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    （上海交通大學自動化系， 上海 200240）劉 斌

    （上海航天控制工程研究所，上海 200233）屈衛(wèi)東，李英波
                    
    劉斌（1983-）男，上海人，研究生，主要從事衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)仿真與測試工作。

    摘要：衛(wèi)星控制分系統(tǒng)地面測試系統(tǒng)的設(shè)計是姿軌控分系統(tǒng)設(shè)計的重要部分。本文經(jīng)軟、硬件的充分論證后給出了基于PXI總線的硬件采集系統(tǒng)和XPC軟件仿真環(huán)境下的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)綜合仿真測試的設(shè)計方案，并結(jié)合某型號衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)的測試需求進行具體的項目開發(fā)；實踐表明該測試系統(tǒng)具有較強的可擴展性和二次開發(fā)能力、結(jié)構(gòu)靈活、體積小、測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，可以應(yīng)用于相應(yīng)的中低軌道衛(wèi)星的控制分系統(tǒng)測試。

    關(guān)鍵詞：PXI；XPC；地面測試；控制分系統(tǒng)

    Abstract: The design for the ground test system of the control system is very important for the subsystem design. After a detailed study on hardware and software scheme, we present the design scheme of the synthesis simulation of satellite orbit control system, which consists of the PXI-based hardware architecture and xPC-based software system, By integrating the real requirement of control subsystem of any satellite type, we implement the simulation system.The results show that the test system has good expansibility to be redeveloped,small volune, high measuring accuracy and strong anti - jamming capability. It can be used in the test of the control subsystem for the medium and low orbit satellite.

    Key words: PXI; XPC; ground test; control subsystem

    在衛(wèi)星控制系統(tǒng)研制過程中，系統(tǒng)試驗不僅可全面的檢測控制各部件的性能和硬件之間的配合，有效地檢查星上軟件在功能設(shè)計上的缺陷，模擬太空飛行試驗，而且還可檢驗方案設(shè)計的正確性，從試驗中發(fā)現(xiàn)隱患，排除故障，提高系統(tǒng)的可靠性。隨著衛(wèi)星研制周期的縮短和成本的不斷降低，一方面要求測試系統(tǒng)設(shè)計采用成熟可靠的設(shè)計思想，另一方面需要根據(jù)測試的具體要求采用較多的先進技術(shù)，從而提供靈活方便的測試手段，滿足系統(tǒng)測試的需求。另外，測試系統(tǒng)設(shè)計還要考慮系統(tǒng)的通用化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要綜合考慮不同衛(wèi)星的需求，盡可能多地采用通用標準模塊，同時有效利用軟件的強大功能，增強二次開發(fā)能力。

    1 測試系統(tǒng)設(shè)計要求

    某衛(wèi)星姿軌控測試系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示，其主要任務(wù)和功能要求概述如下：

    （1）完成分系統(tǒng)環(huán)境下的部件測試并檢查相互間的匹配問題，特別是在接入系統(tǒng)情況下對姿軌控分系統(tǒng)所屬各單機進行功能及性能的測試；

    （2）為驗證分系統(tǒng)之間接口匹配的正確性提供測試技術(shù)支持，能模擬遙控遙測終端接口、星上電源供電接口、星箭分離接口等；

    （3）姿軌控系統(tǒng)內(nèi)接口對接測試、整個系統(tǒng)開路、閉路性能測試和模擬飛行測試驗證分系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計正確性；

    （4）構(gòu)建一套智能、靈活、功能全面的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)， 能夠完成衛(wèi)星研制過程中從方案仿真測試到臨射測試各個階段的姿軌控分系統(tǒng)仿真和測試包括：半物理仿真閉路試驗、整星測試、靶場測試、發(fā)射陣地測試；

    （5）控制系統(tǒng)測試時需要實時記錄星上設(shè)備的工作狀態(tài)及地面測試設(shè)備的運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)量較大，要求提供大容量的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 保證記錄數(shù)據(jù)完整、查詢數(shù)據(jù)及時，并且不能對實時測試產(chǎn)生影響。測試系統(tǒng)具有對測試信號進行數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲、打印等功能。

    2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

    衛(wèi)星姿軌控測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)測控層和數(shù)據(jù)監(jiān)管層兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)測控層主要由PXI信號自動采集部分和動力學XPC仿真部分組成。PXI信號自動采集部分硬件選用了NI 公司的產(chǎn)品， 各模塊在電氣、結(jié)構(gòu)等方面符合PXI 總線規(guī)范。PXI信號自動采集控制機負責進行單機模擬量采集、遙測模擬量采集、產(chǎn)生紅外地平儀電激勵信號、飛輪測速、噴氣測寬及模擬0~1太陽敏感器等效器的控制。通過網(wǎng)絡(luò)接收動力學目標機的姿態(tài)角信號，同時將所有采集量通過光纖傳至遠端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行保存。PXI信號采集控制機機箱結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 

                      
                                      圖1  衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)測試系統(tǒng)設(shè)計圖 

               
                                       圖2  PXI信號采集控制機機箱結(jié)構(gòu)圖 

    由于PXI信號采集控制機的各模塊都基于PXI 總線規(guī)范，系統(tǒng)采集的信號量增減時，只需增減相應(yīng)的采集卡；系統(tǒng)采集任務(wù)改變時更換采集卡和采集部分的程序即可完成不同任務(wù)之間切換。采集機機箱的插槽數(shù)目不足時，可以通過級聯(lián)的方式來解決。綜上所述， PXI信號采集平臺結(jié)構(gòu)靈活， 擴展性強， 體積大為減小。

    動力學宿主機將動力學模型加載到動力學目標機中，在實時的XPC系統(tǒng)中運行。動力學目標機內(nèi)部包含測試系統(tǒng)的核心測試軟件，是整個測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。動力學目標機主要完成如下任務(wù)：采集控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行狀態(tài)信號，經(jīng)過星體動力學、運動學及軌道動力學模型的計算產(chǎn)生星體姿態(tài)參數(shù)和衛(wèi)星軌道參數(shù)[2][3]，計算太陽、地球、方位，經(jīng)敏感器模型計算得到敏感器姿態(tài)信號，經(jīng)過信號源或物理模擬器反饋到敏感器部件輸入，以及將本周期內(nèi)的測試數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器進行保存。

    動力學目標機測試主任務(wù)的最小運行周期可以設(shè)定到毫秒級，在一個控制周期內(nèi)必須完成測試主任務(wù)，并執(zhí)行相應(yīng)的輔助任務(wù)，在規(guī)定的控制周期內(nèi)輔助任務(wù)沒有完成則被立即掛起，待主任務(wù)完成后繼續(xù)執(zhí)行。輔助任務(wù)主要包括在線與遠控計算機界面通信、接收遠控計算機的控制指令、完成在線下載策略、與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行通信等。

    動力學目標機采用工業(yè)標準PXI總線設(shè)計，具有高可靠性。節(jié)點包含普通I/O、帶定時器的數(shù)字I/O、高精度、高速帶隔離A/D、D/A 等。智能I/O 根據(jù)不同信號特點采用適合的信號采集及輸出方式，準確計算脈沖個數(shù)或電平變化；A/D、D/A 均為8路12位板卡，實現(xiàn)模擬信號的采集及驅(qū)動。

    信號調(diào)理單元包括星地信號的梳理與調(diào)理，完成星上單機與地面測試設(shè)備間交互信號的調(diào)理與隔離。

    遠程控制計算機完成對測試網(wǎng)各設(shè)備的管理，完成對測試網(wǎng)的控制任務(wù)調(diào)度、控制策略的編寫、實時下裝以及故障注入等功能。試驗前完成策略選擇，試驗過程中完成控制試驗過程、監(jiān)控動力學目標機模型的實時參數(shù)、在線修改策略、將本機的數(shù)據(jù)記錄存到服務(wù)器中等功能。

    程序加載機主要完成對星上控制計算機GNCC的星上程序加載。

    遙測遙控注數(shù)計算機主要完成星上遙測數(shù)據(jù)接收，地面控制指令上行和星載軟件注數(shù)的功能。

    星模擬器模擬恒星在太空的位置和星等信息，配合星敏感器完成星敏感器和系統(tǒng)測試。

    紅外地球模擬器的功能是模擬衛(wèi)星在太空軌道運行時看到的地球紅外圖像或相應(yīng)的輻射功率分布，完成對紅外地球敏感器測試。

    太陽敏感器電等效器本質(zhì)上是在試驗中代替0~1式敏感器、模擬太陽角計、星體太陽角計的電流輸出，達到模擬真實產(chǎn)品在當前姿態(tài)下受照時輸出電流的功能。

    恒流源是接收動力學計算的星體角速度，根據(jù)陀螺組合的加矩系數(shù)轉(zhuǎn)換為電流輸出，施加到陀螺的副線圈上，從而讓陀螺組合敏感到此時仿真的星體角速度。

    衛(wèi)星運動模擬器主要安放陀螺組合、太陽敏感器等衛(wèi)星姿態(tài)和角速率測量單機，和地面動力學來實現(xiàn)衛(wèi)星在空間的姿態(tài)運動的模擬仿真，在系統(tǒng)試驗或陀螺測試時接收動力學三軸角速度信息，配合陀螺進行試驗，可以考核陀螺精度和系統(tǒng)精度。

    太陽帆板運動模擬器模擬太陽帆板驅(qū)動機構(gòu)在空間的運動狀態(tài)，在系統(tǒng)試驗時配合太陽帆板完成帆板展開過程的各項測試。

    測試系統(tǒng)配備一個數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于存儲各種測試數(shù)據(jù)和技術(shù)狀態(tài)信息，提供實時測試查詢和歷史測試查詢兩種方式。數(shù)據(jù)庫軟件選用SQL Server 2000 。

    測試系統(tǒng)配備多個數(shù)據(jù)顯示器，用于系統(tǒng)測試時姿態(tài)、軌道、設(shè)備等各種測試數(shù)據(jù)的顯示與監(jiān)控，數(shù)據(jù)顯示器中的數(shù)據(jù)來自于數(shù)據(jù)服務(wù)器，用戶可以根據(jù)要求選擇需要監(jiān)視和比對的數(shù)據(jù)，也可以指定數(shù)據(jù)顯示的方式。

    3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

    本測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計非常重要的一部分，決定了系統(tǒng)級的測試流程及功能實現(xiàn)。某衛(wèi)星控制分系統(tǒng)星上部件多，控制模式復雜，時序要求高。為滿足對控制系統(tǒng)的全面準確的測試需求，要求測試軟件能夠進行實時的信號采集、仿真計算及狀態(tài)信號輸出，根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計，每個測試周期內(nèi)必須完成光、機、電多種部件的采集及控制協(xié)同工作，同時測試軟件提供了靈活方便的測試手段及大量數(shù)據(jù)的保存、查詢功能。

    3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

    測試軟件包括三部分：測試網(wǎng)軟件、數(shù)據(jù)管理網(wǎng)軟件及其他軟件。動力學宿主機提供開發(fā)工具MATLAB，程序員將開發(fā)并編譯完成的Simulink動力學模型，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到動力學目標機，運行在xPC Target（Version 2.0.2）實時環(huán)境下，并將生成的測試數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器。服務(wù)器為Windows 2000 Server 操作系統(tǒng)，上面運行SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫管理軟件和數(shù)據(jù)接收程序。數(shù)據(jù)接收程序接收測試機發(fā)送來的測試數(shù)據(jù)，解包后寫入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)管理網(wǎng)安裝有Windows XP 操作系統(tǒng)，并安裝有客戶端人機界面軟件。通過人機界面軟件可以發(fā)送查詢和分析請求給服務(wù)器，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫接收到客戶端請求，將請求結(jié)果發(fā)送給客戶端，用于曲線顯示及數(shù)據(jù)比對。在數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點上可以連接裝有其他功能軟件的設(shè)備，實現(xiàn)相應(yīng)測試數(shù)據(jù)的入庫存儲及查詢功能。

    3.2 測試網(wǎng)軟件

    測試網(wǎng)軟件根據(jù)功能的不同，主要分成以下幾部分：

    （1）動力學仿真程序：完成衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道動力學仿真計算，包括衛(wèi)星的姿態(tài)及軌道模型計算、敏感器和執(zhí)行機構(gòu)模型計算、控制接口信號的采集與輸出等。

    （2）遠程控制程序：包括PXI信號自動采集機和動力學目標機的控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)劃、PXI信號自動采集機和動力學目標機運行模式和各模擬器的控制。

    （3）數(shù)據(jù)傳送程序：在調(diào)度計算機上用C++BUILDER 5.0開發(fā)，安裝在PXI信號自動采集機和動力學目標機上，與用戶策略底層連接，將PXI信號自動采集機和動力學目標機的運行數(shù)據(jù)緩沖后打包通過網(wǎng)絡(luò)送到服務(wù)器。

    （4）硬件板卡驅(qū)動程序：在調(diào)度計算機上用C語言開發(fā)，安裝在PXI信號自動采集機和動力學目標機上，與用戶策略底層連接，與硬件板卡進行數(shù)據(jù)交換。

    （5）操作界面程序：包括星載軟件注數(shù)操作界面和遙控指令操作界面，運行于遙控遙測注數(shù)計算機上同時將操作記錄發(fā)送到服務(wù)器存儲。

    （6）數(shù)據(jù)接收入庫程序：位于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，完成接收PXI信號自動采集機和動力學目標機發(fā)送來的數(shù)據(jù)并寫入SQL Server數(shù)據(jù)庫的功能。

    3.3 數(shù)據(jù)管理網(wǎng)軟件

    數(shù)據(jù)管理網(wǎng)包括數(shù)據(jù)顯示器和服務(wù)器。其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器選用SQL Server 2000操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)主要來自于PXI信號自動采集機和動力學目標機和星載計算機，包括PXI信號自動采集機的采集、動力學目標機輸出數(shù)據(jù)及中間變量， 星載計算機的遙測數(shù)據(jù)等其他相關(guān)信息。數(shù)據(jù)顯示器是服務(wù)器的客戶端，是測試系統(tǒng)的主要顯示設(shè)備，選用Windows XP 操作系統(tǒng)，在安裝客戶端程序后可以充當客戶端的功能。測試網(wǎng)與數(shù)據(jù)管理網(wǎng)相對獨立，通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器交換測試數(shù)據(jù)。

    3.4　其他軟件

    根據(jù)需要測試系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)模擬器軟件和數(shù)據(jù)處理輔助軟件等。

    4 結(jié)論

    本文根據(jù)對某衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的任務(wù)要求及對地面測試的需求，給出了控制分系統(tǒng)地面測試系統(tǒng)的主要設(shè)計方案。測試系統(tǒng)要求在極短的控制周期內(nèi)完成采集、運算及輸出功能，同時提供大批量的數(shù)據(jù)查詢功能，系統(tǒng)的實時性要求很高。本文提供的方案較好地解決了這個問題，滿足分系統(tǒng)及整星的研制和測試的需要。測試系統(tǒng)的設(shè)計可以在滿足指定型號測試需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮不同型號的要求，面向通用化，實現(xiàn)測試設(shè)備資源共享。

    本文介紹的控制系統(tǒng)地面測試系統(tǒng)具有較強的可擴展性和二次開發(fā)能力，為控制系統(tǒng)測試設(shè)備的系列化、通用化和標準化提供了一個有效的途徑，可以為相關(guān)型號的系統(tǒng)驗證與測試提供一定的借鑒。

    參考文獻：

    [1] 陳振平，馮幼芳. 衛(wèi)星AOCS的地面測試系統(tǒng) [J]. 航天控制，1994，(1)：53.

    [2] 章仁為. 衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學與控制[M] . 北京：北京航空航天大學出版社，1998.

    [3] 劉林. 人造地球衛(wèi)星運動理論[M] . 北京：科學出版社，1999.

    摘自《自動化博覽》2010年第八期