探究量子科學(xué)實(shí)驗衛星通用化地面測試平臺的設計論文
1 課題背景
量子科學(xué)實(shí)驗衛星(簡(jiǎn)稱(chēng)量子衛星) 是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰略性先導科技專(zhuān)項中首批確定的五顆科學(xué)衛星之一。2011 年12 月中國科學(xué)院在北京召開(kāi)了量子科學(xué)實(shí)驗衛星工程啟動(dòng)會(huì )。會(huì )議審議了工程總體方案及六大系統總體方案的可行性，明確了工程研制建設的主要問(wèn)題，明確了工程的總體計劃安排。量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子”已于2016 年8 月16 日凌晨發(fā)射，并在軌正常運行，已完成全部量子通信科學(xué)實(shí)驗。
2 地面測試平臺需求
本地面測試平臺是為驗證衛星功能測試需求來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研制的，它的作用是用來(lái)驗證衛星系統的功能完善以及幫助分析衛星功能故障，用于驗證衛星的星務(wù)、電源、測控、數傳、載荷、熱控等分系統的功能、工作狀態(tài)以及衛星各個(gè)分系統的技術(shù)狀態(tài)。
3 通訊協(xié)議格式及相關(guān)技術(shù)介紹
本章主要介紹關(guān)于遙測模塊和遙控模塊的數據流格式約定基于的通訊格式。衛星數據流是基于衛星相關(guān)通訊格式，分別介紹了國內外常用的衛星通信協(xié)議格式以及相關(guān)結構體系，計算機網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議的原理介紹，軟件開(kāi)發(fā)工具的選擇。
3.1 衛星相關(guān)通訊格式介紹
由于我國的測控地面站采用的都是PCM(PulseCodeModulation脈沖編碼調制)格式和CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems空間數據系統咨詢(xún)委員會(huì ))格式。主要根據量子衛星采用遙測遙控格式對CCSDS 遙控幀格式和CCSDS 遙測幀格式進(jìn)行介紹。
3.1.1 CCSDS 背景資料及我國應用
空間數據系統咨詢(xún)委員會(huì )(Consultative Committee forSpace Data Systems，CCSDS)是一個(gè)國際性空間組織，成立于1982 年，主要負責開(kāi)發(fā)和采納適合于空間通信和數據處理系統的各種通信協(xié)議和數據處理規范。
3.1.2 CCSDS 協(xié)議體系結構
空間通信協(xié)議體系結構自下而上包括：物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、運輸層和應用層。其中，每一層還包括一些特定協(xié)議格式。同步與信道編碼子層規定了在空間鏈路上傳送幀的同步與信道編碼方法。
3.2 軟件開(kāi)發(fā)工具介紹
可配置測控地面測試平臺選用NI 公司的Labwindows/CVI。LabWindows/CVI 是National Instruments 公司利用虛擬儀器(virtualinstruments)技術(shù)開(kāi)發(fā)的32 位以C 語(yǔ)言為基礎推出的面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器的交互式C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺，它最大的特點(diǎn)是提供各種靈巧方便的界面生成、編程、調利用它的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法和豐富的函數庫大大增強了C 語(yǔ)言的功能。
4 功能化模塊設計和測試結論
4.1 初始化模塊設計
基于關(guān)系數據庫的可配置測控地面測試平臺，其中初始化模塊實(shí)現測控前端軟件的初始化操作，包括讀取配置文件、建立連接、初始化窗口。具體功能如下：
(1)初始化配置模塊：讀取配置文件界面參數，包括端口、IP、字體、遙測量控件布局等;
(2)初始化連接模塊：創(chuàng )建數據庫連接，UDP 和TCP 網(wǎng)絡(luò )連接;
(3)初始化顯示模塊：提供登陸界面，密碼驗證，以及初始化顯示軟件界面和創(chuàng )建子頁(yè)面;
(4)初始化數據存儲模塊：創(chuàng )建遙測解擾前和解擾后的原始數據存儲文件。
4.2 遙控模塊設計
遙控模塊基于衛星相關(guān)遙控指令數據格式，具備直接指令、注入數據指令的生成與發(fā)送功能，并具備日志存儲功能。遙控模塊的具體功能是：
(1)用戶(hù)通過(guò)對地面測試平臺提供的圖形界面操作來(lái)進(jìn)行指令的選擇、發(fā)送;
(2)軟件內部通過(guò)配置數據庫接口獲得需要的指令所在的信息表，并根據相關(guān)遙控格式約定文件所要求的遙控格式進(jìn)行組幀;
(3)將待發(fā)的直接指令和注入數據指令通過(guò)TCP/IP 協(xié)議向CORTEX 發(fā)送，并接收CORTEX 的反饋遙控信息。
4.3 遙測模塊設計
遙測模塊的任務(wù)是實(shí)時(shí)地接收來(lái)自衛星發(fā)射機經(jīng)CORTEX通過(guò)TCP/IP 協(xié)議傳輸的遙測數據，并對數據進(jìn)行解析和存庫。遙控模塊的具體功能是：
(1)遙測數據同步。數據同步單元將從地面基帶接收到的數據流進(jìn)行幀同步處理，同步后對包含有效數據幀的數據進(jìn)行解擾和保存。
(2)遙測數據解析。數據解析單元將同步解擾后的每幀數據進(jìn)行解析;解析后的遙測參數按分系統分別顯示在測控終端各個(gè)遙測界面中;各分系統遙測界面為表格化顯示，顯示內容包含參數原碼和解析后的'譯碼。
(3)遙測數據存庫。
(4)把原始數據文件和解幀生成的源包數據分類(lèi)歸檔到數據庫。
4.4 數據庫模塊設計
衛星測控地面測試平臺的測試指令發(fā)送記錄信息、接收的遙測原始數據和分包解析處理后的遙測參數，在程序運行過(guò)程中生成的數據文件、測試中產(chǎn)生的信息，都需要有由數據庫系統來(lái)存儲和管理。數據庫查詢(xún)是遙測數據事后處理的重要部分，提供給用戶(hù)可查詢(xún)各分系統遙測參數、生成報表、數據統計等功能.
可配置測控地面測試平臺的數據庫設計中，主要考慮到可配置性和數據存儲功能，基于這兩點(diǎn)考慮在程序運行時(shí)數據庫對應有兩大類(lèi)數據表：配置性數據表和存儲性數據表。
(1)配置性數據表。遙測幀結構表：主要對遙測幀的幀格式進(jìn)行配置;遙測包信息表：主要對各分系統遙測包的相關(guān)參數進(jìn)行配置，包括包名、包長(cháng)、應用識別過(guò)程以及包類(lèi)型等等;
(2)存儲性數據表。遙測原始數據表：以地面時(shí)間為坐標以遙測幀為單位實(shí)時(shí)存儲衛星入境時(shí)下發(fā)的遙測幀。包原始數據表：以地面時(shí)間為坐標以源包為單位分包存儲衛星入境時(shí)下發(fā)的遙測數據。
4.5 整星測試結論
(1)整星正樣階段測試時(shí)長(cháng)1229.38 小時(shí)，共接收遙測數據17703096 幀，發(fā)送124955 條上行遙控指令;
(2)上行遙控通道直接指令、間接指令、注入數據均上注成功，無(wú)漏指令和誤指令;
(3)下行遙測通道接收遙測數據正常，遙測解析量正常顯示，無(wú)誤碼和錯誤數據。
5 結語(yǔ)
本文在衛星地面測試技術(shù)的基礎上，對量子科學(xué)試驗衛星地面綜合測試平臺進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和調研。在閱讀大量文獻資料的基礎上，明確了衛星整星測試任務(wù)。針對本地面綜合測試平臺進(jìn)行需求分析、總體方案的確立。概括起來(lái)，本文的主要工作有以下幾個(gè)方面：
(1)根據衛星整星測試的需求，進(jìn)行了地面測試平臺方案的設計，確定整星測試流程和形式;
(2)結合PCM和CCSDS遙測遙控幀格式，經(jīng)過(guò)數據流設計、流程設計和界面設計等完成了上、下行及測試管理軟件的設計;
(3)根據衛星測試方案的要求，對數據庫和進(jìn)行了詳細設計和實(shí)現，并給出了數據庫存儲的具體方案;
(4)為了驗證測試平臺功能的完善性，對整個(gè)衛星測試流程中采集的實(shí)時(shí)延時(shí)遙測數據進(jìn)行了多輪論證和比對，確保遙測數據和遙控指令可靠有效。
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