遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)伺服監(jiān)控軟件設(shè)計

摘 要： 伺服系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的重要組成部分，可靠性和安全性要求高。采用單進(jìn)程、多線程、并行多模塊的結(jié)構(gòu)，設(shè)計伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了天線控制、設(shè)備監(jiān)視、信息顯示、數(shù)據(jù)處理、通信及伺服性能指標(biāo)自動化測試等功能，具有實時性強，自動化程度高，容錯性、可靠性及擴(kuò)展性好等特點。該設(shè)計已用于實際工程項目中，實際使用結(jié)果表明該設(shè)計是合理可行的。

關(guān)鍵詞： 遙感衛(wèi)星； 伺服系統(tǒng)； 軟件結(jié)構(gòu)； 監(jiān)控軟件

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0051?04

Abstract： The sever system is an important component in the ground receiving system of the remote sensing satellite， and has high reliability and security. The structures of single process， multi?thread， and parallel multi?module are adopted to design the monitoring software for servo system. The functions of antenna control， equipment monitoring， information display， data processing， communications and automatic test of servo performance index were implemented. The software has the characteristics of good real?time performance， high automation level， good fault tolerance， excellent reliability and extensibility. This design was applied to the practical engineering projects. The practical use result shows that the design is reasonable and feasible.

Keywords： remote sensing satellite； servo system； software architecture； monitoring software

伺服系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)天線各種功能控制的執(zhí)行機構(gòu)，其主要任務(wù)是根據(jù)指令及相應(yīng)的信號采取各種控制策略控制天線的運動，快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地對目標(biāo)進(jìn)行搜索、捕獲、跟蹤[1]。對用于接收低軌遙感衛(wèi)星的俯仰/方位/傾斜三軸天線座架，伺服系統(tǒng)需驅(qū)動幾十噸負(fù)載，且由于運動范圍的限制，需求的角速度、角加速度大等原因，因此需確保各種傳感器信息的接收、處理，各種條件下的控制和安全保護(hù)邏輯等準(zhǔn)確無誤，實現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能，穩(wěn)定、可靠的運行[2?3]。而這都與伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件有著直接的關(guān)系，在伺服控制系統(tǒng)中起到了越來越重要的作用。伺服控制軟件涉及到人機界面開發(fā)、系統(tǒng)控制、處理、通信、底層驅(qū)動等各個部分，控制邏輯復(fù)雜，并且與硬件關(guān)聯(lián)程度深[4]。伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計需充分考慮到上述特點，同時還需考慮系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)、功能的擴(kuò)展。

1 伺服監(jiān)控軟件功能分析

伺服監(jiān)控軟件需具備數(shù)據(jù)及信息的自動采集處理、控制和調(diào)節(jié)算法來實現(xiàn)自動化運行、監(jiān)控、報警及測試等功能，具有實時性強、自動化程度高、容錯性、可靠性及擴(kuò)展性好等特點[5]。伺服監(jiān)控軟件安裝在天線監(jiān)控單元的計算機內(nèi)，該軟件為整個伺服控制系統(tǒng)的邏輯控制中心，如圖1所示，主要完成的功能有[6]：

（1） 天線操控功能：實現(xiàn)ACU本/遠(yuǎn)控兩種運行模式切換；實現(xiàn)天線的各種工作方式管理，包括待機、手速、置位、程序跟蹤、自動捕獲/跟蹤、收藏、鎖定/解鎖、疊加掃描等工作方式的手動和自動切換。

（2） 控制和調(diào)節(jié)算法：完成環(huán)路調(diào)節(jié)器計算和天線控制策略選擇及實施，包括速度控制、位置控制、復(fù)合控制、誤差隨動控制功能等。

（3） 任務(wù)自動化運行管理：實現(xiàn)任務(wù)的自動化管理和運行，包括軌道點位數(shù)據(jù)的讀入、有效性檢查、軌道特征點分析與提取等，并生成程序跟蹤所需的引導(dǎo)數(shù)據(jù)；按照任務(wù)開始及結(jié)束時間，自動調(diào)用相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)任務(wù)的自動化運行，包括讀取任務(wù)參數(shù)、置位、下發(fā)設(shè)備參數(shù)、自動控制任務(wù)開始轉(zhuǎn)程引、任務(wù)結(jié)束轉(zhuǎn)待機、上報任務(wù)執(zhí)行報告等。

（4） 數(shù)據(jù)通信功能：實現(xiàn)ACU與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，包括與站監(jiān)控管理單元（SMCU）的通信、與各頻段跟蹤接收機（TRK）的數(shù)據(jù)接收和參數(shù)配置接口通信、與ADU的網(wǎng)絡(luò)通信、與時碼編碼單元（PDU）的數(shù)據(jù)接收和零值修正以及中斷電平采集接口通信、與極化控制單元（PCU）的串口通信。

（5） 人機交互功能：完成人機界面的主信息顯示、參數(shù)配置、控制調(diào)度、輔助信息顯示等。

（6） 數(shù)據(jù)存儲記錄功能：實現(xiàn)伺服系統(tǒng)測角數(shù)據(jù)、相關(guān)設(shè)備綜合狀態(tài)信息以及操控運行日志的記錄存儲。

（7） 自動校相功能：實現(xiàn)各頻段對塔和對星自動校相控制，生成、維護(hù)參數(shù)列表，并具備參數(shù)提取、運算、配置、驗證、存儲等能力。

（8） 自動化測試功能：實現(xiàn)伺服系統(tǒng)性能、參數(shù)的自動化測試，包括運動范圍測試、最大角速度測試、伺服帶寬測試、指向精度測試、跟蹤精度測試等。

（9） 故障綜合功能：監(jiān)視、匯總伺服系統(tǒng)中設(shè)備和運行狀態(tài)信息，并進(jìn)行初步的綜合，給出狀態(tài)結(jié)果。

2 伺服監(jiān)控軟件設(shè)計

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控軟件由系統(tǒng)支持軟件（操作系統(tǒng)）和應(yīng)用軟件組成，整體軟件架構(gòu)采用了數(shù)據(jù)總線、動態(tài)鏈接庫、軟件組件等技術(shù)，通過動態(tài)可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，將大量的功能組件設(shè)計為相互完全獨立的通用組件，通過控制腳本的動態(tài)配置，將必要的組件結(jié)合起來，實現(xiàn)強大而靈活的監(jiān)控功能。應(yīng)用軟件模塊劃分充分考慮了功能獨立、代碼復(fù)用原則，為了方便模塊的編寫、調(diào)試、運行維護(hù)以及軟件的升級和擴(kuò)展，每個模塊獨立封裝自已的參數(shù)、方法、界面，并單獨編譯，除主框架調(diào)度程序以可執(zhí)行文件（.exe）形式存在外，其他模塊均以動態(tài)鏈接庫（.dll）的形式存在。應(yīng)用軟件劃分為25個軟件部件（CSC），運行在Windows XP操作系統(tǒng)之上，采用單進(jìn)程、多線程、并行多模塊的結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。各個CSC按照其具備的功能、操控的設(shè)備進(jìn)行劃分，并設(shè)計為單獨的可執(zhí)行動態(tài)鏈接庫。主控CSC是惟一可以獨立運行的部件，其他的CSC由主控CSC進(jìn)行控制，彼此之間不進(jìn)行控制的交互。

2.2 系統(tǒng)控制流程

整體軟件架構(gòu)使用單進(jìn)程、多線程的工作模式。運行時序以10 ms周期信號為基準(zhǔn)來控制整個軟件系統(tǒng)的時序，要求所有的實時算法及操作控制必須在10 ms內(nèi)完成，具體控制流程如圖3所示?？刂屏鞒倘缦拢?/p>

（1） 初始化系統(tǒng)程序。在啟動程序時，首先初始化系統(tǒng)全局變量、SSI高速串口通信卡、多串口通信卡以及A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換卡。其次初始化人機界面，創(chuàng)建可視化的系統(tǒng)組件；

（2） 創(chuàng)建主線程，打開系統(tǒng)配置文件，讀取并設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)，包括位置環(huán)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)、收藏位置、網(wǎng)絡(luò)配置、跟蹤參數(shù)、掃描參數(shù)以及自動捕獲條件等；

（3） 轉(zhuǎn)入等待中斷事件：若沒有中斷信號，則一直等待，直到收到中斷信號為止；若結(jié)束系統(tǒng)進(jìn)程，則程序關(guān)閉；若等到中斷信號，則復(fù)位該中斷事件到無信號，表示該次中斷等待有效，調(diào)系統(tǒng)主控函數(shù)，完成主控功能；經(jīng)中斷采集卡將中斷信號引入，產(chǎn)生Win32事件對象供線程使用，并標(biāo)示為有效。然后再次轉(zhuǎn)入等待中斷事件。

2.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

伺服控制系統(tǒng)可由SMCU或外部設(shè)備（諸如手輪手桿等）進(jìn)行控制，系統(tǒng)讀入控制指令，然后內(nèi)部進(jìn)行一系列的控制操作，控制天線運行，并實時將天線狀態(tài)及異常監(jiān)控出現(xiàn)時的狀況及時反饋至主界面，如圖4所示。

（1） SMCU控制狀態(tài)發(fā)出的遠(yuǎn)控信號，或手輪手速控制狀態(tài)發(fā)出的脈沖信號，激活系統(tǒng)的讀入命令狀態(tài)；

（2） 讀入命令后，發(fā)送反饋信號，激活系統(tǒng)信息反饋狀態(tài)，將命令狀態(tài)送主界面顯示，同時發(fā)送啟動信號，激活異常監(jiān)控狀態(tài)；

（3） 系統(tǒng)接收到控制指令，如無異常，則發(fā)送命令信號，激活天線運行控制狀態(tài)，并將天線狀態(tài)實時反饋于界面顯示；若出現(xiàn)異常，則激活系統(tǒng)信息反饋狀態(tài)，將異常信息反饋至界面顯示，同時激活異常處理機制，發(fā)送返回信號，等待控制人員下一步指令。

2.4 數(shù)據(jù)流向

數(shù)據(jù)流主要分為系統(tǒng)命令流、控制指令流以及系統(tǒng)信息流三種，操作命令處理單元和系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元是兩大核心單元，數(shù)據(jù)流主要通過這兩大核心單元與其他控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，如圖5所示。

（1） 操作人員或SMCU發(fā)出的控制命令，以及手桿等產(chǎn)生的脈沖信號與站時統(tǒng)的B碼信號通過中斷采集、脈沖處理計數(shù)控制單元，發(fā)出的控制命令送至操作命令處理單元。

（2） 操作命令處理單元將處理過的控制命令送至D/A轉(zhuǎn)換控制單元，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換，以速度及狀態(tài)指令形式發(fā)送給ADU，完成控制天線的操作；操作命令處理單元將零值、匹配值修正命令發(fā)送至PDU控制模塊，PDU發(fā)送BT時統(tǒng)信息給系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元；操作命令處理單元將極化控制命令發(fā)送至PCU控制單元，經(jīng)過處理，將極化狀態(tài)實時反饋至系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元；操作命令處理單元將系統(tǒng)配置信息及控制信息進(jìn)行實時存儲，并實時反饋于系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元；

圖5 數(shù)據(jù)流圖

（3） 系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元接收來自于TRK的Ua，Ue，Uagc及鎖定LOCK信號，發(fā)送至顯示界面并發(fā)送至SMCU；系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元接收來自于ADU的驅(qū)動狀態(tài)信息，PDU的BT時統(tǒng)信號，PCU的極化狀態(tài)信息，發(fā)送至顯示界面并發(fā)送至SMCU；系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元實時讀取系統(tǒng)配置信息及控制信息，發(fā)送至顯示界面并發(fā)送至SMCU；系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元將所有數(shù)據(jù)流實時以日志的形式進(jìn)行保存。

2.5 自動化測試

自動化測試主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)天伺饋的性能、參數(shù)的自動化測試。其包括天線運動范圍、最大角速度、最大角加速度、伺服帶寬、指向精度、跟蹤精度等測試。針對每個測試項，采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括參數(shù)管理、測試開始/停止、測試運行體、測試進(jìn)度顯示、測試結(jié)果顯示，以及測試結(jié)果的自動上報等。

2.6 人機界面

軟件人機界面設(shè)計的出發(fā)點是顯示的信息直觀明了，操作使用方便可靠。人機界面分為常駐和非常駐兩大部分。常駐部分不能被其他部分覆蓋，它包括實時角度、誤差電壓、工作方式等主要信息。非常駐部分包括功能參數(shù)設(shè)置、幫助提示信息、輸入對話框等。人機界面示意圖如6圖所示。該界面在繼承以往工程所應(yīng)用界面的基礎(chǔ)上設(shè)計，在保證充分繼承性的同時，進(jìn)行相關(guān)細(xì)節(jié)完善，還可根據(jù)用戶對設(shè)備操作等多方面的要求進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié) 語

遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)集機、電于一體，采用計算機處理控制技術(shù)，實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)功能，具有執(zhí)行機構(gòu)多、驅(qū)動電機多、傳感器多和控制系統(tǒng)復(fù)雜的特點，可靠性和安全性要求高。本文采用單進(jìn)程、多線程、并行多模塊的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了天線控制、設(shè)備監(jiān)視、信息顯示、數(shù)據(jù)處理、通信等功能。該設(shè)計已應(yīng)用于實際工程項目中，使用結(jié)果表明：系統(tǒng)控制精度高，可靠性和可擴(kuò)展性好，易操作維護(hù)。

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