量子科學實驗光學地面站綜合控制系統(tǒng)設計與開發(fā)*

兀 穎，葛 亮，田健峰，姜曉軍，王匯娟，王建峰，賀 東，李鳳芝

(1. 中國科學院光學天文重點實驗室 (國家天文臺)，北京 100101；2.中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院光電技術研究所，四川 成都 610209；4. 中國科學技術大學，安徽 合肥 230026)

傳統(tǒng)的量子通信是基于光纖，受限于光纖的固有損耗，基于光纖的量子通信傳輸距離難以突破百公里量級。因此，科學家將目光投向了自由空間，借助衛(wèi)星平臺，構建衛(wèi)星與地面遠距離量子科學實驗平臺，實現(xiàn)更遠距離的量子通信[1]。2011年由中國科學技術大學牽頭提出并策劃的 “量子科學實驗衛(wèi)星” 項目正式立項，2016年8月16日 “墨子號” 量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射成功[1]。量子科學實驗衛(wèi)星項目在中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項的支持下完成了一系列具有國際領先水平的科學實驗，取得了具有高顯示度的科學成果[2-3]。

衛(wèi)星與地面遠距離量子科學實驗平臺主要由 “墨子號” 和量子科學實驗衛(wèi)星——科學應用系統(tǒng)(簡稱量子科學應用系統(tǒng))組成。量子科學應用系統(tǒng)由1個中心和5個測站(4個量子科學實驗光學地面站和1個量子隱形傳態(tài)光學地面站)組成[4]。為了充分利用我國廣袤的地域，延長單軌可觀測時間，量子科學實驗光學地面站的地理分布跨度較大，同時，超過1 200 km的量子糾纏分發(fā)實驗[3]需要多個量子科學實驗光學地面站的協(xié)同工作。為了便于量子科學實驗中心高效穩(wěn)定地調度量子科學實驗光學地面站進行實驗，需要建立統(tǒng)一的地面站綜合控制系統(tǒng)?？紤]到以下因素：(1)量子科學實驗光學地面站設備較多且有多層次的功能需求；(2)用于捕獲、跟蹤和瞄準的望遠鏡和用于數(shù)據(jù)采集的量子終端都是專門研制的設備，不具備通用控制接口；(3)現(xiàn)有望遠鏡控制系統(tǒng)(ASCOM, RTS2)[5-7]無法滿足地面站綜合控制系統(tǒng)的需求。因此，專門設計開發(fā)了量子科學實驗光學地面站綜合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對量子科學實驗光學地面站的綜合控制。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

地面站綜合控制系統(tǒng)作為4個量子科學實驗光學地面站的統(tǒng)一控制平臺，需要完成科學數(shù)據(jù)的發(fā)布、內外數(shù)據(jù)的交互、實驗計劃的解析執(zhí)行、環(huán)境信息和設備狀態(tài)信息的監(jiān)測和發(fā)布等功能。地面站綜合控制系統(tǒng)在功能上有多層次要求，針對這一特點，對不同層次的需求進行分割，采用分層設計的方式和自頂向下的設計原則進行系統(tǒng)架構設計，通過網絡通信接口實現(xiàn)耦合，使整個系統(tǒng)構架靈活，易于維護。

地面站綜合控制系統(tǒng)由網絡服務層、網絡交互層和設備控制層構成，如圖1。網絡服務層提供實驗狀態(tài)信息和氣象數(shù)據(jù)的訪問；網絡交互層主要實現(xiàn)實驗計劃的內外交互、內部各組件之間數(shù)據(jù)的交互、實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)的入庫；設備控制層對實驗計劃進行解析并執(zhí)行，同時采集實驗數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了便于開發(fā)，將整個地面站綜合控制系統(tǒng)劃分為以下相互松耦合的4個模塊：(1)網頁顯示模塊、(2)網絡通信服務模塊、(3)主控模塊、(4)環(huán)境監(jiān)測和視頻監(jiān)控模塊，各模塊之間通過網絡通信接口實現(xiàn)耦合。

圖1 地面站綜合控制系統(tǒng)軟件架構圖Fig.1 System architecture of comprehensive control system for the quantum science experimental optical ground station

4個量子科學實驗光學地面站之間相距較遠，為了保障量子科學衛(wèi)星項目的順利進行，量子科學實驗中心開通了量子專網，將量子科學實驗衛(wèi)星項目中涉及的各個量子科學實驗光學地面站和實驗節(jié)點都納入量子專網。在單個量子科學實驗光學地面站的網絡布局設計中，考慮到如果將量子科學實驗光學地面站的所有設備控制計算機均接入量子專網，不僅在安全上存在隱患，而且大量數(shù)據(jù)的傳輸會給網絡帶來壓力，針對這個問題，地面站綜合控制系統(tǒng)的網絡布局采用內外網隔離的方式，用于網頁發(fā)布和外部數(shù)據(jù)交互的網絡通信服務器作為對外的一個通信節(jié)點，對外連接量子專線，對內連接內部網絡，實現(xiàn)內外數(shù)據(jù)的交互。設備層的控制主機(綜合控制主機、望遠鏡子系統(tǒng)主機、量子主機、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主機)均布局在內部網絡里，分配固定IP，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎桶踩浴?/p>

1.2 網頁顯示模塊

科學實驗中心需要監(jiān)測各個量子科學實驗光學地面站的實驗進度、設備狀態(tài)和氣象條件，以便更加及時高效地安排實驗計劃。為了方便用戶瀏覽信息，設計開發(fā)了網頁顯示模塊。網頁采用ASP.NET開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用MYSQL，采用單網頁模式，實現(xiàn)在一個界面上顯示全部信息。網頁顯示內容如表1，主要包含實驗狀態(tài)和設備狀態(tài)等。

表1 網頁顯示信息要素Table 1 Essential elements for displaying

1.3 網絡服務模塊

地面站綜合控制系統(tǒng)作為量子科學實驗光學地面站的統(tǒng)一服務平臺，負責內外數(shù)據(jù)的交互。針對這一需求，設計開發(fā)了網絡服務模塊，對外負責與量子科學實驗中心及地面支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；對內負責內部各控制組件之間的數(shù)據(jù)交互。

為滿足不同數(shù)據(jù)類型和不同功能的數(shù)據(jù)交互，將網絡服務模塊劃分為以下組件：(1)FTP服務器主要用于接收量子科學實驗中心發(fā)來的實驗計劃，反饋實驗數(shù)據(jù)到量子科學實驗中心；(2)數(shù)據(jù)庫用于存儲設備的狀態(tài)信息、測站環(huán)境信息、實驗信息等；(3)網絡協(xié)議接口用于內部各模塊之間和內外部模塊之間的數(shù)據(jù)交互。

如圖2，量子科學實驗中心通過FTP服務器發(fā)送實驗計劃，主控程序的控制模塊解析實驗計劃，通過主控軟件與終端設備之間網絡通信協(xié)議，發(fā)送控制命令，控制終端設備執(zhí)行實驗計劃，同時，主控軟件的數(shù)據(jù)采集模塊采集設備參數(shù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。氣象數(shù)據(jù)通過與數(shù)據(jù)庫之間的網絡協(xié)議寫入數(shù)據(jù)庫。實驗數(shù)據(jù)通過FTP服務器反饋至量子科學實驗中心。實時監(jiān)測顯示數(shù)據(jù)通過主控數(shù)據(jù)采集模塊與地面支撐系統(tǒng)之間的網絡接口發(fā)送至地面支撐系統(tǒng)。

圖2 地面站綜合控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖Fig.2 Data flow diagrams of the comprehensive control system

1.4 主控模塊

主控模塊是地面站綜合控制系統(tǒng)的核心部分，主要負責實驗計劃的解析執(zhí)行。量子科學實驗光學地面站的硬件包括量子光通信望遠鏡[8-9]、量子終端和環(huán)境監(jiān)測設備，在硬件組成上和天文望遠鏡系統(tǒng)比較相似。因此，主控模塊的設計采用觀測控制軟件(Observing Control Software, OCS)的設計思想，將整個模塊分為設備控制層和觀測策略控制層。設備控制層由量子光通信望遠鏡控制軟件和量子終端控制軟件構成，量子光通信望遠鏡控制軟件(成都光電技術研究所研制)負責觀測目標的捕獲、跟蹤和瞄準控制，量子終端控制軟件(中國科學技術大學研制)負責量子終端設備的控制。在這些設備控制軟件的基礎上，分別制定了 《量子科學實驗光學地面站望遠鏡對外接口》 和 《量子科學實驗光學地面站量子通信終端對外接口》。主控軟件通過這些網絡通信接口對設備進行調度，完成量子科學實驗衛(wèi)星項目科學實驗(簡稱量子科學實驗)的流程控制。

設備層和主控軟件之間的通信采用單鏈路全雙工模式，命令控制數(shù)據(jù)流和狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)流的傳輸相互獨立，各使用一條通信鏈路。設備控制端(量子光通信望遠鏡控制軟件、量子終端控制軟件)以固定頻率向主控軟件推送反饋狀態(tài)幀，主控軟件解析反饋狀態(tài)幀確定設備狀態(tài)，進行流程控制。

“墨子號” 是一顆低軌道衛(wèi)星，運行速度較快，需要以較高頻率對量子光通信望遠鏡進行位置和速度的控制。如果由主控軟件進行軌道跟蹤控制，由于網絡通信頻率和網絡通信延遲的影響，無法實現(xiàn)高頻率、高精度的跟蹤控制。因此，在本設計中，由量子光通信望遠鏡控制軟件負責軌道跟蹤控制。主控軟件流程如圖3，主控軟件提前將軌道數(shù)據(jù)轉換為測站坐標系下的時間位置序列，發(fā)送給量子光通信望遠鏡控制軟件。同時，為了提高效率，任務開始前，主控軟件控制量子光通信望遠鏡運動到軌道序列的第1個位置，等待任務開始便進行軌道跟蹤。

圖3 主控軟件流程圖Fig.3 Flowchart of the main control software

1.5 環(huán)境監(jiān)測和視頻監(jiān)控模塊

環(huán)境監(jiān)測和視頻監(jiān)控模塊是地面站綜合控制系統(tǒng)的輔助模塊，為實驗計劃的順利執(zhí)行提供保障。測站環(huán)境信息是實驗計劃制定和調整的重要參考信息，同時也為實驗結果的分析提供參考。環(huán)境監(jiān)測設備如圖4，由云量相機和氣象站組成，負責測量和記錄地面站的環(huán)境參數(shù)，采集的信息要素如表2，主要包括云量、溫度、濕度、風速、風向等。在環(huán)境監(jiān)測設備建設初期，由于云量相機和氣象站距離控制室較遠，采用傳輸延長線的方式進行長距離傳輸，但在實際應用中會出現(xiàn)設備與采集電腦通信不穩(wěn)定的情況，造成數(shù)據(jù)采集不完整。經過測試分析，發(fā)現(xiàn)是由于控制計算機和采集設備之間延長線過長引起通信不穩(wěn)定。于是對相關系統(tǒng)進行了升級，新的系統(tǒng)采用ARM單片機完成對全天相機和氣象站的控制及數(shù)據(jù)采集工作，采集結果通過網絡接口發(fā)給服務器上的數(shù)據(jù)接收程序，數(shù)據(jù)接收程序對接收文件進行存儲[10]，在使用過程中故障率顯著降低。

表2 氣象站采集信息要素Table 2 Essential elements of meteorological monitor

圖4 環(huán)境監(jiān)測設備Fig.4 Meteorological monitoring instruments

視頻監(jiān)控部分主要包括環(huán)境視頻監(jiān)控、粗跟蹤相機視頻和精跟蹤相機視頻(簡稱粗精跟蹤相機視頻)。通過攝像頭采集實時監(jiān)控視頻和粗精跟蹤相機視頻，傳輸?shù)接脖P錄像機，存儲到網絡硬盤，并通過網絡發(fā)布到量子專網。視頻監(jiān)控模塊為實驗過程的回溯提供了材料，為事后實驗結果分析提供參考。

2 系統(tǒng)測試與運行

為了保障 “墨子號” 發(fā)射后星地量子通信光鏈路的順利建立，地面站綜合控制系統(tǒng)設計完成后，對其進行分階段的系統(tǒng)測試。

系統(tǒng)測試分為實驗室測試、低軌道衛(wèi)星模擬測試、在軌階段測試3個階段。系統(tǒng)設計完成后首先進行實驗室模擬測試，實驗室模擬測試階段主要完成了各模塊的功能測試和模擬實驗流程測試，測試項目和結果如表3。為了保證 “墨子號” 發(fā)射后星地對接的順利進行，需要在實驗室測試完成后對軟件進行實驗流程測試，由于 “墨子號” 未發(fā)射，無法進行實際觀測。為了盡可能模擬實際觀測情況，選擇跟蹤低軌道衛(wèi)星進行模擬測試。低軌道衛(wèi)星模擬測試階段，將地面站綜合控制系統(tǒng)配備到4個量子科學實驗光學地面站，通過跟蹤低軌道衛(wèi)星對地面站綜合控制系統(tǒng)進行實驗流程測試，經過充分測試，地面站綜合控制系統(tǒng)服務于發(fā)射前4個量子科學實驗光學地面站的實驗測試工作?！澳犹枴?發(fā)射后進入在軌測試階段，實際跟蹤 “墨子號” 對地面站綜合控制系統(tǒng)進行測試。在軌測試階段，興隆量子科學實驗光學地面站最先與 “墨子號” 成功對接，隨后各個量子科學實驗光學地面站也成功地與 “墨子號” 完成對接。在4個量子科學實驗光學地面站均成功與 “墨子號” 對接后，地面站綜合控制系統(tǒng)進入常規(guī)運行階段。

表3 測試項目及結果Table 3 Test items and results

圖5和圖6分別為常規(guī)運行階段的網絡顯示頁面和主控軟件界面。網絡頁面可實時顯示實驗信息、環(huán)境信息和監(jiān)控視頻信息。主控軟件實現(xiàn)了實驗計劃的解析和執(zhí)行、實驗數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)的采集記錄，同時具備恒星觀測功能。

圖5 網絡頁面Fig.5 Web page

圖6 主控軟件界面Fig.6 GUI of the main control software

3 總結與展望

設計完成的地面站綜合控制系統(tǒng)實現(xiàn)了量子科學實驗光學地面站的自動化控制，觀測人員經過簡單培訓即可勝任觀測任務。地面站綜合控制系統(tǒng)分別配置到4個量子科學實驗光學地面站，服務于星地高速量子密鑰分發(fā)實驗[2]和超過1 200 km的量子糾纏分發(fā)實驗[3]，順利完成在量子科學實驗衛(wèi)星項目中的任務。地面站綜合控制系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測模塊，目前是獨立于觀測控制系統(tǒng)，在天氣發(fā)生突發(fā)變化時，尚不具備自動調整實驗計劃的功能。在未來工作中，計劃基于氣象信息動態(tài)調整觀測計劃，從而實現(xiàn)高度自動化的觀測控制，進一步提高觀測效率。