基于數據包的航天器數管模擬器軟件設計

謝曉亮，辛明瑞，姜曉潔

（山東航天電子技術研究所 山東 煙臺 264000）

數管分系統作為航天器平臺的重要支柱，實現航天器數據的采集、傳輸、處理和利用，是航天器的信息中心，也是提高航天器利用效率的關鍵[1]。數管模擬器全面模擬航天器數管分系統功能，實現與電源、姿軌控、熱控以及有效載荷的對接，完成對平臺及有效載荷的遙控、遙測、統一時間勤務等管理。隨著航天器產品數量的不斷增加和復雜度的不斷提高，在航天器研制過程中使用數管模擬器模擬數管分系統對航天器平臺及有效載荷進行測試能有效縮短航天器試驗研制周期，降低航天器的研制成本。某航天器數管模擬器是航天器平臺服務設備，需要對不同信源、不同速率、不同性質的多種信息統一管理，形成綜合數據流，以滿足多種信息傳輸的需要，使得上下行信道可以為航天器平臺和有效載荷的各個不同應用過程所共有[2]；在信息傳輸過程中，要求能夠根據當前實際需要改變上下行通道傳輸的數據類型和數據量，從而提高數管系統的效率和效益；在模擬器協議實現中要求采用分層結構，系統軟件和應用過程任務軟件分別設計，在系統軟件上通過添加/刪除應用過程任務軟件可以實現不同功能的組合。

1 軟硬件體系

數管模擬器硬件平臺由中央處理器模塊、遙測采集模塊、開關指令等模塊組成，設備組成及與外部設備接口如圖1所示。

圖1 設備組成及與外部設備接口Fig.1 Equipment composition and the external device interface

中央處理模塊主要完成與地面總控計算機的通訊，接收地面總控發出的控制命令來完成器上時間校準、間接指令的發送、內存下卸以及總線數據的注入等功能，這個模塊主要模擬航天器數管計算機功能。中心處理模塊通過1553B總線和星上其他設備進行通信，在這個總線系統中，中央處理模塊作為總線BC端，其他設備作為總線RT端。

遙測采集模塊模擬航天器遠置單元的數據采集功能，它將采集到的各種離散的遙測量組包后通過串口發送給中央處理模塊。

開關指令模塊接收從中央處理模塊來的命令和數據，完成遙控指令的分配、輸出功能。開關指令模塊模擬遠置單元間接指令功能，即開關指令的驅動輸出。

數管模擬器軟件包括有遙測采集模塊軟件與中央處理單元系統軟件，數管模擬器正常工作時，兩者同時運行，兩軟件及外部設備數據流關系如圖2所示。遙測采集模塊軟件負責采集驗證器上各種模擬量與溫度量，并且以150 ms為周期，定時被中央控制單元系統軟件采集；中央控制單元系統軟件還通過1553B總線采集星上設備數據，經過組幀后通過RS422總線傳送給地面總控軟件。中央控制單元系統軟件同時也接收并執行地面總控軟件發送的時間校準指令、直接指令、指令組指令、內存下卸指令、總控數據注入等指令。

圖2 數管模擬器數據流Fig.2 Data flow of OBDH simulator

2 軟件機制

2.1 數據包

隨著航天技術的發展，航天器上下行數據的信息量急劇增大，種類繁多復雜，各種信息的特點和對傳輸的要求差異大，信源已經不是單點信息字，而是經過處理的信息集合，同時多用戶信源的信息需要通過同一物理信道傳輸。傳統的PCM測控傳輸幀已很難適應這些變化。

數據包是由星上信源（分系統或設備）的一個應用過程產生的數據包，它包含了一組觀測數據及相應的輔助數據。數據包概念的本質是航天器內運行的多個應用系統創建各自的單元數據，允許航天器上各數據系統通過空地通信信道傳輸這些數據。

數據包由航天器內的應用系統根據數據處理需要產生，間隔和長度固定或者可變，數據包允許各個應用系統優化它的數據結構和長度，這樣每個數據源就可以獨立于其他數據源定義與自身相適應數據結構。除了標識數據源和包特征的包頭外，數據內容完全由航天器上各個應用系統決定。

同傳統的傳輸幀格式比較，基于數據包的傳輸幀包含有應用系統及數據路由信息，數據裝配能力強，數據傳輸靈活，采樣時間間隔可以不固定。這樣就對航天器和地面設備之間的數據通信帶來了很大的方便。

2.2 數據處理分層體制

現代數據系統主要面向數據包信源信宿，用戶可以按照“需求驅動”的原則自主轉換數據包格式和內容，使用分層數據處理的方法，為用戶提供更高的靈活性[3]。

數管模擬器使用分層數據處理體制可以利用數據包，將復雜的航天器控制過程簡化為由各層一系列簡單的標準操作同等實現，層與層之間按照一定的協議有標準的數據格式接口，其層次模型可以用圖3說明。

圖3 數據處理分層體系Fig.3 Hierarchical system of data processing

應用過程層主要完成星上設備數據的管理和分發功能，這個層中不同應用過程構成一個系統，分別對應管理星上某一個任務，對應于與模擬器對接的各個星上設備數據的產生與接收。

分包層的業務是提供星上設備和數管模擬器之間端對端的用戶應用數據傳輸。數據下傳時，分包層接收應用過程層經過格式轉換后的具體數據流，將它封裝在標準的交換數據格式中，依靠分段層支持，完成數據下傳功能。數據上傳時，分包層將分段層發送過來的數據解析，并以數據包的形式發送給應用過程層。

分段層完成數管模擬器與地面總控設備的數據傳輸。數據下傳時，提供的業務是單向的。數據上傳時，分段層接收地面總控設備信息，并將數據解析后以數據包發送給不同的星上設備。

信道業務層是數管模擬器和地面總控設備通信的物理鏈路，本模擬器使用RS422總線通信，通信速率為115.2 kb/s。

3 軟件實現

3.1 上下行通道數據幀

在新一代航天器應用中不同的應用程序產生的數據源包可能是不同的發生率和包長度，這些源包是自主發生的，源包之間是異步的[4]。數管模擬器需要接收組織這些數據包，并在分段層內完成下行數據幀的組織發送，參見CCSDS遙測數據鏈路協議建議[5]，設計下行數據幀格式如圖4所示。

圖4 下行數據幀格式Fig.4 Downlink data frame format

下行數據幀長度固定，共有768個字節。頭兩個字節為數據幀的幀同步字，占用兩個字節，用于完成相鄰幀的區分；星上時間共占用了6個字節的長度；第768個字節為幀計數，大小為0～255；第9個字節到第767個字節存放源包數據，如果源包數據小于767個字節，將下行數據幀中的多余部分填充為0。數據域中的數據包可以是遙測采集數據包、GNC數字量遙測數據包、下卸內存包等。

上行通道是數管模擬器接收地面總控設備發送數據幀的鏈路。如果使用傳統的脈沖編碼調制上行數據，航天器需要做二次設計，這樣分系統間遙控接口不統一，軟件通用化很低，這和軟件產品化思想背道而馳[6]。數管模擬器與地面總控設備的上行通道協議，采用數據幀的方式進行，所有數據要求遵循表1的格式。上行數據幀根據數據幀的指令碼，共分為器上時間校準數據幀 （指令碼8e55），間接指令數據幀（指令碼d1d1），指令組發送數據幀（指令碼 5a5a），內存下卸數據幀（指令碼b2b2）以及1553B總線數據注入數據幀（指令碼 b1b1）等。

表1 上行數據幀格式Tab.1 Uplink data frame format

數據幀的幀頭為EB90，用于完成幀同步，長度字占用了兩個字節，表示指令碼和數據域總長度，因為每條協議都要有指令碼，因此長度字最小值為0002H。指令碼用于區分數據域中數據的用途，數據域用來保存有效數據。數管模擬器系統軟件接收到地面總控設備發送的數據幀后解析指令碼，并根據不同指令碼完成特定的操作。

3.2 數管模擬器系統軟件

系統軟件每個任務執行周期為150 ms，執行周期定時器通過FPGA硬件實現，單個執行周期誤差小于5 ms，時間零點為2010年01月01日00時00分00秒00毫秒。系統軟件通過基于時間片的輪轉調度分配處理器模塊的處理資源，做到對多種任務的準實時處理。

地面總控通過RS422給數管模擬器發出遙控指令，CPU響應RS422總線中斷，置串口中斷有效標志，在主程序中，判斷中斷標志，在處理函數中執行相應的指令動作，通過不同的命令字執行相應的操作。

系統軟件流程圖如圖5所示，軟件開始執行時首先初始化系統的各種資源及寄存器，清看門狗后等待地面總控設備發送的數據幀；如果地面總控設備發送了數據幀，系統軟件首先解析數據幀的指令碼并根據指令碼內容決定本周期執行的任務。系統軟件只負責多任務的調度和固定時間片的分配，具體任務由應用過程任務軟件來完成。

圖5 系統軟件流程圖Fig.5 Flow chart of system software

3.3 遙測采集模塊軟件

遙測采集模塊軟件主要完成接收遙測板發送的傳統遙測量，共計164個字節的遙測數據。遙測采集模塊組織這些數據并將這些數據以數據包的形式發送給中央處理單元。

系統軟件每150 ms向遙測采集模塊發送要數命令，接收到系統軟件發送的要數命令后遙測采集模塊開始傳統遙測量的采集，組包后將數據通過串口發送給數據處理模塊。系統軟件進入串口中斷后，將數據包放入到下行數據幀中，并等待下行數據發送任務執行時，將下行數據幀發送出去。

4 實現與驗證

數管模擬器的CPU模塊由TI的DSP器件TMS320F2812和512 kbit的RAM組成，與FPGA一起對各種接口進行控制。

本文中的軟件設計使用C語言來實現，使用CCS3.3軟件開發環境開發，調試計算機使用Windows XP操作系統。模擬器進行了100個小時的老練試驗，期間進行了遙控指令發送、姿軌控內存數據下載、星上時間校準、模擬量遙測數據采集等功能測試。測試結果表明使用該軟件設計的數管模擬器能夠可靠、穩定地完成模擬數據管理分系統的任務。相比傳統數管模擬器，基于數據包的航天器模擬器能夠適應不同的應用程序產生的不同發生率和包長度的數據源包，簡化軟件的開發過程，提高有效數據利用率。

5 結束語

在綜合分析了模擬器的需求后，實現了數管模擬器的軟件設計，其功能和性能在系統試驗中得到了充分驗證。軟件設計體現了模塊化設計的思想，使用靜態周期輪轉的方式實現任務的調度，實現起來比較簡單，有助于軟件任務正常執行，使用分層設計的思想，實現不同信源信宿數據的統一管理，有利于軟件的標準化和組件化。

[1]譚維熾，顧瑩琦.空間數據系統[M].北京：中國科學技術出版社，2004.

[2]周君.基于CCSDS的空間數據鏈路協議研究與仿真[D].長沙：國防科學技術大學，2007.

[3]徐劍.分層數據處理理論在信息安全中的應用研究[D].沈陽：東北大學，2007.

[4]杜冬梅.航天器CCSDS遙測數據包處理方法研究[J].電視技術，2007（4）:176-180.DU Dong-mei.Processing method of the telemetry data packet for spacecrafts[J].Telecommunication Engineering， 2007（4）:176-180.

[5]CCSDS.132.0-B-1.BlueBook.TM Space Data Link Protoco[S].CCSDS Press，2003.

[6]何熊文.一種通用遙控注入數據格式的設計與應用[J].航天器工程，2008（1）:94-99.HE Xiong-wen.Design and application of a common spacecraft telecommand data format[J].Spacecraft Engineering， 2008（1）:94-99.