唐永學(xué)，朱桂梅，郝 亮

(1.北京軒宇空間科技有限公司，北京 100190；2.丹娜(天津)生物科技股份有限公司，天津 300467)

0 引言

隨著近期“嫦娥”系列月球探測(cè)器、中國(guó)空間站核心艙、“天舟”系列貨運(yùn)飛船、“神舟”系列載人飛船的陸續(xù)成功發(fā)射，證明中國(guó)航天技術(shù)水平走在了國(guó)際前列。航天事業(yè)的步伐不斷的前進(jìn)，對(duì)衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的要求越發(fā)復(fù)雜、任務(wù)完成精度越高[1]，這就對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)確定精度要求愈來(lái)愈高[2]。航天飛行器姿態(tài)測(cè)量主要的敏感器為星敏感器，衛(wèi)星為了獲得其在空間中的位置信息及姿態(tài)變化情況，需要利用其上裝置的星敏感器來(lái)探測(cè)軸指向視場(chǎng)內(nèi)的恒星的數(shù)量、亮度及相對(duì)位置等信息[3]。

星敏感器自身存儲(chǔ)有全天區(qū)的導(dǎo)航星圖，在工作過(guò)程中，通過(guò)其光學(xué)系統(tǒng)拍攝所對(duì)應(yīng)的天球上的恒星，得到觀測(cè)星圖，將觀測(cè)星圖與導(dǎo)航星圖進(jìn)行特征匹配，從而得出衛(wèi)星本體的坐標(biāo)系的姿態(tài)。姿態(tài)確定的輸入信息是姿態(tài)敏感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，輸出是衛(wèi)星的三軸姿態(tài)參數(shù)[4]。

電子星空模擬器是與星敏感器配套的地面測(cè)試設(shè)備。它可根據(jù)輸入的慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)生成與該姿態(tài)對(duì)應(yīng)的星圖，按照接口時(shí)序向星敏感器線路盒輸出，使星敏感器線路獲得所需的電子圖像，從而達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬在軌星敏工作過(guò)程。

電子星模擬器可模擬光學(xué)系統(tǒng)殘差、暗電流、噪聲、總劑量效應(yīng)、單粒子成像、溫度、雜光(日、月、飛行器反射光)、拖尾等因素的影響，即可用于星敏感器軟件調(diào)試、測(cè)試，也可替代動(dòng)態(tài)光學(xué)星模擬器作為星敏感器的輸入，用于控制系統(tǒng)聯(lián)試，驗(yàn)證星敏感器在軌工作性能[5-6]。

1 系統(tǒng)原理與組成

星模擬器主要星在實(shí)驗(yàn)室里生成靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)星圖。星模擬器根據(jù)使用用途，可以分為靜態(tài)星模擬器(static star simulator)、動(dòng)態(tài)星模擬器(dynamic star simulator)和電子星模擬器(electrical star simulator)。

靜態(tài)星模擬器產(chǎn)生一幅固定天區(qū)的星圖，不能測(cè)試星敏感器的動(dòng)態(tài)性能，也不能參與閉路測(cè)試。靜態(tài)星模擬器的星點(diǎn)位置模擬精度較動(dòng)態(tài)星模擬器要更高，一般用來(lái)考察星敏感器的光路和電路性能[7]。

動(dòng)態(tài)星模擬器用于星敏感器動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試和標(biāo)定，可以對(duì)星敏感器動(dòng)態(tài)光學(xué)和電性能進(jìn)行驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)星模擬器需要實(shí)時(shí)顯示星圖，對(duì)星圖質(zhì)量具有較高要求，具有光學(xué)系統(tǒng)，要求安裝精度高，成本較高[8-9]。

電子星模擬器產(chǎn)生星敏感器線路所需的電子圖像。電子星模擬器沒(méi)有復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，電子圖像傳送至星敏感器的CPU板，供CPU板軟件處理，從而達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬在軌星敏工作過(guò)程的目的，驗(yàn)證星敏感器的在軌工作性能。

電子星模擬器由控制計(jì)算機(jī)及相關(guān)連接電纜組成，其工作原理如圖1所示。電子星模擬器由高性能PC機(jī)、圖像處理板、硬件底層驅(qū)動(dòng)程序(FPGA程序、硬件驅(qū)動(dòng)程序等)和人機(jī)交互界面軟件等組成。電子星模擬器控制計(jì)算機(jī)不僅可以自動(dòng)生成星圖，也可以接收動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)的輸入指令生成星圖，因此要求電子星模擬器控制計(jì)算機(jī)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)間的通訊協(xié)議應(yīng)簡(jiǎn)單、直接。

圖1 電子星模擬器系統(tǒng)組成框圖

地面動(dòng)力學(xué)每個(gè)仿真周期輸出慣性四元數(shù)信息，電子星模擬器根據(jù)輸入的四元數(shù)，查找星圖表，實(shí)時(shí)生成與該姿態(tài)對(duì)應(yīng)的星圖，并將該星圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)通過(guò)LVDS電纜輸出，使星敏獲得所需要的電子圖像。在地面動(dòng)力學(xué)閉環(huán)測(cè)試中，仿真周期設(shè)置為10 ms，則姿態(tài)更新周期為10 ms，星敏感器的采樣周期為200 ms，可設(shè)置不同工況下電子星模擬器產(chǎn)生星圖[10-11]。電子星模擬器圖像分辨率支持1 024*1 024；圖像位寬支持12 bit；能夠同時(shí)完成幀頻10 Hz的圖像上傳及采集。

2 電子星模擬器硬件方案設(shè)計(jì)

電子星模擬器包括測(cè)試計(jì)算機(jī)、LVDS圖像卡、通訊卡和對(duì)應(yīng)測(cè)試電纜組成。其中，電子星模擬器接受指令并按照指令生成圖像，通過(guò)LVDS圖像卡提供給星敏感器，也可以通過(guò)LVDS圖像卡接收來(lái)自星敏感器發(fā)來(lái)的圖像并存儲(chǔ)。電子星模擬器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電子星模擬器總體結(jié)構(gòu)

電子星模擬器具體功能要求如下：

1)采用PC機(jī)擴(kuò)展卡的形式，可選用PCI/PCIe接口擴(kuò)展卡；

2)圖像為1 024×1 024×12 bit；

3)支持同時(shí)激勵(lì)2臺(tái)星敏感器；

4)能夠同時(shí)完成幀頻10 Hz的圖像上傳及采集；

5)要求板卡支持最大帶寬同時(shí)讀寫不低于20 Mbps；

6)要求板卡支持LVTTL電平發(fā)送與接收；

7)要求板卡支持RS422差分信號(hào)，不低于2路。

2.1 電子星模擬器圖像處理卡

圖像處理板為北京軒宇空間科技有限公司研發(fā)的PCIe LVDS圖像卡。該卡主要實(shí)現(xiàn)LVDS、LVTTL及其RS422差分電平接口，通過(guò)PCIe 總線與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)與星敏感器接口時(shí)序，以及圖像的上傳與下載功能。具體性能如下：PCIe板卡尺寸167.65 mm*106.65 mm；符合PCIe V1.1規(guī)范，支持PCIe 1 Lane接口；支持DMA讀寫功能，50 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘實(shí)測(cè)最大讀帶寬130 MB/s,寫帶寬84 MB/s，可支持66 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，最大讀寫帶寬可達(dá)150 MB/s；板載1GB DDR2顆粒，用作Fifo緩存；采用FPGA芯片，可根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)特定時(shí)序接口；采用高速電磁隔離，最大傳輸延遲：7 ns；最大可承受脈沖電壓：6 kV；最大支持20/20 LVDS輸入/輸出接口，符合IEEE 1596.3 SCI /TIA/EIA-644規(guī)范；支持 4/4 路3.3 V LVTTL輸入/輸出接口；支持 4/4 路RS422差分電平輸入/輸出接口，符合TIA/EIA-422-B /ITU V1.1標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 電子星模擬器串口通信卡

串口通訊卡主要與動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)對(duì)電子星模擬器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，接收來(lái)自動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)的指令，根據(jù)指令響應(yīng)操作。采用MOXA卡，型號(hào)CP-134U-I。具體性能如下：處理最高效能可達(dá)700 kbps以上；最高傳輸率達(dá)921.6 kbps；提供信號(hào)自動(dòng)流向控制；兼容3.3/5 V PCI和PCI-X；支持Windows、WinCE 5.0、Linux、Unix等驅(qū)動(dòng)；具備15 kV ESD靜電保護(hù)；2 kV光電隔離保護(hù)。

2.3 電子星模擬器主機(jī)

電子星模擬器主機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互、圖像生成、圖像采集、存儲(chǔ)顯示等，是測(cè)試軟件運(yùn)行的載體以及LVDS圖像卡、串口通信卡的安裝平臺(tái)。采用商用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，商用計(jì)算選擇是主要考慮圖像處理速度、主板安裝插槽、硬盤存儲(chǔ)空間。

為了能更好的進(jìn)行圖像處理，在計(jì)算機(jī)CPU選擇時(shí)著重考慮處理速度，目前選擇i7系列CPU，主頻為3.4 GHz，四核八線程，以滿足圖像處理速度；因MOXA通訊卡總線為PCI，而自研的LVDS圖像處理卡為PCI-E接口，因此在選擇主板時(shí)應(yīng)選擇有PCI和PCI-E的主板；選擇1 T以上存儲(chǔ)空間的硬盤。根據(jù)上述要求，選擇惠普的商用電腦ProDesk 480G6。

3 電子星模擬器軟件設(shè)計(jì)

電子星模擬器軟件需具備合理的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思路，利用Windows系統(tǒng)平臺(tái)快速開(kāi)發(fā)出軟件，滿足測(cè)試的要求。在性能上保證了軟件的穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試性、運(yùn)行的快速性；同時(shí)具有較高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能，兼顧對(duì)硬件的安全性、軍工產(chǎn)品的安全性、可靠性以及較低的資源占有率；界面的直觀操作具有美觀性、可用性、通用性等。

3.1 軟件運(yùn)行環(huán)境

電子星模擬器軟件采用Microsoft Visual Studio 2010編寫，程序語(yǔ)言為C#以及VC++，軟件運(yùn)行在Windows 7操作系統(tǒng)下；使用NI VISA來(lái)驅(qū)動(dòng)LVDS板卡。人機(jī)交互界面、圖像顯示模塊、動(dòng)力學(xué)參數(shù)模塊均是使用C#開(kāi)發(fā)。人機(jī)交互界面使用了WPF界面開(kāi)發(fā)以及Prism框架。板卡操作模塊、圖像生成模塊、板卡驅(qū)動(dòng)模塊是使用C/C++開(kāi)發(fā)。這樣的方案考慮了板卡操作的性能優(yōu)化，以及界面開(kāi)發(fā)的便捷性。C#調(diào)用C/C++動(dòng)態(tài)庫(kù)的接口，采用調(diào)用方清堆棧的方式進(jìn)行[12-14]。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)及功能模塊

電子星模擬器軟件為通用型軟件，為了兼容多種動(dòng)力學(xué)地面設(shè)備，傳遞動(dòng)力學(xué)參數(shù)使用串口和網(wǎng)口兩種傳輸模式。

軟件的功能模塊主要包括：人機(jī)交互、板卡操作模塊、圖像生成、圖像發(fā)送、圖像采集、動(dòng)力學(xué)參數(shù)接收/生成及圖像顯示等功能。

1)人機(jī)交互模塊?；陟`活配置的軟件框架實(shí)現(xiàn)基本的按鈕控件、編輯框控件、主界面的顯示控件、開(kāi)始/停止圖像數(shù)據(jù)輸出、開(kāi)始/停止圖像數(shù)據(jù)采集、動(dòng)力學(xué)參數(shù)顯示等。人機(jī)交互模塊使用C#開(kāi)發(fā)，便于界面開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，且較為美觀。

2)板卡操作模塊。主要實(shí)現(xiàn)功能是：初始化LVDS圖像板卡發(fā)送功能、采集功能以及中斷功能；維護(hù)板卡操作線程；在板卡操作線程中將模擬星圖數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS板卡發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，并通過(guò)板卡采集圖像數(shù)據(jù)。此模塊使用VC++開(kāi)發(fā)接口，以便于C#調(diào)用為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)；調(diào)用圖像生成模塊和板卡驅(qū)動(dòng)模塊；調(diào)用NI VISA接口來(lái)操作板卡。

3)圖像生成模塊。主要功能是根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及其他系數(shù)(星點(diǎn)參數(shù)、標(biāo)定系數(shù)等)，調(diào)用星圖庫(kù)生成模擬星圖數(shù)據(jù)。

4)動(dòng)力學(xué)參數(shù)接收/生成模塊。根據(jù)界面用戶選擇初始化相應(yīng)的串口或網(wǎng)口，根據(jù)界面用戶選擇開(kāi)啟接收線程(從串口或網(wǎng)絡(luò)接收動(dòng)力學(xué)參數(shù))或生成線程(本地生成動(dòng)力學(xué)參數(shù))；維護(hù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)性。使用C#開(kāi)發(fā)；生成動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要是四元數(shù)根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的角速度進(jìn)行積分、計(jì)算。

5)圖像顯示模塊。主要實(shí)現(xiàn)功能是：將RAW數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換BMP格式；BMP格式數(shù)據(jù)到顯示窗口的轉(zhuǎn)換；定時(shí)圖像更新；圖像分析，放大縮小，灰度值顯示。使用C#開(kāi)發(fā)，窗口位圖按照BMP格式數(shù)據(jù)輸出。

各軟件模塊的關(guān)系如圖3所示。

圖3 軟件模塊關(guān)系

3.3 軟件工作流程

電子星模擬器軟件在線程同步性方面做了較多努力，重新設(shè)計(jì)了各個(gè)線程的分工。板卡操作模塊，是軟件的核心模塊，軟件的性能主要靠板卡操作模塊的運(yùn)行情況來(lái)保證。在設(shè)計(jì)過(guò)程中多次對(duì)板卡操作模塊的工作流程進(jìn)行了優(yōu)化，以提升圖像發(fā)送和采集的性能和穩(wěn)定性。在電子星模擬器軟件中使用了多線程技術(shù)，如果不加入同步鎖，進(jìn)行線程同步操作時(shí)，很容易導(dǎo)致線程間爭(zhēng)奪資源或表現(xiàn)出不合理的結(jié)果，所以在代碼開(kāi)發(fā)中嚴(yán)格使用鎖，對(duì)線程同步進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和測(cè)試，避免線程的互鎖。電子星模擬器軟件主要工作線程的流程如圖4所示。

圖4 電子星模擬器軟件流程圖

3.4 軟件其他說(shuō)明

3.4.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)說(shuō)明

為了動(dòng)力學(xué)接口統(tǒng)一和明確，要求動(dòng)力學(xué)參數(shù)傳遞(網(wǎng)絡(luò)、串口)時(shí)，四元數(shù)的順序必須為(q3，q2，q1，q0)，三軸角速度的順序?yàn)?w1，w2，w3)；動(dòng)力學(xué)傳遞的角速度的單位為rad/s；為了便于查看，界面顯示的角速度單位為°/s。

3.4.2 星圖庫(kù)簡(jiǎn)要說(shuō)明

星圖庫(kù)采用北京控制工程研究所的星圖庫(kù)，專門為小型長(zhǎng)壽命星敏電子星模模擬器提供，目前提供的庫(kù)生成的星圖為1 024×1 024×12 bit。

3.4.3 板卡操作技術(shù)簡(jiǎn)要說(shuō)明

LVDS輸出/輸入卡是北京軒宇空間科技有限公司自主研發(fā)的LVDS通訊卡，驅(qū)動(dòng)使用NI VISA通用驅(qū)動(dòng)。在NI VISA提供的庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的封裝，形成板卡驅(qū)動(dòng)模塊，使其更加易用。主要函數(shù)如表1所示。

表1 板卡驅(qū)動(dòng)模塊函數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 電子星模擬器指令響應(yīng)時(shí)間

根據(jù)指標(biāo)要求能夠同時(shí)完成幀頻10 Hz的圖像上傳及采集，即電子星模擬器接收到動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)的指令后，將生成的星圖上傳給星圖的響應(yīng)時(shí)間≤100 ms。響應(yīng)時(shí)間定義：電子星模擬器接收到指令計(jì)算機(jī)最后一個(gè)字節(jié)停止位至電子星模擬器將圖像的第一個(gè)數(shù)據(jù)位推出的時(shí)間間隔。

由于使用Windows系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性有一定限制。為保證圖像正確性及其周期性準(zhǔn)確，采用板卡端控制時(shí)序的策略，在發(fā)送一幀圖之前的一定時(shí)間內(nèi)，向軟件發(fā)送圖像數(shù)據(jù)請(qǐng)求。軟件則需要在請(qǐng)求時(shí)間內(nèi)，將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至板卡。這樣的方案下，由于板卡時(shí)鐘和動(dòng)力學(xué)指令為異步，則有，請(qǐng)求時(shí)間<電子星模擬器指令實(shí)際響應(yīng)時(shí)間<請(qǐng)求時(shí)間+動(dòng)力學(xué)指令時(shí)間間隔。電子星模擬器指令實(shí)際響應(yīng)時(shí)間受設(shè)定的請(qǐng)求時(shí)間以及動(dòng)力學(xué)指令時(shí)間間隔兩方面影響。

為了配合驗(yàn)證，將動(dòng)力學(xué)參數(shù)指令發(fā)送時(shí)間間隔設(shè)定為10 ms。為了保證圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，請(qǐng)求時(shí)間應(yīng)大于軟件端所需要的圖像發(fā)送時(shí)間。軟件操作流程如圖5所示。

圖5 軟件操作流程圖

通過(guò)以上分析，影響響應(yīng)時(shí)間的因素主要有：星圖生成時(shí)間、寫DMA時(shí)間及Windows線程調(diào)度引起的線程等待。表2所示的是通過(guò)軟件打印星圖生成時(shí)間、寫DMA時(shí)間，以及獲取的請(qǐng)求標(biāo)志時(shí)間間隔，運(yùn)行情況為單通道發(fā)送。

表2 單通道軟件測(cè)試發(fā)送時(shí)間

星圖生成時(shí)間較短，均小于5 ms。板卡寫DMA帶寬為84 MB/s，根據(jù)此速度計(jì)算得到寫2 MB數(shù)據(jù)時(shí)間為23.8 ms。根據(jù)上圖可以看出，DMA時(shí)間最大為25 ms。連續(xù)發(fā)送1 000次2 M數(shù)據(jù)的時(shí)間為24 120 ms，認(rèn)為DMA發(fā)送時(shí)間為25 ms是可信的。

為了確認(rèn)Windows系統(tǒng)下，線程調(diào)度引起的線程等待時(shí)間，在2通道發(fā)送、采集均開(kāi)啟的情況下，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)48小時(shí)拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，利用軟件輸出的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果為：中斷的時(shí)間間隔為90～110 ms，中斷響應(yīng)受Windows系統(tǒng)線程調(diào)度影響導(dǎo)致的不穩(wěn)定度認(rèn)為是10 ms；從接收到板卡中斷，到寫DMA完成時(shí)間為25～45 ms；從接收到板卡中斷，到寫DMA完成，再到讀取板卡采集圖像數(shù)據(jù)完成，時(shí)間為50～75 ms；一個(gè)周期內(nèi)，最大的耗時(shí)不超過(guò)中斷的不穩(wěn)定度+完成發(fā)送采集的時(shí)間，即10 ms+75 ms=85 ms，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，中斷到板卡開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔設(shè)定為90 ms，略大于測(cè)試的最大耗時(shí)，周期為100 ms，則可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

綜上所述，使用動(dòng)力學(xué)參數(shù)生成圖像的時(shí)機(jī)為響應(yīng)中斷的時(shí)間，中斷到板卡開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)為90 ms，響應(yīng)中斷的不穩(wěn)定度為10 ms，可以認(rèn)為取動(dòng)力學(xué)參數(shù)的時(shí)間到發(fā)送圖像的時(shí)間為80～90 ms，由于動(dòng)力學(xué)參數(shù)間隔為10 ms，故電子星模擬器指令響應(yīng)時(shí)間為80～100 ms，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.2 電子星模擬器四元數(shù)誤差

在某衛(wèi)星控制分系統(tǒng)地面測(cè)試中，將電子星模擬器接入閉環(huán)測(cè)試回路，在測(cè)試過(guò)程中，將同一時(shí)間段的地面動(dòng)力學(xué)輸出給星敏的理論數(shù)據(jù)和星敏采集到的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，理論值和采集值的誤差曲線如圖6所示，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，理論值和采集值的最大誤差為0.000 7，小于0.07%，此誤差對(duì)于閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)姿態(tài)確定的影響可忽略不計(jì)。電子星模擬器性能滿足要求，證明了電子星模擬器的實(shí)用性和有效性。

圖6 理論值和采集值誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)完成了電子星模擬器的軟硬件，此電子星模擬器在某衛(wèi)星控制分系統(tǒng)地面測(cè)試中成功的進(jìn)行了閉環(huán)試驗(yàn)。為更充分的驗(yàn)證衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案的可行性，以及確定姿態(tài)的工作情況，將電子星模擬器應(yīng)用于衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試中，在地面模擬了星敏在軌識(shí)別的星圖，測(cè)試結(jié)果表明電子星模擬器動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、工作穩(wěn)定、誤差小，該電子星模擬器具有通用性，可廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試中。