基于LVDS的電子星模擬器設計

唐永學，朱桂梅，郝 亮

(1.北京軒宇空間科技有限公司，北京 100190；2.丹娜(天津)生物科技股份有限公司，天津 300467)

0 引言

隨著近期“嫦娥”系列月球探測器、中國空間站核心艙、“天舟”系列貨運飛船、“神舟”系列載人飛船的陸續成功發射，證明中國航天技術水平走在了國際前列。航天事業的步伐不斷的前進，對衛星執行任務的要求越發復雜、任務完成精度越高[1]，這就對衛星的姿態確定精度要求愈來愈高[2]。航天飛行器姿態測量主要的敏感器為星敏感器，衛星為了獲得其在空間中的位置信息及姿態變化情況，需要利用其上裝置的星敏感器來探測軸指向視場內的恒星的數量、亮度及相對位置等信息[3]。

星敏感器自身存儲有全天區的導航星圖，在工作過程中，通過其光學系統拍攝所對應的天球上的恒星，得到觀測星圖，將觀測星圖與導航星圖進行特征匹配，從而得出衛星本體的坐標系的姿態。姿態確定的輸入信息是姿態敏感器的測量數據，輸出是衛星的三軸姿態參數[4]。

電子星空模擬器是與星敏感器配套的地面測試設備。它可根據輸入的慣性姿態數據，實時生成與該姿態對應的星圖，按照接口時序向星敏感器線路盒輸出，使星敏感器線路獲得所需的電子圖像，從而達到實時動態模擬在軌星敏工作過程。

電子星模擬器可模擬光學系統殘差、暗電流、噪聲、總劑量效應、單粒子成像、溫度、雜光(日、月、飛行器反射光)、拖尾等因素的影響，即可用于星敏感器軟件調試、測試，也可替代動態光學星模擬器作為星敏感器的輸入，用于控制系統聯試，驗證星敏感器在軌工作性能[5-6]。

1 系統原理與組成

星模擬器主要星在實驗室里生成靜態或者動態星圖。星模擬器根據使用用途，可以分為靜態星模擬器(static star simulator)、動態星模擬器(dynamic star simulator)和電子星模擬器(electrical star simulator)。

靜態星模擬器產生一幅固定天區的星圖，不能測試星敏感器的動態性能，也不能參與閉路測試。靜態星模擬器的星點位置模擬精度較動態星模擬器要更高，一般用來考察星敏感器的光路和電路性能[7]。

動態星模擬器用于星敏感器動態性能的測試和標定，可以對星敏感器動態光學和電性能進行驗證。動態星模擬器需要實時顯示星圖，對星圖質量具有較高要求，具有光學系統，要求安裝精度高，成本較高[8-9]。

電子星模擬器產生星敏感器線路所需的電子圖像。電子星模擬器沒有復雜的光學系統，電子圖像傳送至星敏感器的CPU板，供CPU板軟件處理，從而達到實時動態模擬在軌星敏工作過程的目的，驗證星敏感器的在軌工作性能。

電子星模擬器由控制計算機及相關連接電纜組成，其工作原理如圖1所示。電子星模擬器由高性能PC機、圖像處理板、硬件底層驅動程序(FPGA程序、硬件驅動程序等)和人機交互界面軟件等組成。電子星模擬器控制計算機不僅可以自動生成星圖，也可以接收動力學計算機的輸入指令生成星圖，因此要求電子星模擬器控制計算機與動力學計算機間的通訊協議應簡單、直接。

圖1 電子星模擬器系統組成框圖

地面動力學每個仿真周期輸出慣性四元數信息，電子星模擬器根據輸入的四元數，查找星圖表，實時生成與該姿態對應的星圖，并將該星圖轉換為數字視頻信號通過LVDS電纜輸出，使星敏獲得所需要的電子圖像。在地面動力學閉環測試中，仿真周期設置為10 ms，則姿態更新周期為10 ms，星敏感器的采樣周期為200 ms，可設置不同工況下電子星模擬器產生星圖[10-11]。電子星模擬器圖像分辨率支持1 024*1 024；圖像位寬支持12 bit；能夠同時完成幀頻10 Hz的圖像上傳及采集。

2 電子星模擬器硬件方案設計

電子星模擬器包括測試計算機、LVDS圖像卡、通訊卡和對應測試電纜組成。其中，電子星模擬器接受指令并按照指令生成圖像，通過LVDS圖像卡提供給星敏感器，也可以通過LVDS圖像卡接收來自星敏感器發來的圖像并存儲。電子星模擬器總體結構如圖2所示。

圖2 電子星模擬器總體結構

電子星模擬器具體功能要求如下：

1)采用PC機擴展卡的形式，可選用PCI/PCIe接口擴展卡；

2)圖像為1 024×1 024×12 bit；

3)支持同時激勵2臺星敏感器；

4)能夠同時完成幀頻10 Hz的圖像上傳及采集；

5)要求板卡支持最大帶寬同時讀寫不低于20 Mbps；

6)要求板卡支持LVTTL電平發送與接收；

7)要求板卡支持RS422差分信號，不低于2路。

2.1 電子星模擬器圖像處理卡

圖像處理板為北京軒宇空間科技有限公司研發的PCIe LVDS圖像卡。該卡主要實現LVDS、LVTTL及其RS422差分電平接口，通過PCIe 總線與PC機通訊，實現與星敏感器接口時序，以及圖像的上傳與下載功能。具體性能如下：PCIe板卡尺寸167.65 mm*106.65 mm；符合PCIe V1.1規范，支持PCIe 1 Lane接口；支持DMA讀寫功能，50 MHz系統時鐘實測最大讀帶寬130 MB/s,寫帶寬84 MB/s，可支持66 MHz系統時鐘，最大讀寫帶寬可達150 MB/s；板載1GB DDR2顆粒，用作Fifo緩存；采用FPGA芯片，可根據實際需要實現特定時序接口；采用高速電磁隔離，最大傳輸延遲：7 ns；最大可承受脈沖電壓：6 kV；最大支持20/20 LVDS輸入/輸出接口，符合IEEE 1596.3 SCI /TIA/EIA-644規范；支持 4/4 路3.3 V LVTTL輸入/輸出接口；支持 4/4 路RS422差分電平輸入/輸出接口，符合TIA/EIA-422-B /ITU V1.1標準。

2.2 電子星模擬器串口通信卡

串口通訊卡主要與動力學計算機進行通訊，通過動力學計算機對電子星模擬器進行遠程操作，接收來自動力學計算機的指令，根據指令響應操作。采用MOXA卡，型號CP-134U-I。具體性能如下：處理最高效能可達700 kbps以上；最高傳輸率達921.6 kbps；提供信號自動流向控制；兼容3.3/5 V PCI和PCI-X；支持Windows、WinCE 5.0、Linux、Unix等驅動；具備15 kV ESD靜電保護；2 kV光電隔離保護。

2.3 電子星模擬器主機

電子星模擬器主機負責人機交互、圖像生成、圖像采集、存儲顯示等，是測試軟件運行的載體以及LVDS圖像卡、串口通信卡的安裝平臺。采用商用計算機實現，商用計算選擇是主要考慮圖像處理速度、主板安裝插槽、硬盤存儲空間。

為了能更好的進行圖像處理，在計算機CPU選擇時著重考慮處理速度，目前選擇i7系列CPU，主頻為3.4 GHz，四核八線程，以滿足圖像處理速度；因MOXA通訊卡總線為PCI，而自研的LVDS圖像處理卡為PCI-E接口，因此在選擇主板時應選擇有PCI和PCI-E的主板；選擇1 T以上存儲空間的硬盤。根據上述要求，選擇惠普的商用電腦ProDesk 480G6。

3 電子星模擬器軟件設計

電子星模擬器軟件需具備合理的設計實現思路，利用Windows系統平臺快速開發出軟件，滿足測試的要求。在性能上保證了軟件的穩定性、長時間測試性、運行的快速性；同時具有較高的數據存儲性能，兼顧對硬件的安全性、軍工產品的安全性、可靠性以及較低的資源占有率；界面的直觀操作具有美觀性、可用性、通用性等。

3.1 軟件運行環境

電子星模擬器軟件采用Microsoft Visual Studio 2010編寫，程序語言為C#以及VC++，軟件運行在Windows 7操作系統下；使用NI VISA來驅動LVDS板卡。人機交互界面、圖像顯示模塊、動力學參數模塊均是使用C#開發。人機交互界面使用了WPF界面開發以及Prism框架。板卡操作模塊、圖像生成模塊、板卡驅動模塊是使用C/C++開發。這樣的方案考慮了板卡操作的性能優化，以及界面開發的便捷性。C#調用C/C++動態庫的接口，采用調用方清堆棧的方式進行[12-14]。

3.2 軟件結構及功能模塊

電子星模擬器軟件為通用型軟件，為了兼容多種動力學地面設備，傳遞動力學參數使用串口和網口兩種傳輸模式。

軟件的功能模塊主要包括：人機交互、板卡操作模塊、圖像生成、圖像發送、圖像采集、動力學參數接收/生成及圖像顯示等功能。

1)人機交互模塊。基于靈活配置的軟件框架實現基本的按鈕控件、編輯框控件、主界面的顯示控件、開始/停止圖像數據輸出、開始/停止圖像數據采集、動力學參數顯示等。人機交互模塊使用C#開發，便于界面開發實現，且較為美觀。

2)板卡操作模塊。主要實現功能是：初始化LVDS圖像板卡發送功能、采集功能以及中斷功能；維護板卡操作線程；在板卡操作線程中將模擬星圖數據通過LVDS板卡發送圖像數據，并通過板卡采集圖像數據。此模塊使用VC++開發接口，以便于C#調用為原則進行設計；調用圖像生成模塊和板卡驅動模塊；調用NI VISA接口來操作板卡。

3)圖像生成模塊。主要功能是根據動力學參數以及其他系數(星點參數、標定系數等)，調用星圖庫生成模擬星圖數據。

4)動力學參數接收/生成模塊。根據界面用戶選擇初始化相應的串口或網口，根據界面用戶選擇開啟接收線程(從串口或網絡接收動力學參數)或生成線程(本地生成動力學參數)；維護動力學參數的實時性。使用C#開發；生成動力學參數主要是四元數根據當前設定的角速度進行積分、計算。

5)圖像顯示模塊。主要實現功能是：將RAW數據格式轉換BMP格式；BMP格式數據到顯示窗口的轉換；定時圖像更新；圖像分析，放大縮小，灰度值顯示。使用C#開發，窗口位圖按照BMP格式數據輸出。

各軟件模塊的關系如圖3所示。

圖3 軟件模塊關系

3.3 軟件工作流程

電子星模擬器軟件在線程同步性方面做了較多努力，重新設計了各個線程的分工。板卡操作模塊，是軟件的核心模塊，軟件的性能主要靠板卡操作模塊的運行情況來保證。在設計過程中多次對板卡操作模塊的工作流程進行了優化，以提升圖像發送和采集的性能和穩定性。在電子星模擬器軟件中使用了多線程技術，如果不加入同步鎖，進行線程同步操作時，很容易導致線程間爭奪資源或表現出不合理的結果，所以在代碼開發中嚴格使用鎖，對線程同步進行嚴格的設計和測試，避免線程的互鎖。電子星模擬器軟件主要工作線程的流程如圖4所示。

圖4 電子星模擬器軟件流程圖

3.4 軟件其他說明

3.4.1 動力學參數說明

為了動力學接口統一和明確，要求動力學參數傳遞(網絡、串口)時，四元數的順序必須為(q3，q2，q1，q0)，三軸角速度的順序為(w1，w2，w3)；動力學傳遞的角速度的單位為rad/s；為了便于查看，界面顯示的角速度單位為°/s。

3.4.2 星圖庫簡要說明

星圖庫采用北京控制工程研究所的星圖庫，專門為小型長壽命星敏電子星模模擬器提供，目前提供的庫生成的星圖為1 024×1 024×12 bit。

3.4.3 板卡操作技術簡要說明

LVDS輸出/輸入卡是北京軒宇空間科技有限公司自主研發的LVDS通訊卡，驅動使用NI VISA通用驅動。在NI VISA提供的庫的基礎上進行了進一步的封裝，形成板卡驅動模塊，使其更加易用。主要函數如表1所示。

表1 板卡驅動模塊函數

4 實驗結果與分析

4.1 電子星模擬器指令響應時間

根據指標要求能夠同時完成幀頻10 Hz的圖像上傳及采集，即電子星模擬器接收到動力學計算機的指令后，將生成的星圖上傳給星圖的響應時間≤100 ms。響應時間定義：電子星模擬器接收到指令計算機最后一個字節停止位至電子星模擬器將圖像的第一個數據位推出的時間間隔。

由于使用Windows系統，實時性有一定限制。為保證圖像正確性及其周期性準確，采用板卡端控制時序的策略，在發送一幀圖之前的一定時間內，向軟件發送圖像數據請求。軟件則需要在請求時間內，將圖像數據發送至板卡。這樣的方案下，由于板卡時鐘和動力學指令為異步，則有，請求時間<電子星模擬器指令實際響應時間<請求時間+動力學指令時間間隔。電子星模擬器指令實際響應時間受設定的請求時間以及動力學指令時間間隔兩方面影響。

為了配合驗證，將動力學參數指令發送時間間隔設定為10 ms。為了保證圖像數據的準確性，請求時間應大于軟件端所需要的圖像發送時間。軟件操作流程如圖5所示。

圖5 軟件操作流程圖

通過以上分析，影響響應時間的因素主要有：星圖生成時間、寫DMA時間及Windows線程調度引起的線程等待。表2所示的是通過軟件打印星圖生成時間、寫DMA時間，以及獲取的請求標志時間間隔，運行情況為單通道發送。

表2 單通道軟件測試發送時間

星圖生成時間較短，均小于5 ms。板卡寫DMA帶寬為84 MB/s，根據此速度計算得到寫2 MB數據時間為23.8 ms。根據上圖可以看出，DMA時間最大為25 ms。連續發送1 000次2 M數據的時間為24 120 ms，認為DMA發送時間為25 ms是可信的。

為了確認Windows系統下，線程調度引起的線程等待時間，在2通道發送、采集均開啟的情況下，繼續進行測試。通過48小時拷機實驗，利用軟件輸出的數據文件進行統計，結果為：中斷的時間間隔為90～110 ms，中斷響應受Windows系統線程調度影響導致的不穩定度認為是10 ms；從接收到板卡中斷，到寫DMA完成時間為25～45 ms；從接收到板卡中斷，到寫DMA完成，再到讀取板卡采集圖像數據完成，時間為50～75 ms；一個周期內，最大的耗時不超過中斷的不穩定度+完成發送采集的時間，即10 ms+75 ms=85 ms，為了保證系統的穩定性，中斷到板卡開始發送數據的時間間隔設定為90 ms，略大于測試的最大耗時，周期為100 ms，則可以保證系統的正常運行。

綜上所述，使用動力學參數生成圖像的時機為響應中斷的時間，中斷到板卡開始發送數據為90 ms，響應中斷的不穩定度為10 ms，可以認為取動力學參數的時間到發送圖像的時間為80～90 ms，由于動力學參數間隔為10 ms，故電子星模擬器指令響應時間為80～100 ms，滿足系統設計指標。

4.2 電子星模擬器四元數誤差

在某衛星控制分系統地面測試中，將電子星模擬器接入閉環測試回路，在測試過程中，將同一時間段的地面動力學輸出給星敏的理論數據和星敏采集到的姿態信息數據進行分析，理論值和采集值的誤差曲線如圖6所示，經過數據分析，理論值和采集值的最大誤差為0.000 7，小于0.07%，此誤差對于閉環測試系統姿態確定的影響可忽略不計。電子星模擬器性能滿足要求，證明了電子星模擬器的實用性和有效性。

圖6 理論值和采集值誤差

5 結束語

本文設計完成了電子星模擬器的軟硬件，此電子星模擬器在某衛星控制分系統地面測試中成功的進行了閉環試驗。為更充分的驗證衛星控制系統方案的可行性，以及確定姿態的工作情況，將電子星模擬器應用于衛星控制分系統的閉環測試中，在地面模擬了星敏在軌識別的星圖，測試結果表明電子星模擬器動態響應迅速、工作穩定、誤差小，該電子星模擬器具有通用性，可廣泛應用于控制系統閉環測試中。