中融入故障信息得到故障数据，最后将故障数据输出至容错控制系统实现故障注入。该方法进行测试时需要使用冗余系统中所有真实物理设备，虽然在具有较高的真实性，但却大大降低了测试的灵活性。另一种方法通过实时仿真方式模拟冗余设备数据，然后基于故障仿真方法生成故障数据，最后以与真实设备相同的通信接口实时输出数据。该方法采用实时仿真方式模拟冗余设备，可在缺少真实物理设备的条件下完成测试，既保证了测试的真实性，又提高了测试的灵活性。

对于所述的第二种方法，现有技术通常采用基于设备数学模型的数值计算方式实时模拟设备数据。一方面，由于实时仿真算法严重依赖设备数学模型，因此采用数值计算仿真方式的故障模拟装置通常专用于固定结构的冗余系统测试。若要求对不同冗余系统进行测试，则需要修改底层数值仿真算法来适应被测系统结构及设备类型的变化，通用性较差。另一方面，航天器实际发射任务中积累了大量地面遥测数据，利用这些数据作为实时仿真与故障模拟的数据源将提高仿真数据流的真实性，而采用数值计算仿真方式的故障模拟装置无法实现对遥测数据的利用。

另外，基于冗余设计的先进航天器系统结构复杂，设备数量众多(如：32路以上)，数据交换频繁(如：1ms传输周期)。对于这类航天器冗余系统进行测试，需要故障模拟装置能够模拟多个设备同时输出数据的过程，这就要求故障模拟装置具备实时控制多路数据总线并行输出故障仿真数据的能力。现有的故障模拟技术通常采用“工业控制计算机+多路同步总线接口卡”的硬件结构实现这一功能。采用这种硬件结构的故障模拟系统存在如下传输不同步问题：①各路同步总线接口卡采用各自时钟独立定时，多路定时器存在时钟偏差，该偏差将随仿真时间增长而变得显著。②工业控制计算机控制各路数据总线启动数据传输的时刻不同步，这将导致各路总线定时起点偏差，该偏差将随总线路数增加而变得显著。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种适用于航天器冗余系统测试的基于多路数据总线的嵌入式实时仿真与故障模拟系统。

本发明的基于多路数据总线的嵌入式实时仿真与故障模拟系统，包括上位机仿真管理软件与嵌入式实时仿真与故障模拟器。

上位机仿真管理软件运行于通用计算机，通过友好的人机界面引导用户针对被测容错控制系统进行仿真配置与故障设置，生成多路冗余设备的故障仿真数据。嵌入式实时仿真与故障模拟器通过多路数据总线实时同步输出故障仿真数据，模拟多路冗余设备发生故障并输出故障数据流的过程。上下位机之间通过以太网进行通信，完成上位机配置信息、故障仿真数据、仿真控制指令的下载与下位机工作状态的上传。已完成文件下载的嵌入式实时仿真与故障模拟器可工作于两种模式下，分别为联机模式和独立模式。联机模式下嵌入式实时仿真与故障模拟器通过以太网与上位机连接，用户通过上位机仿真管理软件发送控制指令遥控仿真进程。独立模式下嵌入式实时仿真与故障模拟器脱机工作，用户通过按键手动控制其仿真进程。

嵌入式实时仿真与故障模拟器采用读文件方式实时模拟设备故障数据。故障仿真数据由上位机仿真管理软件分两步离线生成：首先由特定数据源按特定插值算法生成仿真数据；然后按照特定故障模拟算法将预设故障注入仿真数据生成故障仿真数据。用于生成仿真数据的数据源既可以是基于数学模型的数值计算结果(数值计算结果指的是根据航天器数学模型进行数值仿真得到的仿真数据，而不是真实数据)，也可以是实际航天任务中所记录的真实遥测数据。所提供的插值算法包括：临近点插值、线性插值、三次样条插值以及三次插值。插值计算的目的是利用少量数据得到足量数据，插值计算针对的数据源既可以是数值仿真计算结果，也可以是真实遥测数据，所提供的故障模型及其模拟算法如下：

(1)偏差故障：在原信号上加一恒定或随机信号，该信号幅值不超过原信号幅值；

(2)冲击故障：在原信号上加一脉冲信号；

(3)短路故障：信号接近于零，归一化时用0.1表示；

(4)开路故障：信号接近最大值，归一化时用0.9表示；

(5)漂移故障：信号以某一速率偏离原信号；