基于包應用標準的紫外極光成像儀通信控制系統的設計與實現*

劉曉紅 王詠梅 王天放

1(中國科學院國家空間科學中心 北京 100190)

2(中國科學院大學 北京 100049)

3(天基空間環境探測北京市重點實驗室 北京 100190)

4(中國科學院空間環境態勢感知技術重點實驗室 北京 100190)

0 引言

極光是日地空間物理現象中一種可見的現象[1]，是由來自太陽的高能帶電離子流在地球磁場作用下與高層大氣的分子原子碰撞產生的。極光輻射光譜覆蓋紅外到極紫外波段，反映高層大氣分子、原子光譜，極光區的粒子沉降，以及引起高層大氣主要成分垂直分布的變化。通過對極光的遠紫外波段進行探測，可以獲得地球中高層大氣粒子及密度信息[2]，研究地球磁場與太陽風的相互作用，更好地了解空間大氣。

太陽風-磁層相互作用全景成像衛星（SMILE）工程是中國首次與歐空局進行深度合作的空間科學探測任務，紫外極光成像儀（UVI）是該衛星工程重要的有效載荷之一。其主要科學目標是實現對極光形態的連續成像探測，觀測極光卵/極蓋的位置、大小、強度分布等追蹤極光形態隨時間和空間變化的過程，獲得沉降粒子流量及能量等信息。

電控箱通信與控制系統作為紫外極光成像儀的重要組成部分，負責與探測頭部和載荷平臺之間的指令通信以及數據接收、處理、下傳的重要任務。本文分析了通信與控制系統的工作原理和各功能模塊設計，為與國際對接，通信上使用了歐洲空間標準化組織（ECSS）的包應用標準[3,4]（PUS）。為滿足電子學的集成測試以及飛行需求，該標準定義了地面到太空的應用級接口[5]。測試結果表明，通信與控制系統能夠正常運行，可靠實現各項功能，滿足任務指標要求，PUS 的應用使得衛星數據的交互和處理更便捷有效，有助于實現中國航天器遙控遙測系統的標準化。目前中國對PUS 的應用缺乏從工程角度闡述軟件的具體實現過程及驗證。

1 系統組成與工作原理

紫外極光成像儀（UVI）由探測頭部（UVI-C）和電控箱（UVI-E）組成，探測頭部為基于ICMOS 的成像儀，電控箱通信與控制系統主要負責與探測頭部和載荷平臺（PLM）通信，其工作原理如圖1 所示。系統工作時，電控箱通信與控制系統FPGA 通過RS422 串行總線接收來自載荷平臺的指令和時間碼信息，經解析處理，對屬于探測頭部的指令通過RS422 進行轉發，對屬于電控箱的指令直接執行，對時間碼信息進行更新，同時電控箱接收來自探測頭部的科學數據和工程參數，科學數據接收后先緩存至系統外設的SDRAM 中，工程參數接收后合并電控箱部分的工程參數進行打包，按照協議通過RS422 發送至載荷平臺。

圖1 電控箱通信與控制系統工作原理Fig.1 Diagram of communication and control system

2 PUS 業務選擇與實現

紫外極光成像儀與載荷平臺的接口設計采用PUS 標準，物理層選用異步RS422 協議，波特率為1 Mbit·s-1。應用層按照ECSS-E-70-41 A[3,4]定義的PUS 標準執行。PUS 標準描述了用于傳輸請求的遙控包格式和傳輸報告的遙測包格式與內容，這兩個數據流完成載荷狀態監測和控制。表1 為PUS 包結構，其中遙測和遙控的數據域頭和包數據域可變，表2 為PUS 遙控包數據域頭結構定義，表3 為遙測包數據域頭結構定義。遙控包和遙測包均包含業務的服務類型和子服務類型。對于遙控數據包，包數據域內容為具體指令內容或者時間碼，對于遙測數據包，包數據域內容為發送的具體科學數據、工程參數以及其他數據包內容。

表1 PUS 包結構Table 1 PUS packet structure

表2 PUS 遙控包的數據域頭結構Table 2 Data field header structure in tele-command packet

表3 PUS 遙測包的數據域頭結構Table 3 Data field header structure in telemetry packet

PUS 標準支持對業務的裁剪，紫外極光成像儀根據需求對PUS 業務進行選擇，表4 列出了實際使用的業務類型。其中，遙控確認業務、時間管理業務、測試業務、探測頭部指令業務以及電控箱指令業務用于系統對指令的處理，大數據上傳業務用于對科學數據的處理，工參和診斷數據報告業務用于對遙控工程參數的處理。為增加系統設計的可靠性，提出故障診斷的方法[6]，使用事件報告業務對系統故障進行處理。

表4 選擇的業務類型Table 4 Selected service for the project

3 電控箱通信與控制系統設計

電控箱通信與控制系統基于FPGA 實現，包括的功能模塊主要有指令接收與處理、科學數據采集和處理、故障診斷與事件包生成、遙測工程參數包生成以及數據包仲裁發送，數據流如圖2 所示。

圖2 電控箱通信與控制系統數據流Fig.2 Data flow of communication and control system

3.1 指令接收與處理

電控箱通信與控制系統負責接收來自載荷平臺的指令，接收的指令按照PUS 業務進行區分，該模塊應用到的PUS 業務包括遙控確認業務、時間管理業務、測試業務、探測頭部指令業務和電控箱指令業務，根據接收到的指令業務類型，進行相應的應答或者操作。

當電控箱通信與控制系統FPGA 接收到來自載荷平臺的指令后，對指令的PUS 包頭（APID）、包類型、包長以及校驗和進行判斷，若都正確，按照PUS協議向載荷平臺發送“指令接收成功報告”，如果錯誤，則需要按照協議發送“指令接收失敗報告”。對于測試指令，需要發送“連接測試應答”到載荷平臺。對于時間碼信息，不發送反饋，只更新內部時間碼。通過指令服務類型判斷為屬于探測頭部的指令，需要在接收后100 ms 內將指令發送至探測頭部；若判斷為屬于電控箱的指令，則立即執行該指令。指令接收和處理流程如圖3 所示。

圖3 基于PUS 的指令接收和處理流程Fig.3 Data flowchart of command receive and process based on PUS

3.2 科學數據采集與處理

科學數據來自探測頭部，電控箱通信控制系統接收探測頭部的科學數據，判斷包頭和包長正確無誤后，更新包頭中的工程參數數據，存儲到SDRAM 中，等待仲裁模塊判斷發送端RS422 空閑時，按照PUS 大數據上傳業務，分包發送到載荷平臺。發送的每小包數據量為886 Byte（最后一包為不定值）。一包科學數據包括數據包頭、圖像數據和數據包尾，其中包頭固定為242 Byte，包尾16 Byte，圖像數據最大數據量為3 145 728 Byte。

3.3 故障診斷與處理

為保證系統的可靠性，電控箱通信與控制系統根據遙測參數的門限值對遙測參數進行實時監測，監測到異常跳變后通過PUS 事件報告業務向載荷平臺下發異常報告，同時生成異常處理指令，確保異常情況的及時處理。PUS 事件報告業務分為中等級事件和高等級事件。對于中等級事件，載荷平臺接收到該事件后需上報至地面系統；對于高等級事件，載荷平臺直接切斷電控箱電源。

3.4 遙測工參包生成

電控箱通信與控制系統接收探測頭部的工程參數后，與電控箱自身采集的工程參數組包，發送到載荷平臺。工程參數內容共232 Byte，包括134 Byte頭部工程參數，98 Byte 電控箱工程參數。當探測頭部未工作時，電控箱每隔10 s 自動更新電控箱工程參數內容進行發送。

3.5 數據仲裁發送

電控箱通信與控制系統通過RS422 與載荷平臺進行通信，傳輸速率為1 Mbit·s-1。由于需要發送到載荷平臺的數據包內容包括指令反饋、故障事件包、工程參數以及科學數據包，每種數據按照對應的PUS格式整理，生成數據請求信號，發送時需要按照指令反饋-事件信息-工程參數-科學數據包優先級順序進行仲裁，依次判斷數據請求信息發送相應數據。

4 測試結果與分析

探測頭部模擬器可以按照探測頭部的功能自動生成工程參數和科學數據原始數據，上位機軟件可以模擬載荷平臺接收數據，目前通過探測頭部模擬器、上位機軟件與電控箱通信與控制系統完成系統聯試，對測試結果進行了分析。結果表明電控箱通信與控制系統工作穩定，完成了指令的接收和處理，科學數據接收、存儲和組包格式正確，圖像數據經過去包頭包尾處理后與探測頭部模擬器生成的結果一致。故障診斷與處理方法正確有效，工程參數組包格式正確，各數據包連續，無數據丟失情況，通信與控制系統各項測試結果均滿足任務需求。圖4 給出了探測頭部模擬器生成的原始圖像與上位機接收科學數據并對圖像進行反演后的圖像對比，圖像大小為1024×1024×2 Byte，數據接收及傳輸誤碼率為0。

圖4 原始數據圖像（a）與模擬的載荷平臺接收數據反演圖像（b）的對比Fig.4 Comparison between the original image (a)and the inversion image (b) received from the simulated payload platform

5 結論

針對中國衛星遙控遙測系統格式不一致且缺乏靈活性的問題，根據SMILE 衛星紫外極光成像儀的任務需求，通過研究PUS 標準業務，設計研制了基于該標準的電控箱通信與控制系統，詳細描述了PUS 標準在該系統各模塊中的應用。經過與頭部模擬器進行聯合測試，結果顯示該通信與控制系統測試結果滿足任務需求。PUS 標準的應用提高了衛星通信系統的靈活性和通用性，研究結果可為衛星快速研制提供參考。