基于軟總線的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　摘要：衛(wèi)星跟蹤控制是衛(wèi)星通信技術中的一項重要技術;設計了一種基于軟總線機制的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)，給出了關鍵的設計方案;硬件平臺方面處理芯片采用FPGA+ARM的ZYNQ處理平臺，保障系統(tǒng)中處理資源和接口擴展的需求;軟件方面通過構建軟總線的數(shù)據(jù)管理機制和通信代理機制，解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中耦合度高及觸發(fā)條件難以精準把控等問題，使跟蹤系統(tǒng)軟件架構清晰明朗，各功能模塊接口高效、便捷、易擴展;跟蹤流程設計中，優(yōu)化了跟蹤角度調節(jié)處理時機，使跟蹤算法和外設控制得以并行處理，充分利用處理資源，最終搭建測試環(huán)境驗證了系統(tǒng)能力;結果表明，該設計有效可靠，其中軟總線機制還可應用于其他外部設備復雜的環(huán)境，具有較高的應用及推廣價值。

　　關鍵詞：衛(wèi)星跟蹤控制;軟總線;ZYNQ;數(shù)據(jù)管理機制;通信代理機制

　　0引言

　　高速發(fā)展的信息化社會中，通信作為眾多技術的基礎支撐，其重要性日益提升。在各類通信方式中，衛(wèi)星通信以其通信距離遠、覆蓋面廣、不受地面基站限制、不受地理條件限制、性能穩(wěn)定可靠、通信容量大且靈活等獨特優(yōu)勢，為缺乏通信基礎設施的偏遠地區(qū)用戶、航空用戶、航海用戶提供了很大的便利。同時，在應急通信領域，在突如其來的自然災害和意外事件發(fā)生時，衛(wèi)星通信憑借開通時間短、傳輸距離遠、通信容量大、組網(wǎng)方式靈活等諸多優(yōu)點，在地面通信基礎設施受到嚴重破壞無法工作，亟需緊急通信的情形下發(fā)揮了重要作用[1]。

　　而衛(wèi)星通信的質量相當程度上依賴于天線對衛(wèi)星的跟蹤，關鍵技術之一就是能夠調整天線的指向，使天線能夠快速精準地對準衛(wèi)星方向�，F(xiàn)有的衛(wèi)星跟蹤方案主要使用機械伺服天線和相控陣天線。機械伺服天線因其系統(tǒng)構成簡單而最早應用，但隨著載體平臺小型化、高速化、機動化的更高要求，使得依賴伺服電機驅動齒輪或皮帶等傳動裝置等方式遭遇性能瓶頸。而相控陣天線，通過波控主機輸入波控數(shù)碼，使相鄰陣元產生一定相位差從而改變波束在空間的指向，相位空間的變化頻率可以達到毫秒級，相對于傳統(tǒng)機械轉動具有更高的性能保證。

　　相控陣天線帶來了更快的波束切換能力，同時對上層跟蹤控制算法性能帶來了挑戰(zhàn)，如果對角度的計算速度還停留在原有機械伺服量級，就無法體現(xiàn)相控陣天線的優(yōu)勢。故現(xiàn)有的相控陣衛(wèi)星跟蹤控制方案主控器為了追求實時性，降低系統(tǒng)復雜度，多采用STM32單片機或DSP處理芯片進行搭建，以非操作系統(tǒng)的模式工作，處理芯片時鐘均圍繞跟蹤程序工作，雖然能夠實現(xiàn)跟蹤目的，但由于其單任務、單線程的處理方式，使得軟件設計邏輯性變差、可擴展性降低。

　　隨著目前跟蹤技術引入更多的控制和傳感外部設備，功能和接口重復迭代的需求不斷提出，這使得原有處理器應付起來相對吃力，需要引入多任務、代理式的設計模式來降低接口耦合性、功能擴展性和代碼可讀性[2]�；�于以上問題提出了使用基于Zynq平臺，并搭載Linux操作系統(tǒng)的處理架構，并提供一種多外設協(xié)同處理的軟總線機制。軟件總體架構不僅從根本上決定了軟件的各項性能指標能否達到預期的要求，還影響了所開發(fā)軟件的質量[3]。

　　基于以上問題在設計衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)軟件的過程中，以軟件模塊化、多外設協(xié)同運行為目標，結合系統(tǒng)硬件運行平臺和軟件開發(fā)環(huán)境的特點，通過引入軟總線的概念，設計了一種基于軟總線的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)。硬件上使用基于Zynq平臺，并搭載Linux操作系統(tǒng)的處理架構。軟件上層次化劃分更加清晰，軟件各層次間通過標準化接口呈現(xiàn)出松散耦合狀態(tài)，進而提升了軟件的可維護性以及可重用性。從而對后續(xù)技術迭代后的接口和需求更改，軟件運行性能提高，團隊共享維護等工作提供有力支撐。

　　1衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)平臺設計

　　系統(tǒng)由主控器、天線陣面(發(fā)射陣面、接收陣面)、組合導航設備、變頻模塊、信標機、功分器、調制解調器等組成[45]。

　　1.1主控器

　　主控器主要工作時根據(jù)組合導航、信標機等設備回傳的位置、姿態(tài)、信號強度等信息，綜合判斷天線指向，從而進行衛(wèi)星跟蹤。傳統(tǒng)的衛(wèi)星跟蹤主控器多采用單片機，再按需搭配FPGA等擴展使用。系統(tǒng)采用ZNYQ平臺架構，其實將專用的中央處理器CPU硬核與FPGA集成于一顆芯片中，產生了一種全新的異構平臺，稱之為全可編程片上系統(tǒng)(AllProgrammableSoC)。一方面，使得嵌入式系統(tǒng)的設計結構更加靈活，體積顯著縮小，可靠性和系統(tǒng)整體性能明顯提高;另一方面，使得FPGA可以更快速便捷的融入嵌入式系統(tǒng)中[6]。

　　ZYNQAX7020包含兩大部分ps(集成兩個ARMcortex-a9處理器)，和pL(FPGA)。PS：主頻1GHz，256kB片內RAM，8GbitSDRAM(以太網(wǎng)，串口，usb，spiflash，SD，IO，LED，KEY)。PL：可編程邏輯塊，可編程IO塊等(eep-romRTCHDMILEDKEYADC)互聯(lián)：PS內和PS到PL高寬帶連接基于ARMAMBAAXI總線傳輸質量控制和帶寬控制。這些接口和資源能很好的解決主控器對跟蹤算法的處理和外部設備的多種擴展需求。

　　1.2天線陣面

　　天線陣面采用相控陣體制，接收主控器的控制指令，控制發(fā)射和接收角度。天線陣面工作在KA頻段，在一塊印制電路板上集成了1024個發(fā)射天線單元、256個beamformer芯片、饋電網(wǎng)絡、驅動芯片、波束控制電路、電源電路等，依托FPGA的實時計算能力，快速更改每個天線單元的信號相位與幅度，陣面所有陣元輻射的射頻信號在空間合成，實時形成所需指向波束。天線陣面設計緊湊，低剖面，無需機械伺服機構，堅固耐用，能在大空域范圍內進行快速指向更新。使用靈活，可由多塊陣面按需進行拼接創(chuàng)建所需口徑的相控陣天線，針對客戶性能需求進行快速迭代，無需設計全新的天線。

　　1.3組合導航設備

　　組合導航設備用于獲取載體自身的位置、姿態(tài)，對主控器的跟蹤流程進行支撐。選用天線專用慣導系統(tǒng)，采用高精度MEMS技術的慣性傳感器，可精確測量載體在空間坐標系中3個軸的姿態(tài)(傾斜、俯仰、偏航)、角速率、線加速度以及GPS導航定位信息。本設備根據(jù)捷聯(lián)式慣性導航算法實時計算載體的姿態(tài)，采用卡爾曼濾波進行誤差補償，保證在動態(tài)環(huán)境下和長工作時間的可靠性和測量精度。本傳感器系統(tǒng)將慣性測量單元、三軸磁傳感器、GPS接收機組合成一體，進行組合導航。

　　1.4信標機

　　信標機主要用于接收L頻段的DVB載波、單音信標或連續(xù)載波信號，并以數(shù)字電壓標稱，為跟蹤是否成功提供判斷依據(jù)。具有優(yōu)越的捕獲時間、幅度穩(wěn)定性及靈活性，能夠保障天線在傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)或高通量多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中實現(xiàn)衛(wèi)星信號的快速識別及跟蹤。

　　2衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)軟件設計

　　2.1問題與解決思路

　　目前一般的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)采用單任務、單線程的處理架構，將用于感知的組合導航、信標機等設備以及需控制的天線、變頻器等設備的通信數(shù)據(jù)交互，統(tǒng)一并入跟蹤的主體流程中進行設計，這樣會面臨兩個技術問題：

　　1)隨著衛(wèi)星跟蹤技術的發(fā)展以及人們對各類功能需求的增加，外設種類逐步增加，如果沒有將對外設的控制與衛(wèi)星跟蹤主體流程分離進行思考和設計，沒有統(tǒng)一的管理模塊對所有數(shù)據(jù)進行管理，會使整個軟件系統(tǒng)架構過于龐大和復雜，造成維護及其困難的窘境，對系統(tǒng)的每次升級，無異于重新開發(fā)，大大降低了系統(tǒng)迭代的速度;2)跟蹤流程中的觸發(fā)機制和條件對外設的數(shù)據(jù)要求時間節(jié)拍和處理間隙條件各不相同，有的需要數(shù)據(jù)到來時同步立即進行處理，有的需要某些處理時機到來時異步取用最新數(shù)據(jù)處理。但外設種類繁多，如果只考慮單任務進行，勢必造成時間間隔出現(xiàn)偏差，處理精度和處理速度會產生較大影響，從而影響整個軟件和系統(tǒng)的運行效率，成為阻礙跟蹤結果的瓶頸[78]。

　　綜上所述，這兩方面問題也是本設計方案所要解決的重點與難點問題。本文引入軟總線設計思路，通過開發(fā)一種多外設協(xié)同數(shù)據(jù)處理的軟總線模塊，來解決上述問題。對于第一個問題，軟總線模塊在設計上具有數(shù)據(jù)管理機制，建立資源表，各模塊可通過輸入資源表獲取信息來進行交互。

　　同時，提供軟總線內部極速內存?zhèn)鬏敊C制，進行資源表的輸入輸出以及更新操作。功能層面來講，向各模塊提供“注冊-發(fā)布”功能，各模塊可向軟總線將自己進行注冊，同時發(fā)布自身數(shù)據(jù)類型以及具體數(shù)據(jù)服務，其他模塊按需在軟總線上查找所需其他模塊的數(shù)據(jù)。對于第二個問題，軟總線模塊在設計上具有通信代理機制。該機制為了屏蔽不同模塊或外設之間硬件接口差異，通過調用操作系統(tǒng)提供的設備操作函數(shù)實現(xiàn)了上下層之間數(shù)據(jù)與信息的交互，是上層應用模塊與底層操作系統(tǒng)交互的紐帶。

　　同時，通信代理機制還具備時間同步功能，更高效跟直接的設計方式，保證操作系統(tǒng)毫秒級別的實時性水平，這是實現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的前提和基礎，因此，保證系統(tǒng)各模塊時間的全局相對一致是確保系統(tǒng)實時性的關鍵[911]。而后，在軟總線機制的基礎上，構建了跟蹤處理流程，主要應用于對組合導航、多模機數(shù)據(jù)的使用，以及對天線和變頻器的控制，以及對用戶輸出工作參數(shù)，最后進行了系統(tǒng)搭建和測試驗證。

　　2.2軟件架構設計

　　2.2.1操作系統(tǒng)層

　　操作系統(tǒng)層是系統(tǒng)設計的基礎依賴。使用操作系統(tǒng)可為上層模塊提供了一個統(tǒng)一標準的運行環(huán)境，使跟蹤控制系統(tǒng)在維護、擴展、效率、應用上上一個臺階。操作系統(tǒng)層根據(jù)上層應用模塊的需求調用相應的操作系統(tǒng)級別驅動將其處理的結果轉換為實現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤控制所需的輸出信息，是軟總線與系統(tǒng)硬件資源之間信息交互的橋梁，負責整合硬件資源獲取的信息。

　　2.2.2驅動層

　　由于基于Linux操作系統(tǒng)設計，驅動層非真實與底層硬件資源交互，而是對一些常用的接口資源進行抽象封裝，包括串口、網(wǎng)絡(TCP、UDP)、SPI以及與FPGA的內存訪問交互等。為外設層提供更加便捷的接口使用方式。

　　2.2.3外部設備層

　　可理解為軟總線的驅動。對天線陣面(發(fā)射陣面、接收陣面)、組合導航設備、變頻模塊、信標機、調制解調器等設備進行抽象封裝，提供對接軟總線接口。向下可適配同類型各型號設備，向上提供統(tǒng)一接口。

　　2.2.4軟總線層

　　軟總線層作為控制系統(tǒng)的核心中樞，實現(xiàn)外部設備與跟蹤控制應用模塊的數(shù)據(jù)交互部分，屏蔽了不同外設之間的接口差異，使應用模塊在適當時機高實時性的對其他模塊數(shù)據(jù)進行讀寫調度。軟總線通過數(shù)據(jù)管理機制和通信代理機制完成對整個系統(tǒng)資源的管理。在軟總線的控制下，各外設模塊可對自身信息進行廣播，每個外設模塊對其他外設模塊的資源均統(tǒng)一匯入一張系統(tǒng)資源信息表;當某一外設模塊需要使用相應的外設數(shù)據(jù)資源時，由軟總線直接輸入或輸出目標信息，發(fā)送資源請求，目標外設接收到該信息后，再由軟總線完成資源跨外設調用，可在不影響其他流程的情況下，快速擴展系統(tǒng)的接口資源[1213]。

　　2.2.5應用層

　　應用層作為系統(tǒng)各項業(yè)務功能實現(xiàn)的關鍵部分，負責實現(xiàn)衛(wèi)星整體跟蹤流程和算法、整機的電源等控制、以及對用戶的服務接口。為了滿足軟件可維護性、可擴展性的性能需求，各模塊通過制定的標準接口完成與軟總線的信息交互，最終實現(xiàn)軟總線對其的統(tǒng)一管理。

　　2.3軟總線模塊設計

　　根據(jù)前文所述，軟總線模塊將系統(tǒng)內所用所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝至數(shù)據(jù)共享模塊，一切對全局數(shù)據(jù)的修改和訪問都需經過該模塊，保證了數(shù)據(jù)的安全性對數(shù)據(jù)進行分類，每大類負責一種數(shù)據(jù)，大類中還可劃分小類，可以對大類中的指定數(shù)據(jù)進行獲取和更新。

　　由于是全局訪問，考慮多線程訪問沖突，需對模塊修改進行加鎖�？紤]到運行效率，對每大類數(shù)據(jù)分別定義自己的線程鎖。建立回調函數(shù)列表，在數(shù)據(jù)更新時，回調響應注冊的模塊[1416]。

　　總的來說，軟總線模塊的實現(xiàn)具有以優(yōu)點：

　　1)系統(tǒng)軟件的開發(fā)趨向于扁平化、模塊化。為了使軟件各模塊能夠獨立并行開發(fā)，可按功能需求劃分成多個獨立的模塊，各模塊僅通過標準接口與外界交互信息，提高了整個系統(tǒng)的開發(fā)效率。2)系統(tǒng)間交互效率提升。通過軟總線的同步、異步模式，向各處理模塊、外設模塊高效的傳遞數(shù)據(jù)信息，在非實時操作系統(tǒng)Linux下，也可滿足衛(wèi)星跟蹤控制領域對實時性較高的要求。

　　3)系統(tǒng)易擴展。隨著功能需求的變化，系統(tǒng)可能需要增加或替換相應的外設資源。通過軟總線具備的注冊和管理機制，實現(xiàn)系統(tǒng)對已有外設資源的管理和新增外設資源的注冊，實現(xiàn)外設資源的增加和替換。4)便于后期維護。所有模塊都采用封裝式設計和開發(fā)，當面臨功能需求變動時，可直接對相應的模塊進行修改，或開發(fā)新代碼來匹配原接口進行替換，使得軟件的開發(fā)和修改不再牽一發(fā)而動全身。

　　2.4跟蹤流程設計

　　跟蹤算法流程采用多線程并行處理，多處同步異步處理應用軟總線模塊各類接口，主要流程為控制主流程和跟蹤模式判定流程[1718]：

　　主要通過將組合導航設備、信標機、變頻模塊等設備實時數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，得到天線實時指向。流程中加黑處表示使用軟總線接口同步或異步輸入輸出數(shù)據(jù)。值得說明的是，整個工作流程時間節(jié)拍取決于信標機的傳輸頻率。在通過軟總線的同步回調接口，獲取信標機實時輸出信噪比后，馬上對結果進行分析。而對于其他設備數(shù)據(jù)，由于無法緊密卡準時間節(jié)拍，則使用軟總線的異步獲取接口，沿用最近一次數(shù)據(jù)進行融合分析，最終得出新的天線指向，從而等待進行下一次信噪比輸入。流程中加黑處表示使用軟總線接口同步或異步輸入輸出數(shù)據(jù)。之所以將此流程獨立于主流程并行處理，主要出于兩方面考慮：

　　1)可更好地明確任務分工，便于維護和升級;2)在關鍵節(jié)點通過線程鎖的方式，鎖定和釋放處理資源，可利用主流程中等待信標機數(shù)據(jù)的時間間隙，先行對本次處理數(shù)據(jù)進行處理，起到有效利用處理資源的目的。在判斷算法中，加入了多組冗余計算機制，并做了動態(tài)配置機制，可通過后期調試調整冗余組數(shù)，從而調整至效率和穩(wěn)定最佳的參數(shù)。由于主流程中時間節(jié)拍是由信標機控制的，信標機的輸入頻率有最大上限，只需將此流程的延時頻率超過其上限，便可保證永遠判斷較新的數(shù)據(jù)(即使出現(xiàn)實時性問題，也建立了保護機制，頻率能夠追趕即不會影響)。

　　3系統(tǒng)搭建與測試

　　系統(tǒng)使用Ka頻段中星16衛(wèi)星進行實際驗證，并開發(fā)了衛(wèi)星跟蹤上位機軟件，用于對跟蹤結果進行監(jiān)控，系統(tǒng)與上位機軟件通過網(wǎng)絡通信。

　　系統(tǒng)搭建完成后，首先在樓頂天臺向南空曠處進行靜態(tài)測試。系統(tǒng)設備加電后，通過上位機觀察，工作狀態(tài)開始處于盲掃，天線離軸角、方位角、組合導航設備俯仰角、橫滾角、航向角等都在不斷變化，各外設在跟蹤系統(tǒng)的調度下正常工作。隨后信噪比增大，進入動態(tài)跟蹤狀態(tài)，此時天線進入鎖定狀態(tài)，跟蹤成功。隨后，將衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)安裝于汽車頂部，將調制解調器、路由器等安裝于汽車內部，進行跑車測試。測試主要包括高速路段、彎路段、顛簸路段、隧道路段等，覆蓋驗證高速動態(tài)跟蹤、大航向加速度動態(tài)跟蹤、大橫滾俯仰加速度動態(tài)跟蹤、長時遮擋重新跟蹤等測試項目。測試記錄如下：

　　1)組合導航數(shù)據(jù)使用效率。測試在每個角度計算時，距離組合導航傳入系統(tǒng)的延時時間，組合導航輸出周期為4ms，測試結果表明系統(tǒng)每次使用組合導航數(shù)據(jù)均為最新數(shù)據(jù)，最大限度保證了姿態(tài)計算實時性。2)波束角度輸出間隔。測試通過計算進行波束 角度切換的時間間隔。

　　信標機輸出周期為4ms，測試結果表明系統(tǒng)在收到信標機數(shù)據(jù)后在0.4ms內完成計算，并輸出掃描角度，保證了衛(wèi)星跟蹤的實時性。

　　3)動態(tài)跟蹤指向有效性。測試系統(tǒng)在不同姿態(tài)和方位下，衛(wèi)星跟蹤動態(tài)掃描的指向是否在可用范圍。

　　測試結果表明，經計算的掃描離軸角度均在1度以內浮動，滿足動態(tài)掃描要求，可實現(xiàn)持續(xù)動態(tài)跟蹤。4)冷啟動跟蹤鎖定時間。測試在組合導航航向角為初始狀態(tài)時，進入跟蹤狀態(tài)所需時間，是系統(tǒng)關鍵指標，指標業(yè)界普遍指標在1min左右。

　　測試結果表明，此衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設計高效，冷啟動跟蹤鎖定時間在45s以內，指標優(yōu)于業(yè)界水平。5)熱啟動跟蹤鎖定時間。測試在已知航向角的情況下，快速進入跟蹤狀態(tài)時間。業(yè)界普遍指標在5s左右。

　　測試結果表明，衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設計高效，熱啟動跟蹤鎖定時間在4s以內，指標優(yōu)于業(yè)界水平。6)長時間遮擋動態(tài)恢復時間。測試在長時間處于對天遮擋狀態(tài)，導致組合導航姿態(tài)漂移的情況下，迅速動態(tài)恢復時間。業(yè)界普遍指標在10s左右。

　　測試結果表明，長時間遮擋后，在10s內均可恢復跟蹤狀態(tài)，指標優(yōu)于業(yè)界水平。綜上，通過各類靜態(tài)、動態(tài)測試，基于軟總線的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)在設計上可行，在處理方式上高效，實際衛(wèi)星跟蹤效果佳，整體指標優(yōu)于業(yè)界。

　　4結束語

　　本文設計的衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)，優(yōu)化和改善傳統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的軟件耦合性高、擴展性差等缺點;硬件設計采用ZYNQ7020芯片為控制核心，與各類衛(wèi)星跟蹤所需外部設備進行通信;通過合理的軟件架構設計，提出了設計軟總線模塊，用于解決衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)中外設種類多、復雜度高，以及各模塊同步異步交互等問題。而后通過應用軟總線模塊，設計了衛(wèi)星跟蹤流程，并搭建了驗證環(huán)境。經過測試驗證，該系統(tǒng)高效可靠、靈活方便，且扁平化、可維護性、可擴展性較強，為衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)設計提供了一種新的思路，該機制還可沿用至其他復雜控制系統(tǒng)。

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　　作者：張偉，張聰，鐘洋，周鵬，周詩超

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