CN105404275A - 一种卫星控制测试设备自动检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星控制测试设备自动检测系统及检测方法，包括：信号采集模块、信号判读模块、信号校准模块和数据存储显示模块。本发明能够实时的检测卫星控制测试设备的状态，给出被测信号是否工作正常、是否需要校准的结论，同时还可以自动校准不正常工作的信号。本发明对于提高卫星控制测试设备的可靠性有重要意义。

Description

一种卫星控制测试设备自动检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种卫星控制测试设备的自动化检测系统及检测方法，属于卫星控制测试领域。

背景技术

卫星控制测试设备是重要的综合测试设备，主要用于卫星姿态轨道控制分系统的测试。针对卫星控制测试设备的故障检查，一般安排在测试前进行，如果检查结果正常，即认为设备状态良好。然而，在实际卫星测试过程中，经常发生控制测试设备使用中出现故障的情况。传统的设备测试前校准的方法已经不能满足测试安全生产的需要。

卫星测试是控制分系统工作状态主要依赖于卫星遥测数据进行判读，缺少一种直接判读地面设备输出信号是否异常的手段。当某些卫星遥测判读出有故障时，没法区分是地面设备故障还是星上设备的故障。比如红外地球敏感器的时钟和基准信号是由真实红外地球敏感器头部提供的，而地球方波信号是由地面测试设备提供的，这些信号耦合成红外地球信号。因此当遥测中的红外信号不正常时，无法分辨故障来自地面测试设备还是星上真实部件。

综上所述，实时自动检测卫星控制测试设备输出信号是否正常工作，并自动校准不正常工作的信号，可以提高卫星控制测试设备的可靠性，是未来卫星控制测试设备的发展方向。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种卫星控制测试设备的自动化检测系统及检测方法，能够实时的检测卫星控制测试设备的相关信号，并自动校准不正常工作的信号，对于提高卫星测试的可靠性有重要意义。

本发明技术解决方案：一种卫星控制测试设备自动检测系统，包括信号采集模块、信号判读模块、信号校准模块和数据存储显示模块。

信号采集模块测量卫星控制测试设备的相关信号，并将信号的测量信息送给信号判读模块进行判读。被测信号包括陀螺脉冲源、陀螺恒流源、红外地球敏感器方波、红外基准、红外时钟信号。信号采集模块采用ARM处理器为核心构建。

信号判读模块根据动力学的给定判读被测信号是否正常工作。主要判读方法有阈值判读、曲线比对判读，遥测信息对比等。信号判读模块，主要针对陀螺恒流源输出的电流是否在给定值的阈值范围内。红外信号源输出有红外地球敏感器方波信号，主要检测其占空比、方波幅值是否合理，红外时钟信号周期是否在1s左右。陀螺脉冲源，主要检测其陀螺脉冲信号在一定周期内数量是否合理。

信号判读模块接收仿真动力学模块输出的给定，并采集各个信号源板卡输出的信号，将信号进行比较，如果给定与输出的差值超过一定阈值，则判定信号源故障。

信号校准模块，当信号判读模块给出需要校准的结论时，对被测信号进行校准信息计算。信号校准模块，建立了被测信号实际值x_o与被测信号理论值x_i之间的关系，可以用线性模型(1.1)表示。线性模型中的参数可以通过x_o、x_i曲线拟合得到。信号校准模块同时根据公式(1.2)计算出补偿后的被测信号理论值x′_i，并将该值作为校准信息发给动力学仿真计算机。然后动力学仿真计算机将根据补偿后的被测信号理论值x′_i作为新的被测信号理论值给定，最终所得卫星控制测试设备中被测信号的新实际值x'_o根据公式(1.4)等于仿真动力学计算机理论值的给定x_i。这种软件校正的方法消除了被测信号实际值与被测信号理论值误差。

数据存储显示模块负责数据存储和数据显示。数据存储显示模块与信号判读模块和信号校准模块通信。数据存储显示模块负责存储信号判读模块的判读结论、信号采集模块得到的被测信号测量信息、信号校准模块的校准信息和仿真动力学计算机给出的被测信号理论值。同时将这些信息数据在屏幕上显示。

本发明所述的卫星控制测试设备自动检测方法，实现步骤为：

(1)信号采集模块测量卫星控制测试设备的信号，并将被测信号的测量信息送给信号判读模块进行判读；

(2)信号判读模块分别与信号采集模块、信号校准模块、卫星控制测试设备中的仿真动力学计算机通讯，并以仿真动力学计算机给出的被测信号理论值作为依据，按照预设的判读规则，判读被测信号，并得出被测信号是否正常工作，是否需要校准的结论；信号判读模块同时将判读结论发给数据存储显示模块、信号校准模块；

(3)信号校准模块当信号判读模块给出需要校准的结论时，计算得出补偿后的被测信号理论值，并将该值作为信号校准信息发给仿真动力学计算机；

(4)卫星控制测试设备中的仿真动力学计算机根据信号校准模块的校准信息，调整被测信号的理论值给定，最终使得卫星控制测试设备输出的被测信号等于被测信号的理论值，达到消除误差的校准目的；

(5)数据存储显示模块负责存储信号判读模块的判读结论、信号采集模块测量的被测信号实际值、信号校准模块的校准信息、仿真动力学计算机给出的被测信号理论值，同时将这些信息数据在屏幕上显示。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以实时检测卫星控制测试设备的相关信号是否正常工作，提高了卫星控制测试设备的可靠性。

(2)本发明可以实时对不正常工作的被测信号进行校准，使得仿真动力学计算机给出的被测信号理论值等于信号采集模块测量得到的被测信号实际值，消除了误差，解决了传统校准设备周期长的问题。

(3)本发明直接测量并判读卫星控制测试设备的相关信号是否正常工作，解决了目前仅依靠卫星遥测信息判读的问题。

(4)本发明相比现有人工通过万用表、示波器来检测信号，节省了人力，而且检测速度快。

(5)本发明提出的系统通过嵌入式处理器构建了信号采集模块等，检测系统的小型化，降低了设备功耗、体积和重量。

附图说明

图1是本发明提出的测试设备自动检测系统组成图；

图2是本发明提出的信号采集模块组成；

图3是本发明提出的卫星控制测试设备自动检测方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的硬件部分主要包括信号采集模块、信号判读模块、信号校准模块和数据存储显示模块。信号采集模块、信号判读模块、信号校准模块和数据存储模块均采用LAN通讯。信号采集模块与卫星控制测试设备之间通过电缆连接。

本发明提出的测试设备自动检测系统可以判读被测信号是否正常工作，并对被测信号进行软件校准。具体来说，该系统通过动力学仿真计算模块通讯获得当前被测信号的理论值，同时通过信号采集模块测量得到被测信号的实际值。将判读参考值和实际值按照预设判读规则，进行比对分析从而得出测试设备是否工作正常的结论，发给数据存储显示模块。当信号判读模块判读信号工作不正常时，或者当人工判读需要信号校准时，调用信号校准模块，进行信号校准工作。

信号采集模块与卫星控制测试设备之间通过电缆连接。信号采集模块测量卫星控制测试设备的相关信号，并将信号的测量信息送给信号判读模块进行判读。被测信号包括陀螺脉冲源、陀螺恒流源、红外地球敏感器方波、红外基准、红外时钟信号。

如图2所示，信号采集模块采用ARM处理器为核心构建。信号采集模块包括依次相连的ARM9处理器、ADC模块、隔离放大器、FLASH、RAM等。存储器RAM为64MB的SDRAM。FLASH为64MBNANDFLASH，用来存储S3C2410的引导代码、操作系统、根文件系统及应用程序。

ADC芯片采用2个美国模拟器件公司的AD7888芯片。该芯片为12位AD转换器，具有8个模拟输入通道，通过SPI总线与S3C2410处理器通讯。该芯片负责采集若干路陀螺恒流源信号，若干路红外前基、弦宽信号，若干路数字太阳光电流信号，若干路模拟太阳光电流信号。调理电路主要负责将电流信号通过采样电阻变为电压信号，经过放大处理后供ADC芯片采集。

ARM9处理器采用三星公司S3C2410芯片。该芯片为32位RISC处理器具有丰富的资源：4路带PWM的定时器。S3C2410具有2个SPI接口，可以实现串行数据的通讯，负责将ADC模块采集到的数据进行处理。具体的说将若干路陀螺恒流源信号、若干路红外信号、若干路数字太阳光电流信号、若干路模拟太阳光电流信号，处理成角速度输出。S3C2410芯片有4个定时器，进行脉冲源计数。隔离放大模块主要用于隔离信号，防止干扰信号源信号。10M网卡采用采用SMSC公司生产的LAN91C96，通过该网口与系统别的模块通讯。复位电路采用内置E2PROM存储器的电源监控复位芯片CAT1025JI-30。

信号判读模块硬件部分优选配置为CPU采用Inteli54590，4G金士顿内存，1T硬盘存储。该模块通过LAN与信号采集模块通讯，并将采集到的信息进行判读。信号判读模块首先初始化，读取预设的判读规则；然后与信号采集模块通信，获得被测信号实际值，同时与仿真动力学计算模块通信，获得被测信号理论值；最后按照判读规则，计算被测信号理论值与被测信号实际值的误差是否超过阈值；如果误差超过阈值，则判读为被测信号工作不正常，如果未超过阈值，判读为被测信号工作正常。

判读的规则按照信号数据类型分为几类：第一类是电压值、电流值，这类数值通常为常值，判读其是否超出阈值；第二类脉冲信号，计算一个周期内的脉冲数量是否超出阈值；第三类为方波信号，判读方波的周期和占空比是否超过阈值；

信号校准模块，当信号判读模块给出需要校准的结论时，对被测信号进行校准信息计算。信号校准模块与信号判读模块、动力学仿真计算机、数据存储显示模块通信。被测信号实际值可以通过软件校正补偿被测信号理论值的方法，消除被测设备输出信号实际值与理论值。具体的计算过程如下：

如果被测信号实际值与被测信号理论值之间的关系，可以用线性模型(1.1)描述，

x_o＝Ax_i+B(1.4)

式(1.1)中，x_o为被测信号的实际值，由信号采集模块测量得到；x_i为被测信号的理论值，由仿真动力学计算机给出；A和B为线性模型参数，通过公式(1.8)和(1.9)得到。

那么，被测信号理论值x_i，可以通过补偿模型(1.2)，计算得到补偿后的被测信号理论值x′_i，

$x_i^{\′}=\frac{x_i-B}{A}---\left(1.5\right)$

将被测信号理论值x′_i作为信号校准信息发给动力学仿真计算机，然后动力学仿真计算机将根据补偿后的被测信号理论值x′_i作为新的被测信号理论值给定，最终所得卫星控制测试设备中被测信号的新实际值x'_o。新的被测信号实际值x'_o，如公式(1.3)所示。

x'_o＝Ax′_i+B(1.6)

将公式(1.2)代入公式(1.3)，得到新的被测信号实际值x'_o等于仿真动力学计算机理论值的给定x_i，如公式(1.4)所示。

$x_o^{\′}={\mathrm{Ax}}_i^{\′}+B=A\left(\frac{x_i-B}{A}\right)+B=x_i---\left(1.4\right)$

求解公式(1.1)中线性模型参数A和B的过程为：

假设被测信号有n个数，运用最小二乘法时，线性拟合值Ax_i+B与被测信号实际值x_o的误差采取最小化残差的平方和，即

$S_r=\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_{oa}-B-{\mathrm{Ax}}_{ia})}^2,a=1,2,...,n---\left(1.5\right)$

式中，S_r为最小化残差的平方和，a是取值范围从1到n的整数，x_oa是第a个被测信号实际值，x_ia是第a个被测信号理论值。

公式(1.5)关于未知数A和B的导数和分别为

$\frac{\∂S_r}{\∂A}=-2\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}\[(x_{oa}-B-{\mathrm{Ax}}_{ia})x_{ia}\]---\left(1.6\right)$

$\frac{\∂S_r}{\∂B}=-2\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_{oa}-B-{\mathrm{Ax}}_{ia})---\left(1.7\right)$

令导数和为零，可得的线性模型参数A和B，

$A=\frac{n\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{ia}{x}_{oa}-\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{ia}\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{oa}}{n\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{ia}^2-{\left(\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{ia}\right)}^2}---\left(1.8\right)$

$B=\frac{\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{oa}}{n}-A\frac{\underset{a=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{ia}}{n}--\left(1.9\right)$

通过公式(1.8)和(1.9)求得的线性模型参数A和B。

信号校准模块，建立了被测信号实际值x_o与被测信号理论值x_i之间的关系，可以用线性模型(1.1)表示。线性模型参数A和B可以通过公式(1.8)和(1.9)得到。信号校准模块同时根据公式(1.2)计算出补偿后的被测信号理论值x′_i，并将该值发给动力学仿真计算机。然后动力学仿真计算机将根据补偿后的被测信号理论值x′_i作为新的被测信号理论值给定，最终所得卫星控制测试设备中被测信号的新实际值x'_o根据公式(1.4)等于仿真动力学计算机理论值的给定x_i。这种软件校正的方法消除了被测信号实际值与被测信号理论值误差。

数据存储显示模块负责数据存储和显示。数据存储显示模块与信号判读模块和信号校准模块通信。数据存储显示模块负责存储信号判读模块的判读结论、信号采集模块测量的被测信号实际值、信号校准模块的校准信息和仿真动力学计算机给出的被测信号理论值。同时将这些信息数据在屏幕上显示。

本发明所述的卫星控制测试设备自动检测方法，步骤为：

(1)信号采集模块测量卫星控制测试设备的信号，并将被测信号的测量信息送给信号判读模块进行判读；

(2)信号判读模块分别与信号采集模块、信号校准模块、卫星控制测试设备中的仿真动力学计算机通讯，并以仿真动力学计算机给出的被测信号理论值作为依据，按照预设的判读规则，判读被测信号，并得出被测信号是否正常工作，是否需要校准的结论；信号判读模块同时将判读结论发给数据存储显示模块、信号校准模块；

(3)信号校准模块当信号判读模块给出需要校准的结论时，计算得出补偿后的被测信号理论值，并将该值作为信号校准信息发给仿真动力学计算机；

(4)卫星控制测试设备中的仿真动力学计算机根据信号校准模块的校准信息，调整被测信号的理论值给定，最终使得卫星控制测试设备输出的被测信号等于被测信号的理论值，达到消除误差的校准目的；

(5)数据存储显示模块负责存储信号判读模块的判读结论、信号采集模块测量的被测信号实际值、信号校准模块的校准信息、仿真动力学计算机给出的被测信号理论值，同时将这些信息数据在屏幕上显示。

Claims (3)

1.一种卫星控制测试设备自动检测系统，其特征在于包括：信号采集模块、信号判读模块、信号校准模块和数据存储显示模块；其中：

信号采集模块，测量卫星控制测试设备的信号，并将被测信号的信息送给信号判读模块进行判读。被测信号包括陀螺脉冲源、陀螺恒流源、红外地球敏感器方波、红外基准、红外时钟信号；

信号判读模块负责判读被测信号是否正常；以仿真动力学计算机给出的被测信号理论值作为依据，按照预设的判读规则，判读信号采集模块得到的被测信号，并得出该被测信号是否正常工作，是否需要校准的结论；同时将判读结论发给数据存储显示模块和信号校准模块；所述预设的判读规则内容是：陀螺脉冲源在给定周期内脉冲数量是否符合要求；对于陀螺恒流源输出的电流是否在给定值的阈值范围内；红外地球敏感器方波信号包括占空比、方波幅值是否符合要求；红外基准信号的周期是否符合要求；红外时钟信号周期是否符合要求；

信号校准模块，当信号判读模块给出需要校准的结论时，对被测信号进行校准信息计算，信号校准模块与信号判读模块、动力学仿真计算机、数据存储显示模块通信；

数据存储显示模块负责数据库存储功能和数据显示功能。数据存储显示模块与信号判读模块和信号校准模块通信；数据存储显示模块将被测信号实际值、被测信号理论值、被测信号判读结论和补偿后被测信号理论值存储在数据库中，同时在显示终端上显示判读结果。

2.根据权利要求1所述的卫星控制测试设备自动检测系统，其特征在于：所述信号校准模块，进行信号校准信息计算，计算过程为：

(1)首先建立被测信号实际值x_o与被测信号理论值x_i之间的关系，采用线性模型(1.1)表示，

x_o＝Ax_i+B(1.1)

式(1.1)中，x_o为被测信号的实际值，由信号采集模块测量得到；x_i为被测信号的理论值,由仿真动力学计算机给出；A和B为模型的参数，通过x_o、x_i拟合曲线得到；

(2)再根据公式(1.2)计算出补偿后的被测信号理论值x′_i，

$x_i^{\′}=\frac{x_i-B}{A}---\left(1.2\right)$

(3)将被测信号理论值x′_i作为信号校准信息发给动力学仿真计算机，然后动力学仿真计算机将根据补偿后的被测信号理论值x′_i作为新的被测信号理论值给定，最终所得卫星控制测试设备中被测信号的新实际值x′_o，新的被测信号实际值x′_o，如公式(1.3)所示，

x′_o＝Ax′_i+B(1.3)

将公式(1.2)代入公式(1.3)，得到新的被测信号实际值x′_o等于仿真动力学计算机理论值的给定x_i，如公式(1.4)所示。

$x_o^{\′}={\mathrm{Ax}}_i^{\′}+B=A\left(\frac{x_i-B}{A}\right)+B=x_i---\left(1.4\right)$

这种校正的方法消除了被测信号实际值与被测信号理论值误差。

3.一种卫星控制测试设备自动检测方法，其特征在于实现步骤为：

(1)信号采集模块测量卫星控制测试设备的信号，并将被测信号的测量信息送给信号判读模块进行判读；

(2)信号判读模块分别与信号采集模块、信号校准模块、卫星控制测试设备中的仿真动力学计算机通讯，并以仿真动力学计算机给出的被测信号理论值作为依据，按照预设的判读规则，判读被测信号，并得出被测信号是否正常工作，是否需要校准的结论；信号判读模块同时将判读结论发给数据存储显示模块、信号校准模块；

(3)信号校准模块当信号判读模块给出需要校准的结论时，计算得出补偿后的被测信号理论值，并将该值作为信号校准信息发给仿真动力学计算机；

(4)卫星控制测试设备中的仿真动力学计算机根据信号校准模块的校准信息，调整被测信号的理论值给定，最终使得卫星控制测试设备输出的被测信号等于被测信号的理论值，达到消除误差的校准目的；

(5)数据存储显示模块负责存储信号判读模块的判读结论、信号采集模块测量的被测信号实际值、信号校准模块的校准信息、仿真动力学计算机给出的被测信号理论值，同时将这些信息数据在屏幕上显示。