探究量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通用化地面測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)論文
1 課題背景
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱量子衛(wèi)星) 是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中首批確定的五顆科學(xué)衛(wèi)星之一。2011 年12 月中國(guó)科學(xué)院在北京召開了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程啟動(dòng)會(huì)。會(huì)議審議了工程總體方案及六大系統(tǒng)總體方案的可行性，明確了工程研制建設(shè)的主要問題，明確了工程的總體計(jì)劃安排。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”已于2016 年8 月16 日凌晨發(fā)射，并在軌正常運(yùn)行，已完成全部量子通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
2 地面測(cè)試平臺(tái)需求
本地面測(cè)試平臺(tái)是為驗(yàn)證衛(wèi)星功能測(cè)試需求來進(jìn)行開發(fā)和研制的，它的作用是用來驗(yàn)證衛(wèi)星系統(tǒng)的功能完善以及幫助分析衛(wèi)星功能故障，用于驗(yàn)證衛(wèi)星的星務(wù)、電源、測(cè)控、數(shù)傳、載荷、熱控等分系統(tǒng)的功能、工作狀態(tài)以及衛(wèi)星各個(gè)分系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)。
3 通訊協(xié)議格式及相關(guān)技術(shù)介紹
本章主要介紹關(guān)于遙測(cè)模塊和遙控模塊的數(shù)據(jù)流格式約定基于的通訊格式。衛(wèi)星數(shù)據(jù)流是基于衛(wèi)星相關(guān)通訊格式，分別介紹了國(guó)內(nèi)外常用的衛(wèi)星通信協(xié)議格式以及相關(guān)結(jié)構(gòu)體系，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的原理介紹，軟件開發(fā)工具的選擇。
3.1 衛(wèi)星相關(guān)通訊格式介紹
由于我國(guó)的測(cè)控地面站采用的都是PCM(PulseCodeModulation脈沖編碼調(diào)制)格式和CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì))格式。主要根據(jù)量子衛(wèi)星采用遙測(cè)遙控格式對(duì)CCSDS 遙控幀格式和CCSDS 遙測(cè)幀格式進(jìn)行介紹。
3.1.1 CCSDS 背景資料及我國(guó)應(yīng)用
空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee forSpace Data Systems，CCSDS)是一個(gè)國(guó)際性空間組織，成立于1982 年，主要負(fù)責(zé)開發(fā)和采納適合于空間通信和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的各種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理規(guī)范。
3.1.2 CCSDS 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
空間通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)自下而上包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層和應(yīng)用層。其中，每一層還包括一些特定協(xié)議格式。同步與信道編碼子層規(guī)定了在空間鏈路上傳送幀的同步與信道編碼方法。
3.2 軟件開發(fā)工具介紹
可配置測(cè)控地面測(cè)試平臺(tái)選用NI 公司的Labwindows/CVI。LabWindows/CVI 是National Instruments 公司利用虛擬儀器(virtualinstruments)技術(shù)開發(fā)的32 位以C 語言為基礎(chǔ)推出的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器的交互式C 語言開發(fā)平臺(tái)，它最大的特點(diǎn)是提供各種靈巧方便的界面生成、編程、調(diào)利用它的集成開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法和豐富的函數(shù)庫大大增強(qiáng)了C 語言的功能。
4 功能化模塊設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)論
4.1 初始化模塊設(shè)計(jì)
基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的可配置測(cè)控地面測(cè)試平臺(tái)，其中初始化模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)控前端軟件的初始化操作，包括讀取配置文件、建立連接、初始化窗口。具體功能如下：
(1)初始化配置模塊：讀取配置文件界面參數(shù)，包括端口、IP、字體、遙測(cè)量控件布局等;
(2)初始化連接模塊：創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，UDP 和TCP 網(wǎng)絡(luò)連接;
(3)初始化顯示模塊：提供登陸界面，密碼驗(yàn)證，以及初始化顯示軟件界面和創(chuàng)建子頁面;
(4)初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：創(chuàng)建遙測(cè)解擾前和解擾后的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件。
4.2 遙控模塊設(shè)計(jì)
遙控模塊基于衛(wèi)星相關(guān)遙控指令數(shù)據(jù)格式，具備直接指令、注入數(shù)據(jù)指令的生成與發(fā)送功能，并具備日志存儲(chǔ)功能。遙控模塊的具體功能是：
(1)用戶通過對(duì)地面測(cè)試平臺(tái)提供的圖形界面操作來進(jìn)行指令的選擇、發(fā)送;
(2)軟件內(nèi)部通過配置數(shù)據(jù)庫接口獲得需要的指令所在的信息表，并根據(jù)相關(guān)遙控格式約定文件所要求的遙控格式進(jìn)行組幀;
(3)將待發(fā)的直接指令和注入數(shù)據(jù)指令通過TCP/IP 協(xié)議向CORTEX 發(fā)送，并接收CORTEX 的反饋遙控信息。
4.3 遙測(cè)模塊設(shè)計(jì)
遙測(cè)模塊的任務(wù)是實(shí)時(shí)地接收來自衛(wèi)星發(fā)射機(jī)經(jīng)CORTEX通過TCP/IP 協(xié)議傳輸?shù)倪b測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存庫。遙控模塊的具體功能是：
(1)遙測(cè)數(shù)據(jù)同步。數(shù)據(jù)同步單元將從地面基帶接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行幀同步處理，同步后對(duì)包含有效數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾和保存。
(2)遙測(cè)數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)解析單元將同步解擾后的每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析;解析后的遙測(cè)參數(shù)按分系統(tǒng)分別顯示在測(cè)控終端各個(gè)遙測(cè)界面中;各分系統(tǒng)遙測(cè)界面為表格化顯示，顯示內(nèi)容包含參數(shù)原碼和解析后的'譯碼。
(3)遙測(cè)數(shù)據(jù)存庫。
(4)把原始數(shù)據(jù)文件和解幀生成的源包數(shù)據(jù)分類歸檔到數(shù)據(jù)庫。
4.4 數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計(jì)
衛(wèi)星測(cè)控地面測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試指令發(fā)送記錄信息、接收的遙測(cè)原始數(shù)據(jù)和分包解析處理后的遙測(cè)參數(shù)，在程序運(yùn)行過程中生成的數(shù)據(jù)文件、測(cè)試中產(chǎn)生的信息，都需要有由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)庫查詢是遙測(cè)數(shù)據(jù)事后處理的重要部分，提供給用戶可查詢各分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)、生成報(bào)表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能.
可配置測(cè)控地面測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，主要考慮到可配置性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，基于這兩點(diǎn)考慮在程序運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)有兩大類數(shù)據(jù)表：配置性數(shù)據(jù)表和存儲(chǔ)性數(shù)據(jù)表。
(1)配置性數(shù)據(jù)表。遙測(cè)幀結(jié)構(gòu)表：主要對(duì)遙測(cè)幀的幀格式進(jìn)行配置;遙測(cè)包信息表：主要對(duì)各分系統(tǒng)遙測(cè)包的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，包括包名、包長(zhǎng)、應(yīng)用識(shí)別過程以及包類型等等;
(2)存儲(chǔ)性數(shù)據(jù)表。遙測(cè)原始數(shù)據(jù)表：以地面時(shí)間為坐標(biāo)以遙測(cè)幀為單位實(shí)時(shí)存儲(chǔ)衛(wèi)星入境時(shí)下發(fā)的遙測(cè)幀。包原始數(shù)據(jù)表：以地面時(shí)間為坐標(biāo)以源包為單位分包存儲(chǔ)衛(wèi)星入境時(shí)下發(fā)的遙測(cè)數(shù)據(jù)。
4.5 整星測(cè)試結(jié)論
(1)整星正樣階段測(cè)試時(shí)長(zhǎng)1229.38 小時(shí)，共接收遙測(cè)數(shù)據(jù)17703096 幀，發(fā)送124955 條上行遙控指令;
(2)上行遙控通道直接指令、間接指令、注入數(shù)據(jù)均上注成功，無漏指令和誤指令;
(3)下行遙測(cè)通道接收遙測(cè)數(shù)據(jù)正常，遙測(cè)解析量正常顯示，無誤碼和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。
5 結(jié)語
本文在衛(wèi)星地面測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星地面綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了開發(fā)和調(diào)研。在閱讀大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，明確了衛(wèi)星整星測(cè)試任務(wù)。針對(duì)本地面綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行需求分析、總體方案的確立。概括起來，本文的主要工作有以下幾個(gè)方面：
(1)根據(jù)衛(wèi)星整星測(cè)試的需求，進(jìn)行了地面測(cè)試平臺(tái)方案的設(shè)計(jì)，確定整星測(cè)試流程和形式;
(2)結(jié)合PCM和CCSDS遙測(cè)遙控幀格式，經(jīng)過數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)等完成了上、下行及測(cè)試管理軟件的設(shè)計(jì);
(3)根據(jù)衛(wèi)星測(cè)試方案的要求，對(duì)數(shù)據(jù)庫和進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并給出了數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的具體方案;
(4)為了驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)功能的完善性，對(duì)整個(gè)衛(wèi)星測(cè)試流程中采集的實(shí)時(shí)延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多輪論證和比對(duì)，確保遙測(cè)數(shù)據(jù)和遙控指令可靠有效。
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