面向批量化小衛星的便攜式快速巡檢系統研究

(北京東方計量測試研究所，北京 100094)

0 引言

作為現代科學技術中發展迅速的尖端技術之一，航天技術標志著一個國家的科學技術水平，也彰顯出一個國家的綜合國力。航天技術的發展對促進人類的文明和社會的進步有著十分重要和積極的作用[1-2]。在衛星技術與應用不斷發展的推動下，國內外的衛星產業得到了快速發展，商業航天迎來了重要的發展機遇期。而在發展商業航天的大環境下，迫切需要縮短衛星開發研制周期，特別對于單一任務的專用衛星以及組網衛星，更需要成本低、研發周期短、應用效果顯著的衛星技術，因此小衛星技術應運而生。與傳統的大衛星相比，小衛星具有功能密度高、重量輕、研制成本低、有效載荷種類多、飛行任務靈活多樣、性能指標千差萬別的特點[3-7]。近年來，小衛星在技術上快速發展，應用效益日益增長[8-9]，發展態勢強勁，各類小衛星進入高密度發射期，近年來全球成功入軌微小衛星統計數據如圖1所示。

圖1 2012-2016年全球成功入軌微小衛星數量

隨著航天事業的快速發展，小衛星的研制周期不斷縮短、數量不斷增多，“一箭多星”的發射模式已成為常態。為了統籌規劃航天器發射任務，大量小衛星在通過AIT(總裝、測試與試驗)測試后，在發射前可能需要長時間貯存。而小衛星貯存期間需要定期進行功能及性能巡檢,以確保小衛星隨時具備發射狀態。國內小衛星的傳統AIT流程，由于體系架構、軟件落焊等原因導致AIT流程過于繁瑣[10-11]，測試時間長且投入人員多，無法滿足批量化小衛星在發射前貯存階段的快速巡檢需求。

本文針對小型化、集成化、輕質化，并可支持多種巡檢模式、多種類型小衛星快速巡檢需求，設計并開發了一套便攜式的小衛星快速巡檢系統，具有適用性廣、穩定性好、效率高、成本低、便于攜帶等特點，推廣應用前景良好；并通過搭建系統驗證環境，對該系統的正確性和有效性進行了驗證，可為批量化小衛星快速巡檢提供參考。

1 系統總體設計

小衛星平臺艙及載荷艙內置星載測試單元，星載測試單元可完成小衛星自動測試功能。便攜式快速巡檢系統用于與星載測試單元配合完成小衛星巡檢任務。本系統總體設計架構分為三層，即數據采集層、數據管理層和應用層，其架構設計如圖2所示。

圖2 系統總體架構設計圖

數據采集層：通過數據采集卡采集小衛星的各類狀態參數、發送控制指令或巡檢序列，并為小衛星提供穩定的電源輸出。

數據管理層：包括數據庫和數據接口管理工具。數據庫用于完成數據處理(數據存儲、分析、管理等)，并為應用層提供數據訂閱服務；數據接口管理工具為數據采集層與數據庫之間的樞紐，將采集的衛星數據入庫。

應用層：面向巡檢人員的信息交互層，以“一鍵式”操作方式為巡檢人員提供巡檢序列執行、數據自動判讀、巡檢報告自動生成和用戶管理等服務。

此外，針對數據層和應用層的運行安全，設計了用戶權限管理模塊，對不同的操作者設置不同的權限，避免非法操作和跨權限操作。

2 系統硬件設計

系統硬件主要由便攜式加固計算機、穩壓電源、AD采集卡、OC指令輸出卡、422采集卡和相應的配套線纜組成。其中，AD采集卡、OC指令輸出卡和422采集卡插入便攜式加固計算機中的PCI總線插槽中，通過PCI總線接口與便攜式計算機進行數據通信，總線接口完全符合PCI V2.2規范。

2.1 便攜式加固計算機

便攜式加固計算機選用全加固軍規計算機，自帶PCI總線接口、串口、網口、USB等接口，具有加固抗震及便于攜帶的特點，強固特性通過IP65認證，適用于各種惡劣的戶外環境或需要經常移動使用的場合。此外，便攜式加固計算機配置高性能背光液晶屏和防震硬盤、可充電電池及高效的電源管理軟件，其中可充電電池單獨供電時間超過4小時。

2.2 穩壓電源

穩壓電源用于為小衛星供電，具備過流保護、過壓保護、過載保護和短路保護等功能，集成于便攜式加固計算機中。系統選用TDK lambda Z+系統電源作為穩壓電源，該系列電源具有可程控、體積小、高可靠、輸入輸出隔離等特點，支持遠端采樣，輸出電壓范圍0～36 V，輸出電流范圍0～10 A。便攜式加固計算機通過RS232接口或USB接口控制穩壓電源，兩種接口互為備份，默認采用RS232接口控制穩壓電源。

2.3 PCI板卡

系統主要使用三類PCI板卡，即AD采集卡、OC指令輸出卡和422采集卡。AD采集卡用于采集各種模擬量、電阻量、狀態量，通過電阻分壓可實現±50V的輸入量程，采集精度16bit，支持72路單端采集，具備高速串行/并行接口。OC指令輸出卡輸出部分采用磁隔離方式設計，指令脈寬精度0.1 ms，指令脈寬范圍1～6000 ms，支持16路OC指令和16路射隨指令輸出。422采集卡具有4路獨立的RS422接口，用于采集小衛星的所有狀態參數，并發送控制指令或巡檢序列。

選用PLX公司的PLX PCI9054作為PCI板卡的PCI總線控制器。PLX PCI9054具有以下特點：

1)符合PCI V2.2規范的32位33 MHz目標接口芯片，PCI突發傳輸速度高達132 MB/s;

2)PCI9054的LOCAL總線與PCI總線之間數據傳輸模式包括主模式、從模式和DMA模式；而LOCAL總線的控制包括M、C、J三種模式，其中常用C模式，即地址數據總線非復用模式;

3)提供了兩個獨立的可編程DMA控制器。

在板卡設計中采用LOCAL總線C模式的DMA方式，LOCAL總線的時鐘可達33 MHz。在此方式下PCI9054作為PCI總線主設備，同時也是LOCAL總線的控制者，使用DMA0通道作為數據傳送通道，通過設置DMA0控制器內部的寄存器即可實現PCI總線和LOCAL總線兩者之間的數據交換，其總線連接如圖3所示。

圖3 本地總線與PCI總線連接示意圖

2.4 系統結構設計

巡檢系統采用一體化設計，將穩壓電源集成于加固計算機中，便于巡檢人員攜帶。系統結構為一個整體，內部分為上下兩層，上層為便攜式加固計算機，下層為穩壓電源。由于大功率穩壓電源運行時會產生大量的熱量，散熱問題是系統集成設計重點考慮的問題。因此，在穩壓電源前后面板設置電源通風口，后面板設置風扇；而在整機結構設計時，設計通風口，保障前后面板通風正常，利于設備散熱，并且在主機內部增加一個散熱風扇，有助于穩壓電源散熱。整個巡檢系統尺寸為400 mm(長)×280 mm(寬)×130 mm(高),重量8.5 kg，特別適合于小衛星外場批量巡檢。

3 系統軟件設計

快速巡檢軟件是系統的核心軟件，運行于便攜式加固計算機上，通過RS422總線、PCI總線與小衛星各設備進行通信，通過RS232接口或者USB接口程控穩壓電源。軟件運行于WINDOWS平臺上，開發環境選用Microsoft Visual Studio 2010進行軟件開發，選用MySQL作為系統數據庫。系統軟件采用自頂向下的設計策略，先設計總體框架后設計各模塊及具體類，設計遵循模塊化、通用化、可配置、界面友好等原則。

軟件采用分層和模塊化設計，分層設計如圖4所示。按照層次劃分為用戶接口層、測試需求及策略層、適配層、驅動層、硬件層和對外接口層。其中，用戶接口層負責與用戶交互，測試需求及策略層為用戶接口層提供支撐，適配層用于為驅動層和測試需求及策略層提供轉換接口，驅動層用于實現操作系統與底層硬件的通信，硬件層為具體的板卡，對外接口層用于實現與小衛星上設備的接口。以上各層中，快速巡檢軟件直接相關層為驅動層以上各層。

圖4 快速巡檢軟件模塊設計圖

快速巡檢軟件內部接口主要涉及到上層界面和中間各層的數據交互。具體包括兩類：一是將操作界面中的輸入參數轉化為標準的參數結構，并將結構中的參數傳輸至中間相關層；二是將中間各層獲得的遙測數據和狀態信息在界面上進行顯示。軟件參數設置采用同步方式實現，而數據和參數采用異步操作方式獲取，在設計上采用windows系統的消息機制。

3.1 用戶管理設計

用戶管理模塊主要負責用戶的認證和管理，對于不同用戶角色提供不同權限，避免非法操作。該模塊實現的具體功能包括用戶添加、用戶刪除、權限管理和登錄管理，只有經過認證登錄的用戶才有權限執行特定操作。其中，用戶角色主要分為管理員和操作員兩類，管理員有權限對設置密碼的數據庫進行維護，可添加、修改、刪除操作員，并可對不同的操作員設置相應的操作權限；操作員的權限主要是面向巡檢人員日常的巡檢。

3.2 設備管理設計

設備管理模塊主要負責硬件設備的管理，包括板卡的識別、板卡自檢、板卡操作、電源管理等。用戶對硬件設備的指令也在本模塊轉化為對應板卡或者電源的操作，接收小衛星上的遙測狀態數據也是由本模塊上傳至相應的處理模塊。設備管理模塊在軟件啟動時自動檢索各板卡的狀態，若不在設備列表中，則打開板卡，同時配置板卡初始化參數，進行板卡自檢，并將板卡狀態更新至設備列表中。

3.3 巡檢管理設計

巡檢管理模塊主要負責小衛星巡檢時相關操作，包括對模擬量采集的數據處理和顯示，指令發送，對遙測數據的解析，巡檢序列的添加、修改、刪除、保存和執行，巡檢結果顯示以及巡檢報告自動生成等。在本模塊中，用戶編輯好巡檢序列和判定條件后，即可啟動“一鍵化”巡檢。在巡檢過程中，每一條巡檢指令的運行狀態和巡檢結果都可直觀顯示，所有巡檢指令執行完畢后自動生成巡檢報告或者報表。

為了應用于不同的巡檢場合，設計了不同的巡檢模式，共劃分為5種巡檢模式，即重要參數監視模式、巡檢序列上注模式、巡檢序列執行模式、主機程序更新模式、射前狀態檢測模式，不同的巡檢模式對應不同的巡檢界面。

3.3.1 重要參數監視模式設計

該模式為普通模式，即通過發送指令數據同時實時更新顯示相應遙測數據。用戶通過界面編輯或從配置文件中載入指令數據，在用戶選擇確認發送后，指令數據通過RS422接口發送至小衛星上設備，同時小衛星上設備通過422接口將遙測數據發送至便攜式加固計算機，便攜式加固計算機接收到遙測數據后立即交由快速巡檢軟件進行處理，快速巡檢軟件按照約定協議對遙測數據進行解析，并對重要參數進行監視，在超出正常范圍時進行高亮顯示或報警，所有操作和提示信息在界面中進行顯示的同時會保存至日志文件中。衛星遙測參數存儲于數據庫中，每個遙測參數對應唯一的標識號，巡檢人員可以根據重點關注的衛星遙測參數顯示需求將相應的標識號填入配置文件中，重新加載配置文件后即可實現重要參數的實時監視。

3.3.2 巡檢序列上注模式設計

該模式以巡檢序列為單位進行數據上注，即將多條指令數據整合在一起進行數據發送，巡檢序列由用戶自定義并以配置文件的形式進行存儲。在該模式中，用戶通過選擇編輯或從配置文件中讀取已經創建好的巡檢序列，在用戶確認發送后，巡檢序列通過RS422接口發送至小衛星上設備，同時遙測數據通過RS422接口由小衛星上設備下傳至加固計算機，再交由快速巡檢軟件處理，快速巡檢軟件在保存遙測數據的同時，按照約定協議提取上注巡檢序列相關遙測參數，并按照協議格式進行解析，解析后的數據可實時反映當前上注巡檢序列的過程狀態，并以直觀顯示的方式反饋給用戶。

3.3.3 巡檢序列執行模式設計

該模式主要控制小衛星上設備執行相應的巡檢序列，并對巡檢序列的當前執行情況根據相關遙測進行解析并直觀顯示。巡檢序列來源于上一模式，兩者工作流程類似。

3.3.4 主機程序更新模式設計

該模式主要由RS422接口完成對星務主機軟件代碼的升級替換。星務主機的程序存儲區劃分為星務計算機軟件存儲區和星務BootLoader軟件存儲區，而星務BootLoader軟件的主要功能是通過星地RS422接口接收地面命令及程序代碼，完成星務計算機軟件的代碼升級。在本模式中，快速巡檢軟件按照協議格式，將新程序代碼作為指令數據進行組包，通過RS422接口發送至星務主機，再由星務主機的BootLoader軟件完成對星務主機軟件的代碼替換。快速巡檢軟件根據星務主機更新程序后下發的遙測參數判讀程序是否更新成功。

3.3.5 射前狀態檢測模式設計

在小衛星發射前需要執行一些特定指令集，例如需要擦除星務主機BootLoader的程序以防止星務計算機軟件在軌被更改的風險。在本模式中，用戶事先通過配置文件或者界面配置好的射前指令，通過選擇射前指令，在用戶經過發送確認后，射前指令通過RS422接口發送至小衛星上設備，由小衛星上設備完成射前指令的執行，最終完成小衛星發射前狀態的配置工作。

3.4 日志管理模塊設計

日志管理模塊主要對軟件所有的操作時間、操作內容、操作結果和操作人員進行記錄，并對操作結果進行提示，如有錯誤則進行報警提示，所有日志信息存儲于日志文件中，便于后續日志查詢。進行報警提示時高亮顯示警告日志信息或錯誤日志信息。

3.5 數據管理模塊設計

數據管理模塊主要負責數據管理相關操作，包括界面配置、指令配置、遙測配置、數據記錄和配置文件管理等。

界面配置用于調用用戶界面，并對用戶定制化的界面信息進行保存，以保證下次軟件啟動時符合用戶使用習慣。指令配置用于編輯配置發送指令數據，這些指令也可用于巡檢序列中。遙測配置用于對接收的422數據和模擬量數據進行解析配置。數據記錄用于記錄所有接收的遙測數據和發送的指令數據，并存入實時數據庫中，便于日后查詢。配置文件管理用于維護閾值表、增量表、任務指令表、串口配置參數和重要參數監視配置等信息，以xml文件的形式存儲。

4 系統驗證

為了驗證便攜式快速巡檢系統功能的正確性和有效性，針對某型小衛星搭建了相應的測試驗證系統，該驗證系統主要由便攜式快速巡檢系統、某型小衛星(被測對象)和連接線纜組成，驗證系統各部分接口關系如圖5所示。經驗證測試結果表明，便攜式快速巡檢系統能夠滿足小衛星日常巡檢的功能性能需求。

圖5 驗證系統組成圖

此外，為了體現便攜式快速巡檢系統的優勢，分別采用便攜式快速巡檢系統和傳統測試方法對同一小衛星進行巡檢，并從巡檢時間和投入人員兩個維度進行比較，圖6給出了兩種巡檢方法的對比結果。由驗證測試對比結果可知，在同等巡檢質量要求下，對于單顆小衛星巡檢，快速巡檢系統約需1人巡檢2小時，而傳統測試方法約需2人2天。對于批量化小衛星巡檢，快速巡檢系統優勢將更加明顯，具有廣闊的應用前景。

5 結束語

在充分研究批量化小衛星快速巡檢需求的基礎上，提出了一種面向批量化小衛星快速巡檢的多模式巡檢方法，設計并開發了針對小衛星多種巡檢模式下的便攜式快速巡檢系統。重點介紹了系統的總體設計、硬件以及軟件的設計與實現，最后通過搭建驗證系統，驗證了面向批量化小衛星的便攜式快速巡檢系統功能的正確性和有效性。試驗結果表明，該系統在保證巡檢質量的同時，可大幅度降低時間成本和人力成本，可替代傳統的測試方式對批量化小衛星進行快速巡檢，為衛星新型測試方法探究提供了支撐。

圖6 系統驗證測試結果對比圖