遙感衛星接收系統伺服監控軟件設計

摘 要： 伺服系統是遙感衛星地面接收系統的重要組成部分，可靠性和安全性要求高。采用單進程、多線程、并行多模塊的結構，設計伺服系統監控軟件，實現了天線控制、設備監視、信息顯示、數據處理、通信及伺服性能指標自動化測試等功能，具有實時性強，自動化程度高，容錯性、可靠性及擴展性好等特點。該設計已用于實際工程項目中，實際使用結果表明該設計是合理可行的。

關鍵詞： 遙感衛星； 伺服系統； 軟件結構； 監控軟件

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0051?04

Abstract： The sever system is an important component in the ground receiving system of the remote sensing satellite， and has high reliability and security. The structures of single process， multi?thread， and parallel multi?module are adopted to design the monitoring software for servo system. The functions of antenna control， equipment monitoring， information display， data processing， communications and automatic test of servo performance index were implemented. The software has the characteristics of good real?time performance， high automation level， good fault tolerance， excellent reliability and extensibility. This design was applied to the practical engineering projects. The practical use result shows that the design is reasonable and feasible.

Keywords： remote sensing satellite； servo system； software architecture； monitoring software

伺服系統是遙感衛星地面接收系統的重要組成部分，是實現天線各種功能控制的執行機構，其主要任務是根據指令及相應的信號采取各種控制策略控制天線的運動，快速、準確、穩定、可靠地對目標進行搜索、捕獲、跟蹤[1]。對用于接收低軌遙感衛星的俯仰/方位/傾斜三軸天線座架，伺服系統需驅動幾十噸負載，且由于運動范圍的限制，需求的角速度、角加速度大等原因，因此需確保各種傳感器信息的接收、處理，各種條件下的控制和安全保護邏輯等準確無誤，實現系統功能和性能，穩定、可靠的運行[2?3]。而這都與伺服系統監控軟件有著直接的關系，在伺服控制系統中起到了越來越重要的作用。伺服控制軟件涉及到人機界面開發、系統控制、處理、通信、底層驅動等各個部分，控制邏輯復雜，并且與硬件關聯程度深[4]。伺服系統監控軟件設計需充分考慮到上述特點，同時還需考慮系統調試、維護、功能的擴展。

1 伺服監控軟件功能分析

伺服監控軟件需具備數據及信息的自動采集處理、控制和調節算法來實現自動化運行、監控、報警及測試等功能，具有實時性強、自動化程度高、容錯性、可靠性及擴展性好等特點[5]。伺服監控軟件安裝在天線監控單元的計算機內，該軟件為整個伺服控制系統的邏輯控制中心，如圖1所示，主要完成的功能有[6]：

（1） 天線操控功能：實現ACU本/遠控兩種運行模式切換；實現天線的各種工作方式管理，包括待機、手速、置位、程序跟蹤、自動捕獲/跟蹤、收藏、鎖定/解鎖、疊加掃描等工作方式的手動和自動切換。

（2） 控制和調節算法：完成環路調節器計算和天線控制策略選擇及實施，包括速度控制、位置控制、復合控制、誤差隨動控制功能等。

（3） 任務自動化運行管理：實現任務的自動化管理和運行，包括軌道點位數據的讀入、有效性檢查、軌道特征點分析與提取等，并生成程序跟蹤所需的引導數據；按照任務開始及結束時間，自動調用相關設備實現任務的自動化運行，包括讀取任務參數、置位、下發設備參數、自動控制任務開始轉程引、任務結束轉待機、上報任務執行報告等。

（4） 數據通信功能：實現ACU與其他設備的數據交互，包括與站監控管理單元（SMCU）的通信、與各頻段跟蹤接收機（TRK）的數據接收和參數配置接口通信、與ADU的網絡通信、與時碼編碼單元（PDU）的數據接收和零值修正以及中斷電平采集接口通信、與極化控制單元（PCU）的串口通信。

（5） 人機交互功能：完成人機界面的主信息顯示、參數配置、控制調度、輔助信息顯示等。

（6） 數據存儲記錄功能：實現伺服系統測角數據、相關設備綜合狀態信息以及操控運行日志的記錄存儲。

（7） 自動校相功能：實現各頻段對塔和對星自動校相控制，生成、維護參數列表，并具備參數提取、運算、配置、驗證、存儲等能力。

（8） 自動化測試功能：實現伺服系統性能、參數的自動化測試，包括運動范圍測試、最大角速度測試、伺服帶寬測試、指向精度測試、跟蹤精度測試等。

（9） 故障綜合功能：監視、匯總伺服系統中設備和運行狀態信息，并進行初步的綜合，給出狀態結果。

2 伺服監控軟件設計

2.1 軟件結構

監控軟件由系統支持軟件（操作系統）和應用軟件組成，整體軟件架構采用了數據總線、動態鏈接庫、軟件組件等技術，通過動態可重構體系結構設計，將大量的功能組件設計為相互完全獨立的通用組件，通過控制腳本的動態配置，將必要的組件結合起來，實現強大而靈活的監控功能。應用軟件模塊劃分充分考慮了功能獨立、代碼復用原則，為了方便模塊的編寫、調試、運行維護以及軟件的升級和擴展，每個模塊獨立封裝自已的參數、方法、界面，并單獨編譯，除主框架調度程序以可執行文件（.exe）形式存在外，其他模塊均以動態鏈接庫（.dll）的形式存在。應用軟件劃分為25個軟件部件（CSC），運行在Windows XP操作系統之上，采用單進程、多線程、并行多模塊的結構，軟件結構如圖2所示。各個CSC按照其具備的功能、操控的設備進行劃分，并設計為單獨的可執行動態鏈接庫。主控CSC是惟一可以獨立運行的部件，其他的CSC由主控CSC進行控制，彼此之間不進行控制的交互。

2.2 系統控制流程

整體軟件架構使用單進程、多線程的工作模式。運行時序以10 ms周期信號為基準來控制整個軟件系統的時序，要求所有的實時算法及操作控制必須在10 ms內完成，具體控制流程如圖3所示。控制流程如下：

（1） 初始化系統程序。在啟動程序時，首先初始化系統全局變量、SSI高速串口通信卡、多串口通信卡以及A/D數模轉換卡。其次初始化人機界面，創建可視化的系統組件；

（2） 創建主線程，打開系統配置文件，讀取并設置系統工作參數，包括位置環PID調節器參數、收藏位置、網絡配置、跟蹤參數、掃描參數以及自動捕獲條件等；

（3） 轉入等待中斷事件：若沒有中斷信號，則一直等待，直到收到中斷信號為止；若結束系統進程，則程序關閉；若等到中斷信號，則復位該中斷事件到無信號，表示該次中斷等待有效，調系統主控函數，完成主控功能；經中斷采集卡將中斷信號引入，產生Win32事件對象供線程使用，并標示為有效。然后再次轉入等待中斷事件。

2.3 狀態轉換

伺服控制系統可由SMCU或外部設備（諸如手輪手桿等）進行控制，系統讀入控制指令，然后內部進行一系列的控制操作，控制天線運行，并實時將天線狀態及異常監控出現時的狀況及時反饋至主界面，如圖4所示。

（1） SMCU控制狀態發出的遠控信號，或手輪手速控制狀態發出的脈沖信號，激活系統的讀入命令狀態；

（2） 讀入命令后，發送反饋信號，激活系統信息反饋狀態，將命令狀態送主界面顯示，同時發送啟動信號，激活異常監控狀態；

（3） 系統接收到控制指令，如無異常，則發送命令信號，激活天線運行控制狀態，并將天線狀態實時反饋于界面顯示；若出現異常，則激活系統信息反饋狀態，將異常信息反饋至界面顯示，同時激活異常處理機制，發送返回信號，等待控制人員下一步指令。

2.4 數據流向

數據流主要分為系統命令流、控制指令流以及系統信息流三種，操作命令處理單元和系統狀態顯示單元是兩大核心單元，數據流主要通過這兩大核心單元與其他控制單元進行數據操作，如圖5所示。

（1） 操作人員或SMCU發出的控制命令，以及手桿等產生的脈沖信號與站時統的B碼信號通過中斷采集、脈沖處理計數控制單元，發出的控制命令送至操作命令處理單元。

（2） 操作命令處理單元將處理過的控制命令送至D/A轉換控制單元，經過數/模轉換，以速度及狀態指令形式發送給ADU，完成控制天線的操作；操作命令處理單元將零值、匹配值修正命令發送至PDU控制模塊，PDU發送BT時統信息給系統狀態顯示單元；操作命令處理單元將極化控制命令發送至PCU控制單元，經過處理，將極化狀態實時反饋至系統狀態顯示單元；操作命令處理單元將系統配置信息及控制信息進行實時存儲，并實時反饋于系統狀態顯示單元；

圖5 數據流圖

（3） 系統狀態顯示單元接收來自于TRK的Ua，Ue，Uagc及鎖定LOCK信號，發送至顯示界面并發送至SMCU；系統狀態顯示單元接收來自于ADU的驅動狀態信息，PDU的BT時統信號，PCU的極化狀態信息，發送至顯示界面并發送至SMCU；系統狀態顯示單元實時讀取系統配置信息及控制信息，發送至顯示界面并發送至SMCU；系統狀態顯示單元將所有數據流實時以日志的形式進行保存。

2.5 自動化測試

自動化測試主要負責實現天伺饋的性能、參數的自動化測試。其包括天線運動范圍、最大角速度、最大角加速度、伺服帶寬、指向精度、跟蹤精度等測試。針對每個測試項，采用統一的結構設計，包括參數管理、測試開始/停止、測試運行體、測試進度顯示、測試結果顯示，以及測試結果的自動上報等。

2.6 人機界面

軟件人機界面設計的出發點是顯示的信息直觀明了，操作使用方便可靠。人機界面分為常駐和非常駐兩大部分。常駐部分不能被其他部分覆蓋，它包括實時角度、誤差電壓、工作方式等主要信息。非常駐部分包括功能參數設置、幫助提示信息、輸入對話框等。人機界面示意圖如6圖所示。該界面在繼承以往工程所應用界面的基礎上設計，在保證充分繼承性的同時，進行相關細節完善，還可根據用戶對設備操作等多方面的要求進行調整。

3 結 語

遙感衛星地面接收系統伺服控制系統集機、電于一體，采用計算機處理控制技術，實現靈活的系統功能，具有執行機構多、驅動電機多、傳感器多和控制系統復雜的特點，可靠性和安全性要求高。本文采用單進程、多線程、并行多模塊的結構，設計了伺服系統監控軟件，實現了天線控制、設備監視、信息顯示、數據處理、通信等功能。該設計已應用于實際工程項目中，使用結果表明：系統控制精度高，可靠性和可擴展性好，易操作維護。

參考文獻

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