探究量子科學實驗衛星通用化地面測試平臺的設計論文

1 課題背景

量子科學實驗衛星(簡稱量子衛星) 是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批確定的五顆科學衛星之一。2011 年12 月中國科學院在北京召開了量子科學實驗衛星工程啓動會。會議審議了工程總體方案及六大系統總體方案的可行性，明確了工程研製建設的主要問題，明確了工程的總體計劃安排。量子科學實驗衛星“墨子”已於2016 年8 月16 日凌晨發射，並在軌正常執行，已完成全部量子通信科學實驗。

2 地面測試平臺需求

本地面測試平臺是爲驗證衛星功能測試需求來進行開發和研製的，它的作用是用來驗證衛星系統的功能完善以及幫助分析衛星功能故障，用於驗證衛星的星務、電源、測控、數傳、載荷、熱控等分系統的功能、工作狀態以及衛星各個分系統的技術狀態。

3 通訊協議格式及相關技術介紹

本章主要介紹關於遙測模組和遙控模組的數據流格式約定基於的通訊格式。衛星數據流是基於衛星相關通訊格式，分別介紹了國內外常用的衛星通信協議格式以及相關結構體系，計算機網絡通訊協議的原理介紹，軟件開發工具的選擇。

3.1 衛星相關通訊格式介紹

由於我國的測控地面站採用的都是PCM(PulseCodeModulation脈衝編碼調製)格式和CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems空間數據系統諮詢委員會)格式。主要根據量子衛星採用遙測遙控格式對CCSDS 遙控幀格式和CCSDS 遙測幀格式進行介紹。

3.1.1 CCSDS 背景資料及我國應用

空間數據系統諮詢委員會(Consultative Committee forSpace Data Systems，CCSDS)是一個國際性空間組織，成立於1982 年，主要負責開發和採納適合於空間通信和數據處理系統的各種通信協議和數據處理規範。

3.1.2 CCSDS 協議體系結構

空間通信協議體系結構自下而上包括：物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層和應用層。其中，每一層還包括一些特定協議格式。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 軟件開發工具介紹

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)技術開發的32 位以C 語言爲基礎推出的面向計算機測控領域的虛擬儀器的交互式C 語言開發平臺，它最大的特點是提供各種靈巧方便的介面生成、編程、調利用它的集成開發環境、交互式編程方法和豐富的函數庫大大增強了C 語言的功能。

4 功能化模組設計和測試結論

4.1 初始化模組設計

基於關係數據庫的可配置測控地面測試平臺，其中初始化模組實現測控前端軟件的初始化操作，包括讀取配置檔案、建立連接、初始化視窗。具體功能如下：

(1)初始化配置模組：讀取配置檔案介面參數，包括端口、IP、字型、遙測量控件佈局等;

(2)初始化連接模組：創建數據庫連接，UDP 和TCP 網絡連接;

(3)初始化顯示模組：提供登陸介面，密碼驗證，以及初始化顯示軟件介面和創建子頁面;

(4)初始化數據存儲模組：創建遙測解擾前和解擾後的原始數據存儲檔案。

4.2 遙控模組設計

遙控模組基於衛星相關遙控指令數據格式，具備直接指令、注入數據指令的生成與發送功能，並具備日誌存儲功能。遙控模組的具體功能是：

(1)用戶透過對地面測試平臺提供的圖形介面操作來進行指令的選擇、發送;

(2)軟件內部透過配置數據庫接口獲得需要的指令所在的資訊表，並根據相關遙控格式約定檔案所要求的遙控格式進行組幀;

(3)將待發的直接指令和注入數據指令透過TCP/IP 協議向CORTEX 發送，並接收CORTEX 的反饋遙控資訊。

4.3 遙測模組設計

遙測模組的任務是實時地接收來自衛星發射機經CORTEX透過TCP/IP 協議傳輸的遙測數據，並對數據進行解析和存庫。遙控模組的具體功能是：

(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行幀同步處理，同步後對包含有效數據幀的數據進行解擾和儲存。

(2)遙測數據解析。數據解析單元將同步解擾後的每幀數據進行解析;解析後的遙測參數按分系統分別顯示在測控終端各個遙測介面中;各分系統遙測介面爲表格化顯示，顯示內容包含參數原碼和解析後的'譯碼。

(3)遙測數據存庫。

(4)把原始數據檔案和解幀生成的源包數據分類歸檔到數據庫。

4.4 數據庫模組設計

衛星測控地面測試平臺的測試指令發送記錄資訊、接收的遙測原始數據和分包解析處理後的遙測參數，在程序執行過程中生成的數據檔案、測試中產生的資訊，都需要有由數據庫系統來存儲和管理。數據庫查詢是遙測數據事後處理的重要部分，提供給用戶可查詢各分系統遙測參數、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，基於這兩點考慮在程序執行時數據庫對應有兩大類數據表：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行配置;遙測包資訊表：主要對各分系統遙測包的相關參數進行配置，包括包名、包長、應用識別過程以及包類型等等;

(2)存儲性數據表。遙測原始數據表：以地面時間爲座標以遙測幀爲單位實時存儲衛星入境時下發的遙測幀。包原始數據表：以地面時間爲座標以源包爲單位分包存儲衛星入境時下發的遙測數據。

4.5 整星測試結論

(1)整星正樣階段測試時長1229.38 小時，共接收遙測數據17703096 幀，發送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，無誤碼和錯誤數據。

5 結語

本文在衛星地面測試技術的基礎上，對量子科學試驗衛星地面綜合測試平臺進行了開發和調研。在閱讀大量文獻資料的基礎上，明確了衛星整星測試任務。針對本地面綜合測試平臺進行需求分析、總體方案的確立。概括起來，本文的主要工作有以下幾個方面：

(1)根據衛星整星測試的需求，進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，經過數據流設計、流程設計和介面設計等完成了上、下行及測試管理軟件的設計;

(3)根據衛星測試方案的要求，對數據庫和進行了詳細設計和實現，並給出了數據庫存儲的具體方案;

(4)爲了驗證測試平臺功能的完善性，對整個衛星測試流程中採集的實時延時遙測數據進行了多輪論證和比對，確保遙測數據和遙控指令可靠有效。