一种航天试验装备无线测控系统和方法与流程

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种航天试验装备无线测控系统和方法。

背景技术：

近年来，随着控制系统大型化、分散化和智能化的发展趋势与要求，无线通信技术在控制领域开始得到越来越多的应用。但无线信道是一种复杂的时变信道，其不确定性大且易受干扰，难以保证数据传输时间的确定性，这大大阻碍了无线通信在工业控制中的广泛应用。本发明以某型航天飞行器地面试验装备为背景，实现地面控制中心与两航天飞行器的实时通信与指令传输等功能。由于两飞行器移动范围较大且距离控制中心较远，现场布线困难，同时为消除干扰力矩，必须采用无线方式建立通信连接。两飞行器之间的运动耦合度极高，且与地面控制中心联系紧密，因此必须保证无线数据通信具有高实时性和高可靠性等特点才能确保系统控制周期的稳定。

目前，国内外主要采用的无线实时测控系统实质上是基于无线通信的分布式数据采集系统，其带宽很低，无法实现数据大批量的实时传输。而基于实时无线mesh网络所搭建的测控系统虽然具有可靠性高、结构灵活等优点，但其主要面向对象还是实现过程变量的无线传输。此外，现有的无线局域网实时介质访问控制协议都没有考虑接入点的功能，其本质上属于竞争网络，难以保证数据传输时间的确定性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明针对某型航天飞行器地面试验装备无线测控系统的实时性和可靠性要求，提供了一种航天试验装备无线测控系统和方法，本发明为基于封闭专有网络的全实时系统无线测控方法，使系统具有高带宽能力，在保证数据传输无竞争的前提下实现运动控制数据的无线实时通信，提高了系统无线通信的抗干扰性和可靠性，保证通信时间的确定性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种航天试验装备无线测控系统，包括中央主控计算机、地面控制中心、主动飞行模拟器控制系统、被动飞行模拟控制系统；所述地面控制中心通过网络与中央主控计算机通信，与主动飞行模拟器控制系统、被动飞行模拟 控制系统通过无线网络接入点单元和/或客户端单元进行无线通信；

所述地面控制中心接收主动飞行模拟器控制系统、被动飞行模拟控制器发送的数据信息，对飞行器位姿进行实时解算并发送控制指令至飞行模拟器；

所述主动飞行模拟器控制系统和被动飞行模拟控制器均为VxWorks系统实时控制器，分别用于控制主动飞行模拟器和被动飞行模拟器完成位置及姿态数据采集。

所述无线网络接入点单元和客户端单元可配置为双频段冗余传输模式。

一种航天试验装备无线测控方法，包括以下步骤：

主动飞行模拟器控制系统、被动飞行模拟控制系统分别采集主动飞行模拟器和被动飞行模拟器的反馈信息；

若反馈信息为周期性实时信号，则对其进行封装；若反馈信息为突发性实时信号，则不封装；将反馈信息通过无线网络接入点单元或客户端单元传送至地面控制中心；

地面控制中心接收反馈信息得到所需数据：若反馈信息为周期性实时信号，则对其进行解析分类；若反馈信息为突发性实时信号，则不做处理；并发送控制命令至主动飞行模拟器和被动飞行模拟器。

所述周期性实时信号包括飞行模拟器的位置、姿态数据和运动控制指令。

所述突发性实时信号为开关量信号。

所述进行封装具体为：将周期性实时信号的数据大小、数据分类，数据内容依次装入数据帧；数据大小为4字节，数据分类为2字节；所述数据内容包含数据分类号码。

所述进行解析分类具体为：提取周期性实时信号数据帧中的数据分类，并选取所需数据分类以及含有该数据分类号码的所有数据内容存入缓存。

所述主动飞行模拟器控制系统和被动飞行模拟控制系统均包含命令解析器；所述命令解析器收发周期性实时信号时，首先查找数据帧中的数据分类信息，将其中的数据分类号码与预设的优先级别划分表对比，依次查找优先级最高的任务进行处理和响应

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明成功实现了基于实时无线测控机制的航天器地面试验装备，解决了现场布线困难的问题，并消除了通信线缆对航天模拟器的干扰力矩，提高了航天飞行器全物理仿真的精度，为评估航天器的工作性能及其改进和定型提供更加精确的试验数据奠定了基础。

2.本发明搭建的封闭专有网络的全实时系统，可确保数据传输不受网络流量等其他因素影响，同时又具有时间确定性，写入该网络的变量在特定时间内都可被该网络设备所用。

3.本发明的自定义通讯协议解决了TCP协议拥塞机制对实时数据传输的影响，利于命令解析和信息提取，可有效阻止协议传送多余的数据信息，提高了无线测控传输的灵活性。同时数据封装和解析方法是统一的，可提高软件的通用性。针对不同的传输信道只需开发相应接口即可，减小软件开发的难度和工作量。

4.本发明利用无线AP和Client具有的PCF(点协调功能)和QOS(网络服务质量)功能，有效的解决了本系统的两个站点同时发送数据帧时，AP的无线信道会呈现竞争状态从而产生传输冲突的问题。

附图说明

图1为本发明的航天地面试验装备控制系统结构及网络结构示意图；

图2为本发明中自定义通讯协议的数据包格式；

图3为本发明的软件总体结构示意图；

图4为本发明中地面控制中心工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

一种航天试验装备无线测控方法，包括中央主控计算机、地面控制中心、主动飞行模拟器控制系统、被动飞行模拟控制系统、图形工作站；

其中地面控制中心，主动飞行模拟器控制系统和被动飞行模拟控制系统均配备无线网络接入点单元(AP)和客户端单元(Client)等设备。

本发明立足于实际，将地面控制中心和主被动飞行模拟器控制系统组建为一种基于封闭专有网络的全实时系统，通过配备无线网络接入点单元(AP)和客户端单元(Client)实现地面控制中心和主被动飞行模拟器控制系统之间的无线数据通信。其中无线AP和无线Client需具有PCF和QOS功能，并可配置为双频段冗余传输模式。

同时，通过详细分析系统传输信号和自定义无线通讯协议，并在网络结构和软/硬件系统设计等诸多方面加入实时性考虑提高无线通信的可靠性与实时性，确保数据高效且平稳的传输，实现地面控制中心与主被动飞行模拟器控制系统的无线实时测控。

所述地面控制中心为系统的控制核心，采用PXI实时系统，具有 双以太网设备，其接收主被动飞行模拟控制器发送的数据信息，并对飞行器位姿进行实时解算，进而为飞行模拟器发送下一步控制指令。地面控制中心与主被动飞行模拟控制器均通过无线方式进行数据通信和指令传输。

所述地面控制中心还向中央主控计算机传送监控数据，并为图形工作站提供运动数据以实现飞行器的运动在线回放等功能。

所述主被动飞行模拟控制器为VxWorks系统实时控制器，分别控制主动飞行模拟器和被动飞行模拟器完成空间范围内六自由度运动及位姿数据采集。

所述封闭专有网络的全实时系统为全部由实时系统组建而成的确定性闭合通信网络，可确保数据传输不受网络流量等其他因素影响，同时又具有时间确定性，这意味着写入该网络的变量在特定时间内都可被该网络设备所用。

如图1所示为某航天飞行器地面试验台控制系统结构及网络结构示意图，整个系统包括中央主控单元、地面控制中心、主动飞行模拟器控制系统、被动飞行模拟控制系统、图形工作站及无线网络接入点(AP)和客户端(Client)等设备。其中，由CompactRIO实时控制器(CRIO)分别构建两个航天飞行模拟器的控制系统，同时借助于PXI实时系统构成的远端地面控制中心，两飞行器可实现空间范围内六自由度运动。地面控制中心为系统的控制核心，其接收CRIO发送的数据信息对飞行器位姿进行实时解算，并为CRIO发送下一步控制指令，两者之间均通过无线方式进行数据通信。同时PXI还向中央主控单元传送监控数据，并为图形工作站提供运动数据以实现飞行器的运动在线回放等功能。

相对于两端实时控制器，无线传输速度要慢的多，这时制约系统传输速率的瓶颈则主要是无线传输部分。另外当本系统的两个站点同时发送数据帧时，AP的无线信道会呈现竞争状态从而产生传输冲突，这对数据传输的实时性有着很大影响。

图1中实线表示有线网络通信，虚线部分表示无线网络连接。从图中可以看出地面控制中心为控制系统核心，其配置两台以太网设备。其主以太网设备经由交换机连接至公共以太网，完成与上位机和图形工作站的通信，这主要是因为上位机运行的Windows操作系统无法保证时间确定性，因此并没使用它参与下位机的实时控制，而只作为主机端，实现程序调试和监控等功能。

另一个以太网设备将PXI(PCI extensions for Instrumentation)和两个CRIO连接成一个闭合的专有网络，PXI和 CRIO均运行实时操作系统和实时控制程序，它是一个全部由实时系统组建而成的确定性通信网络，可确保数据传输不受网络流量等其他因素影响，同时又具有时间确定性，这意味着写入该网络的变量在特定时间内都可被该网络设备所用。

工业控制网络中需要传输的数据一般分为三类：突发性实时信号、周期性实时信号和非实时信号，优先级依次降低。本系统要求较高，要求数据全部实时传输。表1为系统的传输数据类型，由于突发性和周期性两种实时信号对传输特性的要求不尽相同，因此需要设计两种不同的方式分别实现两者的传输。

表1

突发性实时信号要求指令能够准确传达至对方并快速响应，但其传输数据量小且发送间隔时间长。共享变量具有读写速度快、使用方便等优点，但为减少CPU占用率，共享变量不宜过多使用，这非常适合传输操作不频繁的开关量。针对这些特点采用共享变量技术传输急停和刹车等突发性信号。本实施例的采样周期为2ms，在每个采样周期内，两个CRIO都要向PXI传送多达500字节的飞行器运动信息，随后PXI对其进行实时解算处理为每个CRIO发送20字节的运动周期控制指令。由此可见周期性实时信号的传输数据量大且发送周期间隔短，采用基于TCP协议的传输方式实现其信号传输。

由于TCP协议具有拥塞控制机制，在带宽不足时会自动降低传输速率，而标准TCP协议无法保证带宽占用的最小化，这对实时数据传输有很大的影响，同时其无内置方法识别数据，不利于命令解析和信息提取。本文通过创建自定义通讯协议对标准TCP通讯进行修改和简化，在协议层中引入关键字来传送信息，并通过缓冲机制和确认字符(ACK)等方法来保证数据的实时传输。

如图2所示，自定义的数据包格式使用关键字来索引数据的属性和分类等信息，告知接收方发送数据内容的组成和含义。是配置参数还是握手信息或测量数据等。当首次建立联系时，客户端和服务器先通过交换关键字来执行协议，使每条信息只包含6个字节，这样就可以阻止协议传送多余的数据信息。数据帧格式依次为：数据大小、关键字信息和数据内容。其中，数据大小占用4字节，表征数据分类信 息的关键字占用2字节。数据内容包括多组数据信息，每组数据信息包含该组信息的数据分类号码，用于命令解析和数据提取，并表征着该组信息的优先级。

标准的TCP协议当中，TCP/IP堆栈都采用Nagle算法，而Nagle算法在数据传输过程中会自动将即将出栈的多个小数据包合并为一个单独的数据包传送，以达到节省带宽的目的。这在连续使用TCP传输数据时将减缓系统的传输速率，降低系统的数据读写能力。解决方法就是将数据和数据大小合成一个包发送，而不是使用两个数据包。

针对无线传输过程中存在的诸多干扰和不确定性，以及本系统存在多从站数据传输之间的竞争等问题，在选用无线AP和Client时考虑多项实时性功能，用以实现高实时性、高可靠性的通信模式，主要包括：

①点协调功能(PCF)

当使用两个及两个以上站点同时发送数据帧时出现的无线信道竞争对数据传输的实时性有很大影响，PCF可使无线AP获得信道控制权，使数据传输进入无竞争期，双方采用轮询方式共享信道，使被轮询的站点不必竞争信道就可传送数据。

②网络服务质量(QOS)

QOS是提高网络性能的一种保障机制，它可通过给数据帧表明优先级从而区分实时数据和普通数据，在不增加带宽的情况下使实时数据及时得到服务，降低实时数据的响应时间。提高数据传输的可靠性与实时性。

③双频段无线冗余

工业环境中的电磁干扰和射频干扰等信号通常会导致数据在特定频率的传输过程中产生信号错误或数据丢失。将无线AP和无线Client设定为冗余模式，使其同时在2.4GHz/5GHz双频段上传输数据。数据在不同频段上传输可防止干扰信号对其产生影响，实现高度可靠的点到点操作。

如图3所示，针对系统的多任务处理要求，采用基于命令触发的多线程并行处理机制设计软件系统的总体结构，将地面控制中心作为TCP的Client端，通过数据接收器将采集数据进行控制解算，为飞行模拟器控制系统发送运动指令。飞行模拟器控制系统作为Server端，通过命令解析器实现控制指令解析和任务级别划分，实现多任务进程的并行处理。

其中，任务管理/数据解算/控制命令模块负责协调两飞行器的运动控制，其将接收到的主被动飞行模拟控制器发送的两飞行器位姿数 据进行实时解算，并为飞行模拟器发送下一步运动控制指令。

命令解析器/任务级别划分模块负责提取并解析地面控制中心发送的运动控制指令和指令响应任务的优先级别划分。对于突发性实时信号，命令解析器直接提取全部信息，并优先响应系统急停信号。对于周期性实时信号，命令解析器首先查找数据帧中的关键字信息，将其中的数据分类号码与预设的优先级别划分表对比，确定每条指令响应任务的优先级别；然后根据数据大小开辟RT缓存空间，选取所需数据分类以及含有该数据分类号码的所有数据内容存入缓存；最后依次查找优先级最高的任务进行处理。

同时，为提升软件运行效率和数据处理的实时性，软件从总体方案和具体函数设计上进行优化考虑：

(1)在总体方案设计上，程序在开始发送和接收数据之前完成所有的硬件参数配置及控制变量复位等操作；

(2)尽量简化目标机上的代码，使其CPU占用率和内存使用率等指标降到最低；

(3)运行在PXI和CRIO上的程序存在多个线程并行完成多项任务，在主程序之前创建FIFO，采用RT缓冲技术进行各线程间的数据交互，确保程序平稳高效的运行。

如图4所示，所述地面控制中心是本系统的控制枢纽，飞行器的运动数据、上位机监控及图形工作站等信息均需要通过它进行解算和中转，同时还要完成系统的急停和刹车等功能。软件经上电初始化后，自动完成与两航天飞行模拟控制器的无线通信连接，等待试验开始指令。试验开始后，软件优先响应急停或刹车等停止信号，无停止信号时，完成飞行器位姿数据的接收和实时解算，进而发送下一步控制指令。收到试验结束指令，先完成试验数据的本地保存，再退出程序。

本发明的工作原理为：

首先，构建地面控制中心的PXI系统需具有配置千兆级双以太网设备。其主以太网设备经由交换机连接至公共以太网，完成与上位机和图形工作站的通信；另一以太网设备将PXI和两个CRIO连接成一个闭合的专有网络借助于PXI和CRIO运行的实时操作系统和实时控制程序，组建一个全部由实时系统构成并具有时间确定性的封闭专有网络。

其次，针对无线传输过程中存在的诸多干扰和不确定性，以及本系统存在多从站数据传输之间的竞争等问题，在选用无线AP和Client时考虑多项实时性功能，主要包括点协调功能(PCF)、网络服务质量(QOS)及双频段无线冗余传输等功能，用以实现高实时性、 高可靠性的通信模式。

再次，将系统传输数据划分为突发性和周期性两种实时信号，针对两者对传输特性的不同要求，设计了两种不同的方式分别实现两者的传输。突发性实时信号采用共享变量技术进行传输。对于周期性实时信号，将标准的TCP协议进行修改和二次封装，使其具有实时性，并利于命令解析和信息提取，在协议层中引入关键字来传送信息，并通过缓冲机制和确认字符(ACK)等方法来保证数据的实时传输。在程序底层的数据传输方式上将数据和数据大小合成一个包发送，抑制TCP/IP堆栈中所采用的Nagle算法对系统传输速率的影响。

最后，采用基于命令触发的多线程并行处理机制设计软件的总体结构。主要包括：(1)程序在开始发送和接收数据之前完成所有的硬件参数配置及控制变量复位等操作；(2)尽量简化目标机上的代码，使其CPU占用率和内存使用率等指标降到最低；(3)运行在PXI和CRIO上的程序存在多个线程并行完成多项任务，在主程序之前创建FIFO，采用RT缓冲技术进行各线程间的数据交互，确保程序平稳高效的运行。