小卫星地面站测控模拟软件及其数据库设计

1、小卫星地面站测控模拟软件及其数据库设计王新升, 杨眉(北京航空航天大学 宇航学院,北京100083)摘要: 介绍一种具有遥测遥控功能的BUAA小卫星地面站测控模拟软件设计。其软件开发平台采用了NI公司的LabWindows/CVI。应用模块化方法设计的地面站测控模拟软件，可实现遥测数据接收、解码、显示、存储和数据回放功能，并能通过无线网络向小卫星发送遥控指令。试验结果表明，小卫星与地面测控站之间通讯过程模拟效果令人满意。关 键 词: 遥控与遥测；无线网络；小卫星中图分类号: TP273 文献标识码: ADesign of Ground Station Telemetry&TeleCom

2、mand Simulation Software and Datebase for Micro-SatelliteWANG Xinsheng , YANG Mei( School of Astronautics, BeiHang University, Beijing 100083, China)Abstract: A telecommand and telemetry simulation software of ground station for BUAA micro-satellite is introduced. The simulation software runs on the

3、 LabWindows/CVI platform which produced by NI company, USA. The simulation software function includes receiving telemetry data package, parsing data package, displaying telemetry data, storing and accessing data. In addition, telecommand from ground station could be sent to the micro-satellite by wi

4、reless network card. The test result shows that the simulative communication between the micro-satellite and the ground station is satisfied.Key words: telecommand and telemetry; wireless network; micro-satelliteBUAA小卫星是一颗用于在轨新概念演示的微小卫星，其飞行任务主要是验证半刚性重力梯度杆的分离和姿态稳定性；拍摄小卫星在轨状态并从外层空间对地面拍照形成数字图像信息，将所获得的信

5、息下传至地面站。本文主要介绍BUAA小卫星地面调试阶段地面站遥测/遥控模拟软件及其数据库的设计及实现。收稿日期: 基金项目: 国家“863计划”资助项目(2002AA742010)作者简介: 王新升(1973-)，男，黑龙江伊春人，讲师，主要研究方向为小卫星星上电子系统与空间机器人控制；杨眉（1986-），女，湖南人，硕士研究生，主要从事小卫星导航、制导与控制系统研究。地面站测控模拟软件的开发平台选用NI公司的Labwindows/CVI1,3，该开发平台为C语言的设计环境，简单易用、功能强大, 它不仅提供了对虚拟仪器的支持能力, 还具有各种测试、控制和数值分析的能力，具有丰富的使用方便的库函

6、数。在绘图方面LabWindows/CVI建模简单，它提供的绘图和曲线图控件能够方便实现各种静态、动态的曲线、波形和图表。Labwindows/CVI的这些特点，极大方便了地面站测控模拟软件的设计4,7。1 地面站测控模拟软件功能分析小卫星地面站遥测/遥控模拟软件需要完成的任务主要有三个方面：（1） 遥控指令的发送Ø 即时执行类指令：这类指令主要是一些状态参数选择指令和控制指令，卫星接收到该类指令后立即执行；Ø 带有时间戳的指令：这类指令用于延时到指定时间后执行；Ø 飞行任务表的注入 ：需要打包发送的批指令；（2） 遥测数据的接收与处理Ø 星上状态参数的

7、接收：轨道和姿态数据，星上各分系统的状态量2 ；Ø 有效载荷数据的接收：可以选择接收四个相机的图片数据；Ø 遥测数据的实时显示；（3） 数据库的访问Ø 存储所接收的BUAA小卫星状态参数到SQL数据库中，包括轨道姿态信息和各系统的状态量，数据按星上时间进行存储；Ø 查看历史数据，根据需要查询数据库得到卫星历史状态数据，并进行数据回放。2 地面站测控模拟软件程序设计地面站测控模拟软件设计采用了模块化的程序结构。实现数据的接收、处理和指令发送，其中软件处理的数据都由关系型数据库进行管理。整个软件主要由接收模块、发送模块、数据解析模块和数据库访问模块组成。如图

8、1所示，软件工作流程是地面站向卫星发送控制指令，在接收到卫星发送的遥测数据后，对数据进行解析，实时显示后将数据送入相应的数据库中，地面站人员可从数据库中读取相应数据进行回放处理5。 图1 软件工作流程框图下面对各主要功能模块进行分析与说明。2.1 接收模块1、串口操作星上发出的遥测数据由地面站计算机串口接收并进行处理，同样地面站计算机的指令也从该串口发送到星上，所以测控模拟软件首先要对串口进行读写的操作。Labwindows/CVI的RS-232函数库中有已经封装好的函数，可以很方便地完成这一功能。2、数据滤波由于在串口前端使用无线模块接收数据，实际接收到的数据中不可避免存在大量的噪声，所以在

9、串口触发收到数据后先对接收数据滤波得到有效数据帧。当串口有数据写入，字节数超过68时，串口读入数据，并将读入的数据写入到队列中，填满后寻找有效数据帧。在数据通信协议中，一个数据帧的有效字节前有3个0x55进行同步，在末尾有2个0xff标志结束。考虑到无线通信干扰的存在，只有当这5个标志字节都正确时，才接受该数据帧，并将该组数据写入到内存中进行下一步的处理。3、图片数据接收图片数据和状态数据处理不同。状态数据在校验后发现丢失帧、错误帧的情况，地面站都是不做处理的；而图片数据在出现丢帧、错帧情况时地面站必须要记录。当星上最后一帧数据发送完后，地面站发出让卫星重发错帧、丢失帧的指令帧，指令帧的参数即

10、是错误帧和丢失帧的序列号。卫星重发丢失的数据帧后，地面站将所有的图片数据写入到指定的文件中，以做后期的图片复原。图2 图片数据接收程序流程图2.2 发送模块根据星地通信协议的要求，地面站测控模拟软件的完整发送模块包括数据的打包和故障指令重发机制两个部分，见图3。图3 发送模块程序流程图故障指令重发的机制，在指令正常发送后需要等待卫星接收校验正确后向地面发送确认帧，地面只有在收到确认后才可再发送其它的命令。如在规定时间内没有收到确认，地面站需要重发该指令，软件设计过程中采用多线程的方式来实现这一任务。利用线程池运行次线程中的代码，调用Utility Library库中的CmtScheduleTh

11、readPoolFunction函数，把需要在次线程中执行的函数名传递给它，线程池就会调度该函数在它的一个线程中运行。2.3 数据库模块（1）数据的存储在地面站测控模拟软件中，实时数据在经过解析和处理后往往还需要存储以便于离线查询。针对BUAA小卫星的飞行任务，地面站测控模拟软件采用了SQL关系型数据库6。软件接收的星上数据分为两种，一种是小卫星状态数据包括轨道信息、姿态信息及相关系统的状态数据，另一种是相机图片数据，其中图片数据需在数据接收完整后写入到文件中，并提供接口做后期的复原。图4 数据库设计框图小卫星状态数据在由地面站接收解析后分别存入数据库中相应的数据表中如图4。每个表中都存储有对

12、应的星时和此次卫星的过境开始时间。接收时间记录表记录的是每次卫星的过境的开始时间，设置该表的目的在于方便数据的回放查询。这样当地面站每次接收开始的时候，都会在此表中记录，当进行回放搜索时只要输入接收开始的时间，便可检索到此次接收对应的状态数据。（2）数据库的访问Labwindows/CVI拥有图形建模简单等一系列的优点，但是在数据库的连接方面Labwindows/CVI并没有提供很好的支持。地面站测控模拟软件在数据库访问中采用了Microsoft公司开发的基于Windows 平台的ADO数据库访问技术。ADO 建立在OLE DB之上的一种高层的数据库访问技术，它基于通用对象模型（COM）,简化

13、OLE DB 的操作，OLE DB使用了大量的接口，而ADO封装了这些接口，另外ADO技术可以以ActiveX控件的形式出现，可用于Labwindows/CVI，极大地简化了编程。2.4 用户界面设计根据软件的功能，进行了友好的用户界面设计。地面站测控模拟软件的用户界面建立之后，CVI可以自动生成源码头文件，声明界面对象常量及相关的回调函数，然后通过添加相关代码调用处理函数实现与测试程序的连接。这样，就可以通过交互式的界面实现对整个测控过程的调度和显示。对于遥测控模拟软件，其工作过程是：（1）系统开机后，首先进入主用户界面，进行卫星链路连接。如果通信链路正常，卫星将返回确认帧，界面上的通信指示

14、灯亮表明链路正常，否则表示有故障。（2）程序所有的操作都基于通信指示灯亮之后，此时可以操作遥控指令菜单选择要发送的遥控指令，菜单中提供的测试指令有打开相机、关闭相机、下传遥测数据（图片、 系统数据、姿态数据），在主界面上有开关相机的指示灯和控制按钮。（3）在主窗口可以显示当前的接收情况。轨道和姿态数据分实时和回放两种模式，在两种模式下数据都用图表的方式进行显示。相机的图片数据在接收完成后进行储存，供离线处理。3 结束语基于多线程的LabWindows/CVI技术为BUAA小卫星地面测控终端模拟器的研制提供了高效和方便的实现方法。本文所设计的地面站测控模拟软件对系统硬件配置要求不高，其主要功能是通过模块化方法设计实现的。地面站测控模拟软件不仅能满足用户的当前需求，而且具备很强的功能扩展能力。目前该软件已在实际应用中完成了对BUAA小卫星的地面测控调试工作。参考文献:1 宋宇峰，等.Lab Windows/CVI逐步深入与开发实例.北京：机械工业出版社，2003.2 屠善澄.卫星姿态动力学与控制（2）.北京：中国宇航出版社，2005.3 张凤均等Lab Windows/CVI开发入门和进