多站聯(lián)合測控中USB跟蹤鏈路快速切換的實(shí)現(xiàn)*

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

1 引 言

在對(duì)飛行器的測控中，受地球曲率的影響，單一測控站不能獲得整個(gè)測控段的數(shù)據(jù)，為對(duì)飛行器的狀態(tài)進(jìn)行正確判斷，獲得整個(gè)測控段的數(shù)據(jù)，目前采用多站聯(lián)合測控方式[1]。在該方式中，常采用多套發(fā)射機(jī)交替工作的方式，即在全測量段上，根據(jù)測量的需要，各套站的發(fā)射機(jī)輪流工作。第1套發(fā)射機(jī)工作時(shí)，其它發(fā)射機(jī)關(guān)閉；第1套發(fā)射機(jī)關(guān)閉后，第2套發(fā)射機(jī)開始工作。這樣可以對(duì)航天器的飛行全過程實(shí)施測量，獲得盡可能多的有效數(shù)據(jù)。假設(shè)A、B站聯(lián)合測控航天器，并完成某一測控任務(wù)，若A站未能實(shí)現(xiàn)，則B站必須在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備狀態(tài)切換，確保任務(wù)的完成。本文針對(duì)鏈路切換復(fù)雜、易出現(xiàn)誤操作等不足，利用C#語言和.NET結(jié)構(gòu)[2]，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)跟蹤鏈路的快速切換，保證鏈路切換的及時(shí)、準(zhǔn)確、高效。

2 跟蹤鏈路切換原理

在聯(lián)合測控中，某測控設(shè)備采用和/差雙通道[3]的跟蹤方式，跟蹤鏈路主要由饋源網(wǎng)絡(luò)、場放、變頻器、開關(guān)組件和跟蹤功分網(wǎng)絡(luò)組成，通過切換開關(guān)，改變場放和跟蹤變頻器組合實(shí)現(xiàn)切換，如圖1所示。

圖1 跟蹤鏈路簡圖

采用接收和/差信號(hào)1:1備份場放與變頻器，天線接收的信號(hào)經(jīng)過饋源網(wǎng)絡(luò)送至場放和變頻器組合，經(jīng)跟蹤功分網(wǎng)絡(luò)送至跟蹤接收機(jī)，選擇相應(yīng)的接收機(jī)將數(shù)據(jù)送給天線控制單元，進(jìn)行目標(biāo)的捕獲和跟蹤。

在圖1中，設(shè)主用工作鏈路為虛線框中場放和跟蹤變頻器組合，備用鏈路為實(shí)線框中場放和跟蹤變頻器組合，鏈路的切換涉及6個(gè)開關(guān)，鏈路切換復(fù)雜，需要較長時(shí)間。原切換方法為采用手動(dòng)控制開關(guān)，選擇場放和跟蹤變頻器組合的方式實(shí)現(xiàn)，切換時(shí)間約為18 s。同時(shí)，如果需要改變跟蹤方式，如由標(biāo)準(zhǔn)TT&C(Telemetry,Track and Command)跟蹤改為調(diào)頻(FM)跟蹤，不但需要切換和路與差路的場放和變頻器，而且還需要更改本振頻率(本振為變頻器提供頻率源)。由此可見，應(yīng)急鏈路切換時(shí)，涉及器件多，動(dòng)作復(fù)雜。圖1中圓角矩形表示將切換鏈路和本振頻率的改變由軟件實(shí)現(xiàn)，且經(jīng)過多次實(shí)際操作，采用軟件進(jìn)行切換，將時(shí)間縮短至約4.2 s，明顯提高了切換效率。

3 跟蹤鏈路快速切換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 手動(dòng)切換方法

在進(jìn)行跟蹤鏈路切換時(shí)，涉及的測控器件主要包括場放、跟蹤變頻器和本振，每個(gè)器件的切換時(shí)間主要由手動(dòng)操作時(shí)間和開關(guān)動(dòng)作時(shí)間兩部分組成，同時(shí)還要考慮檢查并確認(rèn)時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。

設(shè)手動(dòng)切換的總時(shí)間為Ts，故：

(1)

式中，T1為場放切換時(shí)間，包括手動(dòng)切換時(shí)間T11、開關(guān)切換到位時(shí)間T12；T2為跟蹤變頻器切換時(shí)間，包括手動(dòng)切換時(shí)間T21、開關(guān)切換到位時(shí)間T22；T3為本振切換時(shí)間，包括手動(dòng)切換時(shí)間T31、開關(guān)切換到位時(shí)間T32；T4為手動(dòng)確定時(shí)間(選擇后進(jìn)行檢查并確認(rèn)的時(shí)間)；T5為網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間(檢查確認(rèn)后網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間)。

由以上分析可以看出，手動(dòng)切換時(shí)，采用串行工作模式，即各器件的切換按順序完成，切換時(shí)間逐一累加，用時(shí)較長，很難滿足任務(wù)中切換快速、準(zhǔn)確的要求，為此提出了實(shí)現(xiàn)跟蹤鏈路的快速切換方法。

3.2 快速切換方法

在快速切換方法中，將備份方案以宏命令的方式存儲(chǔ)在本地計(jì)算機(jī)上，采用命令群發(fā)方式，即所有參數(shù)通過宏文件經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至各設(shè)備，需要切換時(shí)只需一步操作就可以完成。

設(shè)快速切換的總時(shí)間為Tk，故：

(2)

式中，T4′為選擇圖2中“執(zhí)行”按鈕的時(shí)間，T5′為選擇圖2中“執(zhí)行”按鈕后網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。

通過式(1)和式(2)的比較可以看出，式(2)中完全去掉了手動(dòng)選擇場放、跟蹤變頻器和本振的時(shí)間，將這項(xiàng)操作進(jìn)行預(yù)先存儲(chǔ)，這樣節(jié)省了約14 s，切實(shí)提高了切換速度。

圖2 系統(tǒng)主界面

3.3 跟蹤鏈路快速切換的設(shè)計(jì)

根據(jù)式(1)和式(2)的比較，并結(jié)合工程實(shí)際，將跟蹤鏈路的快速切換分為3步：

(1)將備份方案參數(shù)以宏文件的形式存儲(chǔ)在本地計(jì)算機(jī)上，如圖3所示；

圖3 宏文件示意圖

(2)直接利用UDP[4]通信協(xié)議，完成跟蹤鏈路快速切換系統(tǒng)與其它各設(shè)備的通信連接；

(3)根據(jù)各設(shè)備的命令幀結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議，利用數(shù)組結(jié)構(gòu)搭建數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送至相應(yīng)的設(shè)備，如圖4所示。

圖4 程序設(shè)計(jì)框圖

3.4 跟蹤鏈路快速切換的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用Microsoft Visual Studio 2008的C#語言編程環(huán)境和.NET結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速切換的功能，如圖2所示。只需要單擊“執(zhí)行”按鈕，即可完成切換。

3.4.1備份方案的存儲(chǔ)和讀取

在跟蹤鏈路參數(shù)窗口中，輸入跟蹤鏈路的備份方案各參數(shù)，包括本振的頻率、場放與跟蹤變頻器等，以文本文件形式保存，實(shí)現(xiàn)方案的存儲(chǔ)，然后在程序中導(dǎo)入已保存的文本文件，將預(yù)先保存的參數(shù)導(dǎo)入程序中，完成發(fā)送數(shù)據(jù)包的組建。具體由以下關(guān)鍵語句實(shí)現(xiàn)：

savefile = saveFileDialog1.FileName;

SW = File.CreateText(savefile); //新建一個(gè)保存文件

SW.WriteLine(); //寫入相應(yīng)的參數(shù)

filename = openFileDialog1.FileName;

SR = File.OpenText(filename); //打開保存的文件

S = SR.ReadLine(); //讀取文件中的每一行參數(shù)

3.4.2各設(shè)備的UDP通信連接

UDP通信連接是一種不需要“握手”信息的連接協(xié)議，它只需要處于同一網(wǎng)絡(luò)的目的設(shè)備的IP地址和通信端口號(hào)，就能夠完成信息的傳遞。在程序中只要將目標(biāo)設(shè)備的IP地址和通信端口號(hào)傳遞給SendTo()函數(shù)，通過System. Socket類即可實(shí)現(xiàn)通信。由以下關(guān)鍵語句實(shí)現(xiàn)：

Socket s = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);

IPAddress broadcast = IPAddress.Parse(IP);//目的IP地址

IPEndPoint ep = new IPEndPoint(broadcast, Port); //目的IP地址和

//端口號(hào)

s.SendTo(data, ep);//將data數(shù)據(jù)發(fā)送至目的地址

3.4.3數(shù)據(jù)包的組建

數(shù)據(jù)包就是包含目標(biāo)地址、指令類型、指令內(nèi)容等一系列需要發(fā)送給設(shè)備的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的組建關(guān)鍵就是按照設(shè)備的接口協(xié)議，將預(yù)先存儲(chǔ)的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的幀結(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)過程為：申請(qǐng)一個(gè)可變數(shù)組m-SendArray[]，將幀頭和幀尾固定填好，然后將各個(gè)設(shè)備不同的參數(shù)，通過具體函數(shù)傳遞的方式填入到m-SendArray[]中，完成數(shù)據(jù)包的建立。由以下關(guān)鍵語句實(shí)現(xiàn)：

byte[] m-SendArray;

m-SendArray = new byte[iParamLen + 7];//根據(jù)參數(shù)部分長度，分配

//發(fā)送緩沖區(qū)大小 7=幀頭+命令碼+幀尾

m-SendArray[3] = CMD; //控制命令類型

cmd.CopyTo(m-SendArray, 4);//裝填命令參數(shù)

在圖2中，將需要切換的鏈路相關(guān)參數(shù)事先裝入該系統(tǒng)，在切換時(shí)只要選擇“執(zhí)行”就可以了，完全避免手動(dòng)切換鏈路帶來的效率和準(zhǔn)確方面的缺陷，達(dá)到了快速切換的目的。該方法的不足之處是需要提前裝入?yún)?shù)，有待進(jìn)一步的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的自動(dòng)裝訂。

4 結(jié)束語

本文利用UDP通信連接協(xié)議，通過C#語言實(shí)現(xiàn)了測控設(shè)備下行跟蹤鏈路的快速切換，較大程度上縮短了切換時(shí)間，達(dá)到應(yīng)急狀態(tài)下鏈路切換及時(shí)、準(zhǔn)確的要求，滿足任務(wù)實(shí)際需要，并在USB系統(tǒng)多次海上測控任務(wù)中發(fā)揮了作用。

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