一種集成化的衛(wèi)星PCM測控與時(shí)間同步性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊同智 周汝志 盛開明

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海201109)

1 引言

遙控、遙測與時(shí)間同步是衛(wèi)星平臺電子系統(tǒng)的基本功能，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能控制、程控作業(yè)與自主管理等高級特性的基礎(chǔ)，其性能優(yōu)劣直接影響衛(wèi)星效能。以往平臺電子系統(tǒng)測試采用單機(jī)自檢設(shè)備和軟件，其測試完備性與系統(tǒng)性有所欠缺，很多問題在系統(tǒng)級測試時(shí)未能發(fā)現(xiàn)，增加了衛(wèi)星后期更改的開銷，因此有必要將衛(wèi)星綜合測試提前引入至系統(tǒng)級測試，提高系統(tǒng)級測試的充分性。此外，衛(wèi)星系統(tǒng)間高精度協(xié)作任務(wù)(如運(yùn)動補(bǔ)償?shù)?對衛(wèi)星時(shí)間同步性能要求越來越高，需在系統(tǒng)級測試中充分驗(yàn)證星上時(shí)間同步設(shè)計(jì)性能。最后，平臺電子系統(tǒng)級測試需進(jìn)行多次外場對接聯(lián)調(diào)，其測試設(shè)備應(yīng)具備集成化、便攜性的特點(diǎn)。

綜上需求，本文設(shè)計(jì)了一套集成化的PCM多功能測試系統(tǒng)，由PCM多功能卡、GPS時(shí)間服務(wù)器、PCM測控軟件和時(shí)間同步性能測試軟件組成，實(shí)現(xiàn)了PCM有線測控與時(shí)間同步測試兩部分功能。PCM多功能卡可以適配不同碼率與格式的衛(wèi)星PCM測控接口，與綜合測試軟件無縫集成，實(shí)現(xiàn)測控信息處理，充分利用了綜合測試軟件優(yōu)良的人機(jī)交互界面、多樣式遙測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)能力和便捷的遙控指令編輯生成特性，提升了測試的效率與充分性；同時(shí)PCM多功能卡可以鎖存衛(wèi)星觸發(fā)信號對應(yīng)的地面時(shí)間，通過時(shí)間同步性能測試軟件分析多功能卡鎖存的時(shí)間和衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)中的時(shí)標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星時(shí)間同步性能測試。

2 PCM有線測控

如圖1所示，PCM多功能卡收發(fā)PCM測控信號，具備與Cortex測控基帶[1]一致的網(wǎng)絡(luò)控制接口，與后端的綜合測試軟件協(xié)同完成遙控發(fā)送與遙測監(jiān)視。

圖1 PCM測控測試原理圖Fig.1 PCM TM＆TC test schematic diagram

2.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示為PCM多功能卡的PCM測控邏輯設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖。設(shè)備接收得到的遙測數(shù)據(jù)及發(fā)送到星上單機(jī)的遙控指令均通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，3路遙測數(shù)據(jù)、應(yīng)答信號、存儲器讀寫、遙控自閉環(huán)等數(shù)據(jù)流均需要使用串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了避免多個(gè)通道同時(shí)使用串口，設(shè)備在FPGA邏輯設(shè)計(jì)時(shí)引入優(yōu)先級控制功能。各通道使用串口的優(yōu)先級從高到低依次為：遙測通道1、遙測通道2、遙測通道3、應(yīng)答信號、存儲器讀、遙控自閉環(huán)。當(dāng)通道需要向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，先向控制單元發(fā)送請求命令，控制單元比對當(dāng)前所有請求通道的優(yōu)先級，選擇傳輸優(yōu)先級最高通道的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程當(dāng)中，更高優(yōu)先級的通道不能切斷當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸，必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后才能開始新一輪的通道優(yōu)先級比對及數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 PCM測控邏輯設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 FPGA logic design diagram of PCM TM＆TC

為了確保接收遙測數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性，避免遙測處理單元在傳輸遙測數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，遙測處理單元的數(shù)據(jù)緩存區(qū)采用兩個(gè)FIFO交叉工作的乒乓緩存，當(dāng)FIFO1存儲了完整的一幀遙測數(shù)據(jù)之后，控制單元自動將數(shù)據(jù)緩存切換到FIFO2，并且向控制單元請求傳輸FIFO1中的數(shù)據(jù)[2]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3，采用分層模塊化設(shè)計(jì)[3]，完成遙測、遙控與配置管理。

圖3 PCM測控軟件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 PCM TM＆TC software overall structure

測控軟件應(yīng)用功能強(qiáng)大的綜合測試軟件，工作界面如圖4所示，其中遙測解析分發(fā)軟件主要功能為指令轉(zhuǎn)發(fā)、解析遙測數(shù)據(jù)、對幀連續(xù)性進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警、將解析的遙測數(shù)據(jù)分發(fā)至監(jiān)視軟件、遙測遙控存盤及回放；監(jiān)視軟件以文本、曲線、圖像化等多種方式成像遙測數(shù)據(jù)，具備遙測數(shù)據(jù)原碼顯示、保存回放、波道跟蹤、超差報(bào)警等多種功能；發(fā)令軟件具備豐富的指令列表集合和靈活的注數(shù)界面，可以根據(jù)測試需求修改參數(shù)發(fā)送臨時(shí)注數(shù)包。

圖4 遙測解析分發(fā)軟件、監(jiān)視軟件與發(fā)令軟件Fig.4 Telemetry processing，Monitor software and command software interface

3 時(shí)間同步測試

如圖5，PCM多功能卡接收GPS時(shí)間服務(wù)器的IRIG-B碼[4]，使地面時(shí)間精度、穩(wěn)定度與 GPS時(shí)間一致；PCM多功能卡接收衛(wèi)星時(shí)標(biāo)觸發(fā)信號輸入，鎖存對應(yīng)的地面時(shí)間；通過時(shí)間同步性能測試軟件分析多功能卡鎖存的時(shí)間信息與衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)流中的時(shí)標(biāo)信息，完成星地時(shí)間、星上各系統(tǒng)時(shí)間的同步性能測試。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

PCM多功能卡以IRIG-B碼為外參考時(shí)間基準(zhǔn)，接收RS422電平的星上時(shí)標(biāo)觸發(fā)信號，鎖存對應(yīng)的地面時(shí)間。如圖6所示，衛(wèi)星時(shí)標(biāo)觸發(fā)信號類型主要分為三類：觸發(fā)1為脈沖型觸發(fā)，觸發(fā)2為周期性間歇數(shù)據(jù)流觸發(fā)，觸發(fā)3為連續(xù)數(shù)據(jù)流觸發(fā)。對觸發(fā)1采用邊沿觸發(fā)鎖存時(shí)間，對觸發(fā)2采用邊沿觸發(fā)，使用軟件獲取所需比特為位置的觸發(fā)時(shí)間，對觸發(fā)3采用數(shù)據(jù)觸發(fā)，可設(shè)置1～4字節(jié)觸發(fā)同步頭，在檢測到同步觸發(fā)頭后，輸出觸發(fā)脈沖信號，鎖存對應(yīng)地面時(shí)。對于三種類型觸發(fā)輸入，在檢測到配置的觸發(fā)特征后，發(fā)送時(shí)間鎖存脈沖至?xí)r間寄存器鎖存單元，鎖存相應(yīng)通道時(shí)間。

圖5 衛(wèi)星時(shí)間同步性能測試信息流示意圖Fig.5 Information flow of satellite time sync performance test

圖6 觸發(fā)信號輸入類型Fig.6 Trigger signal types

板卡邏輯設(shè)計(jì)總體圖如圖7，接收IRIG-B(DC)碼參考輸入，對B碼進(jìn)行譯碼獲得GPS時(shí)間，刷新板卡時(shí)間寄存器，使板卡時(shí)間與GPS時(shí)間對齊。由于B碼為整秒刷新[5]，因此通過溫補(bǔ)晶振的高穩(wěn)時(shí)鐘維持秒內(nèi)時(shí)間更新。為避免觸發(fā)通道的毛刺輸入造成誤觸發(fā)，緩存多拍輸入電平值，當(dāng)電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)且翻轉(zhuǎn)后電平持續(xù)3拍以上，才判定為跳變沿，消除毛刺觸發(fā)[6]。對消除毛刺的輸入進(jìn)行觸發(fā)特性(邊沿或者觸發(fā)數(shù)據(jù)頭)檢測，在檢測到配置的觸發(fā)特征后，發(fā)送觸發(fā)脈沖至?xí)r間鎖存單元，鎖存相應(yīng)通道時(shí)間寄存器時(shí)間。為避免多路同步觸發(fā)競爭一個(gè)時(shí)間寄存器，設(shè)計(jì)了獨(dú)立時(shí)間寄存器，用于鎖存對應(yīng)通道的時(shí)間信息，在鎖存的時(shí)間信息前封裝通道號，經(jīng)格式編排后由網(wǎng)口發(fā)送至上位機(jī)軟件。

圖7 觸發(fā)時(shí)間鎖存邏輯設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.7 FPGA logic design diagram of trigger time latch

3.2 軟件設(shè)計(jì)

時(shí)間同步性能測試軟件主要完成星地時(shí)差監(jiān)控與衛(wèi)星時(shí)間同步性能測試。如圖8，軟件接收遙測、載荷、姿控等數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星時(shí)標(biāo)信息，與PCM多功能卡鎖存的對應(yīng)地面時(shí)比對分析，實(shí)現(xiàn)星地、衛(wèi)星各系統(tǒng)的時(shí)間同步性能測試。

圖8 衛(wèi)星時(shí)間同步性能測試原理圖Fig.8 Schematic diagram of satellite time sync performance test

時(shí)間同步測試的具體流程如下：

(1)地面時(shí)的精度控制：地面時(shí)以GPS時(shí)間服務(wù)器IRGB-B碼為參考，授時(shí)精度為1μs，保證地面時(shí)的準(zhǔn)確性；

(2)衛(wèi)星基準(zhǔn)時(shí)與地面時(shí)對齊：通過星地時(shí)差測量，實(shí)時(shí)控制星地時(shí)差在規(guī)定范圍內(nèi)，保證衛(wèi)星基準(zhǔn)時(shí)向地面時(shí)對齊，保證衛(wèi)星基準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)確；

(3)衛(wèi)星各個(gè)系統(tǒng)時(shí)與其觸發(fā)信號鎖存的地面時(shí)比對：接收解析衛(wèi)星下傳的遙測、遙感等數(shù)據(jù)流，從中提取載荷、姿控等各個(gè)系統(tǒng)時(shí)；PCM多功能卡鎖存衛(wèi)星分系統(tǒng)時(shí)標(biāo)觸發(fā)信號對應(yīng)的地面時(shí)；比對衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)與對應(yīng)地面時(shí)的時(shí)差，若時(shí)差超限，則星上時(shí)間同步設(shè)計(jì)需改進(jìn)；

(4)同步時(shí)差分析：通過曲線擬合等方法進(jìn)行獲得時(shí)差漂移率等信息[7]，用于優(yōu)化時(shí)間同步設(shè)計(jì)。

衛(wèi)星時(shí)與地面時(shí)的同步性能監(jiān)控軟件界面如圖9所示。

圖9 星地時(shí)間同步性能監(jiān)控界面Fig.9 Monitor interface of time sync between satellite clock and ground clock

以地面時(shí)間為橫坐標(biāo)，以計(jì)算的星地時(shí)差為縱坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)綜合測試中5個(gè)小時(shí)的測試數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪成測量曲線。

圖10 星地時(shí)差漂移監(jiān)測Fig.10 Monitor curve of time difference between satellite clock and ground clock

從圖10可以看出，星地時(shí)差隨時(shí)間基本上是線性變化的，可以使用公式y(tǒng)=kx+b進(jìn)行線性擬合[8]，如下

根據(jù)最小二乘法，擬合的系數(shù)k、b應(yīng)使各數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合直線之間的殘差平方和最小，k、b計(jì)算公式如式(2)所示，計(jì)算得到時(shí)差漂移率k=9.6ms/d。

同理對衛(wèi)星各系統(tǒng)時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合分析，獲得各個(gè)系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)差漂移率等關(guān)系，如此可采用均勻校時(shí)等補(bǔ)償方法，降低時(shí)差漂移率，提升時(shí)間同步性能。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種集成化的PCM多功能測試系統(tǒng)，基于觸發(fā)時(shí)間鎖存的原理，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星時(shí)間同步性能的高精度測試，且可滿足了不同碼速率與格式PCM測控接口需求，使用綜合測試軟件進(jìn)行衛(wèi)星單機(jī)級、系統(tǒng)級測試，增強(qiáng)了衛(wèi)星平臺電子測試的充分性，在衛(wèi)星研制中起到了一定作用，具有一定工程指導(dǎo)價(jià)值。