適用于多星并行測試的通用測控地面測試平臺設計與實現(xiàn)

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(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203； 2.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所,上海 200050)

0 引言

隨著新航天任務的發(fā)展，低成本、研制周期短、發(fā)射更為便捷的小衛(wèi)星星座或者編隊衛(wèi)星越來越受到人們的青睞[1-2]，但是能夠滿足批產化、并行化測試的測控地面測試平臺相對較少[7-10]。文獻[1]側重于衛(wèi)星并行測試中測控前端的通用化設計，而測控地面測試平臺及具體實施方法涉及較少；文獻[3]對面向批產化的小衛(wèi)星自動化測試系統(tǒng)的總體設計方法進行了討論。

設計以某組網(wǎng)衛(wèi)星為例系統(tǒng)討論了多星(以典型三星為例)并行測試的通用測控地面測試平臺的設計方法，該平臺已經成功應用于某組網(wǎng)衛(wèi)星的初樣、正樣以及批產階段的接口測試、功能測試、模飛試驗、熱真空試驗、整星EMC試驗、振動試驗、磁試驗和老練試驗等各階段的試驗任務，平臺功能性能穩(wěn)定，滿足并行化、批量化測試需求。大大提高了衛(wèi)星測試效率，有效縮短了衛(wèi)星的測試時間。

1 方案設計

1.1 設計目標

通用測控地面測試平臺旨在滿足多星并行測試的需求，兼顧衛(wèi)星串行測試，具備靈活的可配置性。可根據(jù)型號任務需求靈活選擇測試衛(wèi)星的數(shù)量，合理安排試驗計劃，加快衛(wèi)星型號的研制進度。本文設計的平臺具有的主要特點有適用多星并行測試且兼顧單星測試的靈活性、通用性、適應遠距離測試、自主識別并解析衛(wèi)星遙測等。

靈活性：可根據(jù)任務需要靈活配置參與測試的衛(wèi)星數(shù)目，能夠適應衛(wèi)星的批產并行化測試的需求；

通用性：該平臺測控前端軟件的開發(fā)是基于人機交互較好的LabWindows CVI和Microsoft SQL Sever數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，具有靈活的可配置型，通用性較強，通過修改相應的遙測解析以及遙控配置項即可使用不同衛(wèi)星型號的測試任務；

適應遠距離測試：該平臺射頻遠距離傳輸采用的是光纖信號傳輸方案，射頻信號轉化為光信號后傳輸十幾公里甚至上百公里基本是零衰減。當總裝廠房距離綜測間距離較遠的時候，該方案也能夠較好的滿足測試需求；

自主識別并解析衛(wèi)星遙測：該平臺的測控前端軟件能夠自主識別相同組幀格式的衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)。該平臺軟件能夠跟據(jù)收到的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)自主判別衛(wèi)星星號，并調用對應衛(wèi)星的遙測遙控配置，進而完成遙測遙控相關測試任務。這點在人員短缺的情況下尤為重要。

1.2 平臺系統(tǒng)設計

圖2 多通道測控綜合地檢功能框圖

完整的衛(wèi)星測控地面測試平臺應當支持測試衛(wèi)星與地面的星地鏈路和衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星的中繼鏈路。本文設計平臺的核心為一臺基于PXIe總線板卡形式的多通道測控綜合地檢設備和基于LabWindows CVI和Microsoft SQL Sever數(shù)據(jù)庫的通用可配置測控前端軟件。多星(本文以典型3顆衛(wèi)星為例)并行測試測控測試平臺場景連接圖如圖1。

圖1 多星(典型3顆星)并行測控測試平臺場景連接圖

測控地面測試平臺主要分布在綜合測試間和總裝測試廠房兩個地方，兩者通過光纖連接通信。數(shù)據(jù)庫服務器主要負責衛(wèi)星全周期的遙測遙控數(shù)據(jù)的存儲；測控前端機負責測控前端軟件的運行及測控數(shù)據(jù)的處理、轉發(fā)等；加解密設備負責測控上下行的加解密工作；測控綜合地檢設備負責遙測、遙控、測距、測速及時差測量、業(yè)務數(shù)據(jù)通信、上行信號調制、下行信號解調、變頻等任務，采用PXIe板卡集成架構，它的優(yōu)點是集成度高、操作簡便、價格便宜等；光纖信號傳輸系統(tǒng)主要負責綜合測試間和總裝測試廠房之間的信號通信，優(yōu)點是信號傳播距離遠、差損小。綜合測試間的測控前端、加解密設備、測控綜合地檢設備、主控中心等設備通過千兆以太網(wǎng)TCP/IP或者UDP協(xié)議進行通信。

平臺為適應部分有加解密需求的型號，本平臺設計預留加解密設備接口，能夠實現(xiàn)快速開發(fā)并投入使用。

下面對多星并行測控測試平臺的關鍵部分進行詳細闡述：

多通道測控綜合地檢:

多通道測控綜合地檢與衛(wèi)星測控應答機構成的測控系統(tǒng)能夠完成遙測、遙控、測距、測速及時差測量、業(yè)務數(shù)據(jù)通信等基本功能。該地檢采用PXIe架構，可擴展性強，通道數(shù)可以根據(jù)任務選擇，每個通道均可以獨立完成一顆衛(wèi)星的遙控遙測信號的處理，其硬件組成框圖如圖 2所示。

中頻信號調理單元為多通道測控綜合地檢的核心單元，它完成中頻信號的采集、數(shù)字下變頻、解調解擴、數(shù)據(jù)恢復等功能，實現(xiàn)遙測、測距和業(yè)務數(shù)據(jù)接收；與此同時能夠生成遙控、測距和業(yè)務模擬數(shù)據(jù)，完成擴頻和調制后以70 MHz中頻發(fā)送給上變頻模塊，然后送到射頻輸出口。

上變頻模塊負責將70 MHz的中頻信號上變頻的S頻段，下變頻模塊負責將接收到的衛(wèi)星S波段的測控射頻信號下變頻到70 MHz中頻。上、下變頻模塊均能夠覆蓋整個S頻段，具有很好的通用性。

該地檢設備還提供了高精度銣鐘板卡，馴服后的時鐘精度達到了10-11量級，它提供了相當于原子鐘的功能，為整個綜合地檢的多個通道提供穩(wěn)定的時鐘參考。具有集成化程度高、精度高、價格便宜等優(yōu)點。

多通道綜合測控地檢設備具有簡單的外部接口，每個通道可以相對獨立對應一顆衛(wèi)星的測試任務，只有上行信號輸出和下行信號輸入兩個射頻對外接口，基帶信號、中頻信號、上下變頻等均由設備內部連接通信，增加了設備的可靠性、穩(wěn)定性、易操作性。

2 多星并行測試測控前端軟件

多星并行測試的通用測控地面測試平臺的軟件為本設計的重要一環(huán)。它不僅包含傳統(tǒng)的測控前端軟件的遙測遙控處理，還具有自主識別對應衛(wèi)星的遙測信息，并調用相應衛(wèi)星的處理函數(shù)以及配置項進而對收到的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)進行解析、實時處理、分發(fā)實時顯示、遙測原始數(shù)據(jù)以及解析后的遙測數(shù)據(jù)及時進行數(shù)據(jù)庫存庫等一系列的操作；同時該軟件還能夠和測試中心通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，和加解密設備通過UDP協(xié)議進行通信。

測控地面測試平臺軟件主要由初始化模塊、遙控及自動化測試、遙測及數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)庫模塊和數(shù)據(jù)處理函數(shù)庫5個模塊組成，主要功能如表1所示。測控地面測試平臺測控前端軟件采用友好的人機交互界面，主界面如圖3所示，主要分為8個功能區(qū)域，下面逐一進行介紹。

表1 測控前端軟件主要模塊

圖3 多通道可配置測控前端軟件主界面

區(qū)域1：測控前端軟件功能選項區(qū)，包括開始/結束測試任務、配置項加載、功能測試入口、衛(wèi)星通道選擇、測試工具選擇等；

區(qū)域2：TCP/IP通道建立顯示區(qū)，包括測控前端與測控綜合地檢設備、綜測主控中心、數(shù)傳設備的連接顯示情況，LED綠燈表示連接成功，紅燈表示連接失?。?/p>

區(qū)域3：實時顯示整星遙測信息，顯示內容包括遙測幀信息，遙測分包信息以及按分系統(tǒng)顯示的解析后的遙測量信息，便于各分系統(tǒng)設計師快速定位要關注的遙測量；

區(qū)域4：整星重點關注的遙測量固定顯示；

區(qū)域5：顯示接收衛(wèi)星遙測對應的衛(wèi)星編號以及遙控指令添加發(fā)送界面；

區(qū)域6：已添加的遙控指令顯示及發(fā)送指令選取區(qū)域；

區(qū)域7：測控前端軟件操作記錄顯示區(qū)域；

區(qū)域8：多星并行測試衛(wèi)星通道選擇區(qū)域。

該測控前端軟件圖形操作界面的設計為測試人員與測試平臺系統(tǒng)提供實時互動功能，方便測試人員實時監(jiān)測衛(wèi)星狀態(tài)和遙控指令的操作[4-6]。測控前端軟件主要分為上行遙控和下行遙測處理兩個部分，具體處理流程見2.1～2.2章節(jié)。

2.1 遙控處理流程

多星并行測試的通用測控地面測試平臺軟件的遙控處理過程相對于傳統(tǒng)測控前端軟件增加了衛(wèi)星通道選擇、遙控明密通道選擇等，能夠適應多星并行測試的需求。遙控處理流程如圖 4所示。

圖4 多星并行測試遙控處理流程圖

衛(wèi)星測試開始后，上行遙控首先選擇要測試的衛(wèi)星號，可以選擇單顆衛(wèi)星，也可以選擇多星同時測試模式；根據(jù)選取的衛(wèi)星號加工并生成相應遙控指令；根據(jù)測試需求選擇遙控明態(tài)通道或者遙控密態(tài)通道測試；然后通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到測控綜合地檢設備進行調制、上變頻、發(fā)送給相應衛(wèi)星；指令發(fā)送成功將發(fā)送的指令存入數(shù)據(jù)庫，如果指令發(fā)送不成功則給出錯誤提示警告，重新生成相關測試指令。

2.2 遙測處理流程

多星并行測試的通用測控地面測試平臺軟件的遙測處理過程相對于傳統(tǒng)測控前端軟件遙測處理增加了衛(wèi)星遙測自動識別功能、遙測數(shù)據(jù)分發(fā)功能等。遙遙測處理流程如圖 5所示。

圖5 多星并行測試遙測處理流程圖

遙測接收開始，測控前端軟件首先判斷遙測數(shù)據(jù)的明密態(tài)信息(如果是密態(tài)的數(shù)據(jù)，先要經過解密處理)，通過的遙測幀副導頭自動識別衛(wèi)星號，選擇相應衛(wèi)星的遙測處理函數(shù)配置，然后將遙測原始數(shù)據(jù)存庫，接下來遙測幀解擾、解幀處理，同時分發(fā)給測試中心進行后續(xù)處理；遙測解析后將各遙測量存入數(shù)據(jù)庫，如果出現(xiàn)遙測量超出預先設置的門限，軟件自動給出錯誤警告，并將錯誤的信息存入數(shù)據(jù)庫。

該軟件運行在分布式測控前端工控機上，根據(jù)參與測試的衛(wèi)星數(shù)量進行配置，每臺參與衛(wèi)星測試的測控前端機均配有相應的數(shù)據(jù)庫，用于存儲對應衛(wèi)星的遙測原始數(shù)據(jù)以及解析后的遙測數(shù)據(jù)和遙控參數(shù)配置。這樣既保證了衛(wèi)星的并行測試需求，又能將各個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)實時處理、存庫、廣播分發(fā)各個分系統(tǒng)的顯示終端，通過物理隔離使得不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)相對獨立處理，增加了系統(tǒng)的魯棒性和可維護性，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 光纖信號傳輸系統(tǒng)

為滿足衛(wèi)星總裝廠房和衛(wèi)星綜合測試間距離較遠的測試需求，本文測試平臺選用光纖傳輸(圖1綠色虛線內)。綜合測試間和總裝廠房各安裝一套多通道的光端機，用于將測控射頻信號和光信號進行轉化，中間用光纖進行傳輸。光纖傳輸?shù)膬?yōu)點是信號傳播距離遠、差損小。

3.1 射頻信號調節(jié)模塊

衛(wèi)星型號要求測控支持對地測控和中繼測控兩種模式，由于衛(wèi)星采用測控天地一體化設計，中繼上行和對地測控的上行信號同頻同碼且分時工作，整星測控信號一共可分為對地/中繼測控上行、對地測控下行、中繼測控下行三路。為保證多通道測控綜合地檢的一組上下行通道滿足一顆衛(wèi)星的測試任務，必須對三路測控信號進行射頻調節(jié)及整合。

為此，設計了一套地面射頻信號調節(jié)方案，單通道的連接圖如圖6所示。由于中繼下行信號比對地下行信號強10 dB左右，而對地下行和上行信號使用收發(fā)公用天線與衛(wèi)星進行信號交互，在對地測控天線下端連接一個環(huán)形器實現(xiàn)上下行復用一個天線，環(huán)形器本身有3 dB左右的衰減，因此對地下行信號比中繼下行信號弱13 dB左右，需要在中繼下行鏈路中加入13 dB的大功率衰減器，以保證對地下行信號和中繼下行信號到達測控綜合地檢入口電平的一致性。

圖6 射頻信號調節(jié)示意圖

4 試驗驗證

適用于多星并行測試的測控地面測試平臺已經成功應用于某組網(wǎng)衛(wèi)星的各階段的測試任務，平臺建成1年多時間，累計服役于十幾顆衛(wèi)星。非常好的完成了多星并行測試任務，成功完成多星并行測控指令上注，多顆衛(wèi)星并行測試的遙測數(shù)據(jù)接收、解析、轉發(fā)、存儲等，平臺運行穩(wěn)定可靠，收到了很好的效果。

5 結論

針對組網(wǎng)衛(wèi)星研制周期短、測試任務重、測試人員短缺的特點，設計并實現(xiàn)了適用于多星并行測試的測控地面測試平臺，詳細介紹了平臺的系統(tǒng)構成、工作原理和關鍵技術。該平臺的設計實現(xiàn)提高了衛(wèi)星測試效率、縮小了測試人員隊伍、間接縮短了批產衛(wèi)星的研制周期，達到了很好的使用效果，為多星并行測試的測控地面測試平臺的設計提供借鑒。