《1 引言》
1 引言
20世纪70年代末,世界无线电行政大会把S频段规定为空间飞行器测控频段后,法国、欧空局、日本等相继建成了多个频段测控站,并相互组成全球性的S频段测控网。80年代中后期,我国与巴西联合研制资源一号卫星,由于巴西使用S频段测控站,因此我国首先在资源一号卫星上采用了S频段测控体制;随后国内研制的实跋五号等后续卫星也相继采用S频段测控佛制。为了与国际航天测控接轨,具备国际间同频段测控联网的能力以及载人航天器测控需要,我国也研制了S频段测抱设备,组建了S频段测控网,为资源一号等S频段卫星测控提供相应支持。为了圆满完成S频段卫星的测控任务,研制开发了S频段多星测控仿真系统。该系统属于半实物仿真范畴,通过和真星标定后,在信道的电气性能和数据层方面与真星具有等价性,即从测控站计算机输入端看,仿真系统模拟产生的测控数据流与真星飞行时的测控数据流一致,使航天测控系统处于类似实战的环境中,可用于星地大回路演练,以检验测控软件和常数装订的正确性,培训任务指挥、操作人员,使他们熟悉卫星正常测控过程和故障情况下的应急处置。另外,该系统TT&C部分兼用于系统标定、星地对接、零值传递和设备校飞等。
《2 系统组成及功能》
2 系统组成及功能
《2.1 系统组成》
2.1 系统组成
根据航天测控系统的任务以及S频段测控设备的特点,S频段卫星测控仿真系统由S应答机、专用接口、计算机、仿真软件、监控台以及电源和连接电缆等组成[1]。该系统所有设备都安装在监控台中,构成一个有机整体,其连接示意图如图1所示。
《2.2 系统功能》
2.2 系统功能
该系统可以模拟卫星各个飞行阶段的状态,并与航天测控系统构成测控回路,实现以下功能:
- 提供S频段信标和测证转发通道,完成5频段射频、视频仿真;
- 完成星地频率双捕,射频或视频遥控指令
《图1》
图1 S波段卫星测控仿真系统连接示意图
Fig.1 Sketch chart of S-band satellite TT&C simulation system
的接收、解调、译码和执行效果仿真;
- 模拟卫星各类遥测数据的动态生成、格式加工与发送,能通过读取在轨卫星的实测遥测数据,自动设置仿真系统的技术状态;
- 完成星上OBDH分系统管理、程控指令执行功能以及轨道动力学和威态动力学仿真[2];
- 通过人机交互手段,可实现部分卫星故障仿真,包括太阳帆板未展开、姿态失去基准、星载数据管理分系统和星载姿轨控计算机故障等仿真;
- 接收地面S测控设备遥测分机动态模拟源的中断信号,并向其发送遥测数据(PCM码),接收远程监控系统(RMCS)转发测控中心的起飞时间T0和测控计划。
仿真系统各部分功能如下:
S应答机: 主要提供仿真系统和地面S测控设备间信息传递的通道,包括接收、解调由地面S测控设备发射的上行遥控借号,为遥控终端接口提供视频信号;接收来自遥测终端接口的遥测视频信号,以调相形式下行发射;接收、解调由地面S测控设备发射的上行测距信号,并送发射机调制后返回地面;为地面S测控设备提供跟踪信标。
专用接口: 包括遥控终端接口、S应答机遥测接口、遥测终端接口、时频接口、网卡等,其主要功能为:完成遥控视频信号的解调、遥控直接指令的译码、其他类型的遥控指令和注人数据的接收;S应答机遥测参数的接收、遥控指令控制、遥测信号发送和副载频调制;接收测控站B码时统信号并进行解码、用内部5MHz频率信号产生时钟;接收调制解调器输出的数传信息;实现与地面远程监控系统的联网。
计算机: 是整个仿真系统的核心,其主要功能为:遥控指令功能模拟、注人数据处理、遥测数据产生、卫星轨道动力学和姿态动力学模拟、外测数据产生和发送、专用接口驱动和信息显示等。
仿真软件: 包括专用接口软件和计算机仿真软件两大类。专用接口软件完成一级信息处理,实现各接口的任务和功能,采用8031汇编语言编程;计算机仿真软件完成二级信息处理,采用模块化的设计方法。其主要功能为:星箭分离后消除初始分离姿态扰动、太阳电池帆板展开、消除太阳电池帆板展开的威态扰动、卫星捕获地球和帆板捕获太阳、推力器姿态控制、动量轮启动后转入正常威态控制、卫星由初始轨道到冻结轨道过程中各轨道段的轨道变化和机动过程、星上时间修正、卫星重要参数的变化过程和变化量、太阳帆板未展开情况下的地面遥控展开帆板的操作、卫星威态失去基准时的工作模式切换和控制操作、星上威轨控计算机故障和地面对其维护操作等仿真。
监控台: 为使仿真系统设备工作可靠、维修方便、整齐划一,将所有设备安装在监控台内,监控台为双单元控制台。
《3 系统硬件设计》
3 系统硬件设计
《3.1 设计原则》
3.1 设计原则
贯彻“实用、可靠、先进、经济“的原则,满足S频段卫星的仿真功能要求。采用专用接口、计算机和仿真软件来实现星上OBDH功能,在基本硬件的配合下,用软件来适应各种卫星的不同要求,增加了系统的灵活性。S应答机设计模块化,便于各种环境下的操作使用。接口板采用先进的数字调制、解调技术,具有频段宽、频点多、可编程、使用灵活、集成度高等特点。采用徽机技术、信息分布式处理技术,充分发挥软件作用,提高仿真系统的灵活性和可扩充能力。另外,在设计时特别强调以下内容:
- 仿真系统的通用性: 为适应多星测控和应用的需要,视频部分要适应不同的S频段测控设备,覆盖目前已知和后续未知S频段卫星;
- 专用接口板的驱动: 设计时要考虑计算机的升级,在更新计算机时不用重新开发新的程序;
- 专用接口板程序加载: 采用每次开机启动系统应用软件时再加载的方式,便于板上程序修改,如需增况某些功能,更改应用程序后可直接加载,不需用专用设备重新固化程序;
- 接口板与计算机通信: 采用双口存储器,双方可同时操作该存储器,提高了系统的实时性。
《3.2 主要技术指标》
3.2 主要技术指标[3]
3.2.1 S应答机
3.2.2 专用接口
3.2.3 计算机基本配置需求为: CPUP2450以上;内存128M以上;硬盘10G以上。
《3.3 主要接口关系》
3.3 主要接口关系
3.3.1 S应答机
遥控终端 S应答机接收机向遥控终端输出一路遥控副敌波信号,其信号参数与星上状态一致。采样显示器通过申行口,实时向遥控点端接口中的8031送S应答机的遥测参数。遥控线端接口向应答机输出六条遴控指令的控制信号,其信号参数与星上状态一致。
遥测线端 遥测线端接口向S应答机送一路或两路已调的副载波信号,其信号参数与星上状态一致。
3.3.2 遥控终端接口投
S应答机 S应答机的采样显示嚎向接口送S应答机的遇测参数,通讯接口为RS-232。S应答机的遥测参数有:测跃状态、应答机锁定信号、相干/非相干状态、TC视频输出状态、AGC电平、(S)输出、发射机功率、PD噪声电平、接收机温度、发射机通断状态等。S应答机的接收机向接口板送一路遥控视频信号,其幅度为0.3一1.2Vrms输出阻抗不大于1kΩ。接口板还向S应答机送以下六路控制信号:发射机开关机信号、相干/非相干工作模式、测距通/断信号,其信号参数与星上状态相同。
地面设备 遥控终端向接口板送一路遥控视频信号,输出视频帽度为1±2Vrms,阻抗600Ω。
3.3.3 遥测终端接口板
S应答机 接口板向S应答机送一路或两路遥测视频信号,信号参数与星上状态相同。
地面设备 可向地面设备送四路遥测视频信号,地面设备遴测线端的输入接口为视频幅度为1±2Vrms,阻抗1kΩ。
3.3.4 时频接口板
调制解调器 调制解调器向接口板送一路数据信号和一路码钟信号,接口标准为RS-232。
地面设备 地面时统设备向接口板送IRIGB(DC)码,接口为RS-422。
上述接口板与计算机均采用PCI/ISA总线途接,信息交换通过接口板内双口RAM进行,双口RAM容量不小于4K字节,接口板一侧优先级高。接口板占用计算机的中断源可通过开关设置为IRQ2一IRQ7中任一个。
《4 系统软件设计》
4 系统软件设计
整个软件包括系统软件和应用软件两大类,系统软件采用Windows NT for sever 4.0操作系统,应用软件包括专用接口软件和计算机仿真软件两部分,下面主要就应用软件进行描述。
《4.1 专用接口软件》
4.1 专用接口软件
该仿真系统专用接口为自行研制的4块不同的PCI/ISA总线板卡,在软件实现上,每块板卡均由对应的设备驱动程序来管理应用程序对板卡的访问。设计的接口设备驱动程序包括:遥测终端板驱动程序、时频板驱动程序、遥控终端板驱动程序,而应答机遥测终端板没有设计独立的驱动程序,而是采用遥控终端板驱动程序来管理诙板卡。在实际应用中,通过将遥控终端板映射后的虚拟地址加2KB的偏移修正,来获得该卡的双端口基址。所有驱动程序均根据接口板的特性,按照微软DDK的规范进行设计,具有以下的共同功能,
- 具有初始化设备的功能,可以根据管理员在系统注册表中的配置信息,实现硬件资源的映射,并完成必要的设备初始化工作;
- 具有驱动程序的卸载功能,可以动态地加载设备驱动程序;
- 管理设备的中断,进行对应的I/O操作;
- 通过实现读设备I/O请求,为应用软件提供设备中断事件,实现应用软件与低层硬件之间的同步;
- 通过I/O控制代码实现硬件端口地址区域至应用程序地址空间的映射;
- 完全支持异步操作,提高系统整体性能,方便应用开发使用;
- 利用硬件资源,在驱动程序内部支持软件调试,加快系统的开发进度。
《4.2 计算机仿真软件》
4.2 计算机仿真软件
计算机仿真软件包括主控和遥测、遥控两个进程,其中主控进程是作为一个公用模块进行设计的,而遥测遥控进程是作为一个专用模块而进行设计的,采用Microsoft Visual C++ 6.0, MFC, WIN32 API, Microsoft Visual Foxpro工具编程,通信机制采用进程间通信机制和线程间通信机制。
主控进程按线程可划分为主线程、时间线程、控制线程、加速线程、网络线程组等,其主要功能如下:
- 网络通信功能: 能够与测控站RMCS设备进行网络通信,采用协议为UDP,使用组地址方式,编程接口采用WindowsSocket。
- 控制时序功能: 提供标准北京时时标(精确到1ms),能够提供标准北京时间,提供外测、遥测、雷达数据发送定时,提供加速仿真后的北京时,提供校时功能,提供加速仿真时的时间计算功能。
- 外测数据打包发送功能: 主动段/返回段按外测定时读取弹道数据,打包处理发送到RMCS;运行段按起飞时间计算外测轨道数据,按照格式打包发送到RMCS;具备提供固定外测数据发送,可检验环境状态。通过与外测动力学模型交互,保证计算数据的正确性。
- 遥测遥控数据打包发送功能: 与遥测、遥控进程通信,取得遥测数据,并打包发送到RMCS:通过WindowsNT中内存映射功能以及进程间事件通信功能,与遥测、遥控进程进行通信,按照两进程间的通信约定,取得遥测原始码,打包处理后发送到RMCS。
- 仿真雷达数据功能: 模拟各种型号雷达设备,向RMCS发送囹定雷达数据。
- 加速仿真功能: 可以加速仿真过程,到达预定的跟踪时刻,进行特定弧段的仿真过程。
- 多站连续仿真功能: 在一个测站仿真跟陡结束后,可以立即转到下一个跟陵测站的仿真。
- 其他功能: 提供友好的人机界面和良好的操作手段。
遥测、遥控进程按线程可划分为主线程、遥控接收线程、遥测接收线程、遥控处理线程、遥测处理线程、服务处理线程等,其主要功能如下:
- 遥控接收、译码功能: 响应遥控事件,通过射频/视频接收、解调遥控指令和遥控注人数据,并依据指令码表对遥控指令数据进行译码;
- 遥测发送功能: 响应遥测事件,接收遥测中断板帧中断信号,按照卫星遥测帧格式逐帧发送遥测原始码,同时发送遥测事件,通知网络发讯线程接收遥测原始数据;
- 通信功能: 利用WindowsNT的内存映射和事件机制,并按照两进程间的通信约定,与控制进程进行通信,将遥测原始码发往控制进程;
- 一般遥控处理功能: 响应遥控处理消息,处理遥控指令和注人数据,对于有关AOCS的遥控指令,将指令分发给控制进程;根据遥控指令,查询遥控遥测参数描述表,对相应遥测参数进行处理;时间符合遥控指令和注人数据处理;对注人数据进行CRC校验、和校验;对密钥参数注人、加密遥控数据、加密指令进行签名认证、解密处理;对特殊注人数据进行异或还原处理;根据遥控注人数据,对相应遥测参数进行处理。
- 一般遥测处理功能: 按照卫星遥测帐格式,调用遥测反编码动态连接库,进行遥测编码(反编码动态连接库与型号任务相关),实时产生遥测数据,包括特征参数(同步字、卫星识别字、卫星时间、格式识别字、段模式字、帧计数)和工程参数的模报;
- 遥测、遥控故障模拟功能: 任意指定条遥控指令不执行,任意指定块注人数据故障等;可以指定任意波道的遥测参数故障等;
- 显示记盘数据功能: 系统日志的显示;实时遥测、组合遥测原始码的显示;重要遥测参数页面的显示;遥控指令原始数据、代号及注人数据的显示;响应遥控记盘消息,记录各类遥控信息。
- 其他功能: 可以人工设置星箭分离/未分离标志;可以进行遥测数据初值的设置;可自行发送任意条遥控指令和任意块注人数据等。
《5 系统工作原理》
5 系统工作原理
该仿真系统按上行和下行信号的性质可分为:星地射频仿真和星地视频仿真两种工作模式。
《5.1 星地射频仿真》
5.1 星地射频仿真
在此模式中,遥控、遥测、测跆信号为射频信号,测角、测速等外测数据为PCM码,具体工作过程如下:
1) 通过键盘向仿真计算机输入卫星的初始姿态、轨道、工程参数等信息,完成仿真专用接口板的初始化、时统校时和姿态轨道初值计算;
2) 仿真计算机通过时频接口接收测控计划或TO。待时间符合后,仿真计算机根据卫星威态、轨道、遥测初值形成下行信息流,其中遥测数据经副载频和载频调制,形成射频信号发送,地面S测控设备通过无线信道接收、解调、处理;外测数据从网上送地面远程监控系统,整个系统工作、开始;
3) 地面S测控设备按卫星实战状态设置,接收仿真系统产生的各种信息,按实战时对卫星的测控要求,对仿真系统进行相应操作,其控制信息流由地面S测控设备调制成上行射频信号,经无线信道送仿真系统接收、解调和处理。
4) 仿真计算机根据接收到的上行信息,一方面进行威态轨道动力学仿真,形成威态轨道数据和外测数据;另一方面根据遥控指令、注人数据及仿真参数的要求,产生遥测数据,形成下行信息流。
5) 重复上述3)、4)过程,就实现了星地射频仿真。
《5.2 星地视频仿真》
5.2 星地视频仿真
此模式基本与星地射频仿真模式相同,主要区别在于:对于遥测数据,S应答机通过双工器将遥测视频信号有线接人地面S测控设备接收机,后缈过程同星地射频仿真相应过程;对于遥控数据,地面S测控设备中的发射机,将遥控终端发出的遥控视频信号不进行载波调制,而是通过S应答机双工器有线接人应答机。
《6 结论》
6 结论
本仿真系统已成功地应用于航天测控设备校飞、卫星任务联试、国际测控联网等任务,取得了满意的使用效果。在新测控设备校飞试验中,不仅验证了设备的动态指标精度和性能,而且还发现了许多潜在问题,如:地面设备发射机上行频率扫描电路设计不满足卫星遵循的ESA标准,以致不能完成星地频率双捕问题。囹满地完成了我国资源一号等S频段卫星的星地对接、系统联试、软件测试等工作。为了支持神舟飞船及与国际S测控网接轨,分别与法国和瑞典等国家的S频段设备成功地进行了对接试验。应用实践及与真星标定表明,该仿真系统通过建立半实物仿真模型,在信道的电气性能和数据层方面与真星具有等价性。但未来航天测控系统仿真还面临以下研究课题:专用航天器仿真语言的开发、多媒体环境以及在轨航天器仿真、仿真的置信度和精度分析以及仿真试验与飞行试验一体化研究等。
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