時頻綜合監控管理系統在航天測控場中的設計與應用

趙德艷 李小光 蔣勇 介陽陽

摘 ? 要：通過對時頻綜合監控管理系統在航天測控場中應用需求、主要用途分析，文章提出了構建時頻綜合監控管理系統基本內容和設計方案，實現時頻設備狀態監管、設備遠程故障診斷等功能，提高時頻設備可靠性。

關鍵詞：綜合監控;遠程診斷;管理系統;航天測控場

1 ? ?航天測控場視頻設備介紹

隨著科學技術的發展，人類對航天科技的研究不斷深入，對航天測控精度要求也越來越高，時間統一勤務系統（簡稱：時統）的時頻設備輸出頻率和時間信號是獲得高精度測控數據的基礎。隨著時頻設備不斷更新，種類越來越多，集成度越來越高，功能越來越強大，在航天測控場中使用的時頻設備就有十余種。如何更好地實現對時頻設備實時狀態的監控管理、參數調整、頻率準確度的快速計算和顯示、及時準確的遠程故障診斷、有效節省人力資源等，成為航天測控場中時統亟待解決的問題。因此，如果建設一套時頻綜合監控管理系統，通過網絡方式實時對時統的時頻設備狀態進行采集、監控、管理，技術人員不僅可以實時監控、調整設備狀態，還可以隨時對數據進行分析、處理、比對，提高時頻設備可靠性。

2 ? ?需求分析

為了實現對航天測控場中時統的時頻設備狀態綜合監管，數據綜合分析、處理，實現原子頻標自動時延測量，精準、快速計算準確度，實時監管頻率信號狀態、分析定時信號（GPS/北斗信號）優劣，掌握原子頻標的工作性能，實現時頻設備故障遠程診斷等功能，需要構建一套時頻綜合監控管理系統。

2.1 ?時頻狀態監管

隨著時頻設備不斷地改進、更新，為了實現對設備狀態的監控管理，新設備設計時要求設備可通過協議端口輸出設備狀態，例如：頻標、晶振鎖定狀態、B碼輸出及同步精度等關鍵指標。時頻綜合監控管理系統可以利用該協議端口，采用相應的硬件設備，利用軟件編程，實現時頻設備狀態的單站采集、綜合監管的功能。

2.2 ?頻率準確度精準、快速計算

目前，航天測控場中頻率基準由銣原子頻標提供，銣原子頻標為二級頻標，輸出頻率準確度優于1.0E-10的量級，如果對頻率準確度的要求更高，就要進行守時校頻工作，手動或自動調整頻率準確度，使其輸出頻率滿足高精度測控設備對頻率準確度的要求。

2.3 ?定時校頻（GPS/北斗）信號狀態分析

時頻設備定時校頻可以通過GPS/北斗信號進行，GPS、北斗信號是否正常，直接影響定時、校頻精度。GPS/北斗信號自身也在不斷漂移，也有時延調大現象，如果不采用專門的設備測試記錄很容易被忽略。但是如果在定時、校頻的關鍵時期出現，很容易造成同步時頻設備輸出信號的精度變差或測試不準，造成不必要的麻煩。時頻綜合監控管理系統的建立可以實時（每秒一個點）比對、記錄GPS/北斗秒、頻標秒的變化情況，采用圖示直觀顯示、比對，更容易發現出現問題的信號，并可以對多站點定時校頻（GPS/北斗信號）狀態綜合分析，確保結果的準確、有效。

2.4 ?設備遠程故障監控

時頻監控管理系統的構建，可遠程掌握設備指標的變化情況，當發現設備狀態變化、人員操作失誤、設備響應錯誤等故障時，監管系統報警提示，可以實現設備故障遠程監控。

3 ? ?研究內容

3.1 ?時頻設備狀態的采集分系統

通過計算機對時頻設備采集設備狀態輸出相關信息，遵循時頻設備網絡監控件定義，通過試驗網實時傳輸數據至時頻綜合監控管理系統，實現狀態查閱、故障報警功能。

3.2 ?時頻原子頻標守時校頻時延測量系統

原子頻標守時校頻時延測量系統軟、硬件設計，實現GPS、北斗、頻標秒的相互時延測量，并遵循分時段采集處理原則，通過試驗網實時傳輸數據至時頻綜合監控管理系統。

3.3 ?時頻綜合監控管理系統軟件編程及界面設計要求

（1）各時統站原子頻標狀態信息采集顯示及故障報警。（2）各時統站守時校頻數據信息采集處理。（3）根據上報的各時統站守時校頻數據實時計算相應的頻率準確度。（4）通過采集的數據進行分析，確定上報錯誤的信息，進行故障定位。（5）設定上報信息狀態錯誤報警的異常設置，達到系統健康監控的目的。（6）多種運算方式，定時或者手動運算顯示頻率準確度。（7）多界面顯示、查詢，良好交互界面，提供直觀、方便、簡單狀態分析。（8）提供直觀的結果顯示，如頻率準確度的顯示圖形等。

4 ? ?系統方案設計

4.1 ?硬件設計

4.1.1 ?方案設計

概念層（軟件）和硬件層（計算機、I/O電纜和測試設備）構成測試系統相連接。在這一模型中，來自應用程序的命令和信息流經過軟件和硬件層、電纜到達計數器，然后返回測試數據，其中，應用程序為編寫的用于控制測量系統的程序[1]。I/O軟件層是應用程序與物理I/O硬件（PC中GPIB，LAN，USB或RS-232）接口間通信的翻譯器，如圖1所示。

4.1.2 ?確定通信方式

選定了系統的I/O接口（GPIB，LAN，USB或它們的組合）后，就要建立連通性和實現系統內主計算機與儀器間的通信。實現連通性和通信的方法采用工業標準命令集、應用程序接口（Application Interface，API）和儀器驅動程序。在應用程序中通過把直接I/O與可編程儀器的標準命令（Standard Command for Programmable Instruments，SCPI）及基于儀器驅動程序的通信相組合，從而實現設計目標。

4.1.3 ?實現連通、通信

連通性是實現通信的必要條件，之后還必須使用正確的命令和協議實現通信、控制、數據傳輸等。

當具備了連通能力后，就要決定如何實現主計算機和系統儀器間的通信。本系統使用直接I/O和SCPI。標準化API為更容易構建多廠商測試系統，一組儀器廠商建立了虛擬儀器軟件體系結構（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）。它提供標準化的API，允許通過公共接口直接或使用驅動程序控制儀器。

4.1.4 ?標準化直接I/O

1989年，HP2推出稱為測試和測量系統語言（Test and Measurement System Language，TMSL）的儀器通信語言。其后HP和其他8家制造商以TMSL為起點，共同致力于研究建立通用儀器控制的方法，其成果是SCPI。語法定義了嚴格的層次，規定了跨儀器型號的一致性命令、響應和數據格式。

4.2 ?軟件設計

4.2.1 ?編程環境

采用Visual Studio2010的C#語言，它提供擴展的開發工具和內置的幫助能力。優點：具有開放性，能與任何其他編程技術通信，能用第三方工具軟件和驅動程序等。Visual Studio能使用基于Microsoft COM的編程技術良好工作，包括VISA COM和IVI-COM，Agilent為VISAAPL提供NET的包裝程序。

4.2.2 ?程序界面

單站原子頻標頻率準確度測量監控界面，多狀態信息采集、多窗口顯示可實現多站時頻狀態的綜合監管界面，如圖2所示。

4.2.3 ?程序功能

（1）連接計數器：可以連接安捷倫53220A/230A計數器，必須使用正確的連接字符串，如USB連接：USB0：：2391：：6151：：MY50002373：：0：：INSTR。（2）設置計數器測量通道參數，測量并記錄時差數據，計算并顯示準確度結果。（3）回放、分析歷史測量數據。（4）導入、分析歷史測量數據。

4.2.4 ?程序控制功能

（1）可以采用不同的方法連接不同的計數器。（2）具有豐富的通道參數控制。（3）能以不同的采樣速率進行數據測量。（4）可以準確地進行X，Y軸手動控制。（5）能以不同采樣時間、不同時間區間進行準確度計算。（6）野值數據的有效剔除。（7）時差、準確度的分別顯示。

程序設計采用SCPI編程技術，數據的野值剔除和階躍數據的重捕，準確度數據的直線擬合和計算。

5 ? ?應用效果

5.1 ?提升技術人員對設備狀態掌控能力

通過對時頻監控管理系統的研究、構建，可以使技術人員通過計算機監控設備狀態，提升時頻系統的守時校頻的精度，節省人力，并可實時監控時頻設備的狀態、頻率準確度等重要參數，提高設備的可靠性，防止技術人員的操作失誤[2]。

5.2 ?實現時頻系統的故障的遠程監控

通過對時頻監控管理系統的研究構建，可以使技術人員更好地掌握設備固有指標的變化情況、人員操作過程情況、設備響應各種操作過程情況，做到及時發現設備狀態變化、人員操作失誤、設備響應錯誤，及時進行警告、結果提示和措施改進，可以實現設備故障遠程監控。

5.3 ?實現時頻系統原子頻標的自動守時校頻功能

時頻系統原子頻標的守時校頻是技術人員的主要工作之一，其工作量大、繁瑣，每天需要不間斷記錄數據7～8 h，并且要根據記錄的數據人工計算守時校頻的精度，消耗了大量的人力。由于人工記錄間隔時間為每小時，短時間內，該數據對時頻系統原子頻標的狀態并不能實現有效的分析。通過對時頻監控管理系統的研究、構建，可以實現短時間內快速、準確掌握時頻系統原子頻標的設備狀態、工作情況，并可根據需要隨時存儲、查詢、處理原始數據，做到實時分析原子頻標的頻率準確度及其調整情況，定時校頻設備的工作情況，繪制圖表、并進行分析處理[3]。

5.4 ?充實通信監控管理系統網管功能

實現時頻系統監控管理可以進一步完善通信監控管理系統網管功能，實現通信系統的遠程監控管理功能。

6 ? ?結語

時頻綜合監控管理系統，特別是時頻系統原子頻標頻率準確度等重要指標是目前國內外的研究熱點。國內方面，有很多單位在此方向研究較為系統，并能獨立生產原子頻標，取得了一系列成果。但是由于缺乏實踐檢驗，很多設備具有一些研究的功能，功能不全面、實際應用效果較差，而且沒有進行多站點時頻監控管理系統的綜合管理。

隨著科技的發展，在航天測控場中實現時頻系統的綜合監管，是全自動化的時頻設備，具有良好的發展、研究前景，但是目前無人值守，需要遠程監管、診斷，網管功能是必不可少的前提。

[參考文獻]

[1]約翰·夏普.Visual C#從入門到精通[M].8版.周靖，譯.北京：清華大學出版社，2016.

[2]李孝輝，楊旭海，劉婭，等.時間頻率信號的精密測量[M].北京：科學出版社，2010.

[3]徐季平，王拂為.時間頻率測量儀器原理與使用[M].北京：中國計量出版社，2009.