隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,，人類對空間探索的步伐越來越大,。空間任務(wù)的需求,，推動地面測控系統(tǒng)的更新和發(fā)展,。
主要體現(xiàn)在：測控站的建設(shè)周期越來越短；測控設(shè)備更新,、改造和添加變得更頻繁,，測控站的控制容量和鏈路隨著需求不斷的擴(kuò)大。完善高效的地面測控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng),，可以提高測控站的工作效率,，提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)備的利用率，縮短測控業(yè)務(wù)的準(zhǔn)備時(shí)間,，準(zhǔn)確,、高效地完成衛(wèi)星業(yè)務(wù)測控的各項(xiàng)工作任務(wù)，對于提高對衛(wèi)星的控制精度,，延長衛(wèi)星的使用壽命具有重要意義,。
測控站監(jiān)控系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的主要任務(wù)是：
地面測控設(shè)備的監(jiān)視
地面測控設(shè)備的控制和設(shè)置
地面測控設(shè)備間的聯(lián)合控制
測控設(shè)備間的聯(lián)合監(jiān)控對于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào),、校準(zhǔn)等情況特別有用,。測控設(shè)備之間只有測控?cái)?shù)據(jù)的交換，但對于操作參數(shù)和操作進(jìn)程缺少相互協(xié)調(diào)和配合的途徑,。而監(jiān)控系統(tǒng)在業(yè)務(wù)操作之外,，對所有的設(shè)備都可以進(jìn)行控制和監(jiān)視。在這些關(guān)鍵階段，監(jiān)控系統(tǒng)處于“領(lǐng)導(dǎo)地位”,，是各種操作任務(wù)的發(fā)起和組織者,，也是任務(wù)進(jìn)程的監(jiān)視和控制者。
現(xiàn)有的集中式監(jiān)控系統(tǒng),，在硬件結(jié)構(gòu)上多采用數(shù)據(jù)采集卡的模式,，系統(tǒng)擴(kuò)展比較困難，單一插卡難以適應(yīng)多種多樣的設(shè)備接口,，而且存在數(shù)據(jù)采集的瓶頸,。在軟件結(jié)構(gòu)上，通常著眼于當(dāng)時(shí)地面系統(tǒng)的組成,，監(jiān)控畫面和操作比較固定,，一旦更換了其他型號的設(shè)備，或者設(shè)備接口發(fā)生了變化,，需要修改源代碼才能適應(yīng),，維護(hù)起來很不方便，也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,。因此我們研究并開發(fā)了基于可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型監(jiān)控系統(tǒng),。
集中式監(jiān)控系統(tǒng)
現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)通常是和地面設(shè)備一起構(gòu)建，一般采用集中式體系結(jié)構(gòu),，即由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)加上多路數(shù)據(jù)采集接口卡構(gòu)成,，協(xié)同專用監(jiān)控程序一起組成監(jiān)控系統(tǒng)（見圖1）。
圖1 集中式監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
在集中式體系的監(jiān)控系統(tǒng)中,，所有測控設(shè)備的監(jiān)控信息都通過一塊或者多塊多路數(shù)據(jù)采集卡,，收集數(shù)據(jù)到處理計(jì)算機(jī)，然后由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)備的類型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，并將結(jié)果送監(jiān)控程序顯示或者提交用戶處理,。
采用集中式的監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題:
- 所有數(shù)據(jù)采集和處理全部由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)處理，對計(jì)算機(jī)的處理能力特別是數(shù)據(jù)采集能力要求很高,。如果數(shù)據(jù)處理量很大或者數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高時(shí),，會造成計(jì)算機(jī)負(fù)荷超載而出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，這正是現(xiàn)有集中式監(jiān)控系統(tǒng)存在的最大問題,。
- 由于集中式監(jiān)控系統(tǒng)大都是專用系統(tǒng),，數(shù)據(jù)采集和軟件處理在一起，系統(tǒng)一旦建成,，控制設(shè)備容量和模式都基本確定，體系結(jié)構(gòu)封閉,，不易擴(kuò)展,。
- 數(shù)據(jù)采集接口復(fù)雜，集中在一起，容易造成互相干擾,。
- 布線復(fù)雜,，故障率高。集中式監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口集中于一臺計(jì)算機(jī)中,，分布于測控站不同地方的所有的測控設(shè)備數(shù)據(jù)接口都與數(shù)據(jù)采集接口卡連接,，數(shù)字信號、模擬信號等各種信號一起布,，布線復(fù)雜,。
可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想
監(jiān)控系統(tǒng)為了能夠適應(yīng)新的變化，即能夠用最短的時(shí)間完成設(shè)計(jì)和調(diào)試工作,，通過調(diào)整系統(tǒng)的硬件配置和軟件參數(shù)設(shè)置在一定的范圍內(nèi)支持改造和添加設(shè)備,，并且克服現(xiàn)有系統(tǒng)存在的弊端。新的系統(tǒng)采用了可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，即采用分布式的智能數(shù)據(jù)接口單元,，將所有測控設(shè)備的不同物理數(shù)據(jù)接口，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口,，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī),，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的控制軟件也采用工業(yè)控制組態(tài)的設(shè)計(jì)思想，將測控設(shè)備抽象為不同類別的控制控件,，將控件排列組合后形成不同的信道控制鏈路,，從而使實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計(jì)?？芍貥?gòu)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)參見圖2,。
圖2 可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
具體來說，系統(tǒng)采用了分布化的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可配置控件,。
硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布化是采用若干個(gè)智能的數(shù)據(jù)接口單元（DIU,，dATA interface unit），能夠完成與多個(gè)不同數(shù)據(jù)接口設(shè)備的信息交換功能,。智能的數(shù)據(jù)接口單元可以實(shí)現(xiàn)與具有串口（包括RS-232A,、RS-422、RS-485）,、數(shù)字量接口,、繼電器接口的測控設(shè)備連接，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī),，同時(shí)將監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令發(fā)送至測控設(shè)備,。
軟件設(shè)計(jì)上引入可配置的控件概念，可將不同的測控設(shè)備抽象為不同類別的設(shè)備控件,，通過接口配置軟件建立配置數(shù)據(jù)庫,，并對測控站硬件設(shè)備通信鏈路和通信協(xié)議進(jìn)行配置,，利用圖形制作軟件繪制系統(tǒng)顯示圖形和參數(shù)表格，通過修改系統(tǒng)配置和顯示配置完成對新增加測控設(shè)備的支持,。
在可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中,，各個(gè)測控設(shè)備如高功放(HPA)、上變頻器(CU),、場放(LNA)等都就近與智能的數(shù)據(jù)接口單元連接,，或通過網(wǎng)絡(luò)直接與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接。每個(gè)智能的數(shù)據(jù)接口單元可以管理具有串口接口的8路測控設(shè)備,、8路數(shù)字量接口測控設(shè)備,、4路繼電器接口的開關(guān)設(shè)備等。
可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
在可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中,，實(shí)現(xiàn)硬件可重構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)具有智能管理和控制功能的數(shù)據(jù)接口單元DIU,，它可以適應(yīng)具有不同物理接口的測控設(shè)備，可以就近管理和控制測控設(shè)備,，并將所有測控設(shè)備的信息轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)接口,，轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。
1 數(shù)據(jù)接口單元DIU
為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定,、可靠和配置靈活,，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，采用主流工業(yè)控制產(chǎn)品 PC104模塊進(jìn)行二次開發(fā),。
① 數(shù)據(jù)接口單元實(shí)現(xiàn)的功能
- 提供8路全雙工通信的串行口,，物理接口可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要設(shè)置為RS-232C/RS-485/RS-422A，靈活適應(yīng)受控設(shè)備的信息接口,。
- 提供8路光電隔離的數(shù)字量輸入和8路繼電器輸出接口,。
- 提供1路10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，接口為RJ-45,。
- 通過網(wǎng)絡(luò)自動轉(zhuǎn)發(fā)將受控設(shè)備的信息發(fā)至MCS操作計(jì)算機(jī),。
- 接收來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制信息，自動轉(zhuǎn)發(fā)至指定的受控設(shè)備,。
- 通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以對DIU進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)配置,，包括通信速率、DIU工作方式等,。
- MCS操作計(jì)算機(jī)可以查詢DIU的運(yùn)行狀態(tài)信息,。
② 數(shù)據(jù)接口單元的實(shí)現(xiàn)
硬件設(shè)計(jì)采用適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境的PC104 586工業(yè)控制機(jī)和接口模塊。
CPU：300MHz主頻,；32MB DRAM內(nèi)存,；16個(gè)中斷；2個(gè)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行口,；10M/100M BASE-T標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口,；支持鼠標(biāo)/鍵盤/軟驅(qū)/IDE硬盤接口,，支持IDE Flash電子盤。
通信卡：支持8通道RS-232C/RS-422A/RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行通信,，每一通道均可單獨(dú)設(shè)置。每個(gè)通道最高支持115.2KB/s的通信速率,。
數(shù)據(jù)采集卡：支持8通道光電隔離DI,，8通道繼電器輸出。每一路輸入均可支持DC或AC輸入,，輸入均支持SPDT模式,，具有三種狀態(tài)：公共端、常開,、常閉,，轉(zhuǎn)換速率為5ms。
③ 嵌入式軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)接口單元的軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),，我們選用Linux作為開發(fā)平臺,，需要完成的工作有：
- 通過宿主機(jī)對Linux進(jìn)行合理的裁剪。由于嵌入式系統(tǒng)的容量有限,，必須將龐大的Linux進(jìn)行剪裁,，適應(yīng)嵌入式的應(yīng)用。
- 實(shí)現(xiàn)Linux對電子盤DOC2000的驅(qū)動,。
- 設(shè)計(jì)對擴(kuò)展的8路串口通信卡的驅(qū)動程序,。
- 設(shè)計(jì)數(shù)字I/O卡的Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序。
- 根據(jù)數(shù)據(jù)接口單元實(shí)現(xiàn)的功能,，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序,。
- 將穩(wěn)定的Linux映像燒寫到電子盤DOC2000里面。
- 數(shù)據(jù)接口單元設(shè)計(jì)完成后,，則作為沒有輸入,、輸出外設(shè)的智能管理設(shè)備，管理和控制所屬的測控設(shè)備,。
2 可配置軟件設(shè)計(jì)
在監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)上采用工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)思想,，將不同的測控設(shè)備抽象為不同類別的控制設(shè)備控件，構(gòu)造系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫和設(shè)備控件數(shù)據(jù)庫,。通過修改數(shù)據(jù)庫參數(shù),，可靈活地配置軟件系統(tǒng)。圖3是監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖,。
圖3 地面站監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
① 設(shè)備控件庫
將所有的測控設(shè)備進(jìn)行分析并分類整理,，將它們抽象為具有不同顯示屬性和控制屬性的設(shè)備控件，來分別對應(yīng)實(shí)際的測控設(shè)備,，通過操作該設(shè)備控件就可以實(shí)現(xiàn)對物理測控設(shè)備的控制,。例如,，變頻器控件、開關(guān)矩陣控件,、數(shù)據(jù)采集接口單元等(見圖4),。由于控件和監(jiān)控系統(tǒng)主程序可以分開進(jìn)行開發(fā)，具有一定的獨(dú)立性,。
通過構(gòu)建設(shè)備控件庫,，可以增加整個(gè)地面監(jiān)控軟件的復(fù)用性和通用性。經(jīng)過多年的開發(fā)和應(yīng)用,，我們已經(jīng)構(gòu)建了相當(dāng)規(guī)模的設(shè)備控件庫,，基本可以滿足一般地面站的監(jiān)控軟件監(jiān)控需求。
圖4 系統(tǒng)中利用控件作為主要的顯示形式（示例）
② 系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫
為了保證系統(tǒng)的可重構(gòu)性,，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫,，保存當(dāng)前整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備控件的類型、種類,、接口形式等以及系統(tǒng)鏈路的配置情況,，多個(gè)DIU的IP地址以及其各個(gè)通道設(shè)備配置情況等信息。當(dāng)測控系統(tǒng)的測控設(shè)備組成發(fā)生變化或者添加測控設(shè)備時(shí),，通過系統(tǒng)的配置程序?qū)ο到y(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更改或者添加必要的設(shè)備控件,，就可以實(shí)現(xiàn)從硬件到軟件的重構(gòu)。
通過配置程序和運(yùn)行程序,，把系統(tǒng)框架和監(jiān)控的內(nèi)容相分離,，通過配置數(shù)據(jù)庫使二者有機(jī)結(jié)合起來，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性,。
③ 圖形界面制作
計(jì)算機(jī)運(yùn)行圖形化監(jiān)控界面是用戶的控制和監(jiān)視測控站測控設(shè)備的友好接口,。為了適應(yīng)系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計(jì)，我們專門開發(fā)了具有搭積木的方式制作設(shè)備信息連接結(jié)構(gòu)和控制界面的作圖工具,，使用該作圖工具,，將設(shè)備控件的圖形符號組合連接在反映當(dāng)前測控設(shè)備鏈路配置的一張或者多張鏈路圖（監(jiān)控畫面）上，然后運(yùn)行監(jiān)控軟件,，打開預(yù)先制作的鏈路圖,，可以實(shí)現(xiàn)對測控站設(shè)備的監(jiān)控。
對于同類設(shè)備控件,，具有同樣功能的設(shè)備可以有不同的接入方式,，監(jiān)控接口協(xié)議可以不同，控制參數(shù)的形式和內(nèi)容也可能不同,，顯示上也可能有不同的形式---如設(shè)備圖標(biāo),、數(shù)值參數(shù)、色彩圖塊,、模擬圖形等,，于是,，它們就成為不同的設(shè)備控件，提高了軟件系統(tǒng)對設(shè)備的無關(guān)性,。
3 系統(tǒng)的構(gòu)建過程
首先對測控站的測控設(shè)備進(jìn)行分析,，完成系統(tǒng)配置、監(jiān)控畫面編輯等功能,，并完成實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的框架設(shè)計(jì),。
在獲得測控設(shè)備的監(jiān)控接口控制文件后，利用系統(tǒng)配置程序生成配置數(shù)據(jù)庫,，即定義系統(tǒng)中的設(shè)備類型、設(shè)備連接關(guān)系,、設(shè)備參數(shù),、設(shè)備控制方式、數(shù)據(jù)處理方法等,。
通過作圖工具編輯和設(shè)計(jì)監(jiān)控主畫面,。
在現(xiàn)場安裝中，根據(jù)測控設(shè)備的安裝位置,、測控設(shè)備接口類型,，安裝數(shù)據(jù)接口單元，把測控設(shè)備通過數(shù)據(jù)接口單元連接到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī),。利用配置程序設(shè)置數(shù)據(jù)接口單元各端口的通信參數(shù),，并通過網(wǎng)絡(luò)下載到數(shù)據(jù)接口單元。
通過監(jiān)控畫面的設(shè)備控件控制物理的測控設(shè)備,，驗(yàn)證系統(tǒng)軟硬件連結(jié)和設(shè)置的正確性,。
結(jié)語
我們已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了這種具有可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)，并運(yùn)用于國內(nèi)鑫諾地面站和尼日利亞阿布賈地面站等多個(gè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)測控站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中,，經(jīng)過多年的工程實(shí)踐和運(yùn)行,，證明該體系結(jié)構(gòu)非常成功。