卫星GNC系统设计及验证

    基于某卫星GNC系统的研发实践，完成卫星GNC系统的需求建模、系统模型设计、模型数字仿真、模型半物理仿真，最后使用自动代码生成技术生成卫星GNC系统软件，加载到星载计算机中，完成卫星的系统测试及在轨验证。

    某型号卫星GNC系统以卫星控制计算机为核心，使用传感器测量数据进行位置和姿态的导航解算，根据目标进行制导算法设计，控制不同执行机构实现闭环控制。完成卫星总体下达的指向、定位、高精度轨控、相对导航等任务需求。

    GNC分系统是典型的控制闭环系统，功能设计主要包括控制算法设计和系统方案设计。控制算法设计主要是根据总体需求和任务约束，设计控制方法以及控制参数寻优。系统方案设计包括GNC系统单机选型、冗余容错、系统内外通信和时序的设计。

一、基于模型的GNC系统设计

1、系统设计

首先建立了卫星GNC系统的需求模型，完成了利益相关者需求分析。

2、模型设计

模型设计使用Simulink工具进行建模和验证。以系统中典型的某三轴姿态精确指向功能为例，建立陀螺数据处理、星敏感器滤波、目标姿态计算、姿态机动规划、姿态控制量计算、动量轮控制和磁卸载模型。具体子功能模型，使用Simulink Library、Matlab Function和Stateflow完成建模，主要实现具体算法和逻辑。

对顶层工作流程、外部变量交互进行建模，将各个子功能模型作为Simulink Function进行调用，如下图所示。模型设计在架构建模基础上形成工作流调用模型，主要负责将上述功能模块按时序和逻辑调用。

工作流建模和子功能模型调用

星敏感器滤波模型

建模后需对模型进行单元测试，与工作流模型集成后进行模型组装测试，并使用Simulink测试管理工具进行比对调试。

二、基于模型的GNC系统验证

    在基于模型的卫星控制系统研发过程中，对系统研发每个阶段的设计结果进行了验证。对系统运行场景模型的验证，确认系统功能是否满足GNC系统需求；

1、对系统功能模型的验证，确认系统架构、接口、状态逻辑是否满足系统级需求；

2、建立“卫星GNC系统数字孪生设计平台”，模型驱动闭环卫星试验环境，确认卫星GNC系统等的功能/性能/接口；

3、经过全数字仿真验证后的模型，使用自动代码生成技术，加载到卫星控制计算机中，进行半实物闭环测试，完成硬件在环测试；

GNC模型的测试验证采用ATSPACE卫星GNC系统数字孪生设计与验证平台构建模型测试验证环境，分别实现模型规范检查、模型在环测试、运行时错误检查、软件在环测试以及硬件在环测试相关测试验证内容。

三、验证结果

1、模型与原设计的一致性验证

1）  建立模型测试环境，进行了模型闭环仿真测试，与算法方案仿真曲线一致

2）  建立原有C代码的运行环境，进行了姿态确定，姿态机动过程中，模型和C代码运行结果一致

3）  进行模型的人工走查，确认模型和用户需求一致

2、代码与原设计的一致性验证

1）  自动生成代码通过了人工走查，确认代码和用户需求一致

2）  在软平台和星地联试设备上分别进行了配置项测试工作。语句和分支覆盖率经人工确认后达到100%；功能覆盖率达到100%

3）  使用代码静态分析工具SpecCheck 对自动生成代码进行静态分析，确认自动生成代码符合航天C代码编程规范

3、代码与原设计的一致性验证

在轨实施结果证明模型设计正确、自动生成的代码正确、满足控制系统功能性能指标要求。