一種衛(wèi)星有效載荷地面遠程測試系統(tǒng)設(shè)計

趙川 楊海龍 梁軍民

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

一種衛(wèi)星有效載荷地面遠程測試系統(tǒng)設(shè)計

趙川 楊海龍 梁軍民

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

提出了一種衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)的地面遠程測試實時處理分析方法，詳細論述了其實現(xiàn)原理及實際系統(tǒng)中的各功能模塊，重點介紹了遠程測試服務(wù)平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、遠程測試終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)部數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計、系統(tǒng)工作流程等及部件的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。文章所介紹的衛(wèi)星有效載荷遠程測試系統(tǒng)，能夠支持衛(wèi)星下傳的超大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)在遠程終端監(jiān)控下進行就近實時處理分析功能，從而使有限的專家力量集中在北京的測試大廳對遠在發(fā)射場的衛(wèi)星進行實時監(jiān)視和測試。

衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)；遠程測試；實時處理分析

1 引言

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，航天器高密集發(fā)射的需求越發(fā)凸顯，在現(xiàn)有測試系統(tǒng)應(yīng)用條件下專家力量已不足以支撐如此高密度的發(fā)射任務(wù)，因此發(fā)展衛(wèi)星的遠程測試系統(tǒng)，使專家力量在北京便能對衛(wèi)星發(fā)射場的實時狀態(tài)進行監(jiān)視和控制。目前已有多家廠所及科研機構(gòu)著手研制衛(wèi)星的遠程測試系統(tǒng)，并已具備遙測參數(shù)、控制命令等小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的遠程實時處理分析功能，但尚不具有對衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)下傳的超大數(shù)據(jù)量的載荷數(shù)據(jù)實時處理和分析功能，仍然需要專家坐在測試現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進行處理和分析或通過遠程事后分析等，無法從根本上解決專家力量利用不足的問題。

針對現(xiàn)有測試系統(tǒng)在載荷遠程測試方面的需求，衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)就近處理［1-4］，遠程實時顯示與操作的設(shè)計思路［5-7］，可成功地解決衛(wèi)星研制過程中對載荷下傳的超大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的遠程實時分析處理，突破支持遠程測試的專用網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制，實現(xiàn)小帶寬條件下載荷超大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的實時分析處理功能。使專家力量不需要到發(fā)射場測試現(xiàn)場即可完成對衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)的處理分析工作，更加高效地將有限的專家力量投入到更多的衛(wèi)星研制任務(wù)中。

2 系統(tǒng)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)的主體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括遠程測試服務(wù)平臺和遠程測試終端兩部分［3-4］。其中遠程測試服務(wù)平臺布置在發(fā)射場測試大廳，為整個遠程測試系統(tǒng)提供載荷數(shù)據(jù)分析處理工具的運行平臺和遠程測試服務(wù)；遠程測試終端布置在北京遠程測試大廳，為用戶提供實時分析結(jié)果顯示和遠程實時控制等功能。遠程測試終端通過遠程測試網(wǎng)絡(luò)連接到遠程測試服務(wù)平臺的虛擬應(yīng)用服務(wù)，在終端本地桌面創(chuàng)建應(yīng)用程序鏡像，通過對本地應(yīng)用鏡像的操作，來實現(xiàn)載荷設(shè)備操作、載荷數(shù)據(jù)的遠程實時分析、處理及顯示等功能。

圖1 衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Network topology graph of system

2.2 遠程測試服務(wù)平臺設(shè)計

遠程測試服務(wù)平臺是遠程測試系統(tǒng)的核心，由應(yīng)用服務(wù)器和遠程測試服務(wù)程序兩部分構(gòu)成。遠程測試服務(wù)程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，由載荷數(shù)據(jù)交互接口、遠程服務(wù)、中心控制、數(shù)據(jù)處理解析管理控制中心、即插即用數(shù)據(jù)處理解析等模塊組成。載荷數(shù)據(jù)交互接口采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與載荷測試設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互；遠程測試服務(wù)模塊負責通過遠程測試網(wǎng)絡(luò)與遠程終端進行信息交互；中心控制模塊負責控制整個遠程測試服務(wù)平臺的初始化和運行工作；數(shù)據(jù)處理解析管理控制中心模塊負責控制管理所有即插即用數(shù)據(jù)處理解析模塊的運行和初始化，并與之進行數(shù)據(jù)交互工作；即插即用數(shù)據(jù)處理解析模塊采用通用的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)處理功能的即插即用。

圖2 遠程測試服務(wù)平臺內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of remote testing service platform

遠程測試服務(wù)平臺的工作原理為：①中心控制模塊完成對整個遠程測試服務(wù)平臺各模塊的初始化操作；②遠程服務(wù)模塊，從遠程測試終端獲取用戶的實時操作信息，最后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果的圖像壓縮數(shù)據(jù)，回傳給遠程測試終端進行處理和顯示；③載荷數(shù)據(jù)交互接口，向載荷測試設(shè)備發(fā)送遠程用戶的操作信息，同時從載荷測試設(shè)備中獲取載荷的實時數(shù)據(jù)；④數(shù)據(jù)處理解析管理控制中心模塊，集中管控具備通用數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)處理解析模塊，完成載荷數(shù)據(jù)的實時分析處理功能，并實時截取數(shù)據(jù)處理結(jié)果的圖像數(shù)據(jù)，采用分區(qū)壓縮技術(shù)完成圖像數(shù)據(jù)的動態(tài)分區(qū)壓縮操作，最終將壓縮好的圖像數(shù)據(jù)通過遠程服務(wù)模塊發(fā)送給遠程測試終端顯示。

本文2.3節(jié)將對衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)中采用的圖像分區(qū)壓縮關(guān)鍵技術(shù)進行詳細說明。

2.3 圖像分區(qū)壓縮技術(shù)

在載荷數(shù)據(jù)處理軟件處理載荷數(shù)據(jù)的過程中，可能僅有一小部分界面是在實時更新的，而大多數(shù)區(qū)域是沒有變化的，如果將整個界面圖像進行傳輸，勢必造成大量不必要的網(wǎng)絡(luò)帶寬占用情況，因此為了有效節(jié)省測試過程中的帶寬占用量，衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)采用圖像分區(qū)壓縮技術(shù)來對圖像進行分區(qū)壓縮傳輸。

具體實現(xiàn)原理如圖3所示，衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)將載荷數(shù)據(jù)處理分析軟件運行的實時界面區(qū)域進行4×4等分劃分（劃分的顆粒度可以根據(jù)實際應(yīng)用需要進行人工設(shè)置），使用每個區(qū)域所在的二維矩陣坐標對該區(qū)域進行標示，用于后期處理使用（如：圖像左上角為“［1，1］”以此類推）。在載荷測試過程中，遠程測試服務(wù)平臺根據(jù)區(qū)域等分設(shè)置情況，對載荷數(shù)據(jù)處理的實時運行界面區(qū)域進行分區(qū)獲取，逐個對當前分區(qū)的圖像數(shù)據(jù)與之前對應(yīng)區(qū)域的歷史圖像數(shù)據(jù)進行尺度不變特征轉(zhuǎn)換（Scale Invariant Feature Transform，SIFT）算法匹配，若當前區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)不匹配，則將該區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)封裝壓縮后發(fā)送到遠程測試終端進行解壓顯示［8-10］，然后繼續(xù)下一個區(qū)域圖像數(shù)據(jù)的匹配操作；若與之前圖像匹配完好，則繼續(xù)檢測下一個區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，如此反復(fù)直至整個界面的所有區(qū)域都被遍歷。采用這種方式只傳輸變化部分的圖像，能夠有效降低圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捳加昧俊?/p>

圖3 數(shù)據(jù)實時處理分析圖像分區(qū)獲取示意圖Fig.3 Sketch map for the method of image partition

2.4 遠程終端設(shè)計

如圖4所示，遠程測試終端是整個系統(tǒng)面向用戶的部分，終端由普通計算機作為運行平臺，終端軟件由服務(wù)通信接口、操作顯示模塊、中心數(shù)據(jù)路由模塊、數(shù)據(jù)處理模塊組成。服務(wù)通信接口采用TCP/ IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與遠程測試服務(wù)平臺進行數(shù)據(jù)交互；操作顯示模塊負責顯示實時數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖像并為用戶提供與本地操作感受一致的操作界面；中心數(shù)據(jù)路由模塊負責整個遠程測試終端內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸控制功能；數(shù)據(jù)處理模塊負責對分析處理結(jié)果圖像的處理和用戶操作信息的封裝。

遠程測試終端的工作原理為：

（1）遠程測試終端通過操作顯示模塊，向用戶呈現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)處理結(jié)果的實時圖像信息，同時采集用戶的實時操作信息，并將操作信息發(fā)送給中心數(shù)據(jù)路由模塊等待發(fā)送。

（2）中心數(shù)據(jù)路由模塊是整個遠程測試終端的數(shù)據(jù)交互橋梁，終端內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)都要經(jīng)過此模塊，以到達其對應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送或解析處理模塊；中心數(shù)據(jù)路由模塊的設(shè)計，可以使終端內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有條不紊地在其內(nèi)部流通。

（3）遠程測試終端向遠程測試服務(wù)器發(fā)送的用戶實時操作信息和遠程測試終端所顯示的數(shù)據(jù)實時處理結(jié)果圖像，都是通過數(shù)據(jù)處理模塊進行封裝和解析的，中心路由模塊會將待封裝或待解析的數(shù)據(jù)發(fā)送到其中進行處理，處理后數(shù)據(jù)處理模塊會將數(shù)據(jù)反饋給中心路由模塊進行分發(fā)。

（4）服務(wù)通信接口采用TCP/IP通信協(xié)議，通過遠程測試網(wǎng)絡(luò)與遠程測試服務(wù)端進行數(shù)據(jù)通信，向遠程測試服務(wù)端發(fā)送用戶的實時界面操作信息，與此同時，從遠程測試服務(wù)端獲取載荷數(shù)據(jù)的實時處理結(jié)果圖像數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到中心數(shù)據(jù)路由模塊進行分發(fā)處理。

圖4 遠程測試終端內(nèi)部模塊圖Fig.4 Internal structure of remote testing terminal

2.5 傳輸數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

表1所示，遠程服務(wù)端和遠程測試終端使用的數(shù)據(jù)幀格式由幀同步頭、幀長度、來源ID、目標ID、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)域、CRC校驗、幀尾8個部分組成，其中幀同步頭采用CCSDS通信協(xié)議標準規(guī)定的0x1ACFFC1D；幀長度為整幀長度，該值為（N＋20 byte）（N為數(shù)據(jù)域長度，20 byte為幀結(jié)構(gòu)中包括同步頭、長度、來源ID、目標ID、數(shù)據(jù)類型、CRC校驗、幀尾的長度總和）；來源ID記錄本幀數(shù)據(jù)的來源；目標ID記錄本幀數(shù)據(jù)的目標；數(shù)據(jù)類型采用4 byte記錄本幀數(shù)據(jù)的類型；數(shù)據(jù)域用于傳輸有效數(shù)據(jù)；CRC是校驗用戶記錄本幀數(shù)據(jù)的校驗碼，校驗區(qū)域為同步頭之后到數(shù)據(jù)域結(jié)束之間的數(shù)據(jù)；幀尾碼使用同步頭的逆序碼0x1DFCCF1A。

表1 系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互數(shù)據(jù)格式Table 1 Data interchange format of system

2.6 系統(tǒng)運行流程

衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)的整體運行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運行流程圖Fig.5 Operation flow chart of system

（1）用戶在遠程終端上啟動遠程測試服務(wù)平臺上的遠程載荷數(shù)據(jù)實時分析處理工具；

（2）用戶的操作控制命令通過遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程測試服務(wù)平臺；

（3）遠程測試服務(wù)平臺解析該命令并執(zhí)行相應(yīng)操作；

（4）遠程測試服務(wù)平臺獲取載荷數(shù)據(jù)的實時處理結(jié)果圖像，并將變化區(qū)域的圖像進行壓縮處理，通過遠程網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程測試終端；

（5）遠程測試終端接收到載荷數(shù)據(jù)的實時處理結(jié)果圖像數(shù)據(jù)后，對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮并將圖像更新到對應(yīng)區(qū)域；

（6）用戶根據(jù)需要繼續(xù)在遠程測試終端上進行相應(yīng)操作；

（7）遠程測試終端將用戶的操作轉(zhuǎn)換為操作數(shù)據(jù)，并將操作數(shù)據(jù)封裝為統(tǒng)一內(nèi)部通信幀格式，發(fā)送到遠程測試服務(wù)平臺；

（8）重復(fù)第3步～第7步的操作直至載荷測試完畢，用戶發(fā)送退出操作命令；

（9）遠程測試服務(wù)平臺接收到退出操作命令后，首先關(guān)閉本地運行的載荷數(shù)據(jù)分析處理工具，然后向?qū)?yīng)的遠程測試終端發(fā)送結(jié)束運行消息；

（10）遠程測試終端接收到結(jié)束運行消息后，關(guān)閉本地的載荷數(shù)據(jù)實時結(jié)果圖像，至此載荷遠程測試工作結(jié)束。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用和特點

衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)目前已經(jīng)在多個型號的發(fā)射場任務(wù)中得到應(yīng)用，解決了衛(wèi)星研制過程中對載荷下傳的超大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的遠程實時分析處理的需求，突破了支持遠程測試的專用網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制，實現(xiàn)了小帶寬條件下載荷超大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的實時分析處理功能。該系統(tǒng)具備如下特點：

（1）衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)，將所有數(shù)據(jù)的處理、分析集中在現(xiàn)場服務(wù)器中進行，數(shù)據(jù)不再全部回傳便可完成載荷超大數(shù)據(jù)的實時分析處理工作，解決了載荷超大數(shù)據(jù)量的下傳數(shù)據(jù)的遠程實時分析處理難題，這是現(xiàn)有遠程測試系統(tǒng)所不具備的功能；

（2）衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)采用遠程分布式架構(gòu)方案，只要能訪問到遠程測試服務(wù)器的終端，都可以被用來作為載荷測試數(shù)據(jù)的分析和監(jiān)視終端來使用，本地專家甚至可以坐在辦公室里來完成衛(wèi)星的載荷測試工作；

（3）衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸載荷數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果圖像，并實時響應(yīng)遠程終端的虛擬操作，為用戶提供與本地操作毫無差別的操作體驗，不需要任何培訓和適應(yīng)時間，即可完成由現(xiàn)場測試到遠程測試工作的轉(zhuǎn)變；

（4）衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)采用變化圖像分區(qū)壓縮算法，運行過程中只需占用很小的網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以在任何極端條件下完成對遠程載荷數(shù)據(jù)實時處理、分析和監(jiān)視工作的支持。

4 結(jié)束語

目前，衛(wèi)星載荷遠程測試系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于小衛(wèi)星8型12星的發(fā)射場遠程測試任務(wù)，圓滿配合完成了各項發(fā)射場測試工作。但是，目前本系統(tǒng)僅支持電子載荷數(shù)據(jù)和部分光學載荷數(shù)據(jù)的遠程實時處理分析功能。后續(xù)需要對軟件的數(shù)據(jù)編碼壓縮算法進行優(yōu)化升級，擴大系統(tǒng)對光學載荷數(shù)據(jù)的支持面；引入帶寬的智能分配使用算法，進一步提升系統(tǒng)對遠程網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效使用率；開展遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全研究，探索利用公眾網(wǎng)絡(luò)傳輸保密數(shù)據(jù)的可行性。

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（編輯：張小琳）

A Design of Satellite Payload Remote-testing-system

ZHAO Chuan YANG Hailong LIANG Junmin
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

This paper presents a type of method to process the satellite payloads data in real-time，and describes the implementation principle of this method and the details of each functional module in the system.This paper mainly introduces the design of the internal structure，internal data communication protocol，system work flow and so on.In this paper，the satellite payload remote testing system is able to support the function of real-time processing and analyzing of large amount of data on the remote side，so that a few experts can stay at the testing hall in Beijing，to monitor and test in real time the satellite being laid on launching site.

satellite payload data；remote testing；real time processing&analyzing

TP274.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.019

2015-07-23；

：2015-09-11

國家重大航天工程

趙川，男，碩士，工程師，從事小衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)設(shè)計與研制工作。Email：zhaozihu@163.com。