基于包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的紫外極光成像儀通信控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉曉紅 王詠梅 王天放

1(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

3(天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

4(中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

0 引言

極光是日地空間物理現(xiàn)象中一種可見的現(xiàn)象[1]，是由來自太陽的高能帶電離子流在地球磁場作用下與高層大氣的分子原子碰撞產(chǎn)生的。極光輻射光譜覆蓋紅外到極紫外波段，反映高層大氣分子、原子光譜，極光區(qū)的粒子沉降，以及引起高層大氣主要成分垂直分布的變化。通過對(duì)極光的遠(yuǎn)紫外波段進(jìn)行探測，可以獲得地球中高層大氣粒子及密度信息[2]，研究地球磁場與太陽風(fēng)的相互作用，更好地了解空間大氣。

太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）工程是中國首次與歐空局進(jìn)行深度合作的空間科學(xué)探測任務(wù)，紫外極光成像儀（UVI）是該衛(wèi)星工程重要的有效載荷之一。其主要科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)極光形態(tài)的連續(xù)成像探測，觀測極光卵/極蓋的位置、大小、強(qiáng)度分布等追蹤極光形態(tài)隨時(shí)間和空間變化的過程，獲得沉降粒子流量及能量等信息。

電控箱通信與控制系統(tǒng)作為紫外極光成像儀的重要組成部分，負(fù)責(zé)與探測頭部和載荷平臺(tái)之間的指令通信以及數(shù)據(jù)接收、處理、下傳的重要任務(wù)。本文分析了通信與控制系統(tǒng)的工作原理和各功能模塊設(shè)計(jì)，為與國際對(duì)接，通信上使用了歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化組織（ECSS）的包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[3,4]（PUS）。為滿足電子學(xué)的集成測試以及飛行需求，該標(biāo)準(zhǔn)定義了地面到太空的應(yīng)用級(jí)接口[5]。測試結(jié)果表明，通信與控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，可靠實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，滿足任務(wù)指標(biāo)要求，PUS 的應(yīng)用使得衛(wèi)星數(shù)據(jù)的交互和處理更便捷有效，有助于實(shí)現(xiàn)中國航天器遙控遙測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。目前中國對(duì)PUS 的應(yīng)用缺乏從工程角度闡述軟件的具體實(shí)現(xiàn)過程及驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

紫外極光成像儀（UVI）由探測頭部（UVI-C）和電控箱（UVI-E）組成，探測頭部為基于ICMOS 的成像儀，電控箱通信與控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)與探測頭部和載荷平臺(tái)（PLM）通信，其工作原理如圖1 所示。系統(tǒng)工作時(shí)，電控箱通信與控制系統(tǒng)FPGA 通過RS422 串行總線接收來自載荷平臺(tái)的指令和時(shí)間碼信息，經(jīng)解析處理，對(duì)屬于探測頭部的指令通過RS422 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)屬于電控箱的指令直接執(zhí)行，對(duì)時(shí)間碼信息進(jìn)行更新，同時(shí)電控箱接收來自探測頭部的科學(xué)數(shù)據(jù)和工程參數(shù)，科學(xué)數(shù)據(jù)接收后先緩存至系統(tǒng)外設(shè)的SDRAM 中，工程參數(shù)接收后合并電控箱部分的工程參數(shù)進(jìn)行打包，按照協(xié)議通過RS422 發(fā)送至載荷平臺(tái)。

圖1 電控箱通信與控制系統(tǒng)工作原理Fig.1 Diagram of communication and control system

2 PUS 業(yè)務(wù)選擇與實(shí)現(xiàn)

紫外極光成像儀與載荷平臺(tái)的接口設(shè)計(jì)采用PUS 標(biāo)準(zhǔn)，物理層選用異步RS422 協(xié)議，波特率為1 Mbit·s-1。應(yīng)用層按照ECSS-E-70-41 A[3,4]定義的PUS 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。PUS 標(biāo)準(zhǔn)描述了用于傳輸請(qǐng)求的遙控包格式和傳輸報(bào)告的遙測包格式與內(nèi)容，這兩個(gè)數(shù)據(jù)流完成載荷狀態(tài)監(jiān)測和控制。表1 為PUS 包結(jié)構(gòu)，其中遙測和遙控的數(shù)據(jù)域頭和包數(shù)據(jù)域可變，表2 為PUS 遙控包數(shù)據(jù)域頭結(jié)構(gòu)定義，表3 為遙測包數(shù)據(jù)域頭結(jié)構(gòu)定義。遙控包和遙測包均包含業(yè)務(wù)的服務(wù)類型和子服務(wù)類型。對(duì)于遙控?cái)?shù)據(jù)包，包數(shù)據(jù)域內(nèi)容為具體指令內(nèi)容或者時(shí)間碼，對(duì)于遙測數(shù)據(jù)包，包數(shù)據(jù)域內(nèi)容為發(fā)送的具體科學(xué)數(shù)據(jù)、工程參數(shù)以及其他數(shù)據(jù)包內(nèi)容。

表1 PUS 包結(jié)構(gòu)Table 1 PUS packet structure

表2 PUS 遙控包的數(shù)據(jù)域頭結(jié)構(gòu)Table 2 Data field header structure in tele-command packet

表3 PUS 遙測包的數(shù)據(jù)域頭結(jié)構(gòu)Table 3 Data field header structure in telemetry packet

PUS 標(biāo)準(zhǔn)支持對(duì)業(yè)務(wù)的裁剪，紫外極光成像儀根據(jù)需求對(duì)PUS 業(yè)務(wù)進(jìn)行選擇，表4 列出了實(shí)際使用的業(yè)務(wù)類型。其中，遙控確認(rèn)業(yè)務(wù)、時(shí)間管理業(yè)務(wù)、測試業(yè)務(wù)、探測頭部指令業(yè)務(wù)以及電控箱指令業(yè)務(wù)用于系統(tǒng)對(duì)指令的處理，大數(shù)據(jù)上傳業(yè)務(wù)用于對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的處理，工參和診斷數(shù)據(jù)報(bào)告業(yè)務(wù)用于對(duì)遙控工程參數(shù)的處理。為增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，提出故障診斷的方法[6]，使用事件報(bào)告業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行處理。

表4 選擇的業(yè)務(wù)類型Table 4 Selected service for the project

3 電控箱通信與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控箱通信與控制系統(tǒng)基于FPGA 實(shí)現(xiàn)，包括的功能模塊主要有指令接收與處理、科學(xué)數(shù)據(jù)采集和處理、故障診斷與事件包生成、遙測工程參數(shù)包生成以及數(shù)據(jù)包仲裁發(fā)送，數(shù)據(jù)流如圖2 所示。

圖2 電控箱通信與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig.2 Data flow of communication and control system

3.1 指令接收與處理

電控箱通信與控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收來自載荷平臺(tái)的指令，接收的指令按照PUS 業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，該模塊應(yīng)用到的PUS 業(yè)務(wù)包括遙控確認(rèn)業(yè)務(wù)、時(shí)間管理業(yè)務(wù)、測試業(yè)務(wù)、探測頭部指令業(yè)務(wù)和電控箱指令業(yè)務(wù)，根據(jù)接收到的指令業(yè)務(wù)類型，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答或者操作。

當(dāng)電控箱通信與控制系統(tǒng)FPGA 接收到來自載荷平臺(tái)的指令后，對(duì)指令的PUS 包頭（APID）、包類型、包長以及校驗(yàn)和進(jìn)行判斷，若都正確，按照PUS協(xié)議向載荷平臺(tái)發(fā)送“指令接收成功報(bào)告”，如果錯(cuò)誤，則需要按照協(xié)議發(fā)送“指令接收失敗報(bào)告”。對(duì)于測試指令，需要發(fā)送“連接測試應(yīng)答”到載荷平臺(tái)。對(duì)于時(shí)間碼信息，不發(fā)送反饋，只更新內(nèi)部時(shí)間碼。通過指令服務(wù)類型判斷為屬于探測頭部的指令，需要在接收后100 ms 內(nèi)將指令發(fā)送至探測頭部；若判斷為屬于電控箱的指令，則立即執(zhí)行該指令。指令接收和處理流程如圖3 所示。

圖3 基于PUS 的指令接收和處理流程Fig.3 Data flowchart of command receive and process based on PUS

3.2 科學(xué)數(shù)據(jù)采集與處理

科學(xué)數(shù)據(jù)來自探測頭部，電控箱通信控制系統(tǒng)接收探測頭部的科學(xué)數(shù)據(jù)，判斷包頭和包長正確無誤后，更新包頭中的工程參數(shù)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到SDRAM 中，等待仲裁模塊判斷發(fā)送端RS422 空閑時(shí)，按照PUS 大數(shù)據(jù)上傳業(yè)務(wù)，分包發(fā)送到載荷平臺(tái)。發(fā)送的每小包數(shù)據(jù)量為886 Byte（最后一包為不定值）。一包科學(xué)數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)包頭、圖像數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包尾，其中包頭固定為242 Byte，包尾16 Byte，圖像數(shù)據(jù)最大數(shù)據(jù)量為3 145 728 Byte。

3.3 故障診斷與處理

為保證系統(tǒng)的可靠性，電控箱通信與控制系統(tǒng)根據(jù)遙測參數(shù)的門限值對(duì)遙測參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測到異常跳變后通過PUS 事件報(bào)告業(yè)務(wù)向載荷平臺(tái)下發(fā)異常報(bào)告，同時(shí)生成異常處理指令，確保異常情況的及時(shí)處理。PUS 事件報(bào)告業(yè)務(wù)分為中等級(jí)事件和高等級(jí)事件。對(duì)于中等級(jí)事件，載荷平臺(tái)接收到該事件后需上報(bào)至地面系統(tǒng)；對(duì)于高等級(jí)事件，載荷平臺(tái)直接切斷電控箱電源。

3.4 遙測工參包生成

電控箱通信與控制系統(tǒng)接收探測頭部的工程參數(shù)后，與電控箱自身采集的工程參數(shù)組包，發(fā)送到載荷平臺(tái)。工程參數(shù)內(nèi)容共232 Byte，包括134 Byte頭部工程參數(shù)，98 Byte 電控箱工程參數(shù)。當(dāng)探測頭部未工作時(shí)，電控箱每隔10 s 自動(dòng)更新電控箱工程參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行發(fā)送。

3.5 數(shù)據(jù)仲裁發(fā)送

電控箱通信與控制系統(tǒng)通過RS422 與載荷平臺(tái)進(jìn)行通信，傳輸速率為1 Mbit·s-1。由于需要發(fā)送到載荷平臺(tái)的數(shù)據(jù)包內(nèi)容包括指令反饋、故障事件包、工程參數(shù)以及科學(xué)數(shù)據(jù)包，每種數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)的PUS格式整理，生成數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，發(fā)送時(shí)需要按照指令反饋-事件信息-工程參數(shù)-科學(xué)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行仲裁，依次判斷數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)。

4 測試結(jié)果與分析

探測頭部模擬器可以按照探測頭部的功能自動(dòng)生成工程參數(shù)和科學(xué)數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件可以模擬載荷平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，目前通過探測頭部模擬器、上位機(jī)軟件與電控箱通信與控制系統(tǒng)完成系統(tǒng)聯(lián)試，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明電控箱通信與控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，完成了指令的接收和處理，科學(xué)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和組包格式正確，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過去包頭包尾處理后與探測頭部模擬器生成的結(jié)果一致。故障診斷與處理方法正確有效，工程參數(shù)組包格式正確，各數(shù)據(jù)包連續(xù)，無數(shù)據(jù)丟失情況，通信與控制系統(tǒng)各項(xiàng)測試結(jié)果均滿足任務(wù)需求。圖4 給出了探測頭部模擬器生成的原始圖像與上位機(jī)接收科學(xué)數(shù)據(jù)并對(duì)圖像進(jìn)行反演后的圖像對(duì)比，圖像大小為1024×1024×2 Byte，數(shù)據(jù)接收及傳輸誤碼率為0。

圖4 原始數(shù)據(jù)圖像（a）與模擬的載荷平臺(tái)接收數(shù)據(jù)反演圖像（b）的對(duì)比Fig.4 Comparison between the original image (a)and the inversion image (b) received from the simulated payload platform

5 結(jié)論

針對(duì)中國衛(wèi)星遙控遙測系統(tǒng)格式不一致且缺乏靈活性的問題，根據(jù)SMILE 衛(wèi)星紫外極光成像儀的任務(wù)需求，通過研究PUS 標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)研制了基于該標(biāo)準(zhǔn)的電控箱通信與控制系統(tǒng)，詳細(xì)描述了PUS 標(biāo)準(zhǔn)在該系統(tǒng)各模塊中的應(yīng)用。經(jīng)過與頭部模擬器進(jìn)行聯(lián)合測試，結(jié)果顯示該通信與控制系統(tǒng)測試結(jié)果滿足任務(wù)需求。PUS 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提高了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性和通用性，研究結(jié)果可為衛(wèi)星快速研制提供參考。