基于同步遙測信號處理的實時仿真模型設(shè)計

沈怡范蕾懿余 維彭 妮

(1.上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109； 2.上海市空間智能控制技術(shù)重點實驗室,上海 201109)

0 引言

衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)的各階段研制，包括系統(tǒng)級 (整星)分系統(tǒng)級的各項試驗，實現(xiàn)對各系統(tǒng)接口功能、系統(tǒng)功能以及各個性能指標的測試與評估[1]。該測試系統(tǒng)主要是根據(jù)不同試驗內(nèi)容的需要，控制衛(wèi)星系統(tǒng)各種激勵信號，同時接收衛(wèi)星遙測信號，驗證衛(wèi)星系統(tǒng)中相應(yīng)的狀態(tài)信息和參數(shù)信息。

在衛(wèi)星入軌飛行后，衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)則作為地面監(jiān)控的重要組成部分，承擔對衛(wèi)星遙測信號的采集和解算，實現(xiàn)對衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)的分析的功能[2]。特別是對遙測數(shù)據(jù)的異?？焖贆z測[3-4]，預(yù)判可能出現(xiàn)的在軌狀態(tài)，爭取盡可能多的時間對可能故障進行規(guī)避[3]，以此提高衛(wèi)星系統(tǒng)運行的可靠性，保證衛(wèi)星在軌任務(wù)的順利完成。因此，在衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)中，對遙測信號采集和解算的實時性，有了更加嚴格的要求。

在傳統(tǒng)方法中，遙測信號采集是通過非實時系統(tǒng)進行獨立完成，采集過程和解算過程受到系統(tǒng)內(nèi)其余任務(wù)調(diào)度的干擾，嚴重影響遙測信號的實時性。此外，對于有故障預(yù)案的模型系統(tǒng)來說，解算得到的遙測信號還需要接入到模型系統(tǒng)中才能進行有效分析，不僅帶來了額外的延時，還有設(shè)備成本的開銷。

本文采用基于實時模型遙測信號的解析方案，在仿真模型中直接嵌入解算模型模塊，實現(xiàn)從遙測信息解算到模型仿真迭代的融合，提高衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)運行效率。

1 實時仿真模型研究

實時系統(tǒng)(Real-time system，RTS)，是可以在指定的時間或在指定時間可容許的誤差時間范圍內(nèi)完成系統(tǒng)的某項指令作出響應(yīng)的系統(tǒng)[5]。常用的實時系統(tǒng)包括VxWorks、RTX、QNX和XPC等，均可以按照本方案等策略進行仿真驗證。

在實時系統(tǒng)中，當一個事件需要被響應(yīng)時，系統(tǒng)將迅速響應(yīng)并執(zhí)行。這和非實時系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別。實時系統(tǒng)任務(wù)流程如圖1所示。

圖1 實時系統(tǒng)任務(wù)流程

實時系統(tǒng)以任務(wù)為基本運行元素。當啟動模型任務(wù)時，任務(wù)會首先進行模型配置和系統(tǒng)硬件配置。系統(tǒng)硬件配置包括板卡配置、時鐘配置和中斷配置。

在模型中將會調(diào)用MdlStart函數(shù)進行模型啟動。在MdlStart函數(shù)中執(zhí)行MdlInitialize函數(shù)，進行模型各個模塊的初始化配置。包括時鐘配置、硬件接口配置。

系統(tǒng)時鐘配置，是對模型仿真步長進行配置。例如步長配置項Fixed-step size為0.001，表示仿真步長為0.001 s。實時系統(tǒng)啟動定時器中斷，等待任務(wù)間信號量傳遞，驅(qū)動任務(wù)執(zhí)行。當模型任務(wù)接收到相應(yīng)的信號量時，首先會對模型進行迭代解算，計算當前節(jié)拍數(shù)據(jù)內(nèi)容。

在硬件接口中，模型包含遙測通信接口和反射內(nèi)存接口。遙測通信接接口負責接收遙測數(shù)據(jù)，反射內(nèi)存接口負責進行模型數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)交換。

2 遙測信號特性

衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)對于地面監(jiān)控特別重要，在衛(wèi)星遙測的數(shù)據(jù)中包含了衛(wèi)星的運行狀態(tài)、衛(wèi)星上各個單機產(chǎn)品的運行狀態(tài)、當前產(chǎn)品工作環(huán)境的壓力、溫度等，這些模擬量和數(shù)字量的信號都匯總在遙測數(shù)據(jù)中。

星上的遙測和地面測控站之間，采用無線通信。

GJB21.1B-2006規(guī)定了我國遙測信號的標準，包括遙測頻段、L段和S段段載波頻率、調(diào)制體制、遙測發(fā)射機、遙測接收機和遙測接收系統(tǒng)的極化。

其中，約定了PCM為主要的調(diào)制方式。PCM遙測是基于PCM脈沖調(diào)制方式為基礎(chǔ)的遙測方式。

但是在地面試驗過程中，遙測信號不會以無線信號傳輸。

遙測數(shù)據(jù)一般以比特流信號方式傳遞[6]。比特流數(shù)據(jù)的時序圖如圖2所示。

圖2 比特流數(shù)據(jù)示意圖

時鐘信號為方波，占空比為50%±5%，時鐘信號上升沿與數(shù)據(jù)信號跳變沿對齊，相互誤差不大于時鐘信號脈沖寬度的5%，時鐘信號下降沿對準碼字的中間取數(shù)。

3 仿真模型設(shè)計

遙測信號的時序中，并不存在同步使能信號。需根據(jù)遙測信號協(xié)議中的同步幀頭，進行遙測信號接收和解析。仿真模型設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 仿真模型方案

數(shù)據(jù)域讀入模塊是和硬件接口直接交互的模塊，它將采集電信號遙測數(shù)據(jù)，接收遙測數(shù)據(jù)比特流信號，將信號以二進制源碼的形式存入到仿真模型內(nèi)存中，形成數(shù)據(jù)域。

遙測硬件接口將會把遙測數(shù)據(jù)存入硬件FIFO中。數(shù)據(jù)域讀入模塊將會從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，直到FIFO為空，將讀取的數(shù)據(jù)組成比特流數(shù)據(jù)幀，并且輸出。

同步特征識別模塊將會識別遙測數(shù)據(jù)同步幀頭[7]。

在比特流數(shù)據(jù)讀入后，首先確認數(shù)據(jù)長度大于同步幀頭。然后將比特流移位，判斷是否為同步幀頭，如果是，將當前移位個數(shù)作為同步標志位輸出。如果全部移位后還未有匹配合適的同步幀頭，則輸出故障標志位。

在同步標志位讀入后，首先判斷標志位是否正常，如果標志位異常，則判定是故障，直接輸出故障預(yù)警；如果標志位正常，則繼續(xù)判斷剩余比特流長度，如果小于預(yù)設(shè)遙測幀長，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)域讀入，如果大于遙測幀長，直接根據(jù)遙測幀長進行數(shù)據(jù)截取，完成數(shù)據(jù)輸出。

我們選用Matlab作為仿真工具。Matlab是一種面向科學計算和工程仿真的高級語言，它更加貼近數(shù)學思維的編程習慣，猶如公式編輯一般進行邏輯的語法的輸入，編程上手簡單，提高了編程過程中的效率。

Matlab是一種解釋性語言，它可以直觀地進行執(zhí)行邏輯的調(diào)試，避免了傳統(tǒng)開發(fā)工具中對于編譯、鏈接等過程中的繁瑣，此外，它對語法的要求低，可以快速地排除語法錯誤。

Matlab含有比較全面的工具庫，無論是進行邏輯運算或者復(fù)雜運算，都能夠調(diào)用豐富的工具庫來實現(xiàn)，此外，用戶還可以根據(jù)實際的應(yīng)用，自定義工具庫。

在本方案中，將會在實時系統(tǒng)中運行模型，需要通過matlab的RTW工具箱進行實現(xiàn)。

它實現(xiàn)將matlab代碼轉(zhuǎn)換為機器代碼。而Matlab在設(shè)計探索方面具有多態(tài)性、基于矩陣的函數(shù)和交互式編程環(huán)境等優(yōu)點。然而，在將算法從matlab轉(zhuǎn)換為機器代碼的過程中，軟件設(shè)計者面臨著一些重要的約束。

Matlab是一種動態(tài)類型，C是一種靜態(tài)類型的語言。編寫matlab程序時，不需要為變量定義數(shù)據(jù)類型和大小。雖然這種靈活性使開發(fā)算法作為概念證明變得容易，但當需要轉(zhuǎn)換到C時，程序員必須為所有變量分配適當?shù)臄?shù)據(jù)類型和大小。這是實現(xiàn)的的難點之一。

我們采用M腳本語言進行模塊的設(shè)計。

打開Simulink的模型庫，查找User-Defined Functions，找到S-Function。

S函數(shù)在使用過程中，需要注意direct feedthrough的應(yīng)用，它表示模塊的輸入和輸出是否和有關(guān)聯(lián)選項，當direct feedthrough是1時，輸入數(shù)據(jù)將會關(guān)聯(lián)到輸出數(shù)據(jù)，并有標識提示。當direct feedthrough是0時，輸入數(shù)據(jù)將不會關(guān)聯(lián)到輸出數(shù)據(jù)，并無標識提示。

我們選用S函數(shù)的模板sfuntmpl.m進行模塊的封裝。

我們定義yaoce_slover為主體函數(shù)。在yaoce_slover啟動時，先進行setup，進行初始化，設(shè)置輸入?yún)?shù)數(shù)量 block.NumDialogPrms，設(shè)置預(yù)設(shè)默認值block.SetPreCompPortInfoToDefaults;讀入模塊的GUI配置值block.DialogPrm(X).Data,作為模塊的配置輸入，

block.NumInputPorts = 6;

block.NumOutputPorts = 5;

模塊的輸入?yún)?shù)為6項，輸出參數(shù)為5項。對于每一項的輸入和輸出進行配置：

block.InputPort(x).Dimensions;設(shè)置輸入的維度；

block.InputPort(x).DatatypeID; 設(shè)置輸入數(shù)據(jù)類型；

block.OutputPort(x).Dimensions;設(shè)置輸出的維度；

block.OutputPort(x).DatatypeID; 設(shè)置輸出數(shù)據(jù)類型；

設(shè)置采樣率block.SampleTimes。

最后注冊輸出函數(shù)Output和啟動函數(shù)Start，完成setup：block.RegBlockMethod；在Output函數(shù)中，根據(jù)圖4、圖5、圖6流程進行模塊實現(xiàn)。

圖4 數(shù)據(jù)域讀入流程

圖5 同步特征識別流程

圖6 遙測數(shù)據(jù)提取流程

模塊的輸入包括有比特流源碼數(shù)據(jù)、遙測幀解算長度、遙測幀同步幀頭、遙測幀同步幀頭長度。輸出包括遙測幀狀態(tài)、遙測幀數(shù)據(jù)以及遙測幀長度。

模塊封裝在S函數(shù)中，如圖7所示。封裝后的模塊，可以作為用戶自定義庫的組成部分，為后續(xù)模型所直接調(diào)用和使用。

圖7 模塊界面

4 測試驗證

在傳統(tǒng)的方案中，衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)采用了PXI總線作為測試總線[8]，分別部署有遙測采集計算機和故障預(yù)警模型計算機。遙測采集計算機中安裝有PXI I/O板卡，用來采集星上計算機的遙測信號。故障預(yù)警模型計算機安裝有數(shù)字量通信板卡和模擬量采集板卡，用來和地面模擬分系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。故障預(yù)警模型計算機和遙測采集計算機通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信，故障預(yù)警計算機監(jiān)控遙測信號，完成對遙測信號最終分析判斷。如圖8所示。

圖8 衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)傳統(tǒng)解決方案

遙測采集計算機安裝有windows系統(tǒng)，采用labview作為開發(fā)環(huán)境，進行遙測信號的采集、解算以及以太網(wǎng)傳輸[9-10]。

傳統(tǒng)方案中，遙測采集機和故障預(yù)警模型計算機獨立存在。遙測采集計算機的性能，取決于Windows系統(tǒng)的運行狀態(tài)。作為非實時系統(tǒng)，Windows系統(tǒng)除了本項目中的遙測解算功能軟件外，還額外承擔了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)開銷。此外，由于遙測采集機和故障預(yù)警模型計算機無法做到實時同步，對于故障預(yù)警的反饋無法實時更新。

由表5可見，近六成的教學設(shè)計處于基礎(chǔ)層級，其關(guān)注點主要聚焦在教學目標的明確、教學過程的清晰、教學策略的合理等方面，只有近四成的職前教師在教學設(shè)計中關(guān)注了知識構(gòu)建和學生數(shù)據(jù)分析觀念的發(fā)展．

本文采用了一體式設(shè)計，將遙測采集板卡和解算功能嵌入到故障預(yù)警模型計算機中，并運行實時系統(tǒng)和模型，以此來實現(xiàn)對遙測數(shù)據(jù)的實時應(yīng)用如圖9所示。

圖9 衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)基于實時系統(tǒng)模型解決方案

故障預(yù)警模型計算機采用PXI架構(gòu)，選用NI公司PXI-1042機箱作為故障預(yù)警模型計算機機箱，它是一個標準的8槽4U機箱。零槽控制器選用NI 8840控制器，足夠滿足系統(tǒng)功能要求。采用定制的遙測信號接收板卡，進行遙測信號的比特流采集，采用NI 8431串口卡，進行串口通信，并與其它分系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。同時故障預(yù)警模型計算機將會通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給顯示終端。

故障預(yù)警模型計算機將采用VxWorks實時操作系統(tǒng)，VxWorks本身和其應(yīng)用程序都具有極好的可移植性。VxWorks庫組件幾乎都用C語言編寫，可容易移植到不同CPU上實現(xiàn)。VxWorks的發(fā)行版本直接對多種支持，主要包括PowerPC、Pentium、MIPS、SH、Xscale、ARM、68K和ColdFire等。VxWorks適用于緊急任務(wù)應(yīng)用，具有極高的可靠性。VxWorks經(jīng)過多年的開發(fā)和應(yīng)用，各內(nèi)核組件都經(jīng)過實踐檢驗，已經(jīng)相當穩(wěn)定和成熟，包括軍事、航天等在內(nèi)的各種重要行業(yè)都有其應(yīng)用。

在模型中，加入仿真模型模塊，如圖10所示。

圖10 仿真模型模型及設(shè)置

輸入的第一項是比特流源碼，在本模型中是定制遙測采集卡所采集的數(shù)據(jù)；

輸入的第二項是需要解析的遙測幀的規(guī)定數(shù)據(jù)長度，在本模型中，由模型的其它配置或外部輸入控制；

輸入的第三項和第四項，是采集輸出的第四項和第五項，用來對每一次的比特流進行剩余字符的循環(huán)解析。

輸入的第五項，是需要解析遙測幀同步幀頭，在本模型中，由模型的其它配置或外部輸入控制。

輸入的第六項，是是需要解析遙測幀同步幀頭的數(shù)據(jù)長度，在本模型中，由模型的其它配置或外部輸入控制。

輸出的第一項是解析完后的數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果是1表示在當前比特流中完成解析，如果是0表示在當前比特流中沒有完成解析。

輸出的第二項是解析完后的數(shù)據(jù)幀。

輸出的第三項是解析完后的數(shù)據(jù)幀長度。

圖11 模塊應(yīng)用

如圖11所示, 在模塊的應(yīng)用中，輸出的第一項解析完后的數(shù)據(jù)狀態(tài)，需要作為觸發(fā)模塊的使能輸入，當狀態(tài)為高時，Enable Subsystem將會處理解析完后的數(shù)據(jù)幀。當狀態(tài)為低時，Enable Subsystem不會處理解析完后的數(shù)據(jù)幀。

在配置項中，需要對模塊最大輸入長度和最大輸出長度進行約束。

在仿真迭代的過程中，每一拍的遙測幀數(shù)據(jù)將會作為模塊的輸出，直接應(yīng)用在模型中。

在測試中，以2048 bps的遙測信號作為標準遙測輸入，256字節(jié)長度為輸出遙測幀長度，遙測幀同步頭3字節(jié)，仿真步長0.001 s，進行遙測性能對比。對比內(nèi)容包括解算延時均值、解算延時誤差、故障預(yù)警同步延時。

解算延時均值考察的是遙測信號輸入和遙測幀輸出的平均解算速度；它將直接影響遙測幀的反饋輸出的速度，影響測試性能。

解算延時誤差考察的是解算速度的平均誤差；它直接體現(xiàn)的是突發(fā)狀態(tài)下，系統(tǒng)解算能力的穩(wěn)定性，也會直接影響系統(tǒng)在應(yīng)急狀態(tài)的反應(yīng)能力。

故障預(yù)警同步延時考察的是遙測幀和故障預(yù)警模型的數(shù)據(jù)同步時間；它體現(xiàn)的是信號本身的傳輸時間，也是故

障預(yù)案模型的傳導(dǎo)消耗時間。

經(jīng)過兩套設(shè)備對遙測信號的采集和運算，得到如下的性能對比。

表1 兩套設(shè)備性能對比 ms

5 結(jié)論

本文首先分析了當前衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)，從遙測信號的重要性和特性出發(fā)，著眼于新的基于實時模型遙測信號的解析方案。

首先從成本控制的角度出發(fā)，基于實時模型遙測信號的解析方案壓縮了原有的硬件成本，將傳統(tǒng)方案中的至少兩臺套的設(shè)備功能集成在一臺設(shè)備中進行實現(xiàn)。

其次，從性能上分析，解算延時均值、解算延時誤差和故障預(yù)警同步延時等指標大幅提高，提升了故障預(yù)案的綜合性能。

綜上所述，本文通過采用實時系統(tǒng)模型架構(gòu)和簡單的模型模塊配置，便可實現(xiàn)多種遙測信號采集以及完成與故障預(yù)警模型數(shù)據(jù)交換，達到了快速建模、分析和仿真的目的，可大幅提升衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)性能。