摘 要： 伺服系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的重要組成部分，可靠性和安全性要求高。采用單進(jìn)程、多線程、并行多模塊的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了天線控制、設(shè)備監(jiān)視、信息顯示、數(shù)據(jù)處理、通信及伺服性能指標(biāo)自動(dòng)化測(cè)試等功能，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，容錯(cuò)性、可靠性及擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)已用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，實(shí)際使用結(jié)果表明該設(shè)計(jì)是合理可行的。

關(guān)鍵詞： 遙感衛(wèi)星； 伺服系統(tǒng)； 軟件結(jié)構(gòu)； 監(jiān)控軟件

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）12?0051?04

Abstract： The sever system is an important component in the ground receiving system of the remote sensing satellite， and has high reliability and security. The structures of single process， multi?thread， and parallel multi?module are adopted to design the monitoring software for servo system. The functions of antenna control， equipment monitoring， information display， data processing， communications and automatic test of servo performance index were implemented. The software has the characteristics of good real?time performance， high automation level， good fault tolerance， excellent reliability and extensibility. This design was applied to the practical engineering projects. The practical use result shows that the design is reasonable and feasible.

Keywords： remote sensing satellite； servo system； software architecture； monitoring software

伺服系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)天線各種功能控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要任務(wù)是根據(jù)指令及相應(yīng)的信號(hào)采取各種控制策略控制天線的運(yùn)動(dòng)，快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、捕獲、跟蹤[1]。對(duì)用于接收低軌遙感衛(wèi)星的俯仰/方位/傾斜三軸天線座架，伺服系統(tǒng)需驅(qū)動(dòng)幾十噸負(fù)載，且由于運(yùn)動(dòng)范圍的限制，需求的角速度、角加速度大等原因，因此需確保各種傳感器信息的接收、處理，各種條件下的控制和安全保護(hù)邏輯等準(zhǔn)確無誤，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能，穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行[2?3]。而這都與伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件有著直接的關(guān)系，在伺服控制系統(tǒng)中起到了越來越重要的作用。伺服控制軟件涉及到人機(jī)界面開發(fā)、系統(tǒng)控制、處理、通信、底層驅(qū)動(dòng)等各個(gè)部分，控制邏輯復(fù)雜，并且與硬件關(guān)聯(lián)程度深[4]。伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)需充分考慮到上述特點(diǎn)，同時(shí)還需考慮系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)、功能的擴(kuò)展。

1 伺服監(jiān)控軟件功能分析

伺服監(jiān)控軟件需具備數(shù)據(jù)及信息的自動(dòng)采集處理、控制和調(diào)節(jié)算法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行、監(jiān)控、報(bào)警及測(cè)試等功能，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、容錯(cuò)性、可靠性及擴(kuò)展性好等特點(diǎn)[5]。伺服監(jiān)控軟件安裝在天線監(jiān)控單元的計(jì)算機(jī)內(nèi)，該軟件為整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的邏輯控制中心，如圖1所示，主要完成的功能有[6]：

（1） 天線操控功能：實(shí)現(xiàn)ACU本/遠(yuǎn)控兩種運(yùn)行模式切換；實(shí)現(xiàn)天線的各種工作方式管理，包括待機(jī)、手速、置位、程序跟蹤、自動(dòng)捕獲/跟蹤、收藏、鎖定/解鎖、疊加掃描等工作方式的手動(dòng)和自動(dòng)切換。

（2） 控制和調(diào)節(jié)算法：完成環(huán)路調(diào)節(jié)器計(jì)算和天線控制策略選擇及實(shí)施，包括速度控制、位置控制、復(fù)合控制、誤差隨動(dòng)控制功能等。

（3） 任務(wù)自動(dòng)化運(yùn)行管理：實(shí)現(xiàn)任務(wù)的自動(dòng)化管理和運(yùn)行，包括軌道點(diǎn)位數(shù)據(jù)的讀入、有效性檢查、軌道特征點(diǎn)分析與提取等，并生成程序跟蹤所需的引導(dǎo)數(shù)據(jù)；按照任務(wù)開始及結(jié)束時(shí)間，自動(dòng)調(diào)用相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)任務(wù)的自動(dòng)化運(yùn)行，包括讀取任務(wù)參數(shù)、置位、下發(fā)設(shè)備參數(shù)、自動(dòng)控制任務(wù)開始轉(zhuǎn)程引、任務(wù)結(jié)束轉(zhuǎn)待機(jī)、上報(bào)任務(wù)執(zhí)行報(bào)告等。

（4） 數(shù)據(jù)通信功能：實(shí)現(xiàn)ACU與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，包括與站監(jiān)控管理單元（SMCU）的通信、與各頻段跟蹤接收機(jī)（TRK）的數(shù)據(jù)接收和參數(shù)配置接口通信、與ADU的網(wǎng)絡(luò)通信、與時(shí)碼編碼單元（PDU）的數(shù)據(jù)接收和零值修正以及中斷電平采集接口通信、與極化控制單元（PCU）的串口通信。

（5） 人機(jī)交互功能：完成人機(jī)界面的主信息顯示、參數(shù)配置、控制調(diào)度、輔助信息顯示等。

（6） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄功能：實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)測(cè)角數(shù)據(jù)、相關(guān)設(shè)備綜合狀態(tài)信息以及操控運(yùn)行日志的記錄存儲(chǔ)。

（7） 自動(dòng)校相功能：實(shí)現(xiàn)各頻段對(duì)塔和對(duì)星自動(dòng)校相控制，生成、維護(hù)參數(shù)列表，并具備參數(shù)提取、運(yùn)算、配置、驗(yàn)證、存儲(chǔ)等能力。

（8） 自動(dòng)化測(cè)試功能：實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)性能、參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)試，包括運(yùn)動(dòng)范圍測(cè)試、最大角速度測(cè)試、伺服帶寬測(cè)試、指向精度測(cè)試、跟蹤精度測(cè)試等。

（9） 故障綜合功能：監(jiān)視、匯總伺服系統(tǒng)中設(shè)備和運(yùn)行狀態(tài)信息，并進(jìn)行初步的綜合，給出狀態(tài)結(jié)果。

2 伺服監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控軟件由系統(tǒng)支持軟件（操作系統(tǒng)）和應(yīng)用軟件組成，整體軟件架構(gòu)采用了數(shù)據(jù)總線、動(dòng)態(tài)鏈接庫、軟件組件等技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將大量的功能組件設(shè)計(jì)為相互完全獨(dú)立的通用組件，通過控制腳本的動(dòng)態(tài)配置，將必要的組件結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大而靈活的監(jiān)控功能。應(yīng)用軟件模塊劃分充分考慮了功能獨(dú)立、代碼復(fù)用原則，為了方便模塊的編寫、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)以及軟件的升級(jí)和擴(kuò)展，每個(gè)模塊獨(dú)立封裝自已的參數(shù)、方法、界面，并單獨(dú)編譯，除主框架調(diào)度程序以可執(zhí)行文件（.exe）形式存在外，其他模塊均以動(dòng)態(tài)鏈接庫（.dll）的形式存在。應(yīng)用軟件劃分為25個(gè)軟件部件（CSC），運(yùn)行在Windows XP操作系統(tǒng)之上，采用單進(jìn)程、多線程、并行多模塊的結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。各個(gè)CSC按照其具備的功能、操控的設(shè)備進(jìn)行劃分，并設(shè)計(jì)為單獨(dú)的可執(zhí)行動(dòng)態(tài)鏈接庫。主控CSC是惟一可以獨(dú)立運(yùn)行的部件，其他的CSC由主控CSC進(jìn)行控制，彼此之間不進(jìn)行控制的交互。

2.2 系統(tǒng)控制流程

整體軟件架構(gòu)使用單進(jìn)程、多線程的工作模式。運(yùn)行時(shí)序以10 ms周期信號(hào)為基準(zhǔn)來控制整個(gè)軟件系統(tǒng)的時(shí)序，要求所有的實(shí)時(shí)算法及操作控制必須在10 ms內(nèi)完成，具體控制流程如圖3所示。控制流程如下：

（1） 初始化系統(tǒng)程序。在啟動(dòng)程序時(shí)，首先初始化系統(tǒng)全局變量、SSI高速串口通信卡、多串口通信卡以及A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換卡。其次初始化人機(jī)界面，創(chuàng)建可視化的系統(tǒng)組件；

（2） 創(chuàng)建主線程，打開系統(tǒng)配置文件，讀取并設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)，包括位置環(huán)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)、收藏位置、網(wǎng)絡(luò)配置、跟蹤參數(shù)、掃描參數(shù)以及自動(dòng)捕獲條件等；

（3） 轉(zhuǎn)入等待中斷事件：若沒有中斷信號(hào)，則一直等待，直到收到中斷信號(hào)為止；若結(jié)束系統(tǒng)進(jìn)程，則程序關(guān)閉；若等到中斷信號(hào)，則復(fù)位該中斷事件到無信號(hào)，表示該次中斷等待有效，調(diào)系統(tǒng)主控函數(shù)，完成主控功能；經(jīng)中斷采集卡將中斷信號(hào)引入，產(chǎn)生Win32事件對(duì)象供線程使用，并標(biāo)示為有效。然后再次轉(zhuǎn)入等待中斷事件。

2.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

伺服控制系統(tǒng)可由SMCU或外部設(shè)備（諸如手輪手桿等）進(jìn)行控制，系統(tǒng)讀入控制指令，然后內(nèi)部進(jìn)行一系列的控制操作，控制天線運(yùn)行，并實(shí)時(shí)將天線狀態(tài)及異常監(jiān)控出現(xiàn)時(shí)的狀況及時(shí)反饋至主界面，如圖4所示。

（1） SMCU控制狀態(tài)發(fā)出的遠(yuǎn)控信號(hào)，或手輪手速控制狀態(tài)發(fā)出的脈沖信號(hào)，激活系統(tǒng)的讀入命令狀態(tài)；

（2） 讀入命令后，發(fā)送反饋信號(hào)，激活系統(tǒng)信息反饋狀態(tài)，將命令狀態(tài)送主界面顯示，同時(shí)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，激活異常監(jiān)控狀態(tài)；

（3） 系統(tǒng)接收到控制指令，如無異常，則發(fā)送命令信號(hào)，激活天線運(yùn)行控制狀態(tài)，并將天線狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋于界面顯示；若出現(xiàn)異常，則激活系統(tǒng)信息反饋狀態(tài)，將異常信息反饋至界面顯示，同時(shí)激活異常處理機(jī)制，發(fā)送返回信號(hào)，等待控制人員下一步指令。

2.4 數(shù)據(jù)流向

數(shù)據(jù)流主要分為系統(tǒng)命令流、控制指令流以及系統(tǒng)信息流三種，操作命令處理單元和系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元是兩大核心單元，數(shù)據(jù)流主要通過這兩大核心單元與其他控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，如圖5所示。

（1） 操作人員或SMCU發(fā)出的控制命令，以及手桿等產(chǎn)生的脈沖信號(hào)與站時(shí)統(tǒng)的B碼信號(hào)通過中斷采集、脈沖處理計(jì)數(shù)控制單元，發(fā)出的控制命令送至操作命令處理單元。

（2） 操作命令處理單元將處理過的控制命令送至D/A轉(zhuǎn)換控制單元，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換，以速度及狀態(tài)指令形式發(fā)送給ADU，完成控制天線的操作；操作命令處理單元將零值、匹配值修正命令發(fā)送至PDU控制模塊，PDU發(fā)送BT時(shí)統(tǒng)信息給系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元；操作命令處理單元將極化控制命令發(fā)送至PCU控制單元，經(jīng)過處理，將極化狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋至系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元；操作命令處理單元將系統(tǒng)配置信息及控制信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)反饋于系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元；

圖5 數(shù)據(jù)流圖

（3） 系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元接收來自于TRK的Ua，Ue，Uagc及鎖定LOCK信號(hào)，發(fā)送至顯示界面并發(fā)送至SMCU；系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元接收來自于ADU的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息，PDU的BT時(shí)統(tǒng)信號(hào)，PCU的極化狀態(tài)信息，發(fā)送至顯示界面并發(fā)送至SMCU；系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元實(shí)時(shí)讀取系統(tǒng)配置信息及控制信息，發(fā)送至顯示界面并發(fā)送至SMCU；系統(tǒng)狀態(tài)顯示單元將所有數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)以日志的形式進(jìn)行保存。

2.5 自動(dòng)化測(cè)試

自動(dòng)化測(cè)試主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)天伺饋的性能、參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)試。其包括天線運(yùn)動(dòng)范圍、最大角速度、最大角加速度、伺服帶寬、指向精度、跟蹤精度等測(cè)試。針對(duì)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)，采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括參數(shù)管理、測(cè)試開始/停止、測(cè)試運(yùn)行體、測(cè)試進(jìn)度顯示、測(cè)試結(jié)果顯示，以及測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)上報(bào)等。

2.6 人機(jī)界面

軟件人機(jī)界面設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是顯示的信息直觀明了，操作使用方便可靠。人機(jī)界面分為常駐和非常駐兩大部分。常駐部分不能被其他部分覆蓋，它包括實(shí)時(shí)角度、誤差電壓、工作方式等主要信息。非常駐部分包括功能參數(shù)設(shè)置、幫助提示信息、輸入對(duì)話框等。人機(jī)界面示意圖如6圖所示。該界面在繼承以往工程所應(yīng)用界面的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，在保證充分繼承性的同時(shí)，進(jìn)行相關(guān)細(xì)節(jié)完善，還可根據(jù)用戶對(duì)設(shè)備操作等多方面的要求進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié) 語

遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)集機(jī)、電于一體，采用計(jì)算機(jī)處理控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)功能，具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)多、驅(qū)動(dòng)電機(jī)多、傳感器多和控制系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)，可靠性和安全性要求高。本文采用單進(jìn)程、多線程、并行多模塊的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了伺服系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了天線控制、設(shè)備監(jiān)視、信息顯示、數(shù)據(jù)處理、通信等功能。該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，使用結(jié)果表明：系統(tǒng)控制精度高，可靠性和可擴(kuò)展性好，易操作維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱維祥，王萬玉，馮旭祥.遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（9）：73?76.

[2] 王萬玉，馮旭祥.遙感衛(wèi)星地面接收站伺服系統(tǒng)環(huán)路安全性設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2014，54（8）：1156?1159.

[3] 張偉，盧銘.車載雷達(dá)機(jī)電控制系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2013，33（1）：66?68.

[4] 凌玲.模塊化雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2010，36（8）：52?53.

[5] 胡衛(wèi)光.遙感衛(wèi)星跟蹤天線伺服監(jiān)控軟件研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[6] 王萬玉.遙感衛(wèi)星地面接收站伺服系統(tǒng)[C]//中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)第二十七次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.三亞：中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)，1998：66?67.