CN102819222B

CN102819222B - 一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统

Info

Publication number: CN102819222B
Application number: CN201210300745.0A
Authority: CN
Inventors: 毕韬; 申宏飞
Original assignee: Beijing 21st Century Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: TWENTY FIRST CENTURY AEROSPACE TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: CN102819222A

Abstract

本发明公开了一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，包括通过CAN总线相互连接的嵌入式实时控制系统、智能识别系统、数据压缩系统、数据路由系统、姿态定位系统和无线通讯系统，其采用PC104搭载VxWorks嵌入式操作系统进行实时控制，采用DSP来运行智能云判、识别和压缩等算法，采用FPGA完成数据接收和转发。本发明的有益效果为：基于已有小卫星结构，提取出与智能化设计相关的软硬件结构，构建适合各种算法模拟的地面仿真系统，且对不同的需求进行分割和组合，保证系统既可以完成单独子系统的验证，也可以完成系统的整体性能测试，通过大量的地面实际模拟仿真，可以减少星地联合试验的次数，降低联合试验带来的风险，提高星载软件研发的效率。

Description

一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统

技术领域

本发明涉及仿真系统，尤其涉及一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统。

背景技术

目前，随着卫星技术的发展，对于卫星仿真系统的要求也越来越高。卫星的地面仿真系统，可以在节约成本、安全可靠的基础上对卫星的识别、观测、压缩和传输四个系统进行模拟和改进。从而改进模拟目标卫星观测方式单一，压缩算法固定，传输模式简单等缺点，并提出行之有效的解决和处理方案。

现行的卫星模拟系统存在着以下问题：

1）设计周期长，星载智能观测软件设计周期长，软件测试缺乏硬件环境；

2）实际验证难，结合实践得出的小卫星智能观测策略很难上星验证；

3）实验条件差，由于要保证卫星系统安全，成型的算法不能在卫星上做大量的实验；

4）改造成本高，目前的卫星模拟系统往往通过整体的模拟来进行，而在实际应用中，大部分算法只是对现有系统的改造，没有必要牵扯到其他无关的系统。

发明内容

本发明公开了一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，以解决以上现有的卫星仿真系统存在的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，采用PC104搭载VxWorks嵌入式操作系统进行实时控制；采用DSP进行智能云判、识别和压缩设计；采用FPGA进行图像数据路由功能和多种协议接口设计；采用Wi-Fi通讯技术进行无线空间传输的模拟；采用GPS和ADCS进行卫星定位和姿态的模拟。该地面仿真系统包括：

嵌入式实时控制系统，其包括主控星载计算机，所述星载计算机的硬件系统使用基于X86构架的PC104，软件系统使用实时嵌入式操作系统VxWorks；

智能识别系统，其包括进行前视相机数据云判和地物识别的DSP处理器和DSP与前视相机之间的通讯接口；

智能压缩系统，其包括进行主相机数据压缩的DSP处理器和DSP与数据路由之间的通信接口；

数据路由系统，其包括进行主相机数据接收的FPGA处理器和FPGA与主相机、数据存储器、智能压缩系统、无线通讯系统等模块之间的通讯接口；

姿态定位系统，其包括GPS定位仿真模块和ADCS姿态控制仿真模块；

无线通讯系统，其包括Wi-Fi低速模块和Wi-Fi高速模块，所述Wi-Fi低速模块用于接收地面系统的控制指令和向地面系统发送遥测数据，所述Wi-Fi高速模块则用于接收模拟主相机的图像数据和发送星上系统处理后的成像数据；

其中，所述的嵌入式实时控制系统、智能识别系统、智能压缩系统、数据路由系统、姿态定位系统和无线通讯系统通过CAN总线相互连接。

进一步的，所述数据存储器包括HDDR数据存储器和DDR2数据存储器。

进一步的，所述Wi-Fi低速模块包括9.6Kpbs的遥控指令接收通道和38.4Kpbs遥测数据发送通道；所述Wi-Fi高速通道包括20/40Mbps的图像数据传输通道。

本发明的有益效果为：基于已有小卫星结构，提取出与智能化设计相关的软硬件结构，构建适合各种算法模拟的地面仿真系统，且对不同的需求进行分割和组合，保证系统既可以完成单独子系统的验证，也可以完成系统的整体性能测试，通过大量的地面实际模拟仿真，可以减少星地联合试验的次数，降低联合试验带来的风险，提高星载软件研发的效率。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的实施例的一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统的主体结构示意框架图；

图2为本发明的实施例的一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统的硬件结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明实施例所述的一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，包括通过CAN总线相互连接的嵌入式实时控制系统、智能识别系统、智能压缩系统、数据路由系统、姿态定位系统和无线通讯系统；所述嵌入式实时控制系统包括主控星载计算机，所述星载计算机的硬件系统使用基于X86构架的PC104，软件系统使用实时嵌入式操作系统VxWorks；智能识别系统，其包括进行前视相机数据云判和地物识别的DSP处理器和DSP与前视相机之间的通讯接口；智能压缩系统，其包括进行主相机数据压缩的DSP处理器和DSP与数据路由之间的通信接口；数据路由系统，其包括进行主相机数据接收，FPGA与主相机、数据存储器、智能压缩系统、无线通讯系统等模块之间的通讯接口；姿态定位系统，其包括GPS定位仿真模块和ADCS姿态控制仿真模块；无线通讯系统，其包括Wi-Fi低速模块和Wi-Fi高速模块。整个星上系统的控制和状态监测都是通过CAN总线通信。

本仿真系统的主要工作流程如下：

1）星载计算机接收地面发送的遥测指令，星载计算机会对指令进行解码，解析出成像任务要求的拍摄地点、拍摄时间、相机类型、工作模式等信息，用于控制仿真系统的其他单元。

2）星载计算机通过监测GPS信息得出卫星与拍摄地点的距离和飞行时间。

3）在离拍摄地点固定时长预先启动姿态定位系统，确定卫星拍摄姿态和位置，之后星载计算机开启智能识别系统、数据路由系统、智能压缩系统和无线通讯系统。

4）智能识别系统接收星载计算机的识别指令，对前视相机拍摄的数据进行识别，得出云判和地物的识别结果，并将结果发送给星载计算机。

5）星载计算机根据云雾的识别情况决定是否进行主相机成像。在云判识别不符合拍摄条件的情况下，结束成像任务；在符合拍摄条件的前提下，星载计算机启动主相机开始拍摄。

6）数据路由系统负责主相机成像数据的接收，它会根据星载计算机的指令将数据分发给下一级处理单元。普通模式下数据路由系统会将数据存储到数据存储器中，存储完毕后成像任务结束；实时模式下数据路由系统会将拍摄数据转发到智能压缩系统中进行数据压缩。

7）智能压缩系统会根据星载计算机的指令选择压缩模式，压缩后的数据需要回传给数据路由系统进行数据转发，数据路由系统再将压缩后的数据转发给无线通讯系统，最后数据通过无线WI-FI高速通道发送给地面。

小卫星智能化技术的地面仿真系统各个子系统的具体功能如下：

主控星载计算机负责星上所有模块的控制和状态监测，其主要功能包括：

1）监控星上各模块工作状态，收集遥测数据，接规定通讯协议格式化打包后发送给无线通讯系统；

2）负责对上行遥控指令和数据的解码及处理，通过CAN总线控制星上相应模块执行相关操作；

3）负责主相机的智能观测成像任务；

4）模拟卫星轨道运行，实时更新轨道信息和GPS信息。

智能识别系统负责处理前视相机数据得到云判和地物识别结果，其主要功能包括：

1）控制前视相机，读取前视相机数据；

2）对数据进行云判和地物识别，将云判和地物识别的结果送给星载计算机，判断是否执行成像任务和确定主相机拍摄模式。

智能压缩系统负责压缩主相机数据，其主要功能包括：

1）接收数据路由系统转发的图像数据，根据任务模式进行压缩处理；

2）将主相机的数据压缩后回传给数据路由系统，便于数据存储和传输。

数据路由系统负责将主相机拍摄的图像数据进行接收和转发，其主要功能包括：

1）接收主相机成像数据；

2）根据任务模式将主相机数据分配给数据压缩系统用于压缩；

3）根据任务模式将主相机数据转发至HDDR/DDR2用于数据存储；

4）根据任务模式将主相机数据转发给高速Wi-Fi模块用于数据下传。

姿态定位系统负责模拟卫星姿态和位置信息，其主要功能包括：

1）使用ADCS姿态控制仿真模块模拟卫星姿态数据；

2）使用GPS定位仿真模块用于模拟卫星定位数据。

应用实例

该系统成功的实现了“北京一号”小卫星智能观测部分软硬件的地面仿真，为公司承担的多个北京市科委和科技部重大项目提供地面支持和演示环境，通过大量的地面实际模拟仿真，可以减少星地联合试验的次数，降低联合试验带来的风险，提高星载软件研发的效率。

虽然以上仅描述了本发明的具体实施方式范例，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更或修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，其特征在于，采用PC104搭载VxWorks嵌入式操作系统进行实时控制；采用DSP进行智能云判、识别和压缩设计；采用FPGA进行图像数据路由功能和多种协议接口设计；采用Wi-Fi通讯技术进行无线空间传输的模拟；采用GPS和ADCS进行卫星定位和姿态的模拟；

该基于小卫星智能化技术的地面仿真系统包括：

数据路由系统，其包括进行主相机数据接收的FPGA处理器和FPGA与主相机、数据存储器、智能压缩系统、无线通讯系统模块之间的通讯接口；

2.根据权利要求1所述的一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，其特征在于：所述嵌入式实时控制系统由PC104组成；所述智能识别、压缩系统由DSP组成；所述数据路由系统由FPGA组成；所述无线通讯系统由低速和高速WI-FI系统组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，其特征在于：所述数据存储器包括HDDR数据存储器和DDR2数据存储器。

4.根据权利要求1所述的一种基于小卫星智能化技术的地面仿真系统，其特征在于：所述Wi-Fi低速模块包括9.6Kpbs的遥控指令接收通道和38.4Kpbs遥测数据发送通道；所述Wi-Fi高速通道包括20/40Mbps的图像数据传输通道。