一種衛星半實物模擬訓練等效器的設計與實現

郭新聞，龐建國，李田甜，李二峰，荊曉榮

(1.太原衛星發射中心，太原 030027； 2.北京東方計量測試研究所，北京 100086)

0 引言

在衛星測試過程中，如何盡快地熟悉衛星結構及性能、掌握衛星的測試方法，理解衛星測試內容并執行正確判讀，是日常訓練的重要內容[1]。但是，由于在實裝上進行訓練可能會造成設備的嚴重損耗，受環境條件和協同單位、設備、經費等條件的制約，在衛星地面測試的日常訓練任務中，不可能使用真實衛星作為日常訓練對象，這些都控制了日常訓練的頻度和強度。

本套衛星模擬訓練系統面向日常訓練時期，包含對測試人員進行衛星測試過程教學、模擬測試訓練的功能。模擬測試系統的設計遵循操作與感官上符合實際測試的原則，模擬系統最大程度地與真實衛星測試系統相吻合。本文中的衛星模擬等效器是以計算機為核心的數據采集和處理系統，實現了供配電分系統的模擬仿真，同時為了滿足各種仿真測試的需要，配置信號產生及轉接設備實現仿真功能[2]。

本文從衛星半實物等效模擬器的系統構架、硬件設計、軟件構架等多方面全方位地描述了該系統的設計及實現過程。實際應用證明，該系統可有效配合衛星地面測試設備完成訓練測試任務。

1 整體設計

衛星半實物模擬訓練等效器使用通用PXI機箱作為硬件平臺，內部插入等效模塊實現供配電分系統的實物等效功能，在PXI零槽控制器中部署模擬器中心控制軟件，負責中心調度，完成遙測數據實時組幀、遙測工程值修改、遙控接收機解析、各個硬件等效模塊控制及數據采集。在本模擬器中還集成圖像采集器，實現圖像采集及下傳的功能。整機系統如圖1所示。

圖1 整機系統框圖

供配電等效器是用于檢查衛星地面供電、有線控制、有線測量功能和通路的設備，檢查總控、太陽陣模擬器、穩壓源以及地面供電電纜的供電功能、控制功能、采集測量功能以及通路正確性。供配電等效功能包含指令等效模塊、測量等效模塊、配電等效模塊：

1)指令等效模塊：實現有線指令的接收，驗證指令功能的正確性，向中心控制模塊反饋接收指令情況；

2)配電等效模塊：模擬衛星供配電過程，驗證采集供配電過程電流、電壓功能，向中心控制模塊反饋衛星供電情況；

3)測量等效模塊：模擬衛星內部產生的電信號包含模擬量及狀態量，配合地面信號采集設備，實現地面信號采集驗證功能。

中心控制軟件為系統的調度中心，從數據庫中讀取原始遙測工程值，工程值全部來源于大量各型號的真實衛星測試過程中保存下來的遙測數據，數據中包含星務分系統、控制分系統、熱控分系統等各個分系統的遙測數據。通過對原始遙測數據的實時組幀、動態重構、變量修改，以及對實物等效器的控制和數據采集，完成衛星模擬器對于星務、控制等各個分系統的數據模擬功能[3]。

衛星模擬等效器與地面一體化測試系統(真實衛星地面測試設備)間具有能源流通道及信息流通道，分別用于傳輸為低頻電信號及網絡數據。圖像信息通過網絡實現下傳功能。

2 系統模擬流程

衛星模擬器可以配合地面測試設備完成測試序列的執行，具體步驟如下，其流程如圖2所示。

1)星地間正確連接所有線纜，射頻線纜、低頻線纜、網絡通道；

2)模擬器上電系統初始化，具體包括各等效模塊檢測、參數初始化、網絡參數初始化、攝像頭初始化等；

3)模擬器中心控制軟件啟動遙測組幀，將數據庫中的原始遙測數據按照固定幀長、固定時間間隔、固定碼速率下傳至地面測試系統；

4)地面測試系統啟動測試序列的執行，依次執行測試序列中執行單元發送遙控指令，衛星模擬器接收遙控指令，根據不同的遙控指令執行不同的操作，具體操作包含以下幾種類型：

(1)改變遙測數據中相應工程值的數據；

(2)控制指令等效模塊，檢測地面供配電設備是否發送指令；

(3)控制測量等效板卡，輸出模擬量及狀態量信息；

(4)控制配電等效板卡，檢測地面供電設備是否為星上正常供電。

例如，實際測試用例中：地面測試序列執行衛星加電序列，執行“太陽陣模擬器輸出30V/1A信號”，該模擬信號通過低頻電纜連接到衛星等效模擬中的配電等效模塊，配電等效模塊檢測接收的電壓值及電流值，通過遙測數據將檢測到的數值下傳至地面測試系統，地面測試系統根據閾值范圍判斷遙測數據中該工程值是否有異常，從而實現星地系統測試的閉環測試。等效器與地面測試設備配合測試流程如圖2所示。

圖2 系統流程圖

3 供配電等效模塊設計

供配電等效模塊包含指令等效板卡、配電等效板卡、測量等效板卡三部分。每塊板卡均采用3U標準PXI結構尺寸。對外接口分為地面上傳信號、下傳地面信號，其中地面上傳信號包含指令信號、模擬供電，下傳地面信號包含模擬信號及狀態量信號。硬件框圖如圖3所示。

圖3 模擬器硬件框圖

3.1 指令等效板卡設計

指令等效板卡功能為模擬衛星接收有線指令，并監測指令的內容及正確性。主要包括有源指令信號接收電路、無源指令信號接收電路、FPGA控制電路、PXI接口電路[4]。主要指標如表1所示。

表1 指令等效子板技術指標

3.1.1 有源指令信號接收電路

在衛星地面測試中，有源指令信號一般為5～28 V的開關信號或脈沖信號，輸入的有源脈沖信號和開關信號通過光耦繼電器探測，本項目選用的光耦為AC38。光耦繼電器是固態繼電器的一種，當輸入量(激勵量)的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種器件。它具有控制系統(又稱輸入回路)和被控制系統(又稱輸出回路)之間的互動關系[5]。光耦繼電器的突出特點是具有隔離作用，故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用，保護與之連接的設備不互相干擾。

電路中通過調節限流電阻R的值決定光耦繼電器導通的輸入電壓的范圍，若進入管腳的電流大于動作電流，則光耦閉合。在光耦與FPGA通路中輸入3.3 V電源，FPGA探測電路的通斷來監測信號的輸入。FPGA根據PXI總線接收中心控制軟件下傳的采集指令，進行相關信號采集，將采集到的信號通過PXI總線返回中心控制軟件，并根據遙測數據組幀協議將采集到的相應信號信息完成遙測數據組幀下傳。

3.1.2 無源信號接收電路

通過FPGA的觸發管腳，實現對無源信號的檢測功能，在信號接收通路中輸入3.3 V電源，FPGA通過探測輸入電壓，實現對接收電路狀態的監測，并將信號接收狀態信息通過PXI總線接口上傳到控制器，完成遙測信息組幀下傳。

3.1.3 PXI接口電路

PXI接口功能的實現，采用PXI接口芯片加FPGA控制的接口方案。PXI 總線是在PCI總線協議的基礎上制定出來的，繼承了PCI 總線上所有信號并保持其所有通信時的電氣規范，采用專用接口芯片PCI9054完成接口協議[6]。FPGA負責與接口芯片之間的本地端口進行通信，實現本地總線時序控制功能，從而控制管理PXI總線中的觸發信號、參考時鐘等擴展信號，以及進行其他的時序操作和控制。

3.2 配電等效板卡設計

配電等效板卡主要功能為實現模擬配電負載，通過測試電流、電壓參數監測地面一體化測試系統的配電通路狀態，將等效器配電狀態反饋中心控制軟件，地面一體化測試系統中集成了穩壓源及太陽陣列模擬器，可實現衛星供電功能。配電等效子板可實現電壓測量范圍0～30 V，電流測量范圍0～10 A，共有3路通道。

3.2.1 電壓采集電路

被測電壓通過前端信號調理電路實現降壓以及濾波功能[7-8]，然后通過14bit模數轉換器進行采集。設計采用14 bit的AD，對應輸入電壓范圍為10 V，可分辨電壓約為0.6 mV，可充分保證電壓采集準確度[6]。通過元件性能和技術要求誤差量級的比對，通過最終修正可保證測量結果達到±0.2%，保證電壓測量指標要求。保證對各電壓狀態采集信息的可靠性。

3.2.2 電流采集電路

將霍爾電流IC芯片串接在電流通路中，霍爾電流IC檢測電流，輸出對應的電壓信號。通過ADC采集電壓信號，FPGA接收ADC轉換后的數字信號并通過PXI總線上傳到上位機顯示、保存。電流采集電路主要采用電流隔離電流傳感器IC芯片ACS725LLCTR-10AU-T，電流測量范圍為0～10 A，電壓輸出電壓信號與輸入電流的關系為264 mV/A，變化0.1 A對應的輸出電壓變化量為26.4 mV，經ADC電路轉換為數字信號輸入FPGA。

3.3 測量等效板卡

測量等效板卡的主要功能為模擬星上有線遙測信號的傳輸，以檢測星與地面設備的通信是否正常，星上傳輸的信號主要有三種，模擬量、有源狀態量和無源狀態量。測量等效模塊采用3U標準PXI結構尺寸，主要包括有模擬量輸出電路、狀態量輸出電路、FPGA控制電路、PXI接口電路。主要指標如表2所示，信號產生硬件如圖4所示。

表2 測量等效子板技術指標

圖4 測量等效信號產生框圖

3.3.1 模擬量輸出電路

模擬信號發生電路主要由繼電器陣列，直流電源模塊，FPGA控制電路組成。使用前根據所需要的模擬量大小，將跳線端子的1針和2針短接輸出28 V模擬量，將跳線端子的3針和2針短接輸出5 V模擬量，繼電器S1控制輸出通斷。使用時根據控制軟件發送的控制指令，經過PXI總線傳輸給FPGA，FPGA根據收到的指令控制相應繼電器，輸出相關模擬量。

3.3.2 狀態量輸出電路

狀態量輸出電路主要由繼電器陣列，直流電源模塊，FPGA控制電路組成。使用前根據所需要的狀態量信號大小，將跳線端子的4針和5針短接可以輸出5 V狀態量，將跳線端子的6針和7針短接可以輸出-5 V狀態量。然后通過中心控制軟件下發控制指令，經過PXI總線傳輸給FPGA，FPGA控制模塊接收相關指令后，由FPGA控制繼電器S3、S4即可輸出相關路數的有源狀態量，將2針和3針短接并控制繼電器通斷即可輸出開關狀態量。

4 衛星模擬器中心控制軟件設計

衛星等效模擬器中心控制軟件運行在PXI零槽控制器中，與各個硬件模塊通過PXI實現通信及控制功能。衛星等效模擬器中心控制軟件實現模擬器中心調度，控制各個硬件模塊并組幀產生遙測模擬數據。本軟件采用模塊化設計分為數據處理模塊、數據庫模塊、硬件板卡驅動模塊、圖像采集器控制模塊、網絡通訊模塊、界面顯示模塊[9]。軟件構架如圖5所示。

圖5 中心控制軟件構架

1)數據處理模塊。負責模擬衛星遙控單元功能，接收地面測試終端發送的遙控數據，對收到的指令和數據包進行解碼，根據不同的遙控指令，執行包括更改遙測工程值、調用硬件驅動函數實現板卡功能等操作，更改完成的遙測工程值存入數據庫相應位置。從數據庫中獲取衛星遙測數據，產生包含姿控、熱控、電源數字仿真模塊數據的遙測幀，遙測格式編排與真星完全一致，并將遙測幀發送給地面測試系統。數據信息的發送采用循環讀取的功能，保證數據流的連續性；

2)數據庫模塊。數據庫用于存儲衛星原始遙測數據，在衛星模擬器中，除供配電實物等效外，其他系統沒有真實的硬件等效設備，在本系統設計時將衛星遙測數據作為固定值存于數據庫中，在模擬過程中從數據庫中取出遙測值，組幀，下發至地面測試系統，模擬衛星真實運行狀態。對于供配電系統實時采集的數據存入數據庫相應工程值的位置中替代原始數據。

3)硬件板卡驅動模塊。負責調用驅動函數，實現各個等效板卡的通信。

4)圖像采集控制模塊?？刂茍D像采集器，實現圖像采集，并將采集到的圖像實時通過物理通道下傳至地面測試系統；

5)顯示界面模塊。負責將衛星狀態、重要參數、測試項目、關鍵數據等信息顯示于顯示屏上。重要參數可通過配置文件，由用戶自行配置，軟件根據配置項中的參數信息，在界面顯示相應的參數信息。圖像采集器實時采集到的圖片在界面右下角實時顯示。硬件板卡的連接狀態在界面中用綠色指示燈顯示，若硬件自檢正常，則顯示綠燈，否則顯示紅燈。

軟件顯示分為三個區域:1)界面上方顯示各個硬件模擬器件的自檢狀態，若自檢正常則亮綠燈，若自檢失敗則亮紅燈，提示操作人員進行硬件故障檢查；2)界面左下方顯示衛星模擬器當前的重要參數，共可顯示10條參數信息，具體顯示哪些參數內容可在配置文件中修改，系統根據配置文件中的參數內容，在界面中動態顯示參數信息；3)界面右下方為圖像采集器顯示區域，動態顯示采集器采集到的圖像信息。本系統中任務周期為1 s,即每秒為1個循環，產生4幀遙測數據，每幀128字節[10]。

5 試驗結果與分析

為了驗證該模擬訓練等效器功能的正確性和有效性，搭建了地面測試系統。地面測試系統包含穩壓電源、模擬量采集設備、狀態量采集設備、開關量控制設備。地面測試系統控制自動化測試序列，完成供配電系統自動化測試，測試項目如表2所示。

6 結束語

本文中研制的衛星等效模擬器解決了缺少真實衛星情況下測試人員的日常訓練問題。經過實際應用表明，本系統中所有信號源及信號采集功能與真實衛星狀態一致，可有效配合地面測試系統，完整自動化執行測試序列，加快了測試人員對真實衛星的熟悉過程。并且設備中各功能模塊設計了多路測試通道，以及更寬的測試范圍，可覆蓋其他型號衛星的模擬需求，有較高的通用性。設備使用PXI總線作為整機構架，提高了設備的可擴展性，今后可根據需求靈活實現衛星其他分系統模擬器的擴展。

表2 驗證項目