多目標系統中頻數字開關矩陣自動運行方法改進

王松鶴，武鵬，代金國，陰元智，趙宇

（西安衛星測控中心，陜西西安，710043）

0 引言

多目標統一測控設備是集遙測、遙控、外測和衛星定位數據轉發功能于一體的測控裝備，具有作用距離遠、精度高、功能全面、可靠性好等特點[1]。多目標統一測控[2]系統可以滿足多目標同時跟蹤、測量、控制的需求，某型多目標系統在測控活動過程中出現了因中頻數字開關矩陣配置不到位導致上行信號無法發出的問題，并且出現概率較高，嚴重影響了多目標測控活動的正常進行，為有效解決該問題，確保自動化運行流程穩定可靠，遂需研究中頻開關矩陣配置的改進優化方法。

1 開關矩陣功能及配置不到位原因分析

1.1 中頻數字開關矩陣功能

多目標測控系統自動化運行[3]流程通過對中頻數字開關矩陣分配調用，實現基帶分系統和波束形成與控制子系統之間的連接，從而形成多個獨立可控的波束，完成上行和下行多信號的處理功能，滿足全空域覆蓋多目標的跟蹤、測量與控制等要求。

中頻數字開關矩陣作為中間的橋梁，具備信號數據的選擇切換功能。系統工作時，監控分系統按照系統資源管理設置中頻數字開關矩陣狀態，實現多個發射波束與基帶分系統內部板卡的靈活配置，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意簡圖

中頻數字開關矩陣[4]有多個信號輸入端口和信號輸出端口，這些端口與其它分系統連接進行信號傳輸和數據交互。任務執行時，中頻數字開關矩陣的交換板和加權板按照監控分系統的指令選擇對應信號的輸入與輸出，完成對應信號輸入端口和輸出端口的狀態設置。

1.2 原開關矩陣分配調用策略

1.2.1 原開關矩陣分配調用方法

監控分系統自動化運行流程里原中頻數字開關矩陣分配調用方法如圖2所示，當任意任務自動化流程啟動后，監控分系統首先讀取當前矩陣狀態D0并保存，然后按照資源管理執行當前任務的矩陣配置P1，將當前任務的矩陣配置與保存的原矩陣狀態疊加生成新的矩陣狀態D1=D0+P1，待任務結束后，釋放本次任務的矩陣配置。與此同時，監控分系統自動化流程一直開啟監測進程，檢查當前基帶主備狀態是否與系統資源管理一致，若不一致，則按當前狀態更新系統資源管理狀態并重新執行矩陣配置P1’，生成新的矩陣狀態 D1’=D0+P1’。

圖2 原矩陣分配調用方法流程

1.2.2 矩陣配置不到位原因分析

當多任務并行時，多次出現因矩陣配置不到位而導致上行無法發出的問題。以1次3個目標同時運行為例，系統監控界面出現波束10上行狀態異常指示，在系統資源管理中主用基帶為基帶10-1，檢查中頻發射數字開關矩陣狀態，發現基帶10-1上行信號未與發波束10連接，其矩陣開關配置狀態如圖3所示。手動重新配置矩陣，將帶10-1上行信號與發波束10連接后，波束10上行異常狀態恢復正常，手動重新配置矩陣后的矩陣開關配置狀態如圖4所示。

圖3 矩陣開關配置狀態

圖4 重新配置后矩陣開關配置狀態

自動化運行流程時，按照設備工作計劃的時間點來執行各項操作，當多任務并行時，設其按照矩陣配置操作時間的先后順序為任務1、任務2、……、任務N，矩陣配置執行的時間點為t1、t2、……、tN，矩陣配置需要用時（含監控與矩陣通信時間）為△t1、△t2、……、△tN，只有對任意任務i（2≤i≤N），滿足條件：|ti-ti-1|＞△ti-1時，才能保證全部任務的矩陣配置狀態正確。對任意任務i，設任務執行前的矩陣狀態為Di-1，任務矩陣配置為Pi，疊加后的矩陣狀態為Di，多任務并行時的矩陣配置狀態如圖5所示。

圖5 多任務并行時矩陣配置狀態圖

當多任務并行時，假設對于任務k，不滿足條件|tk-tk-1|＞△tk-1，那么當任務k執行矩陣配置時，由于任務k-1未完成矩陣配置Pk-1，任務k讀取并保存的矩陣狀態為不含矩陣配置Pk-1的矩陣狀態Dk-2，矩陣配置Pk執行結束后疊加的矩陣狀態Dk里也不含有矩陣配置Pk-1，造成任務k-1的矩陣配置狀態不到位，其矩陣配置狀態如圖6所示。此外，當監測進程檢測到基帶主備狀態與系統資源管理不一致時，按當前狀態更新系統資源管理狀態并重新執行矩陣配置Pk，若此時任務k-1未完成矩陣配置Pk-1，同樣會出現矩陣配置狀態不到位的現象，原理同上。

圖6 矩陣配置不到位狀態圖

2 開關矩陣分配調用方法改進

為保證多任務并行時，全部任務的矩陣配置都能執行，需對中頻數字開關矩陣分配方法進行改進優化，策略是對矩陣配置操作設置指令保護間隙△t，對任意任務i，矩陣配置命令執行首先檢測是否處于指令保護間隙，判決條件為|ti-ti-1|＜△t，若否，則正常執行后續矩陣配置操作，若是，則進入等待隊列等待至指令保護間隙結束，然后重新檢測，等待隊列采用先進先出、后進后出的數據結構，這樣可以保證矩陣配置執行的順序與任務執行的順序一致。改進優化后的中頻數字開關矩陣分配方法如圖7所示。

指令保護間隙△t數值的選擇設置需要滿足兩個條件，一是指令保護間隙要大于單次矩陣配置用時，即對于任意任務i滿足△t＞△ti；二是考慮滿足設備最大波束數量n同時進行測控活動時可正常執行，多任務并行且所有任務均有主備基帶切換時，全部的矩陣配置時間要小于任務準備的系統自動化運行時間tA，即△t＜tA/2n。綜合考慮,指令保護間隙選取范圍為：△ti-max＜△t＜tA/2n。

圖8 矩陣配置時間軸

方法改進優化后，多任務并行時，假設對于任務k和任務k+1，不滿足條件|tk-tk-1|＞△tk-1和|tk+1-tk|＞△tk，由于指令保護間隙△t的存在，矩陣配置Pk和Pk+1執行時間點由原來的 tk和tk+1變為tk’=tk-1+△ t和 tk+1’=tk’+△t，其滿足條件|tk’-tk-1|＞△ tk-1和 |tk+1’-tk’|＞△tk，因此矩陣配置Pk-1和Pk能夠得到執行，矩陣配置時間軸如圖8所示。

3 結論

多目標測控系統自動化運行流程中原有的中頻數字開關矩陣分配調用方法，在多任務并行時，當一個任務的矩陣配置未完成而收到新的矩陣配置命令時，會造成該任務的矩陣配置不到位而導致上行無法發出。通過設置配置命令指令保護間隙，增加順序排隊等待的方法對矩陣分配調用方法進行改進優化，并經過長期穩定運行得到驗證，為多目標測控系統自動化運行功能優化起到重要作用。