CN111273588A - 地面控制模拟仿真卫星系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地面控制模拟仿真卫星系统，包括：地面卫星载荷，用于实现地面控制模拟仿真卫星的功能；配电单元，用于实现地面控制模拟仿真卫星的配断电功能；数传系统，用于模拟地面控制模拟仿真卫星与地面测控站的数据传输；数据管理模块，用于实现对地面控制模拟仿真卫星的数据处理和管理；其中，数据管理模块包括：微处理器单元和现场可编程门阵列单元。通过使用微处理器单元与FPGA单元配合使用的架构，微处理器单元内嵌多种接口控制器，具有调试简单的特点，可以节约调试时间。FPGA单元具有多路高速数据接口，专业性强，可以轻松实现外挂多路接口，连接操作简单、灵活，应用于地面环境，可保证系统稳定工作，可以满足多场景用户需求。

Description

地面控制模拟仿真卫星系统

技术领域

本发明涉及卫星运控技术领域，具体而言，涉及一种地面控制模拟仿真卫星系统。

背景技术

地面控制模拟的数据管理模块基于对星载卫星在数据管理模块的系统模拟，该数据管理模块主要用于多接口、多路模拟信号采集的传输领域，包括卫星模拟仿真、数据采集控制等领域，尤其在实时性要求高、外挂设备数量较多的领域具有明显的优势。

目前的星载模拟的数据管理模块功能设计较为复杂，有单用接口的CAN、UART总线数据管理模块、有单一的模拟信号采集卡，单一的数据管理模块通用性不强。发明人在研发总总结得出，面对地面网络要求复杂、设计成本控制要求较高的地面控制模拟仿真卫星系统，需要选择一种集成数据总线管理、模拟信号采集、热敏管理等多功能的单板模块才能实现系统要求。然而，现有的系统结构比较复杂，连接和调试操作繁琐，无法满足当前的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种地面控制模拟仿真卫星系统，以解决现有技术中系统结构比较复杂，连接和调试操作繁琐问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种地面控制模拟仿真卫星系统，包括：地面卫星载荷，用于实现所述地面控制模拟仿真卫星的功能；配电单元，用于实现所述地面控制模拟仿真卫星的配断电功能；数传系统，用于模拟所述地面控制模拟仿真卫星与地面测控站的数据传输；数据管理模块，与所述地面卫星载荷、配电单元、数传系统分别连接，用于实现对所述地面控制模拟仿真卫星的数据处理和管理；

其中，所述数据管理模块包括：微处理器单元，与所述数传系统连接，用于根据使用需求实现接口控制和任务调度；现场可编程门阵列单元，与所述微处理器单元、所述地面卫星载荷和配电单元分别连接，用于接收和发送数据。

可选地，所述微处理器单元通过本地总线与所述现场可编程门阵列单元连接。

可选地，所述微处理器单元包括以下至少一种接口：UART接口、12C接口、SPI接口、以太网接口、SD接口。

可选地，所述微处理器单元外挂有SDRAM、FLASH存储芯片，所述微处理器单元内置SDRAM驱动、SPI驱动和EBI驱动，用于实现与外挂的芯片进行数据访问。

可选地，所述现场可编程门阵列单元包括：SPI接口、I2C接口、SWITCH接口，所述现场可编程门阵列单元与外设接口之间设置有隔离芯片，用于将所述现场可编程门阵列单元于所述外设接口隔离。

可选地，所述现场可编程门阵列单元通过软件配置RS422接口芯片实现PPS接口的功能；所述现场可编程门阵列单元通过软件配置TTL电平和RS232电平实现GNSS输入接口的功能。

可选地，所述现场可编程门阵列单元包括以下任意一个子模块：

接口控制模块，用于实现基于总线协议的数据包发送和接收；

DMA上行接口模块，用于将数据写入到所述微处理器单元的DMA内存区域；

DMA下行接口模块，用于读取所述微处理器单元的DMA内存区域的数据到所述现场可编程门阵列单元；

模数转换模块，用于将采集到所述地面卫星载荷的模拟信号转换为数据信号，并传输到所述微处理器单元。

可选地，所述现场可编程门阵列单元包括：

IP核生成模块，用于生成现场可编程门阵列单元的代码，所述代码用于实现根据使用需求预设的UART协议功能；

故障管理服务模块，用于进行故障日志记录，并供所述微处理器单元进行访问。

可选地，所述配电单元通过内置连接器 的IO信号与所述数据管理模块连接，所述地面卫星载荷通过总线形式与所述数据管理模块连接，所述数传系统通过RS232总线形式与数据管理模块连接。

本发明实施例中，通过使用微处理器单元与FPGA单元配合使用的架构，微处理器单元内嵌多种接口控制器，具有调试简单的特点，可以节约调试时间。FPGA单元具有多路高速数据接口，专业性强，可以轻松实现外挂多路接口，连接操作简单、灵活，应用于地面环境，可保证系统稳定工作，可以满足多场景用户需求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的地面控制模拟仿真卫星系统的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的数据管理模块的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明实施例提供了一种地面控制模拟仿真卫星系统，如图1所示，该系统包括：地面卫星载荷10、配电单元20、数传系统30和数据管理模块40。

地面卫星载荷10，用于实现所述地面控制模拟仿真卫星的功能。地面卫星载荷为实现地面控制模拟仿真卫星的功能实现模块，主要通过总线形式与数据管理模块连接。

配电单元20，用于实现所述地面控制模拟仿真卫星的配断电功能。配单单元20也可以称为地面卫星电源控制配电单元，主要用于实现地面控制模拟仿真卫星的配断电，通过总线形式与数据管理模块40连接。

数传系统30，用于模拟所述地面控制模拟仿真卫星与地面测控站的数据传输。数传系统30用于实现所述地面控制模拟仿真卫星与地面测控站之间的数据交互。可以通过RS232总线形式与数据管理模块40连接。

数据管理模块40，与所述地面卫星载荷10、配电单元20、数传系统30分别连接，用于实现对所述地面控制模拟仿真卫星的数据处理和管理。

其中，所述数据管理模块40包括：

微处理器单元41，与所述数传系统30连接，用于根据使用需求实现接口控制和任务调度；

现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，简称为FPGA）单元42，与所述微处理器单元41、所述地面卫星载荷10和配电单元20分别连接，用于接收和发送数据。所述微处理器单元41通过本地总线与所述现场可编程门阵列单元42连接。

微处理器单元41还可以具有内存管理、系统时钟管理、终端管理、存储器文件系统管理等功能。其中接口控制是指对系统中各个接收的数据收发控制；任务调度主要是指对各项功能实现过程中的调度；内存管理是指对使用的内存资源上的管理；系统时钟管理是指对时钟信号的管理；终端管理是指对用户终端的管理；存储器文件系统管理是指对存储器中存储的文件的管理等。

FPGA单元具体可以用于实现总线接口控制、电源板配电管理信号控制、模拟信号采集，并将接收到的数据进行筛选，通过本地总线接口上传至所述的微处理器单元。

本发明实施例中，通过使用微处理器单元与FPGA单元配合使用的架构，微处理器单元内嵌多种接口控制器，具有调试简单的特点，可以节约调试时间。FPGA单元具有多路高速数据接口，专业性强，可以轻松实现外挂多路接口，连接操作简单、灵活，应用于地面环境，可保证系统稳定工作，可以满足多场景用户需求。

作为一种可选的实施例，如图2所示，所述微处理器单元包括以下至少一种接口：UART接口、12C接口、SPI接口、以太网接口、SD接口。也即是包括UART接口、I2C、SPI、以太网接口、SD接口中的一种或二种以上的任意组合。其中，微处理器单元是可以使用ARM9芯片，ARM9芯片内嵌功能实现，根据使用需求实现接口控制，可关掉不用的功能。

进一步地，所述微处理器单元外挂有SDRAM、FLASH存储芯片，所述微处理器单元内置SDRAM驱动、SPI驱动和EBI驱动，用于实现与外挂的芯片进行数据访问。

具体地，所述的微处理器单元中的ARM内置多种驱动，包括SDRAM驱动、SPI驱动、EBI驱动；所述的微处理器单元可支持linux系统、UCOS系统、Vxworks系统，还可支持WinCE、Win mobile系统。其上外挂的SDRAM、配置芯片、NAND FLASH存储芯片，可以通过上述自带驱动，实现对外挂芯片的数据访问。

作为一种可选的实施例，为了实现对FPGA的隔离保护，如图2所示，本发明实施例中所述现场可编程门阵列单元包括：SPI接口、I2C接口、SWITCH接口，所述现场可编程门阵列单元与外设接口之间设置有隔离芯片（图中未示出），用于将所述现场可编程门阵列单元于所述外设接口隔离。

另外，如图2所示，FPGA提供的接口，一般硬件上需要外挂接口收发器PHY（以太网物理层控制芯片），所有芯片均采用模块化设计，有较强的通用性。本发明实施例可提供13路RS422接口、6路RS485接口，如果实际用于中，不需要这么多路接口，可灵活关掉不需要的422接口，RS422接口芯片只消耗静态电流，这样可以减少电能的消耗。

可选地，所述现场可编程门阵列单元通过软件配置RS422接口芯片实现PPS接口的功能；所述现场可编程门阵列单元通过软件配置TTL电平和RS232电平实现GNSS输入接口的功能。具体地，PPS接口，实际使用RS422接口芯片实现，可以依据客户需求配置为全双工和半双工通信，只需要FPGA通过软件配置，无需做硬件改动，做为优选的GNSS输入接口，可通过硬件选择，通过TTL电平和RS232电平实现，兼容多种不同星上载荷要求。

本发明实施例中，FPGA单元可对地面卫星电源控制配电单元提供25路配电控制信号、8路整星热控信号，且为了保护数据管理模块的FPGA，所有控制信号都做了隔离处理。

本发明实施例中，关掉功能的芯片，在上电工作中，只消耗静态电流，减少了整个数据管理模块的功耗。

本发明实施例中，所述FPGA外挂配置芯片SPI EEROM（串行电可擦只读存储器，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），提供I2C接口、SPI接口、PPS接口、GNSS接口、SWITCH接口、PLUSE OUT接口、RS422接口、RS485接口，FPGA配电控制模块，用于实现地面卫星载荷二次配电输出控制；

本发明实施例中的数据管理模块主要通过FPGA提供各种接口的接收数据，用FPGA对数据进行压缩及筛选，再通过PCIE接口上传至ARM9微处理器单元，主处理器可上传至上位机接口或者通过数传单元将数据传送至地面站，由地面站解析。同时ARM9微处理器也可以依据接收到的指令，通过本地LOCAL BUS（本地总线）将数据发送至FPGA单元，由FPGA单元将数据发送至地面卫星载荷，实现对载荷的控制。或者实现对地面卫星电源控制单元当中配电电路的控制。

具体地，本发明实施例的所述现场可编程门阵列单元可以包括以下任意一个子模块：

接口控制模块，用于实现基于总线协议的数据包发送和接收；该接口控制模块可以包括发送模块和接收模块，分别用于控制数据包的发送和接收。

DMA上行接口模块，用于将数据写入到所述微处理器单元的DMA内存区域；具体用于将数据写入上位机ARM9的DMA内存区域，实现与地面卫星载荷的接口。

DMA下行接口模块，用于读取所述微处理器单元的DMA内存区域的数据到所述现场可编程门阵列单元；具体用于读取上位机DMA内存区域的数据到FPGA单元。

模数转换模块，用于将采集到所述地面卫星载荷的模拟信号转换为数据信号，并传输到所述微处理器单元。具体用于实现对地面卫星载荷的模拟信号的采集，并通过LOCALBUS总线输出到微处理器单元ARM9进行解析；数据管理模块中的FPGA可实现多种形式的模拟信号采集。数据管理模块通过多选一模拟选择开关和模数转换芯片（ADC），实现对外设的23路温度信号、地面卫星电源控制配电单元的35路电流信号及10路电压信号采样，客户可以依据使用规模的大小，通过软件配置选择。

可选地，所述现场可编程门阵列单元还可以包括：

IP核生成模块，用于生成现场可编程门阵列单元的代码，所述代码用于实现根据使用需求预设的UART协议功能；

故障管理服务模块，用于进行故障日志记录，并供所述微处理器单元进行访问。

综上，本发明实施例中，数据管理模块采用ARM+FPGA协同工作的架构，ARM选用AT91RM9200处理器，AT91RM9200处理能力可到200MIPS@180MHZ，可满足地面模拟卫星性能要求，AT91RM9200支持SRAM、SDRAM、BurstFlash、NAND FLASH，具有8个优先级的高级中断控制器、7个外部中断源和1个快速中断源，带可选的USB2.0控制器、以太网控制器、SPI控制器、UART控制器。本方案中的FPGA未外挂可选的DDR和FLASH。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，包括：

地面卫星载荷，用于实现所述地面控制模拟仿真卫星的功能；

配电单元，用于实现所述地面控制模拟仿真卫星的配断电功能；

数传系统，用于模拟所述地面控制模拟仿真卫星与地面测控站的数据传输；

数据管理模块，与所述地面卫星载荷、配电单元、数传系统分别连接，用于实现对所述地面控制模拟仿真卫星的数据处理和管理；

其中，所述数据管理模块包括：

微处理器单元，与所述数传系统连接，用于根据使用需求实现接口控制和任务调度；

现场可编程门阵列单元，与所述微处理器单元、所述地面卫星载荷和配电单元分别连接，用于接收和发送数据。

2.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述微处理器单元通过本地总线与所述现场可编程门阵列单元连接。

3.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述微处理器单元包括以下至少一种接口：UART接口、12C接口、SPI接口、以太网接口、SD接口。

4.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述微处理器单元外挂有SDRAM、FLASH存储芯片，所述微处理器单元内置SDRAM驱动、SPI驱动和EBI驱动，用于实现与外挂的芯片进行数据访问。

5.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列单元包括：SPI接口、I2C接口、SWITCH接口，所述现场可编程门阵列单元与外设接口之间设置有隔离芯片，用于将所述现场可编程门阵列单元于所述外设接口隔离。

6.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列单元通过软件配置RS422接口芯片实现PPS接口的功能；所述现场可编程门阵列单元通过软件配置TTL电平和RS232电平实现GNSS输入接口的功能。

7.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列单元包括以下任意一个子模块：

接口控制模块，用于实现基于总线协议的数据包发送和接收；

DMA上行接口模块，用于将数据写入到所述微处理器单元的DMA内存区域；

DMA下行接口模块，用于读取所述微处理器单元的DMA内存区域的数据到所述现场可编程门阵列单元；

模数转换模块，用于将采集到所述地面卫星载荷的模拟信号转换为数据信号，并传输到所述微处理器单元。

8.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列单元包括：

IP核生成模块，用于生成现场可编程门阵列单元的代码，所述代码用于实现根据使用需求预设的UART协议功能；

故障管理服务模块，用于进行故障日志记录，并供所述微处理器单元进行访问。

9.根据权利要求1所述的地面控制模拟仿真卫星系统，其特征在于，所述配电单元通过内置连接器 的IO信号与所述数据管理模块连接，所述地面卫星载荷通过总线形式与所述数据管理模块连接，所述数传系统通过RS232总线形式与数据管理模块连接。

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