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      2. 探究量子科學(xué)實驗衛(wèi)星通用化地面測試平臺的設(shè)計論文

        時間:2021-01-28 20:24:53 論文 我要投稿

        探究量子科學(xué)實驗衛(wèi)星通用化地面測試平臺的設(shè)計論文

          1 課題背景

        探究量子科學(xué)實驗衛(wèi)星通用化地面測試平臺的設(shè)計論文

          量子科學(xué)實驗衛(wèi)星(簡稱量子衛(wèi)星) 是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項中首批確定的五顆科學(xué)衛(wèi)星之一。2011 年12 月中國科學(xué)院在北京召開了量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程啟動會。會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劃安排。量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子”已于2016 年8 月16 日凌晨發(fā)射,并在軌正常運行,已完成全部量子通信科學(xué)實驗。

          2 地面測試平臺需求

          本地面測試平臺是為驗證衛(wèi)星功能測試需求來進行開發(fā)和研制的,它的作用是用來驗證衛(wèi)星系統(tǒng)的功能完善以及幫助分析衛(wèi)星功能故障,用于驗證衛(wèi)星的星務(wù)、電源、測控、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,計算機網(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

          由于我國的測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)格式。主要根據(jù)量子衛(wèi)星采用遙測遙控格式對CCSDS 遙控幀格式和CCSDS 遙測幀格式進行介紹。

          3.1.1 CCSDS 背景資料及我國應(yīng)用

          空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee forSpace Data Systems,CCSDS)是一個國際性空間組織,成立于1982 年,主要負責(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

          可配置測控地面測試平臺選用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)推出的面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器的交互式C 語言開發(fā)平臺,它最大的特點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)庫大大增強了C 語言的功能。

          4 功能化模塊設(shè)計和測試結(jié)論

          4.1 初始化模塊設(shè)計

          基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的可配置測控地面測試平臺,其中初始化模塊實現(xiàn)測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)存儲模塊:創(chuàng)建遙測解擾前和解擾后的原始數(shù)據(jù)存儲文件。

          4.2 遙控模塊設(shè)計

          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,并具備日志存儲功能。遙控模塊的具體功能是:

          (1)用戶通過對地面測試平臺提供的圖形界面操作來進行指令的選擇、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 遙測模塊設(shè)計

          遙測模塊的任務(wù)是實時地接收來自衛(wèi)星發(fā)射機經(jīng)CORTEX通過TCP/IP 協(xié)議傳輸?shù)倪b測數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行解析和存庫。遙控模塊的具體功能是:

          (1)遙測數(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)流進行幀同步處理,同步后對包含有效數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)進行解擾和保存。

          (2)遙測數(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)進行解析;解析后的遙測參數(shù)按分系統(tǒng)分別顯示在測控終端各個遙測界面中;各分系統(tǒng)遙測界面為表格化顯示,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

          衛(wèi)星測控地面測試平臺的測試指令發(fā)送記錄信息、接收的遙測原始數(shù)據(jù)和分包解析處理后的遙測參數(shù),在程序運行過程中生成的數(shù)據(jù)文件、測試中產(chǎn)生的信息,都需要有由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來存儲和管理。數(shù)據(jù)庫查詢是遙測數(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)遙測參數(shù)、生成報表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能.

          可配置測控地面測試平臺的數(shù)據(jù)庫設(shè)計中,主要考慮到可配置性和數(shù)據(jù)存儲功能,基于這兩點考慮在程序運行時數(shù)據(jù)庫對應(yīng)有兩大類數(shù)據(jù)表:配置性數(shù)據(jù)表和存儲性數(shù)據(jù)表。

          (1)配置性數(shù)據(jù)表。遙測幀結(jié)構(gòu)表:主要對遙測幀的幀格式進行配置;遙測包信息表:主要對各分系統(tǒng)遙測包的相關(guān)參數(shù)進行配置,包括包名、包長、應(yīng)用識別過程以及包類型等等;

          (2)存儲性數(shù)據(jù)表。遙測原始數(shù)據(jù)表:以地面時間為坐標以遙測幀為單位實時存儲衛(wèi)星入境時下發(fā)的遙測幀。包原始數(shù)據(jù)表:以地面時間為坐標以源包為單位分包存儲衛(wèi)星入境時下發(fā)的遙測數(shù)據(jù)。

          4.5 整星測試結(jié)論

          (1)整星正樣階段測試時長1229.38 小時,共接收遙測數(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)下行遙測通道接收遙測數(shù)據(jù)正常,遙測解析量正常顯示,無誤碼和錯誤數(shù)據(jù)。

          5 結(jié)語

          本文在衛(wèi)星地面測試技術(shù)的基礎(chǔ)上,對量子科學(xué)試驗衛(wèi)星地面綜合測試平臺進行了開發(fā)和調(diào)研。在閱讀大量文獻資料的基礎(chǔ)上,明確了衛(wèi)星整星測試任務(wù)。針對本地面綜合測試平臺進行需求分析、總體方案的確立。概括起來,本文的主要工作有以下幾個方面:

          (1)根據(jù)衛(wèi)星整星測試的需求,進行了地面測試平臺方案的設(shè)計,確定整星測試流程和形式;

          (2)結(jié)合PCM和CCSDS遙測遙控幀格式,經(jīng)過數(shù)據(jù)流設(shè)計、流程設(shè)計和界面設(shè)計等完成了上、下行及測試管理軟件的設(shè)計;

          (3)根據(jù)衛(wèi)星測試方案的要求,對數(shù)據(jù)庫和進行了詳細設(shè)計和實現(xiàn),并給出了數(shù)據(jù)庫存儲的具體方案;

          (4)為了驗證測試平臺功能的完善性,對整個衛(wèi)星測試流程中采集的實時延時遙測數(shù)據(jù)進行了多輪論證和比對,確保遙測數(shù)據(jù)和遙控指令可靠有效。

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