控制网

    （上海交通大学自动化系， 上海 200240）刘 斌

    （上海航天控制工程研究所，上海 200233）屈卫东，李英波
                    
    刘斌（1983-）男，上海人，研究生，主要从事卫星姿轨控分系统仿真与测试工作。

    摘要：卫星控制分系统地面测试系统的设计是姿轨控分系统设计的重要部分。本文经软、硬件的充分论证后给出了基于PXI总线的硬件采集系统和XPC软件仿真环境下的卫星姿轨控系统综合仿真测试的设计方案，并结合某型号卫星姿轨控分系统的测试需求进行具体的项目开发；实践表明该测试系统具有较强的可扩展性和二次开发能力、结构灵活、体积小、测量精度高、抗干扰能力强等优点，可以应用于相应的中低轨道卫星的控制分系统测试。

    关键词：PXI；XPC；地面测试；控制分系统

    Abstract: The design for the ground test system of the control system is very important for the subsystem design. After a detailed study on hardware and software scheme, we present the design scheme of the synthesis simulation of satellite orbit control system, which consists of the PXI-based hardware architecture and xPC-based software system, By integrating the real requirement of control subsystem of any satellite type, we implement the simulation system.The results show that the test system has good expansibility to be redeveloped,small volune, high measuring accuracy and strong anti - jamming capability. It can be used in the test of the control subsystem for the medium and low orbit satellite.

    Key words: PXI; XPC; ground test; control subsystem

    在卫星控制系统研制过程中，系统试验不仅可全面的检测控制各部件的性能和硬件之间的配合，有效地检查星上软件在功能设计上的缺陷，模拟太空飞行试验，而且还可检验方案设计的正确性，从试验中发现隐患，排除故障，提高系统的可靠性。随着卫星研制周期的缩短和成本的不断降低，一方面要求测试系统设计采用成熟可靠的设计思想，另一方面需要根据测试的具体要求采用较多的先进技术，从而提供灵活方便的测试手段，满足系统测试的需求。另外，测试系统设计还要考虑系统的通用化，系统结构的设计要综合考虑不同卫星的需求，尽可能多地采用通用标准模块，同时有效利用软件的强大功能，增强二次开发能力。

    1 测试系统设计要求

    某卫星姿轨控测试系统设计图如图1所示，其主要任务和功能要求概述如下：

    （1）完成分系统环境下的部件测试并检查相互间的匹配问题，特别是在接入系统情况下对姿轨控分系统所属各单机进行功能及性能的测试；

    （2）为验证分系统之间接口匹配的正确性提供测试技术支持，能模拟遥控遥测终端接口、星上电源供电接口、星箭分离接口等；

    （3）姿轨控系统内接口对接测试、整个系统开路、闭路性能测试和模拟飞行测试验证分系统的软硬件设计正确性；

    （4）构建一套智能、灵活、功能全面的卫星综合测试系统， 能够完成卫星研制过程中从方案仿真测试到临射测试各个阶段的姿轨控分系统仿真和测试包括：半物理仿真闭路试验、整星测试、靶场测试、发射阵地测试；

    （5）控制系统测试时需要实时记录星上设备的工作状态及地面测试设备的运行状态，数据量较大，要求提供大容量的实时数据库系统， 保证记录数据完整、查询数据及时，并且不能对实时测试产生影响。测试系统具有对测试信号进行数据管理，包括数据处理、显示、存储、打印等功能。

    2 测试系统硬件设计

    卫星姿轨控测试系统由数据测控层和数据监管层两部分组成，其结构如图1所示。数据测控层主要由PXI信号自动采集部分和动力学XPC仿真部分组成。PXI信号自动采集部分硬件选用了NI 公司的产品， 各模块在电气、结构等方面符合PXI 总线规范。PXI信号自动采集控制机负责进行单机模拟量采集、遥测模拟量采集、产生红外地平仪电激励信号、飞轮测速、喷气测宽及模拟0~1太阳敏感器等效器的控制。通过网络接收动力学目标机的姿态角信号，同时将所有采集量通过光纤传至远端数据库服务器进行保存。PXI信号采集控制机机箱结构图如图2所示。 

                      
                                      图1  卫星姿轨控分系统测试系统设计图 

               
                                       图2  PXI信号采集控制机机箱结构图 

    由于PXI信号采集控制机的各模块都基于PXI 总线规范，系统采集的信号量增减时，只需增减相应的采集卡；系统采集任务改变时更换采集卡和采集部分的程序即可完成不同任务之间切换。采集机机箱的插槽数目不足时，可以通过级联的方式来解决。综上所述， PXI信号采集平台结构灵活， 扩展性强， 体积大为减小。

    动力学宿主机将动力学模型加载到动力学目标机中，在实时的XPC系统中运行。动力学目标机内部包含测试系统的核心测试软件，是整个测试系统的关键部分。动力学目标机主要完成如下任务：采集控制系统执行机构的执行状态信号，经过星体动力学、运动学及轨道动力学模型的计算产生星体姿态参数和卫星轨道参数[2][3]，计算太阳、地球、方位，经敏感器模型计算得到敏感器姿态信号，经过信号源或物理模拟器反馈到敏感器部件输入，以及将本周期内的测试数据传送给服务器进行保存。

    动力学目标机测试主任务的最小运行周期可以设定到毫秒级，在一个控制周期内必须完成测试主任务，并执行相应的辅助任务，在规定的控制周期内辅助任务没有完成则被立即挂起，待主任务完成后继续执行。辅助任务主要包括在线与远控计算机界面通信、接收远控计算机的控制指令、完成在线下载策略、与数据库服务器进行通信等。

    动力学目标机采用工业标准PXI总线设计，具有高可靠性。节点包含普通I/O、带定时器的数字I/O、高精度、高速带隔离A/D、D/A 等。智能I/O 根据不同信号特点采用适合的信号采集及输出方式，准确计算脉冲个数或电平变化；A/D、D/A 均为8路12位板卡，实现模拟信号的采集及驱动。

    信号调理单元包括星地信号的梳理与调理，完成星上单机与地面测试设备间交互信号的调理与隔离。

    远程控制计算机完成对测试网各设备的管理，完成对测试网的控制任务调度、控制策略的编写、实时下装以及故障注入等功能。试验前完成策略选择，试验过程中完成控制试验过程、监控动力学目标机模型的实时参数、在线修改策略、将本机的数据记录存到服务器中等功能。

    程序加载机主要完成对星上控制计算机GNCC的星上程序加载。

    遥测遥控注数计算机主要完成星上遥测数据接收，地面控制指令上行和星载软件注数的功能。

    星模拟器模拟恒星在太空的位置和星等信息，配合星敏感器完成星敏感器和系统测试。

    红外地球模拟器的功能是模拟卫星在太空轨道运行时看到的地球红外图像或相应的辐射功率分布，完成对红外地球敏感器测试。

    太阳敏感器电等效器本质上是在试验中代替0~1式敏感器、模拟太阳角计、星体太阳角计的电流输出，达到模拟真实产品在当前姿态下受照时输出电流的功能。

    恒流源是接收动力学计算的星体角速度，根据陀螺组合的加矩系数转换为电流输出，施加到陀螺的副线圈上，从而让陀螺组合敏感到此时仿真的星体角速度。

    卫星运动模拟器主要安放陀螺组合、太阳敏感器等卫星姿态和角速率测量单机，和地面动力学来实现卫星在空间的姿态运动的模拟仿真，在系统试验或陀螺测试时接收动力学三轴角速度信息，配合陀螺进行试验，可以考核陀螺精度和系统精度。

    太阳帆板运动模拟器模拟太阳帆板驱动机构在空间的运动状态，在系统试验时配合太阳帆板完成帆板展开过程的各项测试。

    测试系统配备一个数据服务器，用于存储各种测试数据和技术状态信息，提供实时测试查询和历史测试查询两种方式。数据库软件选用SQL Server 2000 。

    测试系统配备多个数据显示器，用于系统测试时姿态、轨道、设备等各种测试数据的显示与监控，数据显示器中的数据来自于数据服务器，用户可以根据要求选择需要监视和比对的数据，也可以指定数据显示的方式。

    3 测试系统软件设计

    本测试系统的软件设计是系统设计非常重要的一部分，决定了系统级的测试流程及功能实现。某卫星控制分系统星上部件多，控制模式复杂，时序要求高。为满足对控制系统的全面准确的测试需求，要求测试软件能够进行实时的信号采集、仿真计算及状态信号输出，根据系统方案设计，每个测试周期内必须完成光、机、电多种部件的采集及控制协同工作，同时测试软件提供了灵活方便的测试手段及大量数据的保存、查询功能。

    3.1 软件系统构成

    测试软件包括三部分：测试网软件、数据管理网软件及其他软件。动力学宿主机提供开发工具MATLAB，程序员将开发并编译完成的Simulink动力学模型，通过网络发送到动力学目标机，运行在xPC Target（Version 2.0.2）实时环境下，并将生成的测试数据通过网络传送给服务器。服务器为Windows 2000 Server 操作系统，上面运行SQL Server 2000 数据库管理软件和数据接收程序。数据接收程序接收测试机发送来的测试数据，解包后写入数据库。数据管理网安装有Windows XP 操作系统，并安装有客户端人机界面软件。通过人机界面软件可以发送查询和分析请求给服务器，服务器数据库接收到客户端请求，将请求结果发送给客户端，用于曲线显示及数据比对。在数据库网络系统的节点上可以连接装有其他功能软件的设备，实现相应测试数据的入库存储及查询功能。

    3.2 测试网软件

    测试网软件根据功能的不同，主要分成以下几部分：

    （1）动力学仿真程序：完成卫星的姿态与轨道动力学仿真计算，包括卫星的姿态及轨道模型计算、敏感器和执行机构模型计算、控制接口信号的采集与输出等。

    （2）远程控制程序：包括PXI信号自动采集机和动力学目标机的控制策略，实现系统规划、PXI信号自动采集机和动力学目标机运行模式和各模拟器的控制。

    （3）数据传送程序：在调度计算机上用C++BUILDER 5.0开发，安装在PXI信号自动采集机和动力学目标机上，与用户策略底层连接，将PXI信号自动采集机和动力学目标机的运行数据缓冲后打包通过网络送到服务器。

    （4）硬件板卡驱动程序：在调度计算机上用C语言开发，安装在PXI信号自动采集机和动力学目标机上，与用户策略底层连接，与硬件板卡进行数据交换。

    （5）操作界面程序：包括星载软件注数操作界面和遥控指令操作界面，运行于遥控遥测注数计算机上同时将操作记录发送到服务器存储。

    （6）数据接收入库程序：位于数据库服务器，完成接收PXI信号自动采集机和动力学目标机发送来的数据并写入SQL Server数据库的功能。

    3.3 数据管理网软件

    数据管理网包括数据显示器和服务器。其中数据库服务器选用SQL Server 2000操作系统。数据库存储的数据主要来自于PXI信号自动采集机和动力学目标机和星载计算机，包括PXI信号自动采集机的采集、动力学目标机输出数据及中间变量， 星载计算机的遥测数据等其他相关信息。数据显示器是服务器的客户端，是测试系统的主要显示设备，选用Windows XP 操作系统，在安装客户端程序后可以充当客户端的功能。测试网与数据管理网相对独立，通过数据库服务器交换测试数据。

    3.4　其他软件

    根据需要测试系统还包括控制系统模拟器软件和数据处理辅助软件等。

    4 结论

    本文根据对某卫星控制分系统的任务要求及对地面测试的需求，给出了控制分系统地面测试系统的主要设计方案。测试系统要求在极短的控制周期内完成采集、运算及输出功能，同时提供大批量的数据查询功能，系统的实时性要求很高。本文提供的方案较好地解决了这个问题，满足分系统及整星的研制和测试的需要。测试系统的设计可以在满足指定型号测试需求的基础上，综合考虑不同型号的要求，面向通用化，实现测试设备资源共享。

    本文介绍的控制系统地面测试系统具有较强的可扩展性和二次开发能力，为控制系统测试设备的系列化、通用化和标准化提供了一个有效的途径，可以为相关型号的系统验证与测试提供一定的借鉴。

    参考文献：

    [1] 陈振平，冯幼芳. 卫星AOCS的地面测试系统 [J]. 航天控制，1994，(1)：53.

    [2] 章仁为. 卫星轨道姿态动力学与控制[M] . 北京：北京航空航天大学出版社，1998.

    [3] 刘林. 人造地球卫星运动理论[M] . 北京：科学出版社，1999.

    摘自《自动化博览》2010年第八期