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    （上海交通大學自動化系， 上海 200240）劉 斌

    （上海航天控制工程研究所，上海 200233）屈衛東，李英波
                    
    劉斌（1983-）男，上海人，研究生，主要從事衛星姿軌控分系統仿真與測試工作。

    摘要：衛星控制分系統地面測試系統的設計是姿軌控分系統設計的重要部分。本文經軟、硬件的充分論證后給出了基于PXI總線的硬件采集系統和XPC軟件仿真環境下的衛星姿軌控系統綜合仿真測試的設計方案，并結合某型號衛星姿軌控分系統的測試需求進行具體的項目開發；實踐表明該測試系統具有較強的可擴展性和二次開發能力、結構靈活、體積小、測量精度高、抗干擾能力強等優點，可以應用于相應的中低軌道衛星的控制分系統測試。

    關鍵詞：PXI；XPC；地面測試；控制分系統

    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

    在衛星控制系統研制過程中，系統試驗不僅可全面的檢測控制各部件的性能和硬件之間的配合，有效地檢查星上軟件在功能設計上的缺陷，模擬太空飛行試驗，而且還可檢驗方案設計的正確性，從試驗中發現隱患，排除故障，提高系統的可靠性。隨著衛星研制周期的縮短和成本的不斷降低，一方面要求測試系統設計采用成熟可靠的設計思想，另一方面需要根據測試的具體要求采用較多的先進技術，從而提供靈活方便的測試手段，滿足系統測試的需求。另外，測試系統設計還要考慮系統的通用化，系統結構的設計要綜合考慮不同衛星的需求，盡可能多地采用通用標準模塊，同時有效利用軟件的強大功能，增強二次開發能力。

    1 測試系統設計要求

    某衛星姿軌控測試系統設計圖如圖1所示，其主要任務和功能要求概述如下：

    （1）完成分系統環境下的部件測試并檢查相互間的匹配問題，特別是在接入系統情況下對姿軌控分系統所屬各單機進行功能及性能的測試；

    （2）為驗證分系統之間接口匹配的正確性提供測試技術支持，能模擬遙控遙測終端接口、星上電源供電接口、星箭分離接口等；

    （3）姿軌控系統內接口對接測試、整個系統開路、閉路性能測試和模擬飛行測試驗證分系統的軟硬件設計正確性；

    （4）構建一套智能、靈活、功能全面的衛星綜合測試系統， 能夠完成衛星研制過程中從方案仿真測試到臨射測試各個階段的姿軌控分系統仿真和測試包括：半物理仿真閉路試驗、整星測試、靶場測試、發射陣地測試；

    （5）控制系統測試時需要實時記錄星上設備的工作狀態及地面測試設備的運行狀態，數據量較大，要求提供大容量的實時數據庫系統， 保證記錄數據完整、查詢數據及時，并且不能對實時測試產生影響。測試系統具有對測試信號進行數據管理，包括數據處理、顯示、存儲、打印等功能。

    2 測試系統硬件設計

    衛星姿軌控測試系統由數據測控層和數據監管層兩部分組成，其結構如圖1所示。數據測控層主要由PXI信號自動采集部分和動力學XPC仿真部分組成。PXI信號自動采集部分硬件選用了NI 公司的產品， 各模塊在電氣、結構等方面符合PXI 總線規范。PXI信號自動采集控制機負責進行單機模擬量采集、遙測模擬量采集、產生紅外地平儀電激勵信號、飛輪測速、噴氣測寬及模擬0~1太陽敏感器等效器的控制。通過網絡接收動力學目標機的姿態角信號，同時將所有采集量通過光纖傳至遠端數據庫服務器進行保存。PXI信號采集控制機機箱結構圖如圖2所示。 

                      
                                      圖1  衛星姿軌控分系統測試系統設計圖 

               
                                       圖2  PXI信號采集控制機機箱結構圖 

    由于PXI信號采集控制機的各模塊都基于PXI 總線規范，系統采集的信號量增減時，只需增減相應的采集卡；系統采集任務改變時更換采集卡和采集部分的程序即可完成不同任務之間切換。采集機機箱的插槽數目不足時，可以通過級聯的方式來解決。綜上所述， PXI信號采集平臺結構靈活， 擴展性強， 體積大為減小。

    動力學宿主機將動力學模型加載到動力學目標機中，在實時的XPC系統中運行。動力學目標機內部包含測試系統的核心測試軟件，是整個測試系統的關鍵部分。動力學目標機主要完成如下任務：采集控制系統執行機構的執行狀態信號，經過星體動力學、運動學及軌道動力學模型的計算產生星體姿態參數和衛星軌道參數[2][3]，計算太陽、地球、方位，經敏感器模型計算得到敏感器姿態信號，經過信號源或物理模擬器反饋到敏感器部件輸入，以及將本周期內的測試數據傳送給服務器進行保存。

    動力學目標機測試主任務的最小運行周期可以設定到毫秒級，在一個控制周期內必須完成測試主任務，并執行相應的輔助任務，在規定的控制周期內輔助任務沒有完成則被立即掛起，待主任務完成后繼續執行。輔助任務主要包括在線與遠控計算機界面通信、接收遠控計算機的控制指令、完成在線下載策略、與數據庫服務器進行通信等。

    動力學目標機采用工業標準PXI總線設計，具有高可靠性。節點包含普通I/O、帶定時器的數字I/O、高精度、高速帶隔離A/D、D/A 等。智能I/O 根據不同信號特點采用適合的信號采集及輸出方式，準確計算脈沖個數或電平變化；A/D、D/A 均為8路12位板卡，實現模擬信號的采集及驅動。

    信號調理單元包括星地信號的梳理與調理，完成星上單機與地面測試設備間交互信號的調理與隔離。

    遠程控制計算機完成對測試網各設備的管理，完成對測試網的控制任務調度、控制策略的編寫、實時下裝以及故障注入等功能。試驗前完成策略選擇，試驗過程中完成控制試驗過程、監控動力學目標機模型的實時參數、在線修改策略、將本機的數據記錄存到服務器中等功能。

    程序加載機主要完成對星上控制計算機GNCC的星上程序加載。

    遙測遙控注數計算機主要完成星上遙測數據接收，地面控制指令上行和星載軟件注數的功能。

    星模擬器模擬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統測試。

    紅外地球模擬器的功能是模擬衛星在太空軌道運行時看到的地球紅外圖像或相應的輻射功率分布，完成對紅外地球敏感器測試。

    太陽敏感器電等效器本質上是在試驗中代替0~1式敏感器、模擬太陽角計、星體太陽角計的電流輸出，達到模擬真實產品在當前姿態下受照時輸出電流的功能。

    恒流源是接收動力學計算的星體角速度，根據陀螺組合的加矩系數轉換為電流輸出，施加到陀螺的副線圈上，從而讓陀螺組合敏感到此時仿真的星體角速度。

    衛星運動模擬器主要安放陀螺組合、太陽敏感器等衛星姿態和角速率測量單機，和地面動力學來實現衛星在空間的姿態運動的模擬仿真，在系統試驗或陀螺測試時接收動力學三軸角速度信息，配合陀螺進行試驗，可以考核陀螺精度和系統精度。

    太陽帆板運動模擬器模擬太陽帆板驅動機構在空間的運動狀態，在系統試驗時配合太陽帆板完成帆板展開過程的各項測試。

    測試系統配備一個數據服務器，用于存儲各種測試數據和技術狀態信息，提供實時測試查詢和歷史測試查詢兩種方式。數據庫軟件選用SQL Server 2000 。

    測試系統配備多個數據顯示器，用于系統測試時姿態、軌道、設備等各種測試數據的顯示與監控，數據顯示器中的數據來自于數據服務器，用戶可以根據要求選擇需要監視和比對的數據，也可以指定數據顯示的方式。

    3 測試系統軟件設計

    本測試系統的軟件設計是系統設計非常重要的一部分，決定了系統級的測試流程及功能實現。某衛星控制分系統星上部件多，控制模式復雜，時序要求高。為滿足對控制系統的全面準確的測試需求，要求測試軟件能夠進行實時的信號采集、仿真計算及狀態信號輸出，根據系統方案設計，每個測試周期內必須完成光、機、電多種部件的采集及控制協同工作，同時測試軟件提供了靈活方便的測試手段及大量數據的保存、查詢功能。

    3.1 軟件系統構成

    測試軟件包括三部分：測試網軟件、數據管理網軟件及其他軟件。動力學宿主機提供開發工具MATLAB，程序員將開發并編譯完成的Simulink動力學模型，通過網絡發送到動力學目標機，運行在xPC Target（Version 2.0.2）實時環境下，并將生成的測試數據通過網絡傳送給服務器。服務器為Windows 2000 Server 操作系統，上面運行SQL Server 2000 數據庫管理軟件和數據接收程序。數據接收程序接收測試機發送來的測試數據，解包后寫入數據庫。數據管理網安裝有Windows XP 操作系統，并安裝有客戶端人機界面軟件。通過人機界面軟件可以發送查詢和分析請求給服務器，服務器數據庫接收到客戶端請求，將請求結果發送給客戶端，用于曲線顯示及數據比對。在數據庫網絡系統的節點上可以連接裝有其他功能軟件的設備，實現相應測試數據的入庫存儲及查詢功能。

    3.2 測試網軟件

    測試網軟件根據功能的不同，主要分成以下幾部分：

    （1）動力學仿真程序：完成衛星的姿態與軌道動力學仿真計算，包括衛星的姿態及軌道模型計算、敏感器和執行機構模型計算、控制接口信號的采集與輸出等。

    （2）遠程控制程序：包括PXI信號自動采集機和動力學目標機的控制策略，實現系統規劃、PXI信號自動采集機和動力學目標機運行模式和各模擬器的控制。

    （3）數據傳送程序：在調度計算機上用C++BUILDER 5.0開發，安裝在PXI信號自動采集機和動力學目標機上，與用戶策略底層連接，將PXI信號自動采集機和動力學目標機的運行數據緩沖后打包通過網絡送到服務器。

    （4）硬件板卡驅動程序：在調度計算機上用C語言開發，安裝在PXI信號自動采集機和動力學目標機上，與用戶策略底層連接，與硬件板卡進行數據交換。

    （5）操作界面程序：包括星載軟件注數操作界面和遙控指令操作界面，運行于遙控遙測注數計算機上同時將操作記錄發送到服務器存儲。

    （6）數據接收入庫程序：位于數據庫服務器，完成接收PXI信號自動采集機和動力學目標機發送來的數據并寫入SQL Server數據庫的功能。

    3.3 數據管理網軟件

    數據管理網包括數據顯示器和服務器。其中數據庫服務器選用SQL Server 2000操作系統。數據庫存儲的數據主要來自于PXI信號自動采集機和動力學目標機和星載計算機，包括PXI信號自動采集機的采集、動力學目標機輸出數據及中間變量， 星載計算機的遙測數據等其他相關信息。數據顯示器是服務器的客戶端，是測試系統的主要顯示設備，選用Windows XP 操作系統，在安裝客戶端程序后可以充當客戶端的功能。測試網與數據管理網相對獨立，通過數據庫服務器交換測試數據。

    3.4　其他軟件

    根據需要測試系統還包括控制系統模擬器軟件和數據處理輔助軟件等。

    4 結論

    本文根據對某衛星控制分系統的任務要求及對地面測試的需求，給出了控制分系統地面測試系統的主要設計方案。測試系統要求在極短的控制周期內完成采集、運算及輸出功能，同時提供大批量的數據查詢功能，系統的實時性要求很高。本文提供的方案較好地解決了這個問題，滿足分系統及整星的研制和測試的需要。測試系統的設計可以在滿足指定型號測試需求的基礎上，綜合考慮不同型號的要求，面向通用化，實現測試設備資源共享。

    本文介紹的控制系統地面測試系統具有較強的可擴展性和二次開發能力，為控制系統測試設備的系列化、通用化和標準化提供了一個有效的途徑，可以為相關型號的系統驗證與測試提供一定的借鑒。

    參考文獻：

    [1] 陳振平，馮幼芳. 衛星AOCS的地面測試系統 [J]. 航天控制，1994，(1)：53.

    [2] 章仁為. 衛星軌道姿態動力學與控制[M] . 北京：北京航空航天大學出版社，1998.

    [3] 劉林. 人造地球衛星運動理論[M] . 北京：科學出版社，1999.

    摘自《自動化博覽》2010年第八期