小衛(wèi)星地面站測控模擬軟件及其數(shù)據(jù)庫設計

1、小衛(wèi)星地面站測控模擬軟件及其數(shù)據(jù)庫設計王新升, 楊眉(北京航空航天大學 宇航學院,北京100083)摘要: 介紹一種具有遙測遙控功能的BUAA小衛(wèi)星地面站測控模擬軟件設計。其軟件開發(fā)平臺采用了NI公司的LabWindows/CVI。應用模塊化方法設計的地面站測控模擬軟件，可實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)接收、解碼、顯示、存儲和數(shù)據(jù)回放功能，并能通過無線網(wǎng)絡向小衛(wèi)星發(fā)送遙控指令。試驗結果表明，小衛(wèi)星與地面測控站之間通訊過程模擬效果令人滿意。關 鍵 詞: 遙控與遙測；無線網(wǎng)絡；小衛(wèi)星中圖分類號: TP273 文獻標識碼: ADesign of Ground Station Telemetry&TeleCom

2、mand Simulation Software and Datebase for Micro-SatelliteWANG Xinsheng , YANG Mei( School of Astronautics, BeiHang University, Beijing 100083, China)Abstract: A telecommand and telemetry simulation software of ground station for BUAA micro-satellite is introduced. The simulation software runs on the

3、 LabWindows/CVI platform which produced by NI company, USA. The simulation software function includes receiving telemetry data package, parsing data package, displaying telemetry data, storing and accessing data. In addition, telecommand from ground station could be sent to the micro-satellite by wi

4、reless network card. The test result shows that the simulative communication between the micro-satellite and the ground station is satisfied.Key words: telecommand and telemetry; wireless network; micro-satelliteBUAA小衛(wèi)星是一顆用于在軌新概念演示的微小衛(wèi)星，其飛行任務主要是驗證半剛性重力梯度桿的分離和姿態(tài)穩(wěn)定性；拍攝小衛(wèi)星在軌狀態(tài)并從外層空間對地面拍照形成數(shù)字圖像信息，將所獲得的信

5、息下傳至地面站。本文主要介紹BUAA小衛(wèi)星地面調(diào)試階段地面站遙測/遙控模擬軟件及其數(shù)據(jù)庫的設計及實現(xiàn)。收稿日期: 基金項目: 國家“863計劃”資助項目(2002AA742010)作者簡介: 王新升(1973-)，男，黑龍江伊春人，講師，主要研究方向為小衛(wèi)星星上電子系統(tǒng)與空間機器人控制；楊眉（1986-），女，湖南人，碩士研究生，主要從事小衛(wèi)星導航、制導與控制系統(tǒng)研究。地面站測控模擬軟件的開發(fā)平臺選用NI公司的Labwindows/CVI1,3，該開發(fā)平臺為C語言的設計環(huán)境，簡單易用、功能強大, 它不僅提供了對虛擬儀器的支持能力, 還具有各種測試、控制和數(shù)值分析的能力，具有豐富的使用方便的庫函

6、數(shù)。在繪圖方面LabWindows/CVI建模簡單，它提供的繪圖和曲線圖控件能夠方便實現(xiàn)各種靜態(tài)、動態(tài)的曲線、波形和圖表。Labwindows/CVI的這些特點，極大方便了地面站測控模擬軟件的設計4,7。1 地面站測控模擬軟件功能分析小衛(wèi)星地面站遙測/遙控模擬軟件需要完成的任務主要有三個方面：（1） 遙控指令的發(fā)送Ø 即時執(zhí)行類指令：這類指令主要是一些狀態(tài)參數(shù)選擇指令和控制指令，衛(wèi)星接收到該類指令后立即執(zhí)行；Ø 帶有時間戳的指令：這類指令用于延時到指定時間后執(zhí)行；Ø 飛行任務表的注入 ：需要打包發(fā)送的批指令；（2） 遙測數(shù)據(jù)的接收與處理Ø 星上狀態(tài)參數(shù)的

7、接收：軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，星上各分系統(tǒng)的狀態(tài)量2 ；Ø 有效載荷數(shù)據(jù)的接收：可以選擇接收四個相機的圖片數(shù)據(jù)；Ø 遙測數(shù)據(jù)的實時顯示；（3） 數(shù)據(jù)庫的訪問Ø 存儲所接收的BUAA小衛(wèi)星狀態(tài)參數(shù)到SQL數(shù)據(jù)庫中，包括軌道姿態(tài)信息和各系統(tǒng)的狀態(tài)量，數(shù)據(jù)按星上時間進行存儲；Ø 查看歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)需要查詢數(shù)據(jù)庫得到衛(wèi)星歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)回放。2 地面站測控模擬軟件程序設計地面站測控模擬軟件設計采用了模塊化的程序結構。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理和指令發(fā)送，其中軟件處理的數(shù)據(jù)都由關系型數(shù)據(jù)庫進行管理。整個軟件主要由接收模塊、發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)解析模塊和數(shù)據(jù)庫訪問模塊組成。如圖

8、1所示，軟件工作流程是地面站向衛(wèi)星發(fā)送控制指令，在接收到衛(wèi)星發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解析，實時顯示后將數(shù)據(jù)送入相應的數(shù)據(jù)庫中，地面站人員可從數(shù)據(jù)庫中讀取相應數(shù)據(jù)進行回放處理5。 圖1 軟件工作流程框圖下面對各主要功能模塊進行分析與說明。2.1 接收模塊1、串口操作星上發(fā)出的遙測數(shù)據(jù)由地面站計算機串口接收并進行處理，同樣地面站計算機的指令也從該串口發(fā)送到星上，所以測控模擬軟件首先要對串口進行讀寫的操作。Labwindows/CVI的RS-232函數(shù)庫中有已經(jīng)封裝好的函數(shù)，可以很方便地完成這一功能。2、數(shù)據(jù)濾波由于在串口前端使用無線模塊接收數(shù)據(jù)，實際接收到的數(shù)據(jù)中不可避免存在大量的噪聲，所以在

9、串口觸發(fā)收到數(shù)據(jù)后先對接收數(shù)據(jù)濾波得到有效數(shù)據(jù)幀。當串口有數(shù)據(jù)寫入，字節(jié)數(shù)超過68時，串口讀入數(shù)據(jù)，并將讀入的數(shù)據(jù)寫入到隊列中，填滿后尋找有效數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)通信協(xié)議中，一個數(shù)據(jù)幀的有效字節(jié)前有3個0x55進行同步，在末尾有2個0xff標志結束?？紤]到無線通信干擾的存在，只有當這5個標志字節(jié)都正確時，才接受該數(shù)據(jù)幀，并將該組數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存中進行下一步的處理。3、圖片數(shù)據(jù)接收圖片數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)處理不同。狀態(tài)數(shù)據(jù)在校驗后發(fā)現(xiàn)丟失幀、錯誤幀的情況，地面站都是不做處理的；而圖片數(shù)據(jù)在出現(xiàn)丟幀、錯幀情況時地面站必須要記錄。當星上最后一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完后，地面站發(fā)出讓衛(wèi)星重發(fā)錯幀、丟失幀的指令幀，指令幀的參數(shù)即

10、是錯誤幀和丟失幀的序列號。衛(wèi)星重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)幀后，地面站將所有的圖片數(shù)據(jù)寫入到指定的文件中，以做后期的圖片復原。圖2 圖片數(shù)據(jù)接收程序流程圖2.2 發(fā)送模塊根據(jù)星地通信協(xié)議的要求，地面站測控模擬軟件的完整發(fā)送模塊包括數(shù)據(jù)的打包和故障指令重發(fā)機制兩個部分，見圖3。圖3 發(fā)送模塊程序流程圖故障指令重發(fā)的機制，在指令正常發(fā)送后需要等待衛(wèi)星接收校驗正確后向地面發(fā)送確認幀，地面只有在收到確認后才可再發(fā)送其它的命令。如在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認，地面站需要重發(fā)該指令，軟件設計過程中采用多線程的方式來實現(xiàn)這一任務。利用線程池運行次線程中的代碼，調(diào)用Utility Library庫中的CmtScheduleTh

11、readPoolFunction函數(shù)，把需要在次線程中執(zhí)行的函數(shù)名傳遞給它，線程池就會調(diào)度該函數(shù)在它的一個線程中運行。2.3 數(shù)據(jù)庫模塊（1）數(shù)據(jù)的存儲在地面站測控模擬軟件中，實時數(shù)據(jù)在經(jīng)過解析和處理后往往還需要存儲以便于離線查詢。針對BUAA小衛(wèi)星的飛行任務，地面站測控模擬軟件采用了SQL關系型數(shù)據(jù)庫6。軟件接收的星上數(shù)據(jù)分為兩種，一種是小衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)包括軌道信息、姿態(tài)信息及相關系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一種是相機圖片數(shù)據(jù)，其中圖片數(shù)據(jù)需在數(shù)據(jù)接收完整后寫入到文件中，并提供接口做后期的復原。圖4 數(shù)據(jù)庫設計框圖小衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)在由地面站接收解析后分別存入數(shù)據(jù)庫中相應的數(shù)據(jù)表中如圖4。每個表中都存儲有對

12、應的星時和此次衛(wèi)星的過境開始時間。接收時間記錄表記錄的是每次衛(wèi)星的過境的開始時間，設置該表的目的在于方便數(shù)據(jù)的回放查詢。這樣當?shù)孛嬲久看谓邮臻_始的時候，都會在此表中記錄，當進行回放搜索時只要輸入接收開始的時間，便可檢索到此次接收對應的狀態(tài)數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)庫的訪問Labwindows/CVI擁有圖形建模簡單等一系列的優(yōu)點，但是在數(shù)據(jù)庫的連接方面Labwindows/CVI并沒有提供很好的支持。地面站測控模擬軟件在數(shù)據(jù)庫訪問中采用了Microsoft公司開發(fā)的基于Windows 平臺的ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術。ADO 建立在OLE DB之上的一種高層的數(shù)據(jù)庫訪問技術，它基于通用對象模型（COM）,簡化

13、OLE DB 的操作，OLE DB使用了大量的接口，而ADO封裝了這些接口，另外ADO技術可以以ActiveX控件的形式出現(xiàn)，可用于Labwindows/CVI，極大地簡化了編程。2.4 用戶界面設計根據(jù)軟件的功能，進行了友好的用戶界面設計。地面站測控模擬軟件的用戶界面建立之后，CVI可以自動生成源碼頭文件，聲明界面對象常量及相關的回調(diào)函數(shù)，然后通過添加相關代碼調(diào)用處理函數(shù)實現(xiàn)與測試程序的連接。這樣，就可以通過交互式的界面實現(xiàn)對整個測控過程的調(diào)度和顯示。對于遙測控模擬軟件，其工作過程是：（1）系統(tǒng)開機后，首先進入主用戶界面，進行衛(wèi)星鏈路連接。如果通信鏈路正常，衛(wèi)星將返回確認幀，界面上的通信指示

14、燈亮表明鏈路正常，否則表示有故障。（2）程序所有的操作都基于通信指示燈亮之后，此時可以操作遙控指令菜單選擇要發(fā)送的遙控指令，菜單中提供的測試指令有打開相機、關閉相機、下傳遙測數(shù)據(jù)（圖片、 系統(tǒng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)），在主界面上有開關相機的指示燈和控制按鈕。（3）在主窗口可以顯示當前的接收情況。軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)分實時和回放兩種模式，在兩種模式下數(shù)據(jù)都用圖表的方式進行顯示。相機的圖片數(shù)據(jù)在接收完成后進行儲存，供離線處理。3 結束語基于多線程的LabWindows/CVI技術為BUAA小衛(wèi)星地面測控終端模擬器的研制提供了高效和方便的實現(xiàn)方法。本文所設計的地面站測控模擬軟件對系統(tǒng)硬件配置要求不高，其主要功能是通過模塊化方法設計實現(xiàn)的。地面站測控模擬軟件不僅能滿足用戶的當前需求，而且具備很強的功能擴展能力。目前該軟件已在實際應用中完成了對BUAA小衛(wèi)星的地面測控調(diào)試工作。參考文獻:1 宋宇峰，等.Lab Windows/CVI逐步深入與開發(fā)實例.北京：機械工業(yè)出版社，2003.2 屠善澄.衛(wèi)星姿態(tài)動力學與控制（2）.北京：中國宇航出版社，2005.3 張鳳均等Lab W