面向批量化小衛(wèi)星的便攜式快速巡檢系統(tǒng)研究

(北京東方計量測試研究所，北京 100094)

0 引言

作為現(xiàn)代科學技術(shù)中發(fā)展迅速的尖端技術(shù)之一，航天技術(shù)標志著一個國家的科學技術(shù)水平，也彰顯出一個國家的綜合國力。航天技術(shù)的發(fā)展對促進人類的文明和社會的進步有著十分重要和積極的作用[1-2]。在衛(wèi)星技術(shù)與應(yīng)用不斷發(fā)展的推動下，國內(nèi)外的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，商業(yè)航天迎來了重要的發(fā)展機遇期。而在發(fā)展商業(yè)航天的大環(huán)境下，迫切需要縮短衛(wèi)星開發(fā)研制周期，特別對于單一任務(wù)的專用衛(wèi)星以及組網(wǎng)衛(wèi)星，更需要成本低、研發(fā)周期短、應(yīng)用效果顯著的衛(wèi)星技術(shù)，因此小衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的大衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星具有功能密度高、重量輕、研制成本低、有效載荷種類多、飛行任務(wù)靈活多樣、性能指標千差萬別的特點[3-7]。近年來，小衛(wèi)星在技術(shù)上快速發(fā)展，應(yīng)用效益日益增長[8-9]，發(fā)展態(tài)勢強勁，各類小衛(wèi)星進入高密度發(fā)射期，近年來全球成功入軌微小衛(wèi)星統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 2012-2016年全球成功入軌微小衛(wèi)星數(shù)量

隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，小衛(wèi)星的研制周期不斷縮短、數(shù)量不斷增多，“一箭多星”的發(fā)射模式已成為常態(tài)。為了統(tǒng)籌規(guī)劃航天器發(fā)射任務(wù)，大量小衛(wèi)星在通過AIT(總裝、測試與試驗)測試后，在發(fā)射前可能需要長時間貯存。而小衛(wèi)星貯存期間需要定期進行功能及性能巡檢,以確保小衛(wèi)星隨時具備發(fā)射狀態(tài)。國內(nèi)小衛(wèi)星的傳統(tǒng)AIT流程，由于體系架構(gòu)、軟件落焊等原因?qū)е翧IT流程過于繁瑣[10-11]，測試時間長且投入人員多，無法滿足批量化小衛(wèi)星在發(fā)射前貯存階段的快速巡檢需求。

本文針對小型化、集成化、輕質(zhì)化，并可支持多種巡檢模式、多種類型小衛(wèi)星快速巡檢需求，設(shè)計并開發(fā)了一套便攜式的小衛(wèi)星快速巡檢系統(tǒng)，具有適用性廣、穩(wěn)定性好、效率高、成本低、便于攜帶等特點，推廣應(yīng)用前景良好；并通過搭建系統(tǒng)驗證環(huán)境，對該系統(tǒng)的正確性和有效性進行了驗證，可為批量化小衛(wèi)星快速巡檢提供參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

小衛(wèi)星平臺艙及載荷艙內(nèi)置星載測試單元，星載測試單元可完成小衛(wèi)星自動測試功能。便攜式快速巡檢系統(tǒng)用于與星載測試單元配合完成小衛(wèi)星巡檢任務(wù)。本系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)分為三層，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層和應(yīng)用層，其架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計圖

數(shù)據(jù)采集層：通過數(shù)據(jù)采集卡采集小衛(wèi)星的各類狀態(tài)參數(shù)、發(fā)送控制指令或巡檢序列，并為小衛(wèi)星提供穩(wěn)定的電源輸出。

數(shù)據(jù)管理層：包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)接口管理工具。數(shù)據(jù)庫用于完成數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)存儲、分析、管理等)，并為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)；數(shù)據(jù)接口管理工具為數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)庫之間的樞紐，將采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)入庫。

應(yīng)用層：面向巡檢人員的信息交互層，以“一鍵式”操作方式為巡檢人員提供巡檢序列執(zhí)行、數(shù)據(jù)自動判讀、巡檢報告自動生成和用戶管理等服務(wù)。

此外，針對數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的運行安全，設(shè)計了用戶權(quán)限管理模塊，對不同的操作者設(shè)置不同的權(quán)限，避免非法操作和跨權(quán)限操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由便攜式加固計算機、穩(wěn)壓電源、AD采集卡、OC指令輸出卡、422采集卡和相應(yīng)的配套線纜組成。其中，AD采集卡、OC指令輸出卡和422采集卡插入便攜式加固計算機中的PCI總線插槽中，通過PCI總線接口與便攜式計算機進行數(shù)據(jù)通信，總線接口完全符合PCI V2.2規(guī)范。

2.1 便攜式加固計算機

便攜式加固計算機選用全加固軍規(guī)計算機，自帶PCI總線接口、串口、網(wǎng)口、USB等接口，具有加固抗震及便于攜帶的特點，強固特性通過IP65認證，適用于各種惡劣的戶外環(huán)境或需要經(jīng)常移動使用的場合。此外，便攜式加固計算機配置高性能背光液晶屏和防震硬盤、可充電電池及高效的電源管理軟件，其中可充電電池單獨供電時間超過4小時。

2.2 穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電源用于為小衛(wèi)星供電，具備過流保護、過壓保護、過載保護和短路保護等功能，集成于便攜式加固計算機中。系統(tǒng)選用TDK lambda Z+系統(tǒng)電源作為穩(wěn)壓電源，該系列電源具有可程控、體積小、高可靠、輸入輸出隔離等特點，支持遠端采樣，輸出電壓范圍0～36 V，輸出電流范圍0～10 A。便攜式加固計算機通過RS232接口或USB接口控制穩(wěn)壓電源，兩種接口互為備份，默認采用RS232接口控制穩(wěn)壓電源。

2.3 PCI板卡

系統(tǒng)主要使用三類PCI板卡，即AD采集卡、OC指令輸出卡和422采集卡。AD采集卡用于采集各種模擬量、電阻量、狀態(tài)量，通過電阻分壓可實現(xiàn)±50V的輸入量程，采集精度16bit，支持72路單端采集，具備高速串行/并行接口。OC指令輸出卡輸出部分采用磁隔離方式設(shè)計，指令脈寬精度0.1 ms，指令脈寬范圍1～6000 ms，支持16路OC指令和16路射隨指令輸出。422采集卡具有4路獨立的RS422接口，用于采集小衛(wèi)星的所有狀態(tài)參數(shù)，并發(fā)送控制指令或巡檢序列。

選用PLX公司的PLX PCI9054作為PCI板卡的PCI總線控制器。PLX PCI9054具有以下特點：

1)符合PCI V2.2規(guī)范的32位33 MHz目標接口芯片，PCI突發(fā)傳輸速度高達132 MB/s;

2)PCI9054的LOCAL總線與PCI總線之間數(shù)據(jù)傳輸模式包括主模式、從模式和DMA模式；而LOCAL總線的控制包括M、C、J三種模式，其中常用C模式，即地址數(shù)據(jù)總線非復用模式;

3)提供了兩個獨立的可編程DMA控制器。

在板卡設(shè)計中采用LOCAL總線C模式的DMA方式，LOCAL總線的時鐘可達33 MHz。在此方式下PCI9054作為PCI總線主設(shè)備，同時也是LOCAL總線的控制者，使用DMA0通道作為數(shù)據(jù)傳送通道，通過設(shè)置DMA0控制器內(nèi)部的寄存器即可實現(xiàn)PCI總線和LOCAL總線兩者之間的數(shù)據(jù)交換，其總線連接如圖3所示。

圖3 本地總線與PCI總線連接示意圖

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

巡檢系統(tǒng)采用一體化設(shè)計，將穩(wěn)壓電源集成于加固計算機中，便于巡檢人員攜帶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為一個整體，內(nèi)部分為上下兩層，上層為便攜式加固計算機，下層為穩(wěn)壓電源。由于大功率穩(wěn)壓電源運行時會產(chǎn)生大量的熱量，散熱問題是系統(tǒng)集成設(shè)計重點考慮的問題。因此，在穩(wěn)壓電源前后面板設(shè)置電源通風口，后面板設(shè)置風扇；而在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計通風口，保障前后面板通風正常，利于設(shè)備散熱，并且在主機內(nèi)部增加一個散熱風扇，有助于穩(wěn)壓電源散熱。整個巡檢系統(tǒng)尺寸為400 mm(長)×280 mm(寬)×130 mm(高),重量8.5 kg，特別適合于小衛(wèi)星外場批量巡檢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

快速巡檢軟件是系統(tǒng)的核心軟件，運行于便攜式加固計算機上，通過RS422總線、PCI總線與小衛(wèi)星各設(shè)備進行通信，通過RS232接口或者USB接口程控穩(wěn)壓電源。軟件運行于WINDOWS平臺上，開發(fā)環(huán)境選用Microsoft Visual Studio 2010進行軟件開發(fā)，選用MySQL作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件采用自頂向下的設(shè)計策略，先設(shè)計總體框架后設(shè)計各模塊及具體類，設(shè)計遵循模塊化、通用化、可配置、界面友好等原則。

軟件采用分層和模塊化設(shè)計，分層設(shè)計如圖4所示。按照層次劃分為用戶接口層、測試需求及策略層、適配層、驅(qū)動層、硬件層和對外接口層。其中，用戶接口層負責與用戶交互，測試需求及策略層為用戶接口層提供支撐，適配層用于為驅(qū)動層和測試需求及策略層提供轉(zhuǎn)換接口，驅(qū)動層用于實現(xiàn)操作系統(tǒng)與底層硬件的通信，硬件層為具體的板卡，對外接口層用于實現(xiàn)與小衛(wèi)星上設(shè)備的接口。以上各層中，快速巡檢軟件直接相關(guān)層為驅(qū)動層以上各層。

圖4 快速巡檢軟件模塊設(shè)計圖

快速巡檢軟件內(nèi)部接口主要涉及到上層界面和中間各層的數(shù)據(jù)交互。具體包括兩類：一是將操作界面中的輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為標準的參數(shù)結(jié)構(gòu)，并將結(jié)構(gòu)中的參數(shù)傳輸至中間相關(guān)層；二是將中間各層獲得的遙測數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息在界面上進行顯示。軟件參數(shù)設(shè)置采用同步方式實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)和參數(shù)采用異步操作方式獲取，在設(shè)計上采用windows系統(tǒng)的消息機制。

3.1 用戶管理設(shè)計

用戶管理模塊主要負責用戶的認證和管理，對于不同用戶角色提供不同權(quán)限，避免非法操作。該模塊實現(xiàn)的具體功能包括用戶添加、用戶刪除、權(quán)限管理和登錄管理，只有經(jīng)過認證登錄的用戶才有權(quán)限執(zhí)行特定操作。其中，用戶角色主要分為管理員和操作員兩類，管理員有權(quán)限對設(shè)置密碼的數(shù)據(jù)庫進行維護，可添加、修改、刪除操作員，并可對不同的操作員設(shè)置相應(yīng)的操作權(quán)限；操作員的權(quán)限主要是面向巡檢人員日常的巡檢。

3.2 設(shè)備管理設(shè)計

設(shè)備管理模塊主要負責硬件設(shè)備的管理，包括板卡的識別、板卡自檢、板卡操作、電源管理等。用戶對硬件設(shè)備的指令也在本模塊轉(zhuǎn)化為對應(yīng)板卡或者電源的操作，接收小衛(wèi)星上的遙測狀態(tài)數(shù)據(jù)也是由本模塊上傳至相應(yīng)的處理模塊。設(shè)備管理模塊在軟件啟動時自動檢索各板卡的狀態(tài)，若不在設(shè)備列表中，則打開板卡，同時配置板卡初始化參數(shù)，進行板卡自檢，并將板卡狀態(tài)更新至設(shè)備列表中。

3.3 巡檢管理設(shè)計

巡檢管理模塊主要負責小衛(wèi)星巡檢時相關(guān)操作，包括對模擬量采集的數(shù)據(jù)處理和顯示，指令發(fā)送，對遙測數(shù)據(jù)的解析，巡檢序列的添加、修改、刪除、保存和執(zhí)行，巡檢結(jié)果顯示以及巡檢報告自動生成等。在本模塊中，用戶編輯好巡檢序列和判定條件后，即可啟動“一鍵化”巡檢。在巡檢過程中，每一條巡檢指令的運行狀態(tài)和巡檢結(jié)果都可直觀顯示，所有巡檢指令執(zhí)行完畢后自動生成巡檢報告或者報表。

為了應(yīng)用于不同的巡檢場合，設(shè)計了不同的巡檢模式，共劃分為5種巡檢模式，即重要參數(shù)監(jiān)視模式、巡檢序列上注模式、巡檢序列執(zhí)行模式、主機程序更新模式、射前狀態(tài)檢測模式，不同的巡檢模式對應(yīng)不同的巡檢界面。

3.3.1 重要參數(shù)監(jiān)視模式設(shè)計

該模式為普通模式，即通過發(fā)送指令數(shù)據(jù)同時實時更新顯示相應(yīng)遙測數(shù)據(jù)。用戶通過界面編輯或從配置文件中載入指令數(shù)據(jù)，在用戶選擇確認發(fā)送后，指令數(shù)據(jù)通過RS422接口發(fā)送至小衛(wèi)星上設(shè)備，同時小衛(wèi)星上設(shè)備通過422接口將遙測數(shù)據(jù)發(fā)送至便攜式加固計算機，便攜式加固計算機接收到遙測數(shù)據(jù)后立即交由快速巡檢軟件進行處理，快速巡檢軟件按照約定協(xié)議對遙測數(shù)據(jù)進行解析，并對重要參數(shù)進行監(jiān)視，在超出正常范圍時進行高亮顯示或報警，所有操作和提示信息在界面中進行顯示的同時會保存至日志文件中。衛(wèi)星遙測參數(shù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，每個遙測參數(shù)對應(yīng)唯一的標識號，巡檢人員可以根據(jù)重點關(guān)注的衛(wèi)星遙測參數(shù)顯示需求將相應(yīng)的標識號填入配置文件中，重新加載配置文件后即可實現(xiàn)重要參數(shù)的實時監(jiān)視。

3.3.2 巡檢序列上注模式設(shè)計

該模式以巡檢序列為單位進行數(shù)據(jù)上注，即將多條指令數(shù)據(jù)整合在一起進行數(shù)據(jù)發(fā)送，巡檢序列由用戶自定義并以配置文件的形式進行存儲。在該模式中，用戶通過選擇編輯或從配置文件中讀取已經(jīng)創(chuàng)建好的巡檢序列，在用戶確認發(fā)送后，巡檢序列通過RS422接口發(fā)送至小衛(wèi)星上設(shè)備，同時遙測數(shù)據(jù)通過RS422接口由小衛(wèi)星上設(shè)備下傳至加固計算機，再交由快速巡檢軟件處理，快速巡檢軟件在保存遙測數(shù)據(jù)的同時，按照約定協(xié)議提取上注巡檢序列相關(guān)遙測參數(shù)，并按照協(xié)議格式進行解析，解析后的數(shù)據(jù)可實時反映當前上注巡檢序列的過程狀態(tài)，并以直觀顯示的方式反饋給用戶。

3.3.3 巡檢序列執(zhí)行模式設(shè)計

該模式主要控制小衛(wèi)星上設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的巡檢序列，并對巡檢序列的當前執(zhí)行情況根據(jù)相關(guān)遙測進行解析并直觀顯示。巡檢序列來源于上一模式，兩者工作流程類似。

3.3.4 主機程序更新模式設(shè)計

該模式主要由RS422接口完成對星務(wù)主機軟件代碼的升級替換。星務(wù)主機的程序存儲區(qū)劃分為星務(wù)計算機軟件存儲區(qū)和星務(wù)BootLoader軟件存儲區(qū)，而星務(wù)BootLoader軟件的主要功能是通過星地RS422接口接收地面命令及程序代碼，完成星務(wù)計算機軟件的代碼升級。在本模式中，快速巡檢軟件按照協(xié)議格式，將新程序代碼作為指令數(shù)據(jù)進行組包，通過RS422接口發(fā)送至星務(wù)主機，再由星務(wù)主機的BootLoader軟件完成對星務(wù)主機軟件的代碼替換?？焖傺矙z軟件根據(jù)星務(wù)主機更新程序后下發(fā)的遙測參數(shù)判讀程序是否更新成功。

3.3.5 射前狀態(tài)檢測模式設(shè)計

在小衛(wèi)星發(fā)射前需要執(zhí)行一些特定指令集，例如需要擦除星務(wù)主機BootLoader的程序以防止星務(wù)計算機軟件在軌被更改的風險。在本模式中，用戶事先通過配置文件或者界面配置好的射前指令，通過選擇射前指令，在用戶經(jīng)過發(fā)送確認后，射前指令通過RS422接口發(fā)送至小衛(wèi)星上設(shè)備，由小衛(wèi)星上設(shè)備完成射前指令的執(zhí)行，最終完成小衛(wèi)星發(fā)射前狀態(tài)的配置工作。

3.4 日志管理模塊設(shè)計

日志管理模塊主要對軟件所有的操作時間、操作內(nèi)容、操作結(jié)果和操作人員進行記錄，并對操作結(jié)果進行提示，如有錯誤則進行報警提示，所有日志信息存儲于日志文件中，便于后續(xù)日志查詢。進行報警提示時高亮顯示警告日志信息或錯誤日志信息。

3.5 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)管理模塊主要負責數(shù)據(jù)管理相關(guān)操作，包括界面配置、指令配置、遙測配置、數(shù)據(jù)記錄和配置文件管理等。

界面配置用于調(diào)用用戶界面，并對用戶定制化的界面信息進行保存，以保證下次軟件啟動時符合用戶使用習慣。指令配置用于編輯配置發(fā)送指令數(shù)據(jù)，這些指令也可用于巡檢序列中。遙測配置用于對接收的422數(shù)據(jù)和模擬量數(shù)據(jù)進行解析配置。數(shù)據(jù)記錄用于記錄所有接收的遙測數(shù)據(jù)和發(fā)送的指令數(shù)據(jù)，并存入實時數(shù)據(jù)庫中，便于日后查詢。配置文件管理用于維護閾值表、增量表、任務(wù)指令表、串口配置參數(shù)和重要參數(shù)監(jiān)視配置等信息，以xml文件的形式存儲。

4 系統(tǒng)驗證

為了驗證便攜式快速巡檢系統(tǒng)功能的正確性和有效性，針對某型小衛(wèi)星搭建了相應(yīng)的測試驗證系統(tǒng)，該驗證系統(tǒng)主要由便攜式快速巡檢系統(tǒng)、某型小衛(wèi)星(被測對象)和連接線纜組成，驗證系統(tǒng)各部分接口關(guān)系如圖5所示。經(jīng)驗證測試結(jié)果表明，便攜式快速巡檢系統(tǒng)能夠滿足小衛(wèi)星日常巡檢的功能性能需求。

圖5 驗證系統(tǒng)組成圖

此外，為了體現(xiàn)便攜式快速巡檢系統(tǒng)的優(yōu)勢，分別采用便攜式快速巡檢系統(tǒng)和傳統(tǒng)測試方法對同一小衛(wèi)星進行巡檢，并從巡檢時間和投入人員兩個維度進行比較，圖6給出了兩種巡檢方法的對比結(jié)果。由驗證測試對比結(jié)果可知，在同等巡檢質(zhì)量要求下，對于單顆小衛(wèi)星巡檢，快速巡檢系統(tǒng)約需1人巡檢2小時，而傳統(tǒng)測試方法約需2人2天。對于批量化小衛(wèi)星巡檢，快速巡檢系統(tǒng)優(yōu)勢將更加明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

在充分研究批量化小衛(wèi)星快速巡檢需求的基礎(chǔ)上，提出了一種面向批量化小衛(wèi)星快速巡檢的多模式巡檢方法，設(shè)計并開發(fā)了針對小衛(wèi)星多種巡檢模式下的便攜式快速巡檢系統(tǒng)。重點介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件以及軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，最后通過搭建驗證系統(tǒng)，驗證了面向批量化小衛(wèi)星的便攜式快速巡檢系統(tǒng)功能的正確性和有效性。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在保證巡檢質(zhì)量的同時，可大幅度降低時間成本和人力成本，可替代傳統(tǒng)的測試方式對批量化小衛(wèi)星進行快速巡檢，為衛(wèi)星新型測試方法探究提供了支撐。

圖6 系統(tǒng)驗證測試結(jié)果對比圖