(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

衛(wèi)星作為外空數(shù)據(jù)交換服務(wù)載體，通過光通信方式同地面建立連接，將所探測，采集、捕獲的信息經(jīng)過激光信號回傳至地面接收點(diǎn)，實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面間的一次交互。此種技術(shù)就是衛(wèi)星通信常用的衛(wèi)星光通信技術(shù)。由于衛(wèi)星的種類、所處軌道、軌道位置、功能性的不同，地面接收點(diǎn)需要實時高精度獲取衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行姿態(tài)、軌道、動力、任務(wù)調(diào)整，使其具備相應(yīng)任務(wù)條件。隨著近年來衛(wèi)星光通信數(shù)據(jù)量的增大，衛(wèi)星跟蹤精度不斷提高，傳統(tǒng)電信號交換的跟蹤方式[1]，無法適應(yīng)高流量下的衛(wèi)星光通信跟蹤任務(wù)，信息流交互速率的提升加大了光通信數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)在信道內(nèi)部的分布面積，節(jié)點(diǎn)交互面的延伸改變了數(shù)據(jù)在信道內(nèi)的分布特征，傳統(tǒng)電信號交互記錄特征[2]在新特征下會產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)錯位，錯位產(chǎn)生的誤差量會影響控制信號與跟蹤信號的分割匹配，降低控制精度。

文獻(xiàn)[3]提出了衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計方法，兩級子系統(tǒng)的總體設(shè)計充分利用了系統(tǒng)中的設(shè)計自由度。通過全面優(yōu)化這些設(shè)計自由度，可以實現(xiàn)階躍干擾的去耦和復(fù)雜干擾的抑制，以及不敏感的磁極配置和控制。諸如最小化增益的各種設(shè)計要求已大大提高了對準(zhǔn)精度。該方法的控制精度較好，但系統(tǒng)運(yùn)行效率較差。文獻(xiàn)[4]在等效誤差模型的基礎(chǔ)上提出了受限指令預(yù)設(shè)性能控制律設(shè)計方法。引入受限指令濾波方法，綜合考慮建模誤差和外部擾動，引入連續(xù)雙曲正切函數(shù)逼近飽和函數(shù)，利用自適應(yīng)率對模型的未知參數(shù)進(jìn)行估計，最后引入預(yù)設(shè)的性能方法來分析船舶的瞬態(tài)性能。該方法具有較好瞬態(tài)性能，但整體控制精度該有所提升。

針對光通信特點(diǎn)與數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn)特征，通過采用中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測技術(shù)，提出一種基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測的衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計，圍繞中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測進(jìn)行軟硬件設(shè)計，并通過數(shù)據(jù)證明，設(shè)計系統(tǒng)的可行性與優(yōu)越性。

1 基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測的衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)框架設(shè)計

基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測的衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)根據(jù)功能性將整體框架分為3部分，如圖1所示。

圖1 硬件框架結(jié)構(gòu)

圖1中整體系統(tǒng)基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測技術(shù)，硬件平臺采用的STM32F103RBT6主控基于衛(wèi)星光通信拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議，因此需要通過MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉(zhuǎn)換器對衛(wèi)星光通信信號進(jìn)行光媒圖譜轉(zhuǎn)換，才可實現(xiàn)CDD光學(xué)傳感器對光媒信號的圖譜特征識別。為了保證識別后的光媒特征圖譜能夠被STM32F103RBT6主控認(rèn)知，采用H1164NL信號濾波IC對圖譜信號進(jìn)行波束的濾波轉(zhuǎn)換處理，使其信號參量滿足STM32F103RBT6主控處理變量要求。在硬件架構(gòu)的數(shù)據(jù)輸出參量上，設(shè)計采用自定義邏輯模塊，可根據(jù)控制終端參量通過邏輯編輯工具自行定義輸出邏輯與相關(guān)參量，以此保證硬件框架的兼容性與擴(kuò)展性。由光通信光譜信號特征采集單元實現(xiàn)衛(wèi)星光通信數(shù)據(jù)的采集，由中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測數(shù)據(jù)指揮調(diào)度單元實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的特征信號處理，并通過光媒信號跟蹤控制反饋實現(xiàn)高精度跟蹤信號的控制調(diào)節(jié)，共同實現(xiàn)了基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測的衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)框架設(shè)計。

2 硬件配置與參量

設(shè)計系統(tǒng)的硬件框架是基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測技術(shù)設(shè)計，其中硬件框架的前端為高精度跟蹤信號控制調(diào)制模塊，基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[5]構(gòu)建的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)媒光信號進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理，并引入圖像特征分割處理技術(shù)硬件，完成對光媒信號特征區(qū)域的鎖定，再由濾波器完成對光媒特征信號的濾波轉(zhuǎn)換處理，使其順利到達(dá)中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測數(shù)據(jù)指揮調(diào)度單元，通過MUC對信號中特征量的分割，結(jié)合控制數(shù)據(jù)指令節(jié)點(diǎn)特征，對跟蹤數(shù)據(jù)作出最佳預(yù)測，最后通過高精度跟蹤信號控制調(diào)節(jié)單元內(nèi)部硬件，完成對預(yù)測數(shù)據(jù)量與控制量信號的優(yōu)化輸出，從而達(dá)到提升控制精度的效果。以下對3個硬件單元中核心硬件功能與參量注釋如下。

2.1 STM32F103RBT6高精度光通信光譜信號特征信號處理主控

用于控制系統(tǒng)核心MUC，對光通信光媒特征譜初級處理的跟蹤信號特征與對應(yīng)控制信號指令節(jié)點(diǎn)特征進(jìn)行預(yù)測，為相應(yīng)的處理算法與策略執(zhí)行提供對應(yīng)場景與環(huán)境的創(chuàng)建與支持。

2.2 MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉(zhuǎn)換器

基于衛(wèi)星通信模式為光通信，通信數(shù)據(jù)的傳輸媒介為光媒，而CDD傳感器可處理數(shù)據(jù)參量為模擬量處理范圍，因此需要通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手段，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，創(chuàng)建變量轉(zhuǎn)換場景?；谏鲜鲆螅O(shè)計采用MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉(zhuǎn)換器，其工作狀態(tài)下變量轉(zhuǎn)換示意圖如圖2所示。

圖2 MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉(zhuǎn)換器工作狀態(tài)下變量轉(zhuǎn)換示意圖

2.3 CDD光學(xué)傳感器

通過CDD光學(xué)成像技術(shù)，利用不同像素點(diǎn)在暗通道中分布結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對光信號數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分布特征光譜采集，將光信號中跟蹤數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)以圖譜形式呈現(xiàn)，便于跟蹤信號數(shù)據(jù)分布特征的高精度分割。利用CDD傳感器對光源信號的感知靈敏度，快速對衛(wèi)星光通信光媒數(shù)據(jù)作出反應(yīng)，配合濾波器以及相應(yīng)算法，完成對光媒數(shù)據(jù)中跟蹤數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)的圖譜構(gòu)建。其處理原理概括圖如圖3所示。

圖3 CDD光學(xué)傳感器光媒數(shù)據(jù)特征圖譜處理原理概括圖

2.4 H1164NL信號濾波IC

主要用于光通信光媒數(shù)據(jù)中，跟蹤數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)像素化分布特征圖譜模擬量的數(shù)字化轉(zhuǎn)換濾波處理場景支持。

表1 H1164NL信號濾波IC技術(shù)參數(shù)

2.5 73M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調(diào)制IC

73M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調(diào)制IC主要擔(dān)負(fù)著MUC主控處理數(shù)據(jù)量的精度提升任務(wù)。其主要對控制變量與跟蹤信號特征量的匹配度進(jìn)行精度優(yōu)化，通過硬件自身設(shè)計參量，使控制精度值成為恒定量，避免外界因素對結(jié)果數(shù)據(jù)的擾動，控制誤差值在固定的范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)軟件算法定義設(shè)計

為了使上述硬件在衛(wèi)星光通信跟蹤系統(tǒng)中發(fā)揮最大效用，根據(jù)硬件技術(shù)參量特點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測技術(shù)要求，對設(shè)計系統(tǒng)的軟件算法進(jìn)行定義設(shè)計。

3.1 中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測指令交互算法

為了有效解決傳統(tǒng)衛(wèi)星光通信跟蹤控制系統(tǒng)控制精度降低問題，結(jié)合對問題產(chǎn)生現(xiàn)象的特征，設(shè)計系統(tǒng)軟件部分，適配中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測指令交互算法，通過算法的適配與定義設(shè)計，達(dá)到對光通信跟蹤節(jié)點(diǎn)的中間環(huán)節(jié)變量的預(yù)測，得到跟蹤節(jié)點(diǎn)在光媒圖譜上的分布特征。設(shè)計算法的實現(xiàn)步驟如下：

光通信節(jié)點(diǎn)具有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性，將光媒數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)所在鏈路定義為網(wǎng)絡(luò)鏈路空間，根據(jù)節(jié)點(diǎn)交互過程中，需要發(fā)送KRY指令集[6]與YES指令集[7]的特點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測指令空間NIQ中，交互指令集之間突發(fā)信息交互流程如圖4所示。

圖4 交互指令集之間突發(fā)信息交互流程

當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)鏈路空間外圍生成突發(fā)信息交互指令集時，會預(yù)先向遠(yuǎn)端發(fā)送一組突發(fā)信息指令控制包(MVQ)。MVQ會對交互過程中信道內(nèi)的全局信息進(jìn)行收集，任意一個中間節(jié)點(diǎn)會對MVQ采集信息的可信度進(jìn)行確認(rèn)，經(jīng)過認(rèn)可后才能進(jìn)入鏈路空間的下一個鏈路層，此過程還會對鏈路空間中的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行信息節(jié)點(diǎn)與經(jīng)過鏈路層信道狀態(tài)的預(yù)測，若該中間節(jié)點(diǎn)滿足整個信息鏈路空間的交互規(guī)則，及時向發(fā)送端反饋節(jié)點(diǎn)認(rèn)可信息，與此同時MVQ不間斷向遠(yuǎn)端發(fā)送鏈路空間信息資源信息；反之MVQ不間斷采集鏈路信道數(shù)據(jù)，并在鏈路層的下一節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測。認(rèn)可后的資源信息反饋到發(fā)送節(jié)點(diǎn)后，隨即將突發(fā)信息數(shù)據(jù)指令集(BDP)將確認(rèn)信道路徑傳輸至遠(yuǎn)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)，同時發(fā)出一條釋放信息，對預(yù)測節(jié)點(diǎn)鏈路信息進(jìn)行清除。至此完成一次中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測指令的交互。中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測指令預(yù)測交互算法流程如圖5所示，軟件定義邏輯順序如下：

1)BVQ確認(rèn)后對網(wǎng)絡(luò)鏈路空間進(jìn)行拓?fù)涑跏蓟?/p>

2)參照路徑最優(yōu)原則檢索資源節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)端接收節(jié)點(diǎn)的最佳Tdf；

3)通過NIQ指令集獲取可支持中間節(jié)點(diǎn)的信息指令數(shù)據(jù)量，同時將認(rèn)可信息反饋至發(fā)送節(jié)點(diǎn)；

4)發(fā)送端根據(jù)認(rèn)可信息Tdf發(fā)送MFQ同時釋放信息清除鏈路預(yù)測資源。

圖5 中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測指令預(yù)測交互算法流程

3.2 控制誤差優(yōu)化策略設(shè)計

完成中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測指令交互計算后，對交互后的跟蹤特征數(shù)據(jù)進(jìn)行控制量匹配策略的優(yōu)化，以期提升控制量的精準(zhǔn)度。策略設(shè)計匹配硬件為73M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調(diào)制IC?？蓪⑵湟暈?3M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調(diào)制IC驅(qū)動策略的設(shè)計。具體設(shè)計如下：

令控制指令基點(diǎn)與跟蹤信息節(jié)點(diǎn)間的最近路由為Tdf，且此時任意信道僅滿足單向數(shù)據(jù)傳輸條件。此環(huán)境變量條件下，各計算參量定義如下。

ymvq：處于任意節(jié)點(diǎn)MVQ所對應(yīng)的時間點(diǎn)下，全局時間與鏈路時間對應(yīng)值相同。

yde：代表隨機(jī)一個節(jié)點(diǎn)光通信交叉矩陣對應(yīng)的交互時間。

ysy：節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包在鏈路空間外圍突發(fā)信息節(jié)點(diǎn)生成所耗時間。

ym：MFQ內(nèi)部鏈路信道中的節(jié)點(diǎn)傳輸時間。

ypgg：MVQ與對應(yīng)MFQ之間傳輸所需的時間的最小系數(shù)。

在INP數(shù)據(jù)指令集中，分別由衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)指令集YSE與控制指令集KRY兩方程混合式構(gòu)成，二者之間的匹配程度由中間節(jié)點(diǎn)中處于l位置的突發(fā)信息數(shù)據(jù)流的生成時間與傳輸消耗用時決定[8-10]。假設(shè)N為發(fā)送端節(jié)點(diǎn)到中間節(jié)點(diǎn)的頻率，z為中間節(jié)點(diǎn)到控制指令節(jié)點(diǎn)的頻率，i為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)間的匹配系數(shù)。則二者匹配過程中的數(shù)據(jù)匹配誤差yNIQ為：

(1)

(2)

設(shè)計算法中，當(dāng)a=i時，控制指令集系數(shù)與YES信息數(shù)據(jù)指令集的匹配系數(shù)相同；當(dāng)a=0或z=i時，跟蹤數(shù)據(jù)指令集與控制指令集KRY的最小系數(shù)量[11-13]相同。

假設(shè)Dn為控制網(wǎng)絡(luò)空間狀態(tài)系數(shù)，分別由MVQ處于第z個中間節(jié)點(diǎn)處所獲取的發(fā)送節(jié)點(diǎn)與控制指令節(jié)點(diǎn)間的匹配信息DVn同此節(jié)點(diǎn)與控制指令節(jié)點(diǎn)相鄰數(shù)據(jù)信息狀態(tài)系數(shù)DQn構(gòu)成，其函數(shù)關(guān)系可描述為Dn=gn(DVn,DQn)。Rn為此過程的精度指標(biāo)量，其中n=1,2,3…代表指標(biāo)類別[14-15]。

為了更加便捷地完成匹配精度優(yōu)化，設(shè)計算法中令DOQ(Dn,En)代表中間節(jié)點(diǎn)包含控制網(wǎng)絡(luò)空間狀態(tài)系數(shù)Dn對應(yīng)閾值大于精度指標(biāo)量Rn。若該節(jié)點(diǎn)符合DOQ(Dn,En)定義條件時，引入精度指標(biāo)量的權(quán)重量ξn，可得到衛(wèi)星跟蹤信息節(jié)點(diǎn)與控制指令節(jié)點(diǎn)間的最佳匹配函數(shù)∑ξn|Dn-Rn|，其對應(yīng)值便是控制量優(yōu)化后的更新系數(shù)量[16-17]。

3.3 軟件實現(xiàn)

以C++作為編程語言，實現(xiàn)軟件設(shè)計，具體流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程圖

如圖6所示，在C++軟件中編寫軟件設(shè)計程序，通過指令交互算法實現(xiàn)中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測，為優(yōu)化衛(wèi)星光通信數(shù)據(jù)控制量匹配策略，計算節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匹配誤差，最后得到衛(wèi)星跟蹤信息節(jié)點(diǎn)與控制指令節(jié)點(diǎn)間的最佳匹配函數(shù)，即為衛(wèi)星光通信最優(yōu)控制量。

4 系統(tǒng)性能測試

通過MATLAB仿真測試平臺對基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測的衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計的有效性進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。采用文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法作為實驗對比方法，從衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)的控制精度和控制耗時兩方面驗證所提方法的有效性。

4.1 測試場景搭建

測試場景搭建采用Keil編輯語言進(jìn)行測試工具編寫。通過編寫的UDP信號測試工具創(chuàng)建測試場景。Keil測試工具編輯場景參量如表2所示。

表2 Keil測試工具編輯場景參量

4.2 測試數(shù)據(jù)設(shè)定

測試場景中導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)配置如下：測試數(shù)據(jù)樣本規(guī)模為200；單次測試群組構(gòu)成數(shù)量為10；測試周期為5；測試時間為2小時；測試標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)量為2.3。測試場景搭建示意圖如圖7所示。

圖7 測試場景搭建示意圖

圖7對測試工具場景創(chuàng)建后臺數(shù)據(jù)設(shè)置項進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)注。

4.3 測試結(jié)果與分析

在搭建的測試環(huán)境中，分析配置測試量在測試樣本系統(tǒng)(本文提出設(shè)計的控制系統(tǒng))上的效果。對0～120 min內(nèi)的控制效果進(jìn)行分析，根據(jù)控制量斜率對應(yīng)值，結(jié)合指標(biāo)量對比后得出結(jié)論。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 控制精度測試結(jié)果

由圖8可知：在測試場景中，衛(wèi)星光通信跟蹤信號波與控制信號交錯環(huán)境下，120分鐘測試中控制量初始值為1.513；24 min對應(yīng)的控制量為1.501；48 min對應(yīng)的控制量為1.482；72對應(yīng)的控制量為1.473 4；96 min對應(yīng)的控制量為1.436；120 min對應(yīng)的控制量為1.427；通過對上述對應(yīng)控制量值的分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計系統(tǒng)控制精度隨著控制時間增加，控制精度逐漸趨近于控制標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)1.4，且控制量變化幅度較為明顯，使控制量收尾系數(shù)為1.427，結(jié)合測試圖跟蹤信號波動狀態(tài)可知，測試場景為復(fù)雜環(huán)境的測試，因此，正常環(huán)境下控制量會有0.013～0.021的提升空間。

在此基礎(chǔ)上，測試3種方法的控制耗時，得到伏筆結(jié)果如圖9所示。

圖9 控制耗時測試結(jié)果

分析圖9可知，隨著測試數(shù)據(jù)量的增加，文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法的控制時間越長，而所設(shè)計系統(tǒng)的控制耗時一直保持平穩(wěn)增長。在600個測試數(shù)據(jù)量下，所設(shè)計系統(tǒng)的檢測耗時為1.2 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)對比方法，表明所設(shè)計系統(tǒng)的衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制效率較好。

5 結(jié)束語

衛(wèi)星光通信高精度跟蹤能夠獲取衛(wèi)星狀態(tài)實時數(shù)據(jù)，在地空任務(wù)數(shù)據(jù)交換，遙感遠(yuǎn)程任務(wù)部署中具有重要作用，為天氣變化數(shù)據(jù)預(yù)測等信息交互，提供高精度數(shù)據(jù)支持。因此衛(wèi)星光通信跟蹤控制的精準(zhǔn)度，直接決定著數(shù)據(jù)信息交互質(zhì)量。本文提出基于中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測的衛(wèi)星光通信精確跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計，以光源作為光通信數(shù)據(jù)載體，通過光通道作為傳輸媒介，極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸速率，降低了信號阻抗與損耗，采用中間節(jié)點(diǎn)預(yù)測技術(shù)，以數(shù)據(jù)作為判定依據(jù)，通過實驗證明了設(shè)計系統(tǒng)的控制精度較高，控制耗時較短，具有一定的有效性。