一種衛星有效載荷地面遠程測試系統設計

趙川 楊海龍 梁軍民

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

一種衛星有效載荷地面遠程測試系統設計

趙川 楊海龍 梁軍民

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

提出了一種衛星載荷數據的地面遠程測試實時處理分析方法，詳細論述了其實現原理及實際系統中的各功能模塊，重點介紹了遠程測試服務平臺內部結構設計、遠程測試終端內部結構設計、內部數據通信協議設計、系統工作流程等及部件的設計思路和實現方法。文章所介紹的衛星有效載荷遠程測試系統，能夠支持衛星下傳的超大數據量數據在遠程終端監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射場的衛星進行實時監視和測試。

衛星載荷數據；遠程測試；實時處理分析

1 引言

隨著我國航天技術的發展，航天器高密集發射的需求越發凸顯，在現有測試系統應用條件下專家力量已不足以支撐如此高密度的發射任務，因此發展衛星的遠程測試系統，使專家力量在北京便能對衛星發射場的實時狀態進行監視和控制。目前已有多家廠所及科研機構著手研制衛星的遠程測試系統，并已具備遙測參數、控制命令等小數據量數據的遠程實時處理分析功能，但尚不具有對衛星數傳分系統下傳的超大數據量的載荷數據實時處理和分析功能，仍然需要專家坐在測試現場對數據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。

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

2 系統方案

2.1 總體結構

衛星載荷遠程測試系統的主體架構如圖1所示，系統包括遠程測試服務平臺和遠程測試終端兩部分［3-4］。其中遠程測試服務平臺布置在發射場測試大廳，為整個遠程測試系統提供載荷數據分析處理工具的運行平臺和遠程測試服務；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絡連接到遠程測試服務平臺的虛擬應用服務，在終端本地桌面創建應用程序鏡像，通過對本地應用鏡像的操作，來實現載荷設備操作、載荷數據的遠程實時分析、處理及顯示等功能。

圖1 衛星載荷遠程測試系統網絡結構示意圖Fig.1 Network topology graph of system

2.2 遠程測試服務平臺設計

遠程測試服務平臺是遠程測試系統的核心，由應用服務器和遠程測試服務程序兩部分構成。遠程測試服務程序的內部結構如圖2所示，由載荷數據交互接口、遠程服務、中心控制、數據處理解析管理控制中心、即插即用數據處理解析等模塊組成。載荷數據交互接口采用TCP/IP網絡協議與載荷測試設備進行數據交互；遠程測試服務模塊負責通過遠程測試網絡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平臺的初始化和運行工作；數據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據處理解析模塊的運行和初始化，并與之進行數據交互工作；即插即用數據處理解析模塊采用通用的數據接口，實現不同類型數據處理功能的即插即用。

圖2 遠程測試服務平臺內部模塊結構圖Fig.2 Internal structure of remote testing service platform

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

本文2.3節將對衛星載荷遠程測試系統中采用的圖像分區壓縮關鍵技術進行詳細說明。

2.3 圖像分區壓縮技術

在載荷數據處理軟件處理載荷數據的過程中，可能僅有一小部分界面是在實時更新的，而大多數區域是沒有變化的，如果將整個界面圖像進行傳輸，勢必造成大量不必要的網絡帶寬占用情況，因此為了有效節省測試過程中的帶寬占用量，衛星載荷遠程測試系統采用圖像分區壓縮技術來對圖像進行分區壓縮傳輸。

具體實現原理如圖3所示，衛星載荷遠程測試系統將載荷數據處理分析軟件運行的實時界面區域進行4×4等分劃分（劃分的顆粒度可以根據實際應用需要進行人工設置），使用每個區域所在的二維矩陣坐標對該區域進行標示，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，遠程測試服務平臺根據區域等分設置情況，對載荷數據處理的實時運行界面區域進行分區獲取，逐個對當前分區的圖像數據與之前對應區域的歷史圖像數據進行尺度不變特征轉換（Scale Invariant Feature Transform，SIFT）算法匹配，若當前區域的圖像數據與之前的數據不匹配，則將該區域的圖像數據封裝壓縮后發送到遠程測試終端進行解壓顯示［8-10］，然后繼續下一個區域圖像數據的匹配操作；若與之前圖像匹配完好，則繼續檢測下一個區域的圖像數據，如此反復直至整個界面的所有區域都被遍歷。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據傳輸的帶寬占用量。

圖3 數據實時處理分析圖像分區獲取示意圖Fig.3 Sketch map for the method of image partition

2.4 遠程終端設計

如圖4所示，遠程測試終端是整個系統面向用戶的部分，終端由普通計算機作為運行平臺，終端軟件由服務通信接口、操作顯示模塊、中心數據路由模塊、數據處理模塊組成。服務通信接口采用TCP/ IP網絡協議與遠程測試服務平臺進行數據交互；操作顯示模塊負責顯示實時數據處理結果圖像并為用戶提供與本地操作感受一致的操作界面；中心數據路由模塊負責整個遠程測試終端內部數據的傳輸控制功能；數據處理模塊負責對分析處理結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，向用戶呈現載荷數據處理結果的實時圖像信息，同時采集用戶的實時操作信息，并將操作信息發送給中心數據路由模塊等待發送。

（2）中心數據路由模塊是整個遠程測試終端的數據交互橋梁，終端內部的所有數據都要經過此模塊，以到達其對應的數據發送或解析處理模塊；中心數據路由模塊的設計，可以使終端內部傳輸的數據有條不紊地在其內部流通。

（3）遠程測試終端向遠程測試服務器發送的用戶實時操作信息和遠程測試終端所顯示的數據實時處理結果圖像，都是通過數據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據發送到其中進行處理，處理后數據處理模塊會將數據反饋給中心路由模塊進行分發。

（4）服務通信接口采用TCP/IP通信協議，通過遠程測試網絡與遠程測試服務端進行數據通信，向遠程測試服務端發送用戶的實時界面操作信息，與此同時，從遠程測試服務端獲取載荷數據的實時處理結果圖像數據，并將其發送到中心數據路由模塊進行分發處理。

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

2.5 傳輸數據幀格式設計

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

表1 系統內部數據交互數據格式Table 1 Data interchange format of system

2.6 系統運行流程

衛星載荷遠程測試系統的整體運行流程如圖5所示。

圖5 系統運行流程圖Fig.5 Operation flow chart of system

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

（2）用戶的操作控制命令通過遠程網絡傳輸到遠程測試服務平臺；

（3）遠程測試服務平臺解析該命令并執行相應操作；

（4）遠程測試服務平臺獲取載荷數據的實時處理結果圖像，并將變化區域的圖像進行壓縮處理，通過遠程網絡發送到遠程測試終端；

（5）遠程測試終端接收到載荷數據的實時處理結果圖像數據后，對圖像數據進行壓縮并將圖像更新到對應區域；

（6）用戶根據需要繼續在遠程測試終端上進行相應操作；

（7）遠程測試終端將用戶的操作轉換為操作數據，并將操作數據封裝為統一內部通信幀格式，發送到遠程測試服務平臺；

（8）重復第3步～第7步的操作直至載荷測試完畢，用戶發送退出操作命令；

（9）遠程測試服務平臺接收到退出操作命令后，首先關閉本地運行的載荷數據分析處理工具，然后向對應的遠程測試終端發送結束運行消息；

（10）遠程測試終端接收到結束運行消息后，關閉本地的載荷數據實時結果圖像，至此載荷遠程測試工作結束。

3 系統的應用和特點

衛星載荷遠程測試系統目前已經在多個型號的發射場任務中得到應用，解決了衛星研制過程中對載荷下傳的超大數據量數據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絡的帶寬限制，實現了小帶寬條件下載荷超大數據量數據的實時分析處理功能。該系統具備如下特點：

（1）衛星載荷遠程測試系統，將所有數據的處理、分析集中在現場服務器中進行，數據不再全部回傳便可完成載荷超大數據的實時分析處理工作，解決了載荷超大數據量的下傳數據的遠程實時分析處理難題，這是現有遠程測試系統所不具備的功能；

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

（3）衛星載荷遠程測試系統能夠實時傳輸載荷數據處理分析結果圖像，并實時響應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時間，即可完成由現場測試到遠程測試工作的轉變；

（4）衛星載荷遠程測試系統采用變化圖像分區壓縮算法，運行過程中只需占用很小的網絡帶寬，可以在任何極端條件下完成對遠程載荷數據實時處理、分析和監視工作的支持。

4 結束語

目前，衛星載荷遠程測試系統已經成功應用于小衛星8型12星的發射場遠程測試任務，圓滿配合完成了各項發射場測試工作。但是，目前本系統僅支持電子載荷數據和部分光學載荷數據的遠程實時處理分析功能。后續需要對軟件的數據編碼壓縮算法進行優化升級，擴大系統對光學載荷數據的支持面；引入帶寬的智能分配使用算法，進一步提升系統對遠程網絡帶寬的有效使用率；開展遠程數據傳輸的數據安全研究，探索利用公眾網絡傳輸保密數據的可行性。

（References）

［1］張雋，翟正軍，姜紅梅，等.遠程故障診斷系統通信數據壓縮技術研究與驗證［J］.計算機測量與控制，2009，12（01）：49-52 Zhang Jun，Zhai Zhengjun，Jiang Hongmei，et al.Research and verification on data compression technology of remote fault diagnosis system［J］.Computer Measurement&Control，2009，12（01）：49-52（in Chinese）

［2］袁洪芳，王信義，張之敬，等.基于Internet的FMS遠程監測與故障診斷技術研究［J］.制造業自動化，2000，22（5）：37-39 Yuan Hongfang，Wang Xinyi，Zhang Zhijing，et al. Research on Internet based FMS remote monitoring and fault diagnosis technology［J］.Manufacturing Automation，2000，22（5）：37-39（in Chinese）

［3］Li Q L，Wang G Y，Liu J G，et al.Robust scale-invariant feature matching for remote sensing image registration［J］.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2009，6（2）：287-291

［4］葛二靈，符意德，年瑞，等.基于云服務的設備遠程診斷實時交互平臺設計［J］.計算機與數字工程，2012，40（10）：156-158 Ge Erling，Fu Yide，Nian Rui，et al.Design of instant communication in remote diagnosis based on cloud services［J］.Computer and Digital Engineering，2012，40（10）：156-158（in Chinese）

［5］謝桂蘭，羅省賢.基于Hadoop Map Reduce模型的應用研究［J］.微型機與應用，2010（8）：4-7 Xie Guilan，Luo Shengxian.Study on application of Map Reduce model based on Hadoop［J］.Microcomputer &Its Applications，2010（8）：4-7（in Chinese）

［6］董興陸，惠曉濱，楊仕美，等.基于Multi-Agent的遠程測試故障診斷系統的建模［J］.火力與指揮控制，2012 37（10）：50-53 Dong Xinglu，Hui Xiaobin，Yang Shimei，et al.Study on modeling of remote test and fault diagnosis system based on Multi-Agent［J］.Fire Control&Command Control，2012，37（10）：50-53（in Chinese）

［7］張晨光，安雪巖，易航，等.運載火箭組裝與測試遠程協同信息平臺技術［J］.宇航學報，2014，35（8）：901-907 Zhang Chenguang，An Xueyan，Yi Hang，et al.Remote collaboration information platform technique for assembly and test of launch vehicle［J］.Journal of Astronautics，2014，35（8）：901-907（in Chinese）

［8］曹松.JPEG2000中的感興趣區域編碼［J］.電視技術，2002（5）：10-13 Cao Song.Interesting area encoding of JPEG2000［J］. Television Technology，2002（5）：10-13（in Chinese）

［9］劉泉，周祖德，王晟.基于小波變換的JPEG2000圖像壓縮研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2002，30（2）：75-77 Liu Quan，Zhou Zude，Wang Sheng.JPEG2000 image compression based on wavelet transform［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition），2002，30（2）：75-77（in Chinese）

［10］張寧.JPEG2000中的感興趣區域編碼算法［J］.計算機與數字工程，2003，31（5）：20-27 Zhang Ning.JPEG2000 in the region of interest in the encoding algorithm［J］.Computer and Digital Engineering，2003，31（5）：20-27（in Chinese）

（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，從事小衛星地面測試系統設計與研制工作。Email：zhaozihu@163.com。