空中客车防务与航天公司仿真“木星冰卫星探测器”任务的数据流

挑战

让 JUICE 任务的有效载荷仪器供应商能够仿真各种任务场景中的科学数据生成、存储和向地传输

解决方案

使用 Simulink、SimEvents 和 MATLAB App Designer创建可配置的事件驱动模型，并运行多天任务仿真

结果

超出了仿真速度要求
使开发时间缩短 30%
仿真了关键任务场景

“由于深信SimEvents基于事件的快速原型仿真的好处，我们决定使用相同的方法来验证下一代地球观测航天器上的新操作性概念。”
Alexandre Cortier，空中客车防务与航天公司

JUICE在 Jovian 系统中

“木星冰卫星探测器”(JUICE) 任务计划于 2022 年发射，将携带 11 台科学仪器进行为期 8 年的木星（太阳系中最大的行星）之旅。在到达计划位置后，这些仪器（包括照相机、磁力仪、干涉仪、高度计和光谱仪）将对木星及其三个卫星（木卫二、木卫三和木卫四）进行详细的观测。该任务的主要目标是了解支持行星形成和生命出现的条件。

JUICE 仪器产生的数据流在传输到地球之前将存储在固态大容量存储器 (SSMM) 中。由于使用的仪器种类繁多、所收集数据的相对优先级以及传输通道的限制，仪器产生的要存储和向地传输的数据流可能会很复杂。

空中客车防务与航天公司的工程师使用通过 Simulink^® 和 SimEvents™ 创建的事件驱动模型来仿真这些数据流，并评估板载数据延迟、数据存储容量以及向地传输错误率的影响。

空中客车防务与航天公司的研发工程师 Alexandre Cortier 表示：“我们决定选择 MATLAB、Simulink 和 SimEvents 来开发仿真模型，直接考量是这些产品的健壮性、可扩展性和灵活性。使用 SimEvents 对基于事件的系统进行快速原型设计，让我们能够在初步设计评审之前验证 JUICE 计划的新操作概念，并降低后续的系统实现风险。”

挑战

JUICE 任务计划使用的每台仪器最多可生成四条数据流，且数据速率会随时间而变化。每个数据流都链接到一个 SSMM 目录，其中包含将通过 X 或 Ka 波段传输到地球的文件。如果文件在向地传输期间损坏，则地面站将请求重传。文件仅在确认传输成功后删除。

系统变量（包括分配给每个仪器的目录数量和每个目录的向地传输优先级）增加了系统的复杂性。这种复杂性使得操作架构师难以预测子系统之间的各种参数配置和交互会如何影响系统性能。

空中客车防务与航天公司希望创建一种模型，使架构师能够运行仿真来验证其操作概念，并根据指定的优先级调整参数，以满足任务在文件延迟（机载采集和地面完全接收之间的时间）方面的要求。该模型需要在 JUICE 初步设计评审之前准备就绪。关键要求是仿真时间：模拟器必须能够在 10 分钟内运行 15 天的任务，架构师才能运行大量具有代表性的仿真。

解决方案

空中客车防务与航天公司工程师开发出一个事件驱动模型，以使用 SimEvents 仿真 JUICE 科学数据流。

他们创建了三个离散事件组件模块：一个用于仪器行为建模的设备模块，一个用于目录管理逻辑建模的 SSMM 目录管理器模块，以及一个用于传输控制逻辑建模的向地传输波段管理模块。

这些模块中包含操作架构师可以调整的参数，以研究各种配置和仿真场景。参数包括仪器的数量、每个仪器的数据流数量、目录数量、目录大小和优先级，以及向地传输速率和错误率。

该团队根据各个组件模块构建参考系统模型，这种模块包括 10 个设备模块、1 个 SSMM 目录管理器模块和 2 个向地传输波段管理模块（一个用于 Ka 波段，另一个用于 X 波段传输）。

实现团队使用 SimEvents DES 模块开发了模拟器。他们使用 MATLAB App Designer工具构建了一个图形界面，以方便操作架构师和其他用户配置、运行仿真并分析结果。

操作架构师使用该离散事件模型来仿真具有代表性的任务场景，并对各种系统配置进行假设分析。

由于从 JUICE 项目的事件驱动模型获得了正面的体验，空中客车防务与航天公司工程师接着为其内部项目开发了类似的模型，以验证新的操作概念。

结果

超出了仿真速度要求。Cortier 表示：“我们的要求是操作架构师必须能够在 10 分钟内仿真 15 个任务日。幸亏我们使用 SimEvents 开发了 JUICE 模型，使得此类任务的仿真时间缩短为不到 5 分钟。”
开发时间缩短了 30%。Cortier 表示：“我们在几周内就开发出了最初的模型和用户界面。在即将开始的项目中，我们希望能够通过重用我们的用户界面并直接从 UML 模型生成 MATLAB 代码，将开发时间缩短 30% 左右。”
仿真了关键任务场景。Cortier 表示：“使用我们的 SimEvents 模型及其 MATLAB 界面的操作架构师告诉我们，他很高兴能够针对特定问题快速运行具有代表性的仿真。这个模型已经在多个场景中使用，帮助有效载荷仪器管理人员更好地理解 JUICE 数据存储和向地传输系统，并调整他们所负责的配置参数。”