萤火虫探测器有效载荷管理技术的研究

萤火虫探测器有效载荷管理技术的研究

0步法系统全覆盖yh-1星光发射试验中有效载荷开发的科学性质主要体现在对科学评价目标的满足上，大规模设计的目的应与工程系统相结合，尤其是地面科学应用系统的设计完成。对于不同的科学目标，有效载荷的接口、数据和操作流程不同，但从测量角度来看，需要开展统一的技术应用，形成一致的系统工作模式。对深度和空间数据的测量距离决定了测量通信的限制，限制了有效载荷的轨的运行和数据采集的效果。由于YH-1火星探测器研制周期短、任务重,若有效载荷系统集成在整器测试过程中进行,有效载荷的测试充分性将难以得到保证,势必影响整器的测试进度和难度。YH-1火星探测器配置了数管分系统,集中管理数据,同时对部分测控数传设备进行管理,因此从数管角度,将有效载荷、测控数传、探测器平台等均作为服务的对象,统一设计和综合管理,既满足各服务对象的各种特殊性要求,也实现了工程设计上的综合统一,为有效载荷分系统集成奠定了技术基础。本文对YH-1火星探测器有效载荷分系统集成技术进行了研究。1有效载荷数管的系统结构介绍1.1fpga备份设计有效载荷数管分系统与星载其他系统设备间的接口关系如图1所示。数管分系统按功能部件可分为载荷配电器、信道编码器、计算机、大容量存储器等四部分,各部件均能实现冗余备份设计。其中信道编码器是整器唯一的数据下行通道,为保证其可靠性,用FPGA备份设计,实现包括10个功能部件的完整的数据管理系统,数据管理软件综合完成这些部件功能。数管分系统统一管理所有的有效载荷设备,及测控数传分系统的数传部分,直接接收地面的遥控注入指令,与平台姿控分系统和综合电子分系统配合,完成探测器自主对地通信的任务控制。同时,数管分系统对数据的组织将影响地面测控系统接收数据和计划安排的实施,决定了地面科学应用系统对科学数据的分析和研究效果。为此数管分系统与每个有效载荷、测控数传分系统、平台综合电子分系统、地面综合电测系统、地面测控系统和科学应用系统协调签订接口协议文件,在文件中明确规定了数据接口关系、数据格式、数据处理、工作模式和部分特殊配合要求等,为系统集成测试的有序进行奠定了验证基础,也使集成测试过程能反映各方的实际意图。1.2下属数据分析下行数据管理设计了从数据采集、处理、存储到下传四个环节的功能。1.2.1简化流程见图2首先通过设计数据格式,用CCSDS标准推荐的格式进行深空适应性改造,在保证信息完整的前提下,尽可能精简格式中的勤务信息,以腾出更多的有效传输空间。其次采用了二级传输格式,在CCS-DS标准格式的包装下,将不同数据源的数据视作位流进行分段截取和封装。其综合效果表明:所有探测器下行数据均统一为一个数传格式,且当数据源格式设计无冗余时,从传输角度可充分利用每个比特的传输资源。1.2.2图像数据压缩算法由于下行数传带宽有限,大量探测数据需经在轨处理后再传输到地面。为此数管应用了图像、数据压缩算法,根据有效载荷的要求采用抽样、平均、分时、分模式采集等处理,尽量压缩数据量,并去除采集的垃圾数据。其综合效果表明:在不影响数据有效性的前提下,数据量最大可压缩至原来的千分之一。1.2.3数据安全设计数管采用分区管理,即为每个数据源按估算的任务需要,分配了不同大小且留有余量的存储空间。由于存储器件为Flash,可掉电保存数据,数管计算机能在断电时不影响保存数据,且计算机的主备份共享同一存储空间,保证了数据存储的连续性和有效性。存储设计的综合效果表明:一个数据源的原始数据可保存约2月,若进行相应的压缩处理,则全寿命期间(1年)的数据都可被保存,为地面的数据点播下传提供了可能。1.2.4探测数据的前后下级自适应传输设计策略数管控制下行数传速率14种(8~16kb/s)。在不同速率下,需考虑不同的数据源数据下行需要,且不产生冗余和填充,最大限度地利用下行资源。数管采用两种方式:在低增益天线通信方式下,用固定比例分配方式保证探测器遥测数据的优先下行;在高增益天线通信方式下,随着速率的不断提高,用优先级自适应传输设计策略,即根据下行带宽与数据源量的变化,自适应地按优先级关系选择下行的数据。数管还设计了提供数据点播下行的功能,以满足地面科学家对特定数据的需要。1.3控制设计1.3.1地面控制的执行深空探测的遥控上行过程具有持续时间长、上行速率低、传输时延大、及时判断遥测难等特点。为此,数管采用CCSDS分包遥控的方式,解决地面控制时的使用问题,可实现地面上行注入操作断续、重复、无序进行和盲操作等需要,而不必担心探测器接收后会产生误动作。在执行环节设计了立即执行、程控定时执行和宏指令三种执行方式,三种方式互不干扰又互为补充。由于深空探测的巨大传输时延,立即执行方式一般仅在事先计划好、对时间要求不严格时使用。主要控制有程控定时方式和宏指令方式。1.3.2地面应用的协调宏指令完成数管采取的自主控制操作的基础。如姿控喷气前关闭等离子体包高压的操作,执行的关高压序列被定义成宏指令。只有在器上自主执行,才能保证在喷气前1min内及时关闭高压,仅依靠地面难以预计喷气时机。b)上行带宽有限,大数据量注入实现难经与各方协调,确定了宏指令、指令序列、数据表等方式,将可预见的执行序列和数据内容预装订到数管中。在地面操作时,只需上行宏序号,即可选择对应的序列和数据展开执行。c)深空探测对在轨编程提出要求由于工程实施技术和管理原因,YH-1火星探测器难以实施在轨编程的设计实现。为此,数管利用其Flash存储器非逸失性的特点,将宏指令序列保存在Flash存储器中,而地面可控制修改和加载宏指令能初步实现地面可编程的在轨任务编排和改变,同时保证系统的安全性和可靠性。等离子体探测包的高压在非真空状态下不允许打开,但在地面测试时又需要验证其控制开关高压的功能。为此数管将开高压的指令编码宏指令化,采用伪指令供地面测试,在轨实际执行任务前再通过地面上行将真指令加载到数管中。这种指令的真伪由载荷专家控制,既满足了任务需要,又避免了地面测试过程中可能的误动作。2测控对接测试有效载荷地面综合电测系统负责研制电测设备和为系统级测试活动提供技术支持,其主要任务有支持系统集成测试、整器测试和测控对接任务等。系统测试环境如图2所示。为实时监控器上设备的运行状况,将数管的工程遥测接入电测系统的显示终端,通过有线方式支持上行数据注入。在无发射机和接收机参与时,仅针对有效载荷的集成进行测试;在有发射机和接收机接入时,可通过射频有线方式完成星地通信连接;在有天线时,可通过射频无线方式完成真实的星地通信。系统集成测试时无探测器平台设备参与,电测系统按器上数管分系统与平台综合电子间签订的接口协议,研制了综合电子仿真设备,模拟两者间的通信关系。为测量数管分系统的时钟稳定度和准确度,在地面设备下行接收环节接入GPS时钟信号,以模拟地面站在数据接收时打时标的动作。整器测试时,电测设备作为整器地面综合电测系统的一部分,用真实的平台综合电子替代仿真设备。测控对接任务时,移除有效载荷和综合电子仿真设备。有效载荷地面综合电测系统能根据器上系统级测试的需要和不同的任务,灵活配置测试环境,满足不同的测试需要。3整器单独进行上述系统设计使有效载荷系统集成工作能独立于整器单独进行。有效载荷分系统集成,专指在参加整器测试前进行的YH-1火星探测器有效载荷、数管和测控数传三个分系统的集成过程和测试。3.1测试,评判教理有效载荷系统集成测试主要包括初样电性件、鉴定件、工艺件和正样发射件、备份件的集成测试。技术流程上,每次集成测试前由有效载荷总体负责协调、制定和编写测试大纲和测试细则,经三个分系统的评审和确认。测试过程中,按单机测试、单机上网测试、系统测试和系统模飞的顺序进行,严格按测试细则操作。测试完成后,由各分系统分析数据,编写测试报告,并进行评审。评审通过后,由探测器总体验收。数管采用的Flash非逸失性存储器保存了工作状态和采集的数据,因此为向地面科学应用系统提供真实的测试数据,每天的测试工作在前一天的器上工作时间后,且不清除存储的数据和工作状态,实际在轨工作过程中,有效载荷和数管能断续工作,积累真实的测试数据。3.2测试项目及内容在完成所有单机上网测试后,开始系统测试,主要是围绕数管分系统,按设定的系统级工作模式,检查集成的系统对每项探测任务的满足程度。具体的测试项目见表1。系统测试的主要内容在表1的基础上继续细化,并针对性地制定测试细则。测试中重点关注数管对各有效载荷服务要求的满足程度(如数据格式、数据处理算法、模式配合等)及系统级专项测试,主要专项测试有模拟火星光照度的拍照测试、时钟准确度和稳定度的测量、数管宏指令伪编程测试、数传效果测试、载荷单机需要的专项性能测试等。3.2.1系统图像照片测试试验室条件下,搭建暗背景,以地球仪为目标,根据计算的火星照度数值,用平行聚光灯模拟太阳光照,照度计测量地球仪表面的照度值,用器上相机拍照得到一系列图像。测试过程中,对2台相机、3种拍照模式,采用最亮、最暗和中等三种光照度,按8种图像压缩算法,并结合数管计算机主备份,分别组合测试和拍照。试验完成后,还原处理全部图像数据,生成彩色图像,编写成专门的图像数据分析报告。3.2.2星地测距测试为星地校时而进行的摸底测试。由于数管分系统控制的数传通道是整器数据和信号的唯一下行通道,能提供星地时差比,同时科学数据的后续处理和分析也需要相对准确的时钟基准。星地时差比对需解决三个环节:星上时间误差,包括时钟稳定度和传输延迟;星地传输延迟,需依靠星地测轨完成;地面站打时标,以保证地面时间能与下行数据中的时间有一个绝对的比对参照。此项专项测试是针对器上时间误差环节进行的测量,测量基于数管对系统时钟的设计原理,要求在不同的下行速率下均要进行。为模拟地面站打时标,提供准确的时间标尺,在地面接收设备中引入GPS信号,在每收到1个数据包时,将GPS标准时间打入数据包中。分别测试了正样数管发射件、备份件,每台单机主备份各1次,分别测试14种码速率,每种速率均持续足够长的时间,积累足够多的数据量后才进行时钟稳定度和准确度的分析。测试结果以数据分析报告形式提供给地面测控系统执行在轨任务时,消除星地时差。3.2.3数据传输时间和数据量分配算法数据传输效果测试覆盖了所有速率、各种数据源的组合、各种不同在轨数据处理算法的数据传输时间和数据量分配效果。测试结果表明:在深空探测的背景下,系统最大限度地利用了数传能力,以获得尽可能全面的数据,平衡了工程遥测与科学数据,以及各科学数据源间对科学研究满足程度的关系。3.3系统模飞测试程序完成当各项功能、性能、技术指标及专项测试后,系统具备系统模飞的条件。在方案设计阶段,有效载荷总体设计了三个分系统的系统级工作模式,形成了《有效载荷系统工作模式》,得到评审和各方认可,落实到器上3个分系统。系统模飞测试依据规定的在轨飞行任务,按可能的任务先后、组合关系,编排出模拟飞行程序进行测试。系统模飞主要关注各项任务的衔接和组合关系,以及综合运行的效果。深空探测活动中会遇到不可测事件,为