一種衛(wèi)星半實物模擬訓(xùn)練等效器的設(shè)計與實現(xiàn)

郭新聞，龐建國，李田甜，李二峰，荊曉榮

(1.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原 030027； 2.北京東方計量測試研究所，北京 100086)

0 引言

在衛(wèi)星測試過程中，如何盡快地熟悉衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及性能、掌握衛(wèi)星的測試方法，理解衛(wèi)星測試內(nèi)容并執(zhí)行正確判讀，是日常訓(xùn)練的重要內(nèi)容[1]。但是，由于在實裝上進行訓(xùn)練可能會造成設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p耗，受環(huán)境條件和協(xié)同單位、設(shè)備、經(jīng)費等條件的制約，在衛(wèi)星地面測試的日常訓(xùn)練任務(wù)中，不可能使用真實衛(wèi)星作為日常訓(xùn)練對象，這些都控制了日常訓(xùn)練的頻度和強度。

本套衛(wèi)星模擬訓(xùn)練系統(tǒng)面向日常訓(xùn)練時期，包含對測試人員進行衛(wèi)星測試過程教學(xué)、模擬測試訓(xùn)練的功能。模擬測試系統(tǒng)的設(shè)計遵循操作與感官上符合實際測試的原則，模擬系統(tǒng)最大程度地與真實衛(wèi)星測試系統(tǒng)相吻合。本文中的衛(wèi)星模擬等效器是以計算機為核心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了供配電分系統(tǒng)的模擬仿真，同時為了滿足各種仿真測試的需要，配置信號產(chǎn)生及轉(zhuǎn)接設(shè)備實現(xiàn)仿真功能[2]。

本文從衛(wèi)星半實物等效模擬器的系統(tǒng)構(gòu)架、硬件設(shè)計、軟件構(gòu)架等多方面全方位地描述了該系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)過程。實際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)可有效配合衛(wèi)星地面測試設(shè)備完成訓(xùn)練測試任務(wù)。

1 整體設(shè)計

衛(wèi)星半實物模擬訓(xùn)練等效器使用通用PXI機箱作為硬件平臺，內(nèi)部插入等效模塊實現(xiàn)供配電分系統(tǒng)的實物等效功能，在PXI零槽控制器中部署模擬器中心控制軟件，負(fù)責(zé)中心調(diào)度，完成遙測數(shù)據(jù)實時組幀、遙測工程值修改、遙控接收機解析、各個硬件等效模塊控制及數(shù)據(jù)采集。在本模擬器中還集成圖像采集器，實現(xiàn)圖像采集及下傳的功能。整機系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 整機系統(tǒng)框圖

供配電等效器是用于檢查衛(wèi)星地面供電、有線控制、有線測量功能和通路的設(shè)備，檢查總控、太陽陣模擬器、穩(wěn)壓源以及地面供電電纜的供電功能、控制功能、采集測量功能以及通路正確性。供配電等效功能包含指令等效模塊、測量等效模塊、配電等效模塊：

1)指令等效模塊：實現(xiàn)有線指令的接收，驗證指令功能的正確性，向中心控制模塊反饋接收指令情況；

2)配電等效模塊：模擬衛(wèi)星供配電過程，驗證采集供配電過程電流、電壓功能，向中心控制模塊反饋衛(wèi)星供電情況；

3)測量等效模塊：模擬衛(wèi)星內(nèi)部產(chǎn)生的電信號包含模擬量及狀態(tài)量，配合地面信號采集設(shè)備，實現(xiàn)地面信號采集驗證功能。

中心控制軟件為系統(tǒng)的調(diào)度中心，從數(shù)據(jù)庫中讀取原始遙測工程值，工程值全部來源于大量各型號的真實衛(wèi)星測試過程中保存下來的遙測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含星務(wù)分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)等各個分系統(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)。通過對原始遙測數(shù)據(jù)的實時組幀、動態(tài)重構(gòu)、變量修改，以及對實物等效器的控制和數(shù)據(jù)采集，完成衛(wèi)星模擬器對于星務(wù)、控制等各個分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模擬功能[3]。

衛(wèi)星模擬等效器與地面一體化測試系統(tǒng)(真實衛(wèi)星地面測試設(shè)備)間具有能源流通道及信息流通道，分別用于傳輸為低頻電信號及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。圖像信息通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)下傳功能。

2 系統(tǒng)模擬流程

衛(wèi)星模擬器可以配合地面測試設(shè)備完成測試序列的執(zhí)行，具體步驟如下，其流程如圖2所示。

1)星地間正確連接所有線纜，射頻線纜、低頻線纜、網(wǎng)絡(luò)通道；

2)模擬器上電系統(tǒng)初始化，具體包括各等效模塊檢測、參數(shù)初始化、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化、攝像頭初始化等；

3)模擬器中心控制軟件啟動遙測組幀，將數(shù)據(jù)庫中的原始遙測數(shù)據(jù)按照固定幀長、固定時間間隔、固定碼速率下傳至地面測試系統(tǒng)；

4)地面測試系統(tǒng)啟動測試序列的執(zhí)行，依次執(zhí)行測試序列中執(zhí)行單元發(fā)送遙控指令，衛(wèi)星模擬器接收遙控指令，根據(jù)不同的遙控指令執(zhí)行不同的操作，具體操作包含以下幾種類型：

(1)改變遙測數(shù)據(jù)中相應(yīng)工程值的數(shù)據(jù)；

(2)控制指令等效模塊，檢測地面供配電設(shè)備是否發(fā)送指令；

(3)控制測量等效板卡，輸出模擬量及狀態(tài)量信息；

(4)控制配電等效板卡，檢測地面供電設(shè)備是否為星上正常供電。

例如，實際測試用例中：地面測試序列執(zhí)行衛(wèi)星加電序列，執(zhí)行“太陽陣模擬器輸出30V/1A信號”，該模擬信號通過低頻電纜連接到衛(wèi)星等效模擬中的配電等效模塊，配電等效模塊檢測接收的電壓值及電流值，通過遙測數(shù)據(jù)將檢測到的數(shù)值下傳至地面測試系統(tǒng)，地面測試系統(tǒng)根據(jù)閾值范圍判斷遙測數(shù)據(jù)中該工程值是否有異常，從而實現(xiàn)星地系統(tǒng)測試的閉環(huán)測試。等效器與地面測試設(shè)備配合測試流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

3 供配電等效模塊設(shè)計

供配電等效模塊包含指令等效板卡、配電等效板卡、測量等效板卡三部分。每塊板卡均采用3U標(biāo)準(zhǔn)PXI結(jié)構(gòu)尺寸。對外接口分為地面上傳信號、下傳地面信號，其中地面上傳信號包含指令信號、模擬供電，下傳地面信號包含模擬信號及狀態(tài)量信號。硬件框圖如圖3所示。

圖3 模擬器硬件框圖

3.1 指令等效板卡設(shè)計

指令等效板卡功能為模擬衛(wèi)星接收有線指令，并監(jiān)測指令的內(nèi)容及正確性。主要包括有源指令信號接收電路、無源指令信號接收電路、FPGA控制電路、PXI接口電路[4]。主要指標(biāo)如表1所示。

表1 指令等效子板技術(shù)指標(biāo)

3.1.1 有源指令信號接收電路

在衛(wèi)星地面測試中，有源指令信號一般為5～28 V的開關(guān)信號或脈沖信號，輸入的有源脈沖信號和開關(guān)信號通過光耦繼電器探測，本項目選用的光耦為AC38。光耦繼電器是固態(tài)繼電器的一種，當(dāng)輸入量(激勵量)的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種器件。它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)之間的互動關(guān)系[5]。光耦繼電器的突出特點是具有隔離作用，故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用，保護與之連接的設(shè)備不互相干擾。

電路中通過調(diào)節(jié)限流電阻R的值決定光耦繼電器導(dǎo)通的輸入電壓的范圍，若進入管腳的電流大于動作電流，則光耦閉合。在光耦與FPGA通路中輸入3.3 V電源，F(xiàn)PGA探測電路的通斷來監(jiān)測信號的輸入。FPGA根據(jù)PXI總線接收中心控制軟件下傳的采集指令，進行相關(guān)信號采集，將采集到的信號通過PXI總線返回中心控制軟件，并根據(jù)遙測數(shù)據(jù)組幀協(xié)議將采集到的相應(yīng)信號信息完成遙測數(shù)據(jù)組幀下傳。

3.1.2 無源信號接收電路

通過FPGA的觸發(fā)管腳，實現(xiàn)對無源信號的檢測功能，在信號接收通路中輸入3.3 V電源，F(xiàn)PGA通過探測輸入電壓，實現(xiàn)對接收電路狀態(tài)的監(jiān)測，并將信號接收狀態(tài)信息通過PXI總線接口上傳到控制器，完成遙測信息組幀下傳。

3.1.3 PXI接口電路

PXI接口功能的實現(xiàn)，采用PXI接口芯片加FPGA控制的接口方案。PXI 總線是在PCI總線協(xié)議的基礎(chǔ)上制定出來的，繼承了PCI 總線上所有信號并保持其所有通信時的電氣規(guī)范，采用專用接口芯片PCI9054完成接口協(xié)議[6]。FPGA負(fù)責(zé)與接口芯片之間的本地端口進行通信，實現(xiàn)本地總線時序控制功能，從而控制管理PXI總線中的觸發(fā)信號、參考時鐘等擴展信號，以及進行其他的時序操作和控制。

3.2 配電等效板卡設(shè)計

配電等效板卡主要功能為實現(xiàn)模擬配電負(fù)載，通過測試電流、電壓參數(shù)監(jiān)測地面一體化測試系統(tǒng)的配電通路狀態(tài)，將等效器配電狀態(tài)反饋中心控制軟件，地面一體化測試系統(tǒng)中集成了穩(wěn)壓源及太陽陣列模擬器，可實現(xiàn)衛(wèi)星供電功能。配電等效子板可實現(xiàn)電壓測量范圍0～30 V，電流測量范圍0～10 A，共有3路通道。

3.2.1 電壓采集電路

被測電壓通過前端信號調(diào)理電路實現(xiàn)降壓以及濾波功能[7-8]，然后通過14bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集。設(shè)計采用14 bit的AD，對應(yīng)輸入電壓范圍為10 V，可分辨電壓約為0.6 mV，可充分保證電壓采集準(zhǔn)確度[6]。通過元件性能和技術(shù)要求誤差量級的比對，通過最終修正可保證測量結(jié)果達到±0.2%，保證電壓測量指標(biāo)要求。保證對各電壓狀態(tài)采集信息的可靠性。

3.2.2 電流采集電路

將霍爾電流IC芯片串接在電流通路中，霍爾電流IC檢測電流，輸出對應(yīng)的電壓信號。通過ADC采集電壓信號，F(xiàn)PGA接收ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并通過PXI總線上傳到上位機顯示、保存。電流采集電路主要采用電流隔離電流傳感器IC芯片ACS725LLCTR-10AU-T，電流測量范圍為0～10 A，電壓輸出電壓信號與輸入電流的關(guān)系為264 mV/A，變化0.1 A對應(yīng)的輸出電壓變化量為26.4 mV，經(jīng)ADC電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入FPGA。

3.3 測量等效板卡

測量等效板卡的主要功能為模擬星上有線遙測信號的傳輸，以檢測星與地面設(shè)備的通信是否正常，星上傳輸?shù)男盘栔饕腥N，模擬量、有源狀態(tài)量和無源狀態(tài)量。測量等效模塊采用3U標(biāo)準(zhǔn)PXI結(jié)構(gòu)尺寸，主要包括有模擬量輸出電路、狀態(tài)量輸出電路、FPGA控制電路、PXI接口電路。主要指標(biāo)如表2所示，信號產(chǎn)生硬件如圖4所示。

表2 測量等效子板技術(shù)指標(biāo)

圖4 測量等效信號產(chǎn)生框圖

3.3.1 模擬量輸出電路

模擬信號發(fā)生電路主要由繼電器陣列，直流電源模塊，F(xiàn)PGA控制電路組成。使用前根據(jù)所需要的模擬量大小，將跳線端子的1針和2針短接輸出28 V模擬量，將跳線端子的3針和2針短接輸出5 V模擬量，繼電器S1控制輸出通斷。使用時根據(jù)控制軟件發(fā)送的控制指令，經(jīng)過PXI總線傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)收到的指令控制相應(yīng)繼電器，輸出相關(guān)模擬量。

3.3.2 狀態(tài)量輸出電路

狀態(tài)量輸出電路主要由繼電器陣列，直流電源模塊，F(xiàn)PGA控制電路組成。使用前根據(jù)所需要的狀態(tài)量信號大小，將跳線端子的4針和5針短接可以輸出5 V狀態(tài)量，將跳線端子的6針和7針短接可以輸出-5 V狀態(tài)量。然后通過中心控制軟件下發(fā)控制指令，經(jīng)過PXI總線傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA控制模塊接收相關(guān)指令后，由FPGA控制繼電器S3、S4即可輸出相關(guān)路數(shù)的有源狀態(tài)量，將2針和3針短接并控制繼電器通斷即可輸出開關(guān)狀態(tài)量。

4 衛(wèi)星模擬器中心控制軟件設(shè)計

衛(wèi)星等效模擬器中心控制軟件運行在PXI零槽控制器中，與各個硬件模塊通過PXI實現(xiàn)通信及控制功能。衛(wèi)星等效模擬器中心控制軟件實現(xiàn)模擬器中心調(diào)度，控制各個硬件模塊并組幀產(chǎn)生遙測模擬數(shù)據(jù)。本軟件采用模塊化設(shè)計分為數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、硬件板卡驅(qū)動模塊、圖像采集器控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、界面顯示模塊[9]。軟件構(gòu)架如圖5所示。

圖5 中心控制軟件構(gòu)架

1)數(shù)據(jù)處理模塊。負(fù)責(zé)模擬衛(wèi)星遙控單元功能，接收地面測試終端發(fā)送的遙控數(shù)據(jù)，對收到的指令和數(shù)據(jù)包進行解碼，根據(jù)不同的遙控指令，執(zhí)行包括更改遙測工程值、調(diào)用硬件驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)板卡功能等操作，更改完成的遙測工程值存入數(shù)據(jù)庫相應(yīng)位置。從數(shù)據(jù)庫中獲取衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，產(chǎn)生包含姿控、熱控、電源數(shù)字仿真模塊數(shù)據(jù)的遙測幀，遙測格式編排與真星完全一致，并將遙測幀發(fā)送給地面測試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)信息的發(fā)送采用循環(huán)讀取的功能，保證數(shù)據(jù)流的連續(xù)性；

2)數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)庫用于存儲衛(wèi)星原始遙測數(shù)據(jù)，在衛(wèi)星模擬器中，除供配電實物等效外，其他系統(tǒng)沒有真實的硬件等效設(shè)備，在本系統(tǒng)設(shè)計時將衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)作為固定值存于數(shù)據(jù)庫中，在模擬過程中從數(shù)據(jù)庫中取出遙測值，組幀，下發(fā)至地面測試系統(tǒng)，模擬衛(wèi)星真實運行狀態(tài)。對于供配電系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫相應(yīng)工程值的位置中替代原始數(shù)據(jù)。

3)硬件板卡驅(qū)動模塊。負(fù)責(zé)調(diào)用驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)各個等效板卡的通信。

4)圖像采集控制模塊?？刂茍D像采集器，實現(xiàn)圖像采集，并將采集到的圖像實時通過物理通道下傳至地面測試系統(tǒng)；

5)顯示界面模塊。負(fù)責(zé)將衛(wèi)星狀態(tài)、重要參數(shù)、測試項目、關(guān)鍵數(shù)據(jù)等信息顯示于顯示屏上。重要參數(shù)可通過配置文件，由用戶自行配置，軟件根據(jù)配置項中的參數(shù)信息，在界面顯示相應(yīng)的參數(shù)信息。圖像采集器實時采集到的圖片在界面右下角實時顯示。硬件板卡的連接狀態(tài)在界面中用綠色指示燈顯示，若硬件自檢正常，則顯示綠燈，否則顯示紅燈。

軟件顯示分為三個區(qū)域:1)界面上方顯示各個硬件模擬器件的自檢狀態(tài)，若自檢正常則亮綠燈，若自檢失敗則亮紅燈，提示操作人員進行硬件故障檢查；2)界面左下方顯示衛(wèi)星模擬器當(dāng)前的重要參數(shù)，共可顯示10條參數(shù)信息，具體顯示哪些參數(shù)內(nèi)容可在配置文件中修改，系統(tǒng)根據(jù)配置文件中的參數(shù)內(nèi)容，在界面中動態(tài)顯示參數(shù)信息；3)界面右下方為圖像采集器顯示區(qū)域，動態(tài)顯示采集器采集到的圖像信息。本系統(tǒng)中任務(wù)周期為1 s,即每秒為1個循環(huán)，產(chǎn)生4幀遙測數(shù)據(jù)，每幀128字節(jié)[10]。

5 試驗結(jié)果與分析

為了驗證該模擬訓(xùn)練等效器功能的正確性和有效性，搭建了地面測試系統(tǒng)。地面測試系統(tǒng)包含穩(wěn)壓電源、模擬量采集設(shè)備、狀態(tài)量采集設(shè)備、開關(guān)量控制設(shè)備。地面測試系統(tǒng)控制自動化測試序列，完成供配電系統(tǒng)自動化測試，測試項目如表2所示。

6 結(jié)束語

本文中研制的衛(wèi)星等效模擬器解決了缺少真實衛(wèi)星情況下測試人員的日常訓(xùn)練問題。經(jīng)過實際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)中所有信號源及信號采集功能與真實衛(wèi)星狀態(tài)一致，可有效配合地面測試系統(tǒng)，完整自動化執(zhí)行測試序列，加快了測試人員對真實衛(wèi)星的熟悉過程。并且設(shè)備中各功能模塊設(shè)計了多路測試通道，以及更寬的測試范圍，可覆蓋其他型號衛(wèi)星的模擬需求，有較高的通用性。設(shè)備使用PXI總線作為整機構(gòu)架，提高了設(shè)備的可擴展性，今后可根據(jù)需求靈活實現(xiàn)衛(wèi)星其他分系統(tǒng)模擬器的擴展。

表2 驗證項目