基于数据包的航天器数管模拟器软件设计

摘要：随着空间技术的快速发展，使用数管模拟器模拟数管分系统进行测试已成为趋势。为了使数管模拟器软件能够适应航天器数据管理新的变化，降低软件实现难度，根据用户需求和已有硬件平台，提出了一种软件设计。本设计采用数据处理分层体制协议来降低软件实现的复杂性，使用数据包进行数据处理，并利用数据帧来完成数据的传输。该模拟器进行了100 h的各项功能老练试验，结果表明，该设计可靠、稳定、能满足设计要求。
关键词：数管模拟器；空间技术；数据包；软件设计

    数管分系统作为航天器平台的重要支柱。实现航天器数据的采集、传输、处理和利用，是航天器的信息中心，也是提高航天器利用效率的关键。数管模拟器全面模拟航天器数管分系统功能，实现与电源、姿轨控、热控以及有效载荷的对接，完成对平台及有效载荷的遥控、遥测、统一时间勤务等管理。随着航天器产品数量的不断增加和复杂度的不断提高，在航天器研制过程中使用数管模拟器模拟数管分系统对航天器平台及有效载荷进行测试能有效缩短航天器试验研制周期，降低航天器的研制成本。某航天器数管模拟器是航天器平台服务设备，需要对不同信源、不同速率、不同性质的多种信息统一管理，形成综合数据流，以满足多种信息传输的需要，使得上下行信道可以为航天器平台和有效载荷的各个不同应用过程所共有：在信息传输过程中，要求能够根据当前实际需要改变上下行通道传输的数据类型和数据量，从而提高数管系统的效率和效益；在模拟器协议实现中要求采用分层结构，系统软件和应用过程任务软件分别设计，在系统软件上通过添加／删除应用过程任务软件可以实现不同功能的组合。

1 软硬件体系
    数管模拟器硬件平台由中央处理器模块、遥测采集模块、开关指令等模块组成，设备组成及与外部设备接口如图1所示。

    中央处理模块主要完成与地面总控计算机的通讯，接收地面总控发出的控制命令来完成器上时间校准、间接指令的发送、内存下卸以及总线数据的注入等功能，这个模块主要模拟航天器数管计算机功能。中心处理模块通过1553B总线和星上其他设备进行通信，在这个总线系统中，中央处理模块作为总线BC端，其他设备作为总线RT端。
     遥测采集模块模拟航天器远置单元的数据采集功能，它将采集到的各种离散的遥测量组包后通过串口发送给中央处理模块。
    开关指令模块接收从中央处理模块来的命令和数据，完成遥控指令的分配、输出功能。开关指令模块模拟远置单元间接指令功能，即开关指令的驱动输出。

    数管模拟器软件包括有遥测采集模块软件与中央处理单元系统软件，数管模拟器正常工作时，两者同时运行，两软件及外部设备数据流关系如图2所示。遥测采集模块软件负责采集验证器上各种模拟量与温度量，并且以150 ms为周期，定时被中央控制单元系统软件采集；中央控制单元系统软件还通过1553B总线采集星上设备数据，经过组帧后通过RS422总线传送给地面总控软件。中央控制单元系统软件同时也接收并执行地面总控软件发送的时间校准指令、直接指令、指令组指令、内存下卸指令、总控数据注入等指令。
 

2 软件机制
2．1 数据包
    随着航天技术的发展，航天器上下行数据的信息量急剧增大，种类繁多复杂，各种信息的特点和对传输的要求差异大，信源已经不是单点信息字，而是经过处理的信息集合，同时多用户信源的信息需要通过同一物理信道传输。传统的PCM测控传输帧已很难适应这些变化。
    数据包是由星上信源(分系统或设备)的一个应用过程产生的数据包，它包含了一组观测数据及相应的辅助数据。数据包概念的本质是航天器内运行的多个应用系统创建各自的单元数据，允许航天器上各数据系统通过空地通信信道传输这些数据。
    数据包由航天器内的应用系统根据数据处理需要产生，间隔和长度固定或者可变，数据包允许各个应用系统优化它的数据结构和长度，这样每个数据源就可以独立于其他数据源定义与自身相适应数据结构。除了标识数据源和包特征的包头外，数据内容完全由航天器上各个应用系统决定。
    同传统的传输帧格式比较，基于数据包的传输帧包含有应用系统及数据路由信息，数据装配能力强，数据传输灵活，采样时间间隔可以不固定。这样就对航天器和地面设备之间的数据通信带来了很大的方便。
2．2 数据处理分层体制
    现代数据系统主要面向数据包信源信宿，用户可以按照"需求驱动"的原则自主转换数据包格式和内容，使用分层数据处理的方法，为用户提供更高的灵活性。
    数管模拟器使用分层数据处理体制可以利用数据包，将复杂的航天器控制过程简化为由各层一系列简单的标准操作同等实现，层与层之间按照一定的协议有标准的数据格式接口，其层次模型可以用图3说明。