探究量子科学实验卫星通用化可配置地面测试平
作者：admin时间：2019-03-25 03:23:03阅读：435来源：本站
1 课题背景
量子科学实验卫星(简称量子卫星) 是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的五颗科学卫星之一。2011 年12 月中国科学院在北京召开了量子科学实验卫星工程启动会。会议审议了工程总体方案及六大系统总体方案的可行性，明确了工程研制建设的主要问题，明确了工程的总体计划安排。量子科学实验卫星“墨子”已于2016 年8 月16 日凌晨发射，并在轨正常运行，已发表全部量子通信科学实验。
2 地面测试平台需求
本地面测试平台是为验证卫星功能测试需求来进行开发和研制的，它的作用是用来验证卫星系统的功能完善以及帮助分析卫星功能故障，用于验证卫星的星务、电源、测控、数传、载荷、热控等分系统的功能、工作状态以及卫星各个分系统的技术状态。
3 通讯协议格式及相关技术介绍
本章主要介绍关于遥测模块和遥控模块的数据流格式约定基于的通讯格式。卫星数据流是基于卫星相关通讯格式，分别介绍了国内外常用的卫星通信协议格式以及相关结构体系，计算机网络通讯协议的原理介绍，软件开发工具的选择。
3.1 卫星相关通讯格式介绍
由于我国的测控地面站采用的都是PCM(PulseCodeModulation脉冲编码调制)格式和CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems空间数据系统咨询委员会)格式。主要根据量子卫星采用遥测遥控格式对CCSDS 遥控帧格式和CCSDS 遥测帧格式进行介绍。
3.1.1 CCSDS 背景资料及我国应用
空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee forSpace Data Systems，CCSDS)是一个国际性空间组织，成立于1982 年，主要负责开发和采纳适合于空间通信和数据处理系统的各种通信协议和数据处理规范。
3.1.2 CCSDS 协议体系结构
空间通信协议体系结构自下而上包括：物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层。其中，每一层还包括一些特定协议格式。同步与信道编码子层规定了在空间链路上传送帧的同步与信道编码方法。
3.2 软件开发工具介绍
可配置测控地面测试平台选用NI 公司的Labwindows/CVI。LabWindows/CVI 是National Instruments 公司利用虚拟仪器(virtualinstruments)技术开发的32 位以C 语言为基础推出的面向计算机测控领域的虚拟仪器的交互式C 语言开发平台，它最大的特点是提供各种灵巧方便的界面生成、编程、调利用它的集成开发环境、交互式编程方法和丰富的函数库大大增强了C 语言的功能。
4 功能化模块设计和测试结论
4.1 初始化模块设计
基于关系数据库的可配置测控地面测试平台，其中初始化模块实现测控前端软件的初始化操作，包括读取配置文件、建立连接、初始化窗口。具体功能如下：
(1)初始化配置模块：读取配置文件界面参数，包括端口、IP、字体、遥测量控件布局等;
(2)初始化连接模块：创建数据库连接，UDP 和TCP 网络连接;
(3)初始化显示模块：提供登陆界面，密码验证，以及初始化显示软件界面和创建子页面;
(4)初始化数据存储模块：创建遥测解扰前和解扰后的原始数据存储文件。
4.2 遥控模块设计
遥控模块基于卫星相关遥控指令数据格式，具备直接指令、注入数据指令的生成与发送功能，并具备日志存储功能。遥控模块的具体功能是：
(1)用户通过对地面测试平台提供的图形界面操作来进行指令的选择、发送;
(2)软件内部通过配置数据库接口获得需要的指令所在的信息表，并根据相关遥控格式约定文件所要求的遥控格式进行组帧;
(3)将待发的直接指令和注入数据指令通过TCP/IP 协议向CORTEX 发送，并接收CORTEX 的反馈遥控信息。
4.3 遥测模块设计
遥测模块的任务是实时地接收来自卫星发射机经CORTEX通过TCP/IP 协议传输的遥测数据，并对数据进行解析和存库。遥控模块的具体功能是：
(1)遥测数据同步。数据同步单元将从地面基带接收到的数据流进行帧同步处理，同步后对包含有效数据帧的数据进行解扰和保存。
(2)遥测数据解析。数据解析单元将同步解扰后的每帧数据进行解析;解析后的遥测参数按分系统分别显示在测控终端各个遥测界面中;各分系统遥测界面为表格化显示，显示内容包含参数原码和解析后的译码。
(3)遥测数据存库。
(4)把原始数据文件和解帧生成的源包数据分类归档到数据库。
4.4 数据库模块设计
卫星测控地面测试平台的测试指令发送记录信息、接收的遥测原始数据和分包解析处理后的遥测参数，在程序运行过程中生成的数据文件、测试中产生的信息，都需要有由数据库系统来存储和管理。数据库查询是遥测数据事后处理的重要部分，提供给用户可查询各分系统遥测参数、生成报表、数据统计等功能.
可配置测控地面测试平台的数据库设计中，主要考虑到可配置性和数据存储功能，基于这两点考虑在程序运行时数据库对应有两大类数据表：配置性数据表和存储性数据表。
(1)配置性数据表。遥测帧结构表：主要对遥测帧的帧格式进行配置;遥测包信息表：主要对各分系统遥测包的相关参数进行配置，包括包名、包长、应用识别过程以及包类型等等;
(2)存储性数据表。遥测原始数据表：以地面时间为坐标以遥测帧为单位实时存储卫星入境时下发的遥测帧。包原始数据表：以地面时间为坐标以源包为单位分包存储卫星入境时下发的遥测数据。
4.5 整星测试结论
(1)整星正样阶段测试时长1229.38 小时，共接收遥测数据17703096 帧，发送124955 条上行遥控指令;
(2)上行遥控通道直接指令、间接指令、注入数据均上注成功，无漏指令和误指令;
(3)下行遥测通道接收遥测数据正常，遥测解析量正常显示，无误码和错误数据。
5 结语
本文在卫星地面测试技术的基础上，对量子科学试验卫星地面综合测试平台进行了开发和调研。在阅读大量文献资料的基础上，明确了卫星整星测试任务。针对本地面综合测试平台进行需求分析、总体方案的确立。概括起来，本文的主要工作有以下几个方面：
(1)根据卫星整星测试的需求，进行了地面测试平台方案的设计，确定整星测试流程和形式;
(2)结合PCM和CCSDS遥测遥控帧格式，经过数据流设计、流程设计和界面设计等发表了上、下行及测试管理软件的设计;
(3)根据卫星测试方案的要求，对数据库和进行了详细设计和实现，并给出了数据库存储的具体方案;
(4)为了验证测试平台功能的完善性，对整个卫星测试流程中采集的实时延时遥测数据进行了多轮论证和比对，确保遥测数据和遥控指令可靠有效。
量子科学实验卫星(简称量子卫星) 是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的五颗科学卫星之一。2011 年12 月中国科学院在北京召开了量子科学实验卫星工程启动会。会议审议了工程总体方案及六大系统总体方案的可行性，明确了工程研制建设的主要问题，明确了工程的总体计划安排。量子科学实验卫星“墨子”已于2016 年8 月16 日凌晨发射，并在轨正常运行，已发表全部量子通信科学实验。
2 地面测试平台需求
本地面测试平台是为验证卫星功能测试需求来进行开发和研制的，它的作用是用来验证卫星系统的功能完善以及帮助分析卫星功能故障，用于验证卫星的星务、电源、测控、数传、载荷、热控等分系统的功能、工作状态以及卫星各个分系统的技术状态。
3 通讯协议格式及相关技术介绍
本章主要介绍关于遥测模块和遥控模块的数据流格式约定基于的通讯格式。卫星数据流是基于卫星相关通讯格式，分别介绍了国内外常用的卫星通信协议格式以及相关结构体系，计算机网络通讯协议的原理介绍，软件开发工具的选择。
3.1 卫星相关通讯格式介绍
由于我国的测控地面站采用的都是PCM(PulseCodeModulation脉冲编码调制)格式和CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems空间数据系统咨询委员会)格式。主要根据量子卫星采用遥测遥控格式对CCSDS 遥控帧格式和CCSDS 遥测帧格式进行介绍。
3.1.1 CCSDS 背景资料及我国应用
空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee forSpace Data Systems，CCSDS)是一个国际性空间组织，成立于1982 年，主要负责开发和采纳适合于空间通信和数据处理系统的各种通信协议和数据处理规范。
3.1.2 CCSDS 协议体系结构
空间通信协议体系结构自下而上包括：物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层。其中，每一层还包括一些特定协议格式。同步与信道编码子层规定了在空间链路上传送帧的同步与信道编码方法。
3.2 软件开发工具介绍
可配置测控地面测试平台选用NI 公司的Labwindows/CVI。LabWindows/CVI 是National Instruments 公司利用虚拟仪器(virtualinstruments)技术开发的32 位以C 语言为基础推出的面向计算机测控领域的虚拟仪器的交互式C 语言开发平台，它最大的特点是提供各种灵巧方便的界面生成、编程、调利用它的集成开发环境、交互式编程方法和丰富的函数库大大增强了C 语言的功能。
4 功能化模块设计和测试结论
4.1 初始化模块设计
基于关系数据库的可配置测控地面测试平台，其中初始化模块实现测控前端软件的初始化操作，包括读取配置文件、建立连接、初始化窗口。具体功能如下：
(1)初始化配置模块：读取配置文件界面参数，包括端口、IP、字体、遥测量控件布局等;
(2)初始化连接模块：创建数据库连接，UDP 和TCP 网络连接;
(3)初始化显示模块：提供登陆界面，密码验证，以及初始化显示软件界面和创建子页面;
(4)初始化数据存储模块：创建遥测解扰前和解扰后的原始数据存储文件。
4.2 遥控模块设计
遥控模块基于卫星相关遥控指令数据格式，具备直接指令、注入数据指令的生成与发送功能，并具备日志存储功能。遥控模块的具体功能是：
(1)用户通过对地面测试平台提供的图形界面操作来进行指令的选择、发送;
(2)软件内部通过配置数据库接口获得需要的指令所在的信息表，并根据相关遥控格式约定文件所要求的遥控格式进行组帧;
(3)将待发的直接指令和注入数据指令通过TCP/IP 协议向CORTEX 发送，并接收CORTEX 的反馈遥控信息。
4.3 遥测模块设计
遥测模块的任务是实时地接收来自卫星发射机经CORTEX通过TCP/IP 协议传输的遥测数据，并对数据进行解析和存库。遥控模块的具体功能是：
(1)遥测数据同步。数据同步单元将从地面基带接收到的数据流进行帧同步处理，同步后对包含有效数据帧的数据进行解扰和保存。
(2)遥测数据解析。数据解析单元将同步解扰后的每帧数据进行解析;解析后的遥测参数按分系统分别显示在测控终端各个遥测界面中;各分系统遥测界面为表格化显示，显示内容包含参数原码和解析后的译码。
(3)遥测数据存库。
(4)把原始数据文件和解帧生成的源包数据分类归档到数据库。
4.4 数据库模块设计
卫星测控地面测试平台的测试指令发送记录信息、接收的遥测原始数据和分包解析处理后的遥测参数，在程序运行过程中生成的数据文件、测试中产生的信息，都需要有由数据库系统来存储和管理。数据库查询是遥测数据事后处理的重要部分，提供给用户可查询各分系统遥测参数、生成报表、数据统计等功能.
可配置测控地面测试平台的数据库设计中，主要考虑到可配置性和数据存储功能，基于这两点考虑在程序运行时数据库对应有两大类数据表：配置性数据表和存储性数据表。
(1)配置性数据表。遥测帧结构表：主要对遥测帧的帧格式进行配置;遥测包信息表：主要对各分系统遥测包的相关参数进行配置，包括包名、包长、应用识别过程以及包类型等等;
(2)存储性数据表。遥测原始数据表：以地面时间为坐标以遥测帧为单位实时存储卫星入境时下发的遥测帧。包原始数据表：以地面时间为坐标以源包为单位分包存储卫星入境时下发的遥测数据。
4.5 整星测试结论
(1)整星正样阶段测试时长1229.38 小时，共接收遥测数据17703096 帧，发送124955 条上行遥控指令;
(2)上行遥控通道直接指令、间接指令、注入数据均上注成功，无漏指令和误指令;
(3)下行遥测通道接收遥测数据正常，遥测解析量正常显示，无误码和错误数据。
5 结语
本文在卫星地面测试技术的基础上，对量子科学试验卫星地面综合测试平台进行了开发和调研。在阅读大量文献资料的基础上，明确了卫星整星测试任务。针对本地面综合测试平台进行需求分析、总体方案的确立。概括起来，本文的主要工作有以下几个方面：
(1)根据卫星整星测试的需求，进行了地面测试平台方案的设计，确定整星测试流程和形式;
(2)结合PCM和CCSDS遥测遥控帧格式，经过数据流设计、流程设计和界面设计等发表了上、下行及测试管理软件的设计;
(3)根据卫星测试方案的要求，对数据库和进行了详细设计和实现，并给出了数据库存储的具体方案;
(4)为了验证测试平台功能的完善性，对整个卫星测试流程中采集的实时延时遥测数据进行了多轮论证和比对，确保遥测数据和遥控指令可靠有效。
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