CN106314828B - 一种动态可重构的地面测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态可重构的地面测控系统，属于自动化测试领域，该系统包括资源池、连接矩阵、集中监控平台，资源池包括地面测控系统内所有前端子系统、终端设备和公共设备；连接矩阵，由两列中频开关矩阵组成；资源池中所有设备都预先连接在连接矩阵的输入/输出端，集中监控平台控制虚拟矩阵来改变资源池内设备的连接关系，每种连接关系对应一个测试系统，具备执行一类任务的能力，从而实现地面测试系统的快速重构，解决了多任务支持能力差、配套设备多、研制成本高、资源利用率低、地面测控站改造升级工作量大等问题。

Description

一种动态可重构的地面测控系统

技术领域

本发明涉及一种动态可重构的地面测控系统，可应用于地面测控系统，属于自动化测试领域。

背景技术

地面测控系统是航天测控系统的重要组成部分，其和船载/舰载/弹载设备一起，完成对航天器的跟踪测轨、遥测、遥控、天地通信、数据传输等任务。

随着我国航天事业的发展,日益增多的航天发射任务和大量在轨运行卫星，对地面测控系统的多任务支持能力提出了越来越高的要求。现有地面测控系统架构已逐渐不能满足这些需求。现有地面测控系统架构及其对多任务需求的解决途径主要有以下几种：

(1)型号订制，按套扩展

长期以来，我国的地面测控系统是根据型号任务进行研制，这种“型号订制”的研制方式，导致地面测控系统在架构上比较固定，在功能上比较单一，无法灵活支持多任务。因此，当新的型号任务出现时，需要“按套扩展”，增加新的地面测控设备，各套地面测控设备之间相互独立。这种“型号订制，按套扩展”的方法具有配套设备多、研制成本高、资源利用率低、改造升级工作量大等突出缺点。

(2)射频切换

这种方法是同时建设多套天馈设备、信道设备及后端基带设备，在天馈设备和信道设备之间安装射频开关网络，通过射频开关网络切换天馈设备、信道设备及后端基带设备的连接关系，每一种连接关系可以看做一套完整的地面测控系统。这样，通过连接关系的切换，可以得到多套功能和指标各不相同的测控系统，从而支持多种任务需求。

由于高频信号处理技术和设备制造工艺的不成熟，该方法存在以下缺点：①工作频段的提高及射频开关网络的规模增大引入的射频插入损耗会大大增加，使射频开关网络不可能做得太大，限制了地面测控系统规模；②射频交换开关、放大器随温度变化会引入相位和群时延的不稳定性，无法满足高精度测轨需求；③随着交换规模的增大，高频段多路交换设备内的同频隔离与干扰问题会越来越突出，导致系统指标进一步恶化。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：针对现有地面测控系统架构对多任务支持能力的不足，提出一种动态可重构的地面测控系统，该系统在集中监控平台控制虚拟矩阵来改变资源池内设备的连接关系，每种连接关系对应一个测试系统，具备执行一类任务的能力，从而实现地面测试系统的快速重构，解决多任务支持能力差、配套设备多、研制成本高、资源利用率低、地面测控站改造升级工作量大等问题。

本发明的技术方案是：一种动态可重构的地面测控系统，该系统包括资源池、连接矩阵和集中监控平台，其中：

资源池，包括地面测控系统内所有前端子系统、终端设备和公共设备，所有设备根据其功能的不同与连接矩阵的输入接口或者输出接口相连；

连接矩阵，由两列中频开关矩阵组成，第一列开关矩阵的输出端与第二列开关矩阵的输入相连，按照使每个第一列的开关矩阵到达尽量多的第二列开关矩阵的原则均匀布线，根据集中监控平台发送的开关指令建立各开关矩阵的输入/输出连接关系，实现地面测试系统的快速重构；

集中监控平台，根据前端子系统、终端设备、公共设备和开关矩阵的实际连接关系，建立虚拟矩阵和有向图，采用数组元素对有向图的节点、边和方向进行描述，节点对应每个设备的输入输出端口，边对应设备端口间信号连接，边的方向表示信号流向，根据地面测试任务的需要在有向图上选择起点和终点，计算起点和终点之间的路径，根据路径计算结果向连接矩阵发送开关指令。

所述有向图分为三类：前端子图、终端子图、切换子图，前端子图对应前端子系统和接入连接矩阵输入端口的公共设备及其连接关系；终端子图对应终端设备和接入连接矩阵输出端口的公共设备及其连接关系；切换子图对应连接矩阵中各开关矩阵及其连接关系。

前端子图和终端子图分别用前端子图二维数组和终端子图二维数组表示，二维数组中每一行数组元素对应子图中的一个节点的状态信息，该状态信息包括该节点编号、相邻节点编号、该节点和相邻节点之间的边的方向，所述节点编号包括设备类别、设备类型和设备编号；

切换子图采用多个切换子图二维数组表示，每个二维数组对应一个独立的开关矩阵，二维数组中每一行数组元素对应开关矩阵中1个输入接口和1个输出接口的状态信息，该状态信息包括输入接口的节点编号、输出接口的节点编号、与输入接口相连的前端子系统/其他矩阵接口的节点编号、与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号、与输出接口相连的终端设备/其它矩阵接口的节点编号。

所述集中监控平台计算起点和终点之间的路径的具体方法为：

(1)、读取起点S对应的节点编号S1和终点E对应的节点编号E1；

(2)、查询前端子图二维数组和终端子图二维数组，获得节点编号S1对应的相邻节点编号S2和节点编号E1对应的相邻节点编号E2；

(3)、解析节点编号S2获得该节点的设备编号，确定节点S2所在的开关矩阵的编号M1；解析节点编号E2获得该节点的设备编号，确定节点E2所在的开关矩阵的编号M2；

(4)、判断开关矩阵M1和开关矩阵M2是否可达，如果可达，则进入步骤(5)，否则，认为起点S和终点E设备物理上无法连接，退出计算过程；

(5)、找出所有M1到M2的可达路径，依次判断每一条可达路径的可用性，直到找到一条可用路径：从节点P到节点K，转入步骤(6)，如果所有路径均不可用，退出计算过程；

(6)、将开关矩阵M1对应的切换子图二维数组中节点P对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”更改为S2的节点编号；将开关矩阵M2切换子图二维数组中节点E2对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”更改为K的节点编号；

(7)、根据步骤(6)所得的开关矩阵M1和M2切换子图二维数组中“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”值，发送开关指令给开关矩阵M1和M2，开关矩阵M1收到指令之后将输入S2和输出P连接起来，开关矩阵M2收到指令之后将节点K和输出E2连接起来，最终将设备接入系统中。

所述的开关矩阵M1和开关矩阵M2之间是否可达的具体判断方法为：

解析开关矩阵M1对应的切换子图二维数组中“与输出接口相连的终端设备/矩阵接口的节点编号”，判断是否存在开关矩阵M2所对应的设备编号，存在，则认为开关矩阵M1和开关矩阵M2之间可达，否则，认为开关矩阵M1和开关矩阵M2之间不可达。

所述判断从矩阵M1中节点P到矩阵M2中节点K的路径是否可用的方法为：根据矩阵的一个输出接口不能同时与多个输入接口相连的原则，查询矩阵M1对应的切换子图二维数组中节点P所对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”是否已经存在有效的节点编号，如果存在有效的节点编号，则认为该路径不可用，否则，认为该路径可用。

所述设备属性包括设备类别、设备类型、设备编号、工作频段、工作模式、在用状态。

所述集中监控平台根据地面测试任务的需要确定有向图上选择起点和终点的方法包括自动方法和手动方法两种。

所述自动方法为：

(1)、获取外部输入的任务指令，所述任务指令包括卫星轨道根数、任务起止时间、工作频段、工作模式；

(2)、根据卫星轨道根数计算卫星轨道，根据任务起止时间计算任务时间内卫星轨道弧段相对于本站站址的角度变化范围和变化速率，根据工作角度变化范围和角度变化速率、工作频段选择与其功能相匹配的前端子系统，根据工作模式，选择匹配的终端设备；

(3)、判断所选择的设备是否可用，若前端子系统的设备属性中的“在用状态”为“可用”或“在用但可调用”，则此前端子系统可用于执行任务，否则，重复执行步骤(2)～步骤(3)，直到找到满足该地面测试任务需求的前端子系统和终端设备作为有向图的起点和终点，如果遍历完资源池中所有的设备均不能满足任务需求，则认为无可用设备，结束。

所述前端子系统用于接收信号，包括天伺馈设备和变频组合，变频组合把天伺馈设备输出的信号变频至中频后接入连接矩阵的输入接口。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明打破了传统的地面测控系统分为天伺馈分系统、信道分系统、基带分系统、时频分系统等的分配方式，对地面测控系统的设备进行重新组合，将地面测试系统内的所有设备归于资源池，采用资源池便于对设备进行统一管理，采用设备属性对设备的参数和状态进行完备的描述，便于对设备的参数和状态进行统一控制。

(2)本发明提出一种动态可重构的地面测试系统，集中监控平台通过控制虚拟矩阵来改变资源池内设备的连接关系，每种连接关系对应一个系统，具备执行一类任务的能力，从而实现系统可重构、可支持多任务需求，提高了资源利用率，降低了每套系统的研制成本，使用此系统的地面测控系统规模越大，资源利用率越高，每套系统的研制成本降低越明显。

(3)本发明将地面测试系统虚拟为一个有向图，有向图的节点、边、方向等有向图元素及其状态，均以数组的形式进行存放，进行虚拟矩阵输入/输出关系的切换，通过简单的计算，即可快速完成虚拟矩阵的切换，完成系统重组，在系统需要升级或添加设备时，只需要对有向图的数组做相应的修改即可，便于升级维护。

(4)本发明将天伺馈设备和变频组合进行绑定，组成前端子系统，变频组合把天伺馈设备输出的信号变频至中频后，在虚拟矩阵完成连接关系的切换。这种中频切换方式技术成熟，不会引起信号质量恶化，同时将前端子系统的信号输出接口进行了标准化处理，有利于系统的扩展。

(5)本发明集中监控平台，把多个相连的矩阵虚拟为一个矩阵，把虚拟矩阵内部复杂的连接关系对操作手屏蔽起来，让操作手可以直观地从虚拟矩阵的输入/输出对应关系上看到前端子系统和终端设备的连接关系，以便操作手通过人工方式调整前端子系统和终端设备的连接关系。

附图说明

图1为本发明实施例一种动态可重构的地面测控系统示意图；

图2为本发明实施例前端子系统、连接矩阵、终端设备连接关系示意图；

图3为本发明实施例前端子系统和终端设备连接关系在有向图中的表示；

图4为本发明实施例路径建立流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1为一种动态可重构的地面测控系统示意图。传统的地面测控系统分为天伺馈分系统、信道分系统、基带分系统、时频分系统等，每个分系统与实际设备一一对应，设备之间的连接关系也是固定的，这样的系统架构无法实现动态、可重构。

本发明对地面测控系统的架构进行调整，打破传统地面测控系统中分系统的划分方式，对地面测控系统的设备进行重新组合，把系统内的设备分为资源池、连接矩阵、集中监控平台3个部分。

(1)资源池

资源池是系统内所有设备的集合，其中的设备包括前端子系统、终端设备、公共设备等3类，每一类包含多个不同属性的设备。采用资源池便于对设备进行统一管理。

前端子系统用于接收信号，包括传统地面测控系统中的天伺馈分系统以及变频组合。天伺馈分系统包括天线、馈源、天控器、驱动器等设备，驱动器在天控器的控制下驱动天线跟踪目标，天线接收目标发射的信号，馈源将信号放大后送往变频组合，变频组合将信号变频至中频后与连接矩阵的输入接口相连。

系统重组的本质是前端设备和终端设备之间的连接关系的切换，传统的切换方式是射频切换，即切换天伺馈设备和变频组合之间的连接关系，这种切换方式受限于技术成熟度，存在系统规模受限、信号质量恶化等问题。本发明将天伺馈设备和变频组合进行绑定，组成前端子系统，变频组合把天伺馈设备输出的信号变频至中频后，在虚拟矩阵完成连接关系的切换。这种中频切换方式技术成熟，不会引起信号质量恶化，同时将前端子系统的信号输出接口进行了标准化处理，有利于系统的扩展。

终端设备为基带设备，接收中频信号并进行基带处理，与连接矩阵的输出接口连接。

公共设备包括频谱仪、模拟源、时频设备等。不论前端子系统和终端设备如何组合，组合后的系统都需要使用频谱仪、模拟源、时频设备，因此，将这些设备独立出来，作为公共设备，供系统内的其他设备共用。公共设备用于产生信号源或者对信号进行测量，根据其功能的不同与连接矩阵的输入接口或者输出接口相连。

(2)连接矩阵

矩阵是信道分系统中的常用设备，其输入/输出对应关系可以灵活切换，因此，本发明使用矩阵作为实现前端子系统和终端设备之间动态连接的手段。受限于硬件水平和制造工艺，单个矩阵的规模(输入/输出端口的数目)无法做到很大，为了实现对大规模地面测控系统的支持及通用性，本发明由两列中频开关矩阵组成，第一列开关矩阵的输出端与第二列开关矩阵的输入相连接，按照使每个第一列的开关矩阵到达尽量多的第二列开关矩阵的原则均匀布线，将若干个物理上相互独立、规模较小的矩阵进行组合，可得到一个大规模虚拟矩阵，来连接前端子系统和终端设备。每个小的开关矩阵的内部的输入/输出关系可根据集中监控平台发送的开关指令切换；

(3)集中监控平台

集中监控平台通过控制虚拟矩阵来改变资源池内前端子系统和终端设备的连接关系，每种连接关系对应一个系统，具备执行一类任务的能力，从而实现系统可重构、可支持多任务。

前端子系统连接在虚拟矩阵的输入端，终端设备连接在虚拟矩阵的输出端，因此，系统的重组就是虚拟矩阵的输入/输出对应关系的切换。虚拟矩阵是多个物理上相互独立的矩阵的组合，其输入/输出对应关系的切换也是多个矩阵的输入/输出对应关系的组合。因此，系统的重组在本质上是多个矩阵的输入/输出关系的切换。按照传统的方式，操作手需要同时切换多个矩阵的输入/输出关系，来实现系统重组，这样不仅操作繁琐，而且容易出错。本发明采用虚拟化技术，极大地简化了操作手的操作，降低了错误发生的概率。

虚拟化包括两个方面：

第一，把整个地面测试系统虚拟为一个有向图，进行虚拟矩阵输入/输出关系的切换。

矩阵是地面测控系统的常用设备，在传统的地面测控系统中，矩阵输入/输出关系的切换是通过查表法完成的：若某个系统中采用了矩阵，那么，把该系统在几类典型工作状态下矩阵的输入/输出关系以表格的形式进行存放，当需要切换设备连接关系时，只需要读取表格中相应的矩阵输入/输出关系即可。对于本发明中的动态、可重构的系统架构，查表法是不可行的，这是因为，该系统中前端子系统和终端设备数量众多，而且虚拟矩阵内部包含多个矩阵，矩阵的输入/输出关系多达千种，若采用查表法，这些输入/输出关系的录入将耗费很大人力，而且一旦系统连接关系发生改变，这些输入/输出关系的维护将会非常困难。

本发明根据前端子系统、终端设备、虚拟矩阵的实际连接关系，得到一个有向图。有向图包括三个要素：节点，边，方向，采用数组对有向图的节点、边和方向进行描述。有向图中的节点对应每个设备的输入输出端口，包括前端子系统(的信号输出端口)、终端设备(的信号输入端口)、虚拟矩阵内部各矩阵的输入端口和输出端口；有向图的边对应设备端口间信号连接，包括两类：一类是设备之间的电缆，如前端子系统与某个矩阵输入口之间的电缆，其连接关系是固定的，一类是矩阵的输入/输出关系，这是可切换的；有向图中边的方向为信号流向，即从前端子系统，经由虚拟矩阵，到终端设备。节点、边、方向等有向图元素及其状态，均以数组的形式进行存放，方便软件访问和修改。

将系统虚拟为一个有向图之后，系统的重组就是根据地面测试任务的需要确定有向图上选择起点和终点，选择起点和终点，即选择前端子系统和终端设备，这部分工作由集中监控平台根据任务需求和资源池中的设备属性来完成；起点和终点确定以后，集中监控平台访问有向图的数组，计算找到起点和终点之间的路径，根据计算结果向相关的开关矩阵发送开关指令，开关矩阵根据集中监控平台发送的开关指令建立输入/输出连接关系，实现地面测试系统的快速重构。

第二，在软件界面上，把多个相连的矩阵虚拟为一个矩阵，把虚拟矩阵内部多个矩阵之间复杂的连接关系对操作手屏蔽起来，让操作手可以直观地从虚拟矩阵的输入/输出对应关系上看到前端子系统和终端设备的连接关系，以便操作手通过人工方式调整前端子系统和终端设备的连接关系。

下面通过具体实施例对集中监控平台的具体实现作详细介绍。

(1)资源池及设备属性管理

集中监控平台定义了资源池中所有设备的设备属性，设备的属性是其参数和状态的集合，是对设备的完备描述，决定了其执行任务的能力。设备属性包含决定设备执行任务能力的所有参数和状态。比如，若前端子系统内的天线为限动式天线，则此前端子系统只能用于执行地球同步轨道卫星定轨后的跟踪任务；若前端子系统内的天线为全动式天线，则该前端子系统可以执行各种轨道的卫星跟踪任务。再比如，基带设备工作于标准TT&C模式，则基带只能接收和处理卫星发射的标准TT&C信号；基带设备工作于扩频TT&C模式，则基带只能接收和处理卫星发射的扩频TT&C信号。采用设备属性对设备的参数和状态进行完备的描述，便于对设备的参数和状态进行统一控制。

在系统重组时，集中监控平台通过访问资源池中设备的属性，选择进行重组的设备。资源池中的所有设备及其属性以数据库的形式在计算机中保存，各类设备属性所包含的元素及其示例如表1所示。

表1设备属性所包含的元素及其示例

(2)设备连接关系的有向图描述

把设备连接关系抽象为有向图，并以数组的形式把有向图的状态保存下来。

考虑图所示设备连接关系，其中：

①虚拟矩阵由4个8×8的中频开关矩阵组成，分别命名为矩阵1、矩阵2、矩阵3、矩阵4，4个矩阵的相对位置关系，如图所示；

②系统包含16个前端子系统，分别连接到矩阵1的输入1～输入8、矩阵2的输入1～输入8；

③系统包含16个终端设备(基带)，分别连接到矩阵3的输出1～输出8、矩阵4的输出1～输出8；

④矩阵1的输出1～输出4分别连接至矩阵3的输入1～输入4；矩阵1的输出5～输出8分别连接至矩阵4的输入1～输入4；矩阵2的输出1～输出4分别连接至矩阵3的输出5～输出8,；矩阵2的输出5～输出8分别连接至矩阵4的出入5～输入8。这样，矩阵1和矩阵2都可能到达矩阵3和矩阵4。

一般情况下，按照使每个第一列的开关矩阵到达尽量多的第二列开关矩阵的原则，将第一列中每一个开关矩阵的输出端均匀分配给第二列各开关矩阵的输入端。若某些前端子系统和终端设备相互配合使用的情况比较频繁，则可以适当增加与其对应的第一列开关矩阵和第二列开关矩阵之间的连接；

⑤矩阵的切换规则为：矩阵的一个输入可以同时连接到多个输出；矩阵的一个输出不可同时连接多个输入。

根据设备连接关系，把系统虚拟为一个有向图，如图3所示。

通过数组的方式对有向图进行描述。有向图的描述要满足2个原则：①完整性：有向图的描述须涵盖有向图的所有节点、有向图的所有边、所有边的方向；②方便性：采用数组对有向图进行描述，数组的数据结构应和系统架构具有一致性，以便于路径寻找的软件实现以及系统的升级扩充。

根据以上原则，把系统连接关系对应的有向图分解为3个子图：前端子图对应前端子系统或者连接输入端口的公共设备及其连接关系；终端子图对应终端设备或者连接输出端口的公共设备及其连接关系；切换子图对应实际的开关矩阵及其连接关系。

下面分别用数组的形式来描述3个子图的状态。

①前端子图

使用数组Frt_Grph来表示前端子图的状态。数组Frt_Grph数据结构如表2所示。

表2数组Frt_Grph数据结构

数组共16行，分别对应16个前端子系统；数组第一列为各前端子系统的节点编号，用该节点对应的设备属性中的元素设备类别、设备类型、设备编号拼接而成；数组第二列为与前端子系统相连的节点编号；数组第三列为前两列所述节点之间的边的方向，1表示方向为前端到终端，0表示方向为终端到前端。

②终端子图

使用数组Tmnl_Grph来表示前端子图的状态。数组Tmnl_Grph数据结构如表3所示。

表3数组Tmnl_Grph数据结构

数组共16行，分别对应16个终端设备；数组第一列为各终端设备的节点编号，用该节点对应的设备属性中的元素设备类别、设备类型、设备编号拼接而成；数组第二列为与终端设备相连的节点编号；数组第三列为前两列所述节点之间的边的方向，1表示方向为前端到终端，0表示方向为终端到前端。

③切换子图

切换子图采用多个切换子图二维数组表示，每个二维数组对应一个独立的开关矩阵，二维数组每一行对应开关矩阵中1个输入接口和输出接口的状态信息，所述状态信息包括输入接口的节点编号、输出接口的节点编号、与输入接口相连的前端子系统/矩阵接口的节点编号、与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号、与输出接口相连的终端设备/矩阵接口的节点编号。

本实施例中，切换子图用4个数组Swch_1_Grph、Swch_2_Grph、Swch_3_Grph、Swch_4_Grph来描述，分别对应虚拟矩阵内部的4个中频开关矩阵。

Swch_1_Grph的数据结构如表4所示。

表4 Swch_1_Grph的数据结构

数组共8行，分别对应矩阵1的8个输入接口和输出接口；第一列为输入接口的节点编号，包括8位16进制数，其中前6由设备属性中的元素设备类别、设备类型、设备编号拼接而成，第7位和第8位表示该接口的接口编号，最后两位用01表示该接口为输入口，用02表示该接口为输出口；第二列为与矩阵1的输入接口相连的前端子图中的节点编号或其他矩阵的节点编号；第三列为与矩阵1的输出接口相连的输入接口的节点编号，即矩阵内部的输入/输出关系。在初次使用时，由于矩阵内部的输入/输出关系可切换，此列初始值为0x1111111111，表示该输出接口可以跟所有输入接口连接；第四列为矩阵1的输出接口的节点编号，其数据格式同输入接口的节点编号；第五列为与矩阵1的输出接口相连的终端设备或其他矩阵的节点编号。由于矩阵的输入输出方向是固定的，其信号流向也是固定的，因此，在切换子图对应数组的数据结构中不用定义边的方向。

Swch_2_Grph的数据结构如表5所示，其数据结构的定义同Swch_1_Grph。

表5 Swch_2_Grph的数据结构

Swch_3_Grph的数据结构如表6所示，其数据结构的定义同Swch_1_Grph。

表6 Swch_3_Grph的数据结构

Swch_4_Grph的数据结构如表7所示，其数据结构的定义同Swch_1_Grph。

表7 Swch_4_Grph的数据结构

(3)系统重组

系统重组过程包括两步：选择设备，建立连接。对于有向图，这两部分分别可以表述为选择起点和终点、路径寻找。

①选择起点和终点

系统重组方式包括自动重组和人工重组两种方式，在这两种方式下，起点和终点的选择方式不相同。

对于自动重组，集中监控平台根据待执行的任务需求，访问资源池中设备属性，选择具有执行任务能力且状态为“空闲”或“在用但可调用”的前端子系统和终端设备。选择设备后，就在系统有向图中选择了起点和终点；

对于人工重组，操作者指定前端子系统和终端设备，就在系统有向图中选择了起点和终点。

对于自动重组，设备的选择步骤如下(即，集中监控平台根据任务需求，选择前端设备和终端设备)：

(1)集中监控平台收到任务需求，对任务需求进行分析。任务需求包含以下内容：卫星轨道根数、任务起止时间、工作频段、工作模式。

(2)集中监控平台根据卫星轨道根数计算卫星轨道，根据任务起止时间计算任务时间内卫星轨道弧段相对于本站站址的角度变化范围和变化速率，这是集中监控平台选择前端子系统的一个依据。如果角度变化范围较小且角度变化速率较小，则选择前端子系统的设备属性中的设备类型为限动站；反之，则选择前端子系统的设备属性中的设备类型为全动站；

工作频段是集中监控平台选择前端子系统的另一个依据。集中监控平台在选择前端子系统时，其设备属性中的“工作频段”应与任务需求中的工作频段匹配。

集中监控平台根据任务需求中的工作模式选择终端设备，依据是，终端设备的设备属性中的“工作模式”应与任务需求中的工作模式匹配。

(3)判断所选择的设备是否可用，若前端子系统的设备属性中的“在用状态”为“可用”或“在用但可调用”，则此前端子系统可用于执行任务，否则，重复执行步骤(2)～步骤(3)，直到找到满足该地面测试任务需求的前端子系统和终端设备作为有向图的起点和终点，如果遍历完资源池中所有的设备均不能满足任务需求，则发出“无可用设备”的提示。

②路径寻找

路径寻找包括3部分：可达性判断，可用性判断，路径建立。

可达性判断指的是，选定起点和终点后，集中监控平台计算是否存在起点到终点的路径；若存在这样一条路径，则对该路径进行可用性判断。

可用性判断流程指的是，集中监控平台根据矩阵的切换规则，判断在可达性判断中寻找到的路径是否可用。矩阵的切换规则为：一个输入可以同时对应一个或多个输出，但一个输出不能同时对应多个输入。

路径建立指的是，集中监控平台将可达并可用的路径转换为虚拟矩阵中各个矩阵的输入/输出关系，对矩阵的输入/输出关系进行设置。

如图4所示，路径寻找的流程如下：

(1)、读取起点S对应的节点编号S1和终点E对应的节点编号E1；

比如，操作手选择前端子系统1和基带15分别为起点和终点；

软件读取这两个节点的编号，分别为：0x010101、0x020207；

(2)、在虚拟矩阵中，寻找直接与起点和终点相连的节点：查询前端子图二维数组和终端子图二维数组，获得节点编号S1对应的相邻节点编号S2和节点编号E1对应的相邻节点编号E2；

本实施例中，软件查询Frt_Grph数组，得到与起点相连的节点编号S2，为0x0401010101，软件查询Tmnl_Grph，得到与终点相连的节点编号E2，为0x0401040702，。

(3)、解析节点编号S2获得该节点的设备编号，确定节点S2所在的开关矩阵的编号M1；

本实施例中，节点S2(0x0401010101)是矩阵1的一个输入端口该节点，该节点编号还存在于数组Swch_1_Grph的第一列；节点E2(0x0401010101)是矩阵4的一个输出端口，该节点编号还存在于数组Swch_4_Grph的第四列。

(4)判断矩阵1和矩阵4是否可达，如果可达，则进入步骤(5)，否则，认为起点S和终点E设备物理上无法连接，给出“不可达”提示信息，退出计算过程；

由于矩阵1靠近信号上游，矩阵4靠近信号下游，因此，判断矩阵1和矩阵4是否可达，就是判断矩阵1的输出端口和矩阵4的输入端口是否可达。查询矩阵1对应的数组Swch_1_Grp的第五列的最后4行的元素为矩阵4的输入端口的节点编号，因此，矩阵1和矩阵可达，且存在4条路径，分别为：节点0x0401010502→节点0x0401040101、节点0x0401010602→节点0x0401040201、节点0x0401010702→节点0x0401040301、节点0x0401010802→节点0x0401040401。

(5)找出所有M1到M2的路径，依次判断每一条路径的可用性，直到找到一条可用路径：从节点P到节点K，转入步骤(6)，如果所有路径均不可用，则给出“不可用”提示信息，退出计算过程；

本实施例中，针对第一条路径，节点0x0401010502→节点0x0401040101，由于节点0x0401010502是矩阵1的输出端口，因此对该节点做可用性判断。查询数组Swch_1_Grph，可知节点0x0401010502与节点0x0401010501相连，根据矩阵的切换规则，矩阵的一个输出接口不能同时跟多个输入接口相连，因此0x0401010502已经被占用，节点0x0401010502→节点0x0401040101的路径不可用。

针对第二条路径，节点0x0401010602→节点0x0401040201，做可用性判断。由于节点0x0401010602是矩阵1的输出端口，因此对该节点做可用性判断。查询数组Swch_1_Grph，节点0x0401010602可以跟任意输入接口相连，该节点可用。据此，选择节点0x0401010602→节点0x0401040201作为矩阵1到矩阵4的路径。所以本实施例中的节点P的编号为0x0401010602，节点K的编号为0x0401040201。

(6)将开关矩阵M1对应的切换子图二维数组中节点P对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”更改为节点编号S2；将开关矩阵M2子图中节点E2对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”更改为节点编号K；

本实施例中，将Swch_1_Grph中节点P(0x0401010602)对应的第二行更改为：节点S2(0x0401010101)；将Swch_4_Grph中节点E2(0x0401010101)对应的第二行更改为：节点K(0x0401040201)。

(7)、根据步骤(6)所得的开关矩阵切换子图二维数组中“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”值，发送开关指令给开关矩阵，开关矩阵1收到指令之后将输入S2和输出P连接起来，开关矩阵4收到指令之后将节点K和输出E2连接起来，最终将设备接入系统中进行测试。

起点到终点的完整路径为：节点0x010101→节点0x0401010101→节点0x0401010602→节点0x0401040201→节点0x0401040702→节点0x020207。其中节点0x010101→节点0x0401010101、节点0x0401010602→节点0x0401040201、节点0x0401040702→节点0x020207等3个环节为电缆连接、始终存在的路径；节点0x0401010101→节点0x0401010602、节点0x0401040201→节点0x0401040702等2个环节分别为矩阵1和矩阵4中的输入/输出关系，集中监控平台控制这两个矩阵完成切换，即可建立完整的路径。

每执行一次任务时，集中监控平台通过控制虚拟矩阵来改变资源池内设备的连接关系，任务执行完之后，集中监控平台将释放所有的资源，将数组中的内容恢复成初始值，从而实现系统可重构、可支持多任务需求，提高了资源利用率，降低了每套系统的研制成本，使用此系统的地面测控系统规模越大，资源利用率越高，每套系统的研制成本降低越明显。

本发明将地面测试系统虚拟为一个有向图，有向图的节点、边、方向等有向图元素及其状态，均以数组的形式进行存放，进行虚拟矩阵输入/输出关系的切换，通过简单的计算，即可快速完成虚拟矩阵的切换，完成系统重组，在系统需要升级或添加设备时，只需要对有向图的数组做相应的修改即可，便于升级维护。

本发明突破了软硬件标准化、设备接口标准化、信道接口标准化和虚拟化、动态自动化运行和多任务切换等多项关键技术。

Claims (9)

1.一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于包括资源池、连接矩阵和集中监控平台，其中：

资源池，包括地面测控系统内所有前端子系统、终端设备和公共设备，所有设备根据其功能的不同与连接矩阵的输入接口或者输出接口相连；

连接矩阵，由两列中频开关矩阵组成，第一列开关矩阵的输出端与第二列开关矩阵的输入相连，按照使每个第一列的开关矩阵到达尽量多的第二列开关矩阵的原则均匀布线，根据集中监控平台发送的开关指令建立各开关矩阵的输入/输出连接关系，实现地面测试系统的快速重构；

集中监控平台，根据前端子系统、终端设备、公共设备和开关矩阵的实际连接关系，建立虚拟矩阵和有向图，采用数组元素对有向图的节点、边和方向进行描述，节点对应每个设备的输入输出端口，边对应设备端口间信号连接，边的方向表示信号流向，根据地面测试任务的需要在有向图上选择起点和终点，计算起点和终点之间的路径，根据路径计算结果向连接矩阵发送开关指令；

所述集中监控平台计算起点和终点之间的路径的具体方法为：

(1)、读取起点S对应的节点编号S1和终点E对应的节点编号E1；

(2)、查询前端子图二维数组和终端子图二维数组，获得节点编号S1对应的相邻节点编号S2和节点编号E1对应的相邻节点编号E2；

(3)、解析节点编号S2获得该节点的设备编号，确定节点S2所在的开关矩阵的编号M1；解析节点编号E2获得该节点的设备编号，确定节点E2所在的开关矩阵的编号M2；

(4)、判断开关矩阵M1和开关矩阵M2是否可达，如果可达，则进入步骤(5)，否则，认为起点S和终点E设备物理上无法连接，退出计算过程；

(5)、找出所有M1到M2的可达路径，依次判断每一条可达路径的可用性，直到找到一条可用路径：从节点P到节点K，转入步骤(6)，如果所有路径均不可用，退出计算过程；

(6)、将开关矩阵M1对应的切换子图二维数组中节点P对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”更改为S2的节点编号；将开关矩阵M2切换子图二维数组中节点E2对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”更改为K的节点编号；

(7)、根据步骤(6)所得的开关矩阵M1和M2切换子图二维数组中“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”值，发送开关指令给开关矩阵M1和M2，开关矩阵M1收到指令之后将输入S2和输出P连接起来，开关矩阵M2收到指令之后将节点K和输出E2连接起来，最终将设备接入系统中。

2.根据权利要求1所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于：所述有向图分为三类：前端子图、终端子图、切换子图，前端子图对应前端子系统和接入连接矩阵输入端口的公共设备及其连接关系；终端子图对应终端设备和接入连接矩阵输出端口的公共设备及其连接关系；切换子图对应连接矩阵中各开关矩阵及其连接关系。

3.根据权利要求2所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于：

前端子图和终端子图分别用前端子图二维数组和终端子图二维数组表示，二维数组中每一行数组元素对应子图中的一个节点的状态信息，该状态信息包括该节点编号、相邻节点编号、该节点和相邻节点之间的边的方向，所述节点编号包括设备类别、设备类型和设备编号；

切换子图采用多个切换子图二维数组表示，每个二维数组对应一个独立的开关矩阵，二维数组中每一行数组元素对应开关矩阵中1个输入接口和1个输出接口的状态信息，该状态信息包括输入接口的节点编号、输出接口的节点编号、与输入接口相连的前端子系统/其他矩阵接口的节点编号、与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号、与输出接口相连的终端设备/其它矩阵接口的节点编号。

4.根据权利要求1所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于步骤(4)所述的开关矩阵M1和开关矩阵M2之间是否可达的具体判断方法为：

解析开关矩阵M1对应的切换子图二维数组中“与输出接口相连的终端设备/矩阵接口的节点编号”，判断是否存在开关矩阵M2所对应的设备编号，存在，则认为开关矩阵M1和开关矩阵M2之间可达，否则，认为开关矩阵M1和开关矩阵M2之间不可达。

5.根据权利要求1所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于步骤(5)所述判断从矩阵M1中节点P到矩阵M2中节点K的路径是否可用的方法为：根据矩阵的一个输出接口不能同时与多个输入接口相连的原则，查询矩阵M1对应的切换子图二维数组中节点P所对应的“与输出接口相连的本矩阵输入接口的节点编号”是否已经存在有效的节点编号，如果存在有效的节点编号，则认为该路径不可用，否则，认为该路径可用。

6.根据权利要求1所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于：所述设备属性包括设备类别、设备类型、设备编号、工作频段、工作模式、在用状态。

7.根据权利要求1所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于：所述集中监控平台根据地面测试任务的需要确定有向图上选择起点和终点的方法包括自动方法和手动方法两种。

8.根据权利要求7所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于：所述自动方法为：

(1)、获取外部输入的任务指令，所述任务指令包括卫星轨道根数、任务起止时间、工作频段、工作模式；

(2)、根据卫星轨道根数计算卫星轨道，根据任务起止时间计算任务时间内卫星轨道弧段相对于本站站址的角度变化范围和变化速率，根据工作角度变化范围和角度变化速率、工作频段选择与其功能相匹配的前端子系统，根据工作模式，选择匹配的终端设备；

(3)、判断所选择的设备是否可用，若前端子系统的设备属性中的“在用状态”为“可用”或“在用但可调用”，则此前端子系统可用于执行任务，否则，重复执行步骤(2)～步骤(3)，直到找到满足该地面测试任务需求的前端子系统和终端设备作为有向图的起点和终点，如果遍历完资源池中所有的设备均不能满足任务需求，则认为无可用设备，结束。

9.根据权利要求1所述的一种动态可重构的地面测控系统，其特征在于：所述前端子系统用于接收信号，包括天伺馈设备和变频组合，变频组合把天伺馈设备输出的信号变频至中频后接入连接矩阵的输入接口。