基于軟總線的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 偉, 張 聰, 鐘 洋, 周 鵬, 周詩(shī)超

(中電科蓉威電子技術(shù)有限公司，成都 610031)

0 引言

高速發(fā)展的信息化社會(huì)中，通信作為眾多技術(shù)的基礎(chǔ)支撐，其重要性日益提升。在各類通信方式中，衛(wèi)星通信以其通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣、不受地面基站限制、不受地理?xiàng)l件限制、性能穩(wěn)定可靠、通信容量大且靈活等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶、航空用戶、航海用戶提供了很大的便利。同時(shí)，在應(yīng)急通信領(lǐng)域，在突如其來(lái)的自然災(zāi)害和意外事件發(fā)生時(shí)，衛(wèi)星通信憑借開通時(shí)間短、傳輸距離遠(yuǎn)、通信容量大、組網(wǎng)方式靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在地面通信基礎(chǔ)設(shè)施受到嚴(yán)重破壞無(wú)法工作，亟需緊急通信的情形下發(fā)揮了重要作用[1]。而衛(wèi)星通信的質(zhì)量相當(dāng)程度上依賴于天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤，關(guān)鍵技術(shù)之一就是能夠調(diào)整天線的指向，使天線能夠快速精準(zhǔn)地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星方向。

現(xiàn)有的衛(wèi)星跟蹤方案主要使用機(jī)械伺服天線和相控陣天線。機(jī)械伺服天線因其系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單而最早應(yīng)用，但隨著載體平臺(tái)小型化、高速化、機(jī)動(dòng)化的更高要求，使得依賴伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪或皮帶等傳動(dòng)裝置等方式遭遇性能瓶頸。而相控陣天線，通過波控主機(jī)輸入波控?cái)?shù)碼，使相鄰陣元產(chǎn)生一定相位差從而改變波束在空間的指向，相位空間的變化頻率可以達(dá)到毫秒級(jí)，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)具有更高的性能保證。

相控陣天線帶來(lái)了更快的波束切換能力，同時(shí)對(duì)上層跟蹤控制算法性能帶來(lái)了挑戰(zhàn)，如果對(duì)角度的計(jì)算速度還停留在原有機(jī)械伺服量級(jí)，就無(wú)法體現(xiàn)相控陣天線的優(yōu)勢(shì)。故現(xiàn)有的相控陣衛(wèi)星跟蹤控制方案主控器為了追求實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，多采用STM32單片機(jī)或DSP處理芯片進(jìn)行搭建，以非操作系統(tǒng)的模式工作，處理芯片時(shí)鐘均圍繞跟蹤程序工作，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤目的，但由于其單任務(wù)、單線程的處理方式，使得軟件設(shè)計(jì)邏輯性變差、可擴(kuò)展性降低。隨著目前跟蹤技術(shù)引入更多的控制和傳感外部設(shè)備，功能和接口重復(fù)迭代的需求不斷提出，這使得原有處理器應(yīng)付起來(lái)相對(duì)吃力，需要引入多任務(wù)、代理式的設(shè)計(jì)模式來(lái)降低接口耦合性、功能擴(kuò)展性和代碼可讀性[2]。

基于以上問題提出了使用基于Zynq平臺(tái)，并搭載Linux操作系統(tǒng)的處理架構(gòu)，并提供一種多外設(shè)協(xié)同處理的軟總線機(jī)制。軟件總體架構(gòu)不僅從根本上決定了軟件的各項(xiàng)性能指標(biāo)能否達(dá)到預(yù)期的要求，還影響了所開發(fā)軟件的質(zhì)量[3]。

基于以上問題在設(shè)計(jì)衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)軟件的過程中，以軟件模塊化、多外設(shè)協(xié)同運(yùn)行為目標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)硬件運(yùn)行平臺(tái)和軟件開發(fā)環(huán)境的特點(diǎn)，通過引入軟總線的概念，設(shè)計(jì)了一種基于軟總線的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)。硬件上使用基于Zynq平臺(tái)，并搭載Linux操作系統(tǒng)的處理架構(gòu)。軟件上層次化劃分更加清晰，軟件各層次間通過標(biāo)準(zhǔn)化接口呈現(xiàn)出松散耦合狀態(tài)，進(jìn)而提升了軟件的可維護(hù)性以及可重用性。從而對(duì)后續(xù)技術(shù)迭代后的接口和需求更改，軟件運(yùn)行性能提高，團(tuán)隊(duì)共享維護(hù)等工作提供有力支撐。

1 衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主控器、天線陣面(發(fā)射陣面、接收陣面)、組合導(dǎo)航設(shè)備、變頻模塊、信標(biāo)機(jī)、功分器、調(diào)制解調(diào)器等組成[4-5]。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.1 主控器

主控器主要工作時(shí)根據(jù)組合導(dǎo)航、信標(biāo)機(jī)等設(shè)備回傳的位置、姿態(tài)、信號(hào)強(qiáng)度等信息，綜合判斷天線指向，從而進(jìn)行衛(wèi)星跟蹤。傳統(tǒng)的衛(wèi)星跟蹤主控器多采用單片機(jī)，再按需搭配FPGA等擴(kuò)展使用。系統(tǒng)采用ZNYQ平臺(tái)架構(gòu)，其實(shí)將專用的中央處理器CPU硬核與 FPGA集成于一顆芯片中，產(chǎn)生了一種全新的異構(gòu)平臺(tái)，稱之為全可編程片上系統(tǒng)(All Programmable SoC)。一方面，使得嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加靈活，體積顯著縮小，可靠性和系統(tǒng)整體性能明顯提高；另一方面，使得FPGA可以更快速便捷的融入嵌入式系統(tǒng)中[6]。

ZYNQ AX7020 包含兩大部分ps(集成兩個(gè)ARM cortex-a9處理器),和pL(FPGA)。PS：主頻 1 GHz,256 kB片內(nèi)RAM，8Gbit SDRAM(以太網(wǎng),串口,usb,spi flash,SD，IO,LED,KEY)。PL：可編程邏輯塊，可編程IO塊等(eeprom RTC HDMI LED KEY ADC)互聯(lián)：PS內(nèi)和PS到PL高寬帶連接基于ARM AMBA AXI總線傳輸質(zhì)量控制和帶寬控制。這些接口和資源能很好的解決主控器對(duì)跟蹤算法的處理和外部設(shè)備的多種擴(kuò)展需求。

1.2 天線陣面

天線陣面采用相控陣體制，接收主控器的控制指令，控制發(fā)射和接收角度。天線陣面工作在KA 頻段，在一塊印制電路板上集成了1 024個(gè)發(fā)射天線單元、256個(gè)beamformer芯片、饋電網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)芯片、波束控制電路、電源電路等，依托FPGA 的實(shí)時(shí)計(jì)算能力，快速更改每個(gè)天線單元的信號(hào)相位與幅度，陣面所有陣元輻射的射頻信號(hào)在空間合成，實(shí)時(shí)形成所需指向波束。天線陣面設(shè)計(jì)緊湊，低剖面，無(wú)需機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)，堅(jiān)固耐用，能在大空域范圍內(nèi)進(jìn)行快速指向更新。使用靈活，可由多塊陣面按需進(jìn)行拼接創(chuàng)建所需口徑的相控陣天線，針對(duì)客戶性能需求進(jìn)行快速迭代，無(wú)需設(shè)計(jì)全新的天線。

1.3 組合導(dǎo)航設(shè)備

組合導(dǎo)航設(shè)備用于獲取載體自身的位置、姿態(tài)，對(duì)主控器的跟蹤流程進(jìn)行支撐。選用天線專用慣導(dǎo)系統(tǒng)，采用高精度MEMS技術(shù)的慣性傳感器，可精確測(cè)量載體在空間坐標(biāo)系中3個(gè)軸的姿態(tài)(傾斜、俯仰、偏航)、角速率、線加速度以及GPS導(dǎo)航定位信息。本設(shè)備根據(jù)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航算法實(shí)時(shí)計(jì)算載體的姿態(tài)，采用卡爾曼濾波進(jìn)行誤差補(bǔ)償，保證在動(dòng)態(tài)環(huán)境下和長(zhǎng)工作時(shí)間的可靠性和測(cè)量精度。本傳感器系統(tǒng)將慣性測(cè)量單元、三軸磁傳感器、GPS接收機(jī)組合成一體，進(jìn)行組合導(dǎo)航。

1.4 信標(biāo)機(jī)

信標(biāo)機(jī)主要用于接收L頻段的DVB載波、單音信標(biāo)或連續(xù)載波信號(hào)，并以數(shù)字電壓標(biāo)稱，為跟蹤是否成功提供判斷依據(jù)。具有優(yōu)越的捕獲時(shí)間、幅度穩(wěn)定性及靈活性，能夠保障天線在傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)或高通量多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的快速識(shí)別及跟蹤。

2 衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 問題與解決思路

目前一般的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)采用單任務(wù)、單線程的處理架構(gòu)，將用于感知的組合導(dǎo)航、信標(biāo)機(jī)等設(shè)備以及需控制的天線、變頻器等設(shè)備的通信數(shù)據(jù)交互，統(tǒng)一并入跟蹤的主體流程中進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣會(huì)面臨兩個(gè)技術(shù)問題：1)隨著衛(wèi)星跟蹤技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)各類功能需求的增加，外設(shè)種類逐步增加，如果沒有將對(duì)外設(shè)的控制與衛(wèi)星跟蹤主體流程分離進(jìn)行思考和設(shè)計(jì)，沒有統(tǒng)一的管理模塊對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，會(huì)使整個(gè)軟件系統(tǒng)架構(gòu)過于龐大和復(fù)雜，造成維護(hù)及其困難的窘境，對(duì)系統(tǒng)的每次升級(jí)，無(wú)異于重新開發(fā)，大大降低了系統(tǒng)迭代的速度；2)跟蹤流程中的觸發(fā)機(jī)制和條件對(duì)外設(shè)的數(shù)據(jù)要求時(shí)間節(jié)拍和處理間隙條件各不相同，有的需要數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)同步立即進(jìn)行處理，有的需要某些處理時(shí)機(jī)到來(lái)時(shí)異步取用最新數(shù)據(jù)處理。但外設(shè)種類繁多，如果只考慮單任務(wù)進(jìn)行，勢(shì)必造成時(shí)間間隔出現(xiàn)偏差，處理精度和處理速度會(huì)產(chǎn)生較大影響，從而影響整個(gè)軟件和系統(tǒng)的運(yùn)行效率，成為阻礙跟蹤結(jié)果的瓶頸[7-8]。綜上所述，這兩方面問題也是本設(shè)計(jì)方案所要解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題。

本文引入軟總線設(shè)計(jì)思路，通過開發(fā)一種多外設(shè)協(xié)同數(shù)據(jù)處理的軟總線模塊，來(lái)解決上述問題。對(duì)于第一個(gè)問題，軟總線模塊在設(shè)計(jì)上具有數(shù)據(jù)管理機(jī)制，建立資源表，各模塊可通過輸入資源表獲取信息來(lái)進(jìn)行交互。同時(shí)，提供軟總線內(nèi)部極速內(nèi)存?zhèn)鬏敊C(jī)制，進(jìn)行資源表的輸入輸出以及更新操作。功能層面來(lái)講，向各模塊提供“注冊(cè)-發(fā)布”功能，各模塊可向軟總線將自己進(jìn)行注冊(cè)，同時(shí)發(fā)布自身數(shù)據(jù)類型以及具體數(shù)據(jù)服務(wù)，其他模塊按需在軟總線上查找所需其他模塊的數(shù)據(jù)。對(duì)于第二個(gè)問題，軟總線模塊在設(shè)計(jì)上具有通信代理機(jī)制。該機(jī)制為了屏蔽不同模塊或外設(shè)之間硬件接口差異，通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的設(shè)備操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)了上下層之間數(shù)據(jù)與信息的交互，是上層應(yīng)用模塊與底層操作系統(tǒng)交互的紐帶。同時(shí)，通信代理機(jī)制還具備時(shí)間同步功能，更高效跟直接的設(shè)計(jì)方式，保證操作系統(tǒng)毫秒級(jí)別的實(shí)時(shí)性水平，這是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)，因此，保證系統(tǒng)各模塊時(shí)間的全局相對(duì)一致是確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵[9-11]。

而后，在軟總線機(jī)制的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了跟蹤處理流程，主要應(yīng)用于對(duì)組合導(dǎo)航、多模機(jī)數(shù)據(jù)的使用，以及對(duì)天線和變頻器的控制，以及對(duì)用戶輸出工作參數(shù)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)搭建和測(cè)試驗(yàn)證。

2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)層是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依賴。使用操作系統(tǒng)可為上層模塊提供了一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行環(huán)境，使跟蹤控制系統(tǒng)在維護(hù)、擴(kuò)展、效率、應(yīng)用上上一個(gè)臺(tái)階。操作系統(tǒng)層根據(jù)上層應(yīng)用模塊的需求調(diào)用相應(yīng)的操作系統(tǒng)級(jí)別驅(qū)動(dòng)將其處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤控制所需的輸出信息，是軟總線與系統(tǒng)硬件資源之間信息交互的橋梁，負(fù)責(zé)整合硬件資源獲取的信息。

圖2 軟件架構(gòu)框圖

2.2.2 驅(qū)動(dòng)層

由于基于Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)層非真實(shí)與底層硬件資源交互，而是對(duì)一些常用的接口資源進(jìn)行抽象封裝，包括串口、網(wǎng)絡(luò)(TCP、UDP)、SPI以及與FPGA的內(nèi)存訪問交互等。為外設(shè)層提供更加便捷的接口使用方式。

2.2.3 外部設(shè)備層

可理解為軟總線的驅(qū)動(dòng)。對(duì)天線陣面(發(fā)射陣面、接收陣面)、組合導(dǎo)航設(shè)備、變頻模塊、信標(biāo)機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備進(jìn)行抽象封裝，提供對(duì)接軟總線接口。向下可適配同類型各型號(hào)設(shè)備，向上提供統(tǒng)一接口。

2.2.4 軟總線層

軟總線層作為控制系統(tǒng)的核心中樞，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與跟蹤控制應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)交互部分，屏蔽了不同外設(shè)之間的接口差異，使應(yīng)用模塊在適當(dāng)時(shí)機(jī)高實(shí)時(shí)性的對(duì)其他模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫調(diào)度。

軟總線通過數(shù)據(jù)管理機(jī)制和通信代理機(jī)制完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)資源的管理。在軟總線的控制下，各外設(shè)模塊可對(duì)自身信息進(jìn)行廣播，每個(gè)外設(shè)模塊對(duì)其他外設(shè)模塊的資源均統(tǒng)一匯入一張系統(tǒng)資源信息表；當(dāng)某一外設(shè)模塊需要使用相應(yīng)的外設(shè)數(shù)據(jù)資源時(shí)，由軟總線直接輸入或輸出目標(biāo)信息，發(fā)送資源請(qǐng)求，目標(biāo)外設(shè)接收到該信息后，再由軟總線完成資源跨外設(shè)調(diào)用，可在不影響其他流程的情況下，快速擴(kuò)展系統(tǒng)的接口資源[12-13]。

圖3 軟總線層原理框圖

2.2.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層作為系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星整體跟蹤流程和算法、整機(jī)的電源等控制、以及對(duì)用戶的服務(wù)接口。為了滿足軟件可維護(hù)性、可擴(kuò)展性的性能需求，各模塊通過制定的標(biāo)準(zhǔn)接口完成與軟總線的信息交互，最終實(shí)現(xiàn)軟總線對(duì)其的統(tǒng)一管理。

2.3 軟總線模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，軟總線模塊將系統(tǒng)內(nèi)所用所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝至數(shù)據(jù)共享模塊，一切對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的修改和訪問都需經(jīng)過該模塊，保證了數(shù)據(jù)的安全性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，每大類負(fù)責(zé)一種數(shù)據(jù)，大類中還可劃分小類，可以對(duì)大類中的指定數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和更新。

圖4 軟總線模塊設(shè)計(jì)框圖

由于是全局訪問，考慮多線程訪問沖突，需對(duì)模塊修改進(jìn)行加鎖?？紤]到運(yùn)行效率，對(duì)每大類數(shù)據(jù)分別定義自己的線程鎖。建立回調(diào)函數(shù)列表，在數(shù)據(jù)更新時(shí)，回調(diào)響應(yīng)注冊(cè)的模塊[14-16]。

2.3.1 提供注冊(cè)回調(diào)接口

register_callback_func(SHARRING_CALLBAK_FUNC_STRUCT *func_struct)，需填寫所需類型和函數(shù)地址，當(dāng)所注冊(cè)數(shù)據(jù)類型被顯性更新時(shí)，回調(diào)此類型，如是小類被更新，大類同樣被回調(diào)。此回調(diào)函數(shù)處理應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，否則將可能影響其他數(shù)據(jù)的收發(fā)效率。此接口保證了數(shù)據(jù)的同步性，數(shù)據(jù)在被更新時(shí)，第一時(shí)間被注冊(cè)的外部模塊獲得，提升了使用效率。

2.3.2 提供顯性更新數(shù)據(jù)接口

update_sharring_data(SHARRING_TYPE type, void *data)，通過不同的類型，更新數(shù)據(jù)，顯性更新數(shù)據(jù)接口將觸發(fā)回調(diào)機(jī)制。

2.3.3 提供異步獲取數(shù)據(jù)句柄接口

get_sharring_data(SHARRING_TYPE type, void **data, pthread_mutex_t **lock)，可通過不同數(shù)據(jù)類型直接獲取數(shù)據(jù)的句柄(即指針)，同時(shí)會(huì)返回管理此類數(shù)據(jù)的線程鎖。一般情況下，外部只通過該接口獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行讀操作。但特殊情況也可以通過句柄直接給數(shù)據(jù)賦值，但此時(shí)需利用返回的線程鎖加鎖后使用，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)訪問沖突。此接口提供了數(shù)據(jù)異步使用的可能性，外部模塊根據(jù)自身需求，在需要時(shí)進(jìn)行使用，同時(shí)不妨礙數(shù)據(jù)的主動(dòng)更新。

總的來(lái)說(shuō)，軟總線模塊的實(shí)現(xiàn)具有以優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)軟件的開發(fā)趨向于扁平化、模塊化。為了使軟件各模塊能夠獨(dú)立并行開發(fā)，可按功能需求劃分成多個(gè)獨(dú)立的模塊，各模塊僅通過標(biāo)準(zhǔn)接口與外界交互信息，提高了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2)系統(tǒng)間交互效率提升。通過軟總線的同步、異步模式，向各處理模塊、外設(shè)模塊高效的傳遞數(shù)據(jù)信息，在非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux下，也可滿足衛(wèi)星跟蹤控制領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性較高的要求。

3)系統(tǒng)易擴(kuò)展。隨著功能需求的變化，系統(tǒng)可能需要增加或替換相應(yīng)的外設(shè)資源。通過軟總線具備的注冊(cè)和管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)已有外設(shè)資源的管理和新增外設(shè)資源的注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)資源的增加和替換。

4)便于后期維護(hù)。所有模塊都采用封裝式設(shè)計(jì)和開發(fā)，當(dāng)面臨功能需求變動(dòng)時(shí)，可直接對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行修改，或開發(fā)新代碼來(lái)匹配原接口進(jìn)行替換，使得軟件的開發(fā)和修改不再牽一發(fā)而動(dòng)全身。

2.4 跟蹤流程設(shè)計(jì)

跟蹤算法流程采用多線程并行處理，多處同步異步處理應(yīng)用軟總線模塊各類接口，主要流程為控制主流程和跟蹤模式判定流程[17-18]：

圖5為控制主流程，主要通過將組合導(dǎo)航設(shè)備、信標(biāo)機(jī)、變頻模塊等設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，得到天線實(shí)時(shí)指向。流程中加黑處表示使用軟總線接口同步或異步輸入輸出數(shù)據(jù)。值得說(shuō)明的是，整個(gè)工作流程時(shí)間節(jié)拍取決于信標(biāo)機(jī)的傳輸頻率。在通過軟總線的同步回調(diào)接口，獲取信標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)輸出信噪比后，馬上對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。而對(duì)于其他設(shè)備數(shù)據(jù)，由于無(wú)法緊密卡準(zhǔn)時(shí)間節(jié)拍，則使用軟總線的異步獲取接口，沿用最近一次數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，最終得出新的天線指向，從而等待進(jìn)行下一次信噪比輸入。

圖5 控制主流程框圖

圖6為跟蹤模式判定流程[19-20]。流程中加黑處表示使用軟總線接口同步或異步輸入輸出數(shù)據(jù)。之所以將此流程獨(dú)立于主流程并行處理，主要出于兩方面考慮:1)可更好地明確任務(wù)分工，便于維護(hù)和升級(jí)；2)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)通過線程鎖的方式，鎖定和釋放處理資源，可利用主流程中等待信標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隙，先行對(duì)本次處理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，起到有效利用處理資源的目的。在判斷算法中，加入了多組冗余計(jì)算機(jī)制，并做了動(dòng)態(tài)配置機(jī)制，可通過后期調(diào)試調(diào)整冗余組數(shù)，從而調(diào)整至效率和穩(wěn)定最佳的參數(shù)。由于主流程中時(shí)間節(jié)拍是由信標(biāo)機(jī)控制的，信標(biāo)機(jī)的輸入頻率有最大上限，只需將此流程的延時(shí)頻率超過其上限，便可保證永遠(yuǎn)判斷較新的數(shù)據(jù)(即使出現(xiàn)實(shí)時(shí)性問題，也建立了保護(hù)機(jī)制，頻率能夠追趕即不會(huì)影響)。

圖6 跟蹤模式判定流程框圖

3 系統(tǒng)搭建與測(cè)試

系統(tǒng)使用Ka頻段中星16衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，并開發(fā)了衛(wèi)星跟蹤上位機(jī)軟件，用于對(duì)跟蹤結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)與上位機(jī)軟件通過網(wǎng)絡(luò)通信。

首先，將系統(tǒng)按圖7方式進(jìn)行組網(wǎng)，由路由器作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)環(huán)境支撐，將衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器的控制口以及調(diào)試上位機(jī)部署于同一局域網(wǎng)內(nèi)。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)搭建框圖

衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)通過調(diào)制解調(diào)器的控制指令，進(jìn)行實(shí)際衛(wèi)星跟蹤和波束切換。調(diào)試上位機(jī)可實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)的工作狀態(tài)、載體姿態(tài)、接收信噪比、天線狀態(tài)等各項(xiàng)參數(shù)，并進(jìn)行功能控制，測(cè)試上位機(jī)軟件如圖8所示。

圖8 測(cè)試上位機(jī)軟件

衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)與調(diào)制解調(diào)器通過收發(fā)射頻線纜連接，調(diào)制解調(diào)器在跟蹤成功后進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的收發(fā)，如圖9所示。

圖9 調(diào)制解調(diào)器狀態(tài)

系統(tǒng)搭建完成后，首先在樓頂天臺(tái)向南空曠處進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。系統(tǒng)設(shè)備加電后，通過上位機(jī)觀察，工作狀態(tài)開始處于盲掃，天線離軸角、方位角、組合導(dǎo)航設(shè)備俯仰角、橫滾角、航向角等都在不斷變化，各外設(shè)在跟蹤系統(tǒng)的調(diào)度下正常工作。隨后信噪比增大，進(jìn)入動(dòng)態(tài)跟蹤狀態(tài)，此時(shí)天線進(jìn)入鎖定狀態(tài)，跟蹤成功。

隨后，將衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)安裝于汽車頂部，將調(diào)制解調(diào)器、路由器等安裝于汽車內(nèi)部，進(jìn)行跑車測(cè)試。測(cè)試主要包括高速路段、彎路段、顛簸路段、隧道路段等，覆蓋驗(yàn)證高速動(dòng)態(tài)跟蹤、大航向加速度動(dòng)態(tài)跟蹤、大橫滾俯仰加速度動(dòng)態(tài)跟蹤、長(zhǎng)時(shí)遮擋重新跟蹤等測(cè)試項(xiàng)目。測(cè)試記錄如下：

1)組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)使用效率。測(cè)試在每個(gè)角度計(jì)算時(shí)，距離組合導(dǎo)航傳入系統(tǒng)的延時(shí)時(shí)間，如圖10所示。

圖10 組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)使用效率測(cè)試結(jié)果

組合導(dǎo)航輸出周期為4 ms，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)每次使用組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)均為最新數(shù)據(jù)，最大限度保證了姿態(tài)計(jì)算實(shí)時(shí)性。

2)波束角度輸出間隔。測(cè)試通過計(jì)算進(jìn)行波束角度切換的時(shí)間間隔，如圖11所示。

圖11 波束角度輸出間隔測(cè)試結(jié)果

信標(biāo)機(jī)輸出周期為4 ms，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)在收到信標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)后在0.4 ms內(nèi)完成計(jì)算，并輸出掃描角度，保證了衛(wèi)星跟蹤的實(shí)時(shí)性。

3)動(dòng)態(tài)跟蹤指向有效性。測(cè)試系統(tǒng)在不同姿態(tài)和方位下，衛(wèi)星跟蹤動(dòng)態(tài)掃描的指向是否在可用范圍，如圖12所示。

圖12 動(dòng)態(tài)跟蹤指向有效性測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)計(jì)算的掃描離軸角度均在1度以內(nèi)浮動(dòng)，滿足動(dòng)態(tài)掃描要求，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤。

4)冷啟動(dòng)跟蹤鎖定時(shí)間。測(cè)試在組合導(dǎo)航航向角為初始狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)所需時(shí)間，是系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)，指標(biāo)業(yè)界普遍指標(biāo)在1 min左右，如圖13所示。

圖13 冷啟動(dòng)跟蹤鎖定時(shí)間測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，此衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效，冷啟動(dòng)跟蹤鎖定時(shí)間在45 s以內(nèi)，指標(biāo)優(yōu)于業(yè)界水平。

5)熱啟動(dòng)跟蹤鎖定時(shí)間。測(cè)試在已知航向角的情況下，快速進(jìn)入跟蹤狀態(tài)時(shí)間。業(yè)界普遍指標(biāo)在5 s左右，如圖14所示。

圖14 熱啟動(dòng)跟蹤鎖定時(shí)間測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效，熱啟動(dòng)跟蹤鎖定時(shí)間在4 s以內(nèi)，指標(biāo)優(yōu)于業(yè)界水平。

6)長(zhǎng)時(shí)間遮擋動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間。測(cè)試在長(zhǎng)時(shí)間處于對(duì)天遮擋狀態(tài)，導(dǎo)致組合導(dǎo)航姿態(tài)漂移的情況下，迅速動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間。業(yè)界普遍指標(biāo)在10 s左右，如圖15所示。

圖15 長(zhǎng)時(shí)間遮擋動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，長(zhǎng)時(shí)間遮擋后，在10 s內(nèi)均可恢復(fù)跟蹤狀態(tài)，指標(biāo)優(yōu)于業(yè)界水平。

綜上，通過各類靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試，基于軟總線的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上可行，在處理方式上高效，實(shí)際衛(wèi)星跟蹤效果佳，整體指標(biāo)優(yōu)于業(yè)界。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)，優(yōu)化和改善傳統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的軟件耦合性高、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)；硬件設(shè)計(jì)采用ZYNQ 7020芯片為控制核心，與各類衛(wèi)星跟蹤所需外部設(shè)備進(jìn)行通信；通過合理的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了設(shè)計(jì)軟總線模塊，用于解決衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)中外設(shè)種類多、復(fù)雜度高，以及各模塊同步異步交互等問題。而后通過應(yīng)用軟總線模塊，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星跟蹤流程，并搭建了驗(yàn)證環(huán)境。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)高效可靠、靈活方便，且扁平化、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性較強(qiáng)，為衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，該機(jī)制還可沿用至其他復(fù)雜控制系統(tǒng)。