CN112799700A - 一种卫星地面控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及无线通信领域，尤其涉及采用软件定义的方式实现卫星通信的地面控制系统及其控制方法，控制系统包括：处理系统PS和可编程逻辑PL；处理系统PS控制所述功能模块的选取和负责协调各个功能模块，使各个功能模块能按照既定的方案进行运行；所述处理系统PS与各个功能模块间达成协议并采用统一的软接口AXI通过缓存来对各个模块进行控制。本发明首次将传统卫星控制与软件定义结合到一起，简化了软件定义架构，提供标准、丰富的设备接口和灵活的工作模式切换，提高了传统卫星平台的灵活性、通用性、可重构性和操作性。

Description

一种卫星地面控制系统及方法
技术领域
本申请涉及无线通信领域，尤其涉及采用软件定义的方式实现卫星通信的地面控制系统及其控制方法。
背景技术
卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大、信道质量高、通信容量大等特点，属于一种重要的全球通信手段。
现有技术中，美国军方提出一种软件通信体系结构，是根据联合战术无线电系统开发软件可配置无线电台的基本需求上而建立的独立于具体应用的软件无线电体系结构。如图1所示，该软件通信体系采用了服务组件，辅助服务，SOA核心等模块组成，结构相对来说比较复杂，并且实现起来比较困难。同时，后期维护成本高，研发相对来说难度较大。
基于软件定义的卫星平台是以软件为手段，将传统卫星上由分系统实现的通信、载荷等功能软件化，便于通过软件实现卫星功能/模块的在轨重构，适应不同的任务需求。基于软件定义的卫星平台的设计理念是将卫星硬件和卫星软件剥离。设计模块化的卫星硬件，可以有助于实现卫星的快速集成与装配，为卫星的灵活性配置、快速响应任务需求和软件升级提供支撑。构建一套基于软件定义的卫星平台系统，使系统的功能实现不再着重于具体的硬件功能实现，显著提高通信系统的灵活性、通用性、可重构性和互操作性。
针对上述问题，本发明首次将传统卫星控制与软件定义结合到一起，简化了软件定义架构，提供标准、丰富的设备接口和灵活的工作模式切换，提高了传统卫星平台的灵活性、通用性、可重构性和操作性。并且统一的管理界面和操作方法让用户易于上手，其高度模块化设计方法使开发效率大大提高。
发明内容
本发明提出了一种卫星通信地面控制系统，包括：处理系统PS和可编程逻辑PL；处理系统PS包括：系统通信模块、系统控制模块和数据处理模块；所述可编程逻辑PL中包括多个功能模块；处理系统PS控制所述功能模块的选取和负责协调各个功能模块，使各个功能模块能按照既定的方案进行运行；处理系统PS与各个功能模块间达成协议并采用统一的软接口AXI来对各个模块进行控制；其中，所述软接口AXI采用缓存的方式进行读取，所述处理系统PS发送数据和指令放在所述可编程逻辑PL的缓存区，所述功能模块对缓存区的数据和指令进行读取，通过对应的软接口返回数据和指令给所述处理系统PS，以进行相应的下一步操作。
处理系统PS和可编程逻辑PL之间的交互通过双缓存BRAM实现，根据所述功能模块的数量，可编程逻辑PL侧对应生成对应数量的BRAM；同时，每个BRAM划分为两部分，一部分地址空间用于PS只写PL只读，剩下的地址空间用于PL只写PS只读。
系统通信模块用于接收来自地面终端的指令，解析命令字和长度，解析完成后，通过消息队列发送给所述系统控制模块处理；系统通信模块还用于数据处理模块提供下发数据的接口，该接口对指令和/或数据进行封装，然后发送给地面终端。
系统控制模块用于完成系统的初始配置，根据指令进行相应的参数配置和工作任务的动态切换；其中通过指令找到对应的功能模块，并将指令写入对应的缓冲区，以传送给对应的功能模块；并根据不同的工作模式，向对应的功能模块的缓冲区写入使能/停止命令，以切换当前工作状态。
数据处理模块用于循环判断数据缓冲区的状态，如果缓冲区有数据，则根据长度寄存器读取应长度的数据，将数据交给所述系统通信模块。
在线升级模块主要完成对FPGA版本文件的升级。
通过上述系统进行卫星地面控制时，由系统通信模块创建系统通信线程，接收来自地面终端的指令，解析命令字和长度，解析完成后，通过消息队列发送给所述系统控制模块处理；
由系统控制模块创建系统控制线程，完成系统的初始配置，并根据指令对缓冲区进行相应的写入，以进行对功能模块的参数配置和工作任务的动态切换；
由数据处理模块创建数据处理线程，接收来自功能模块的数据，并根据要求进行处理，转发给地面终端或者转发给其它任务模块。
其中，系统通信模块接收到来自地面终端的指令，首先查找帧头标识，如果未查找到帧头标识，则丢弃；如果找到帧头标识，则解析命令字和长度，如果当前数据长度小于帧头中的长度，则继续接收剩下的数据；
系统通信模块还为接收到的来自所述数据处理模块的数据加上帧头，然后发送给地面终端。
系统控制模块循环从系统通信模块的发送消息队列里面读取指令信息，读取成功后，根据对应的命令字，判断对应的功能模块指令对应的缓冲区当前是否可写，如果不可写则延时等待，如果可写，则写入对应的地址。
数据处理模块循环判断数据缓冲区的状态，如果缓冲区有数据，则根据长度寄存器读取应长度的数据，并通过所述系统通信模块将该数据发送给地面终端。
在线升级模块主要完成对FPGA版本文件的升级，当PS接收到来自地面的FPGA版本后，首先将版本文件存放在EMMC中，然后通过FPGA Manager加载该版本文件。
通过上述控制系统，本发明能对卫星平台的功能模式进行切换，能对平台上的功能参数进行调整，并且支持软件程序的更新以及程序所需要处理的数据的上传和处理结果的数据的下载。该软件能对各个硬件模块进行调用实现不同的功能从而执行不同的任务。同时，可以简化用户的操作，为普通用户提高简单的交互页面，包括功能的选取，参数的显示，程序处理出来的结果的图形化显示，数据的上传下载。为研发和运维人员提供标准的接口，以便拓展功能。
附图说明
图1现有技术中的软件通信体系结构
图2本发明的卫星通信地面控制系统架构
图3系统结构图
图4 BRAM区域划分图
图5系统流程图
图6系统通信模块流程图
图7系统控制模块流程图
图8数据处理模块流程图
图9在线升级模块流程图
图10统一的管理界面
具体实施方式
本发明提供了一种卫星通信的地面控制系统，该控制系统为软件可定义通导测载荷平台，符合openVPX标准。该平台硬件部分采用3U4槽导冷结构，由一块电源板和一块主机板构成，电源板采用标准的VPX板卡，主机板主要包含高性能Xilinx SoC和TI DSP器件及其他辅助器件和电路；软件部分包含SoC软件和DSP上软件。ARM与FPGA选型Xilinx Zynq SoCXC7Z100，封装选择为2FFG900I。DSP选型为TMS320C6678。功能模块按照类型以及功能的不同分别放在FPGA中与DSP中。
如图2所示，该控制系统包括：处理系统PS和可编程逻辑PL；处理系统PS由应用，操作系统，硬件接口构成，处理器连接存储器一起构成ARM系统，包括：系统通信模块、系统控制模块和数据处理模块，通过AXI总线与可编程逻辑部分即PL中各个功能模块进行连接。DSP上功能模块则通过EMIF16与RS422与FPGA部分进行连接。ARM系统主要用来控制功能模块的选取和负责协调各个功能模块，使各个功能模块能按照既定的方案进行运行，因此，需要ARM与各个功能模块间达成协议。每个模块都有自己特有的接口和技术协议，设计一个统一的软接口来对各个模块进行控制，也方便ARM对接收的信息进行处理。
ARM与各个功能模块间达成协议并采用统一的软接口AXI来对各个模块进行控制；其中，所述软接口AXI采用缓存的方式进行读取，所述处理系统PS发送数据和指令放在所述可编程逻辑PL的缓存区，功能模块对缓存区的数据和指令进行读取，读取之后，通过对应的软接口返回数据和指令给所述处理系统PS缓存区，然后PS通过AXI对FPGA缓存区的数据和指令进行读取，紧接着进行下一步操作。
具体的缓存模式，根据图3可见，MPSoc的PS和PL交互通过BRAM实现，所以需要对BRAM进行提前规划。考虑到有10个功能模块，为方便管理，PL侧对应生成10个BRAM，同时，为了保证读写的独立性，每个BRAM划分为两部分，一部分地址空间用于PS只写PL只读，剩下的地址空间用于PL只写PS只读。这样PS和PL之间的访问就不会出现读写冲突错误。如图4所示：
每个BRAM划分1M空间，读写各占512KB。(待定)为了保证指令/数据不会进行覆盖，每个BRAM还需要增加状态控制寄存器，数据长度寄存器。首先判断当前缓冲区是否可写/读，以及数据长度信息，操作完对应的缓冲区后，需要将对应的状态控制寄存器清零。
其中，控制系统中的程序模块：主要包含实现各种功能的程序模块，通过不同程序模块的调用从而实现不同的功能。
地面软件系统：地面终端软件基于windows系统，提供地面控制/监控的上位机软件。
系统通信模块：系统通信模块主要完成与地面终端软件接口的初始化，接收/发送，指令解析等功能，通过RS422进行通信。
其中，RS422使用标准串口api，波特率为115200，8位数据位，1位起始位，1位停止位，无校验。其指令格式如表3-1所示：
Figure BDA0002920628040000051
表3-1指令格式
帧头标识4个字节，固定为0xEB907E7E。
命令字2个字节，长度2个字节，不包含帧头，标识帧头后附带的指令数据。
系统控制模块：系统控制模块主要完成系统的初始配置，根据指令进行相应的操作，包括参数配置，任务动态切换等功能。该操作方向为PS-＞PL，通过BRAM指令区缓冲区发送。系统控制模块循环从系统通信模块的发送消息队列里面读取指令信息，读取成功后，根据对应的命令字，判断对应的功能模块指令缓冲区当前是否可写，如果不可写则延时等待，如果可写，则写入对应的地址。
数据处理模块：数据处理模块主要完成接收来自PL的数据，并根据要求进行处理，转发给地面终端或者转发给其它任务模块。该操作方向为PL-＞PS,通过BRAM数据缓冲区接收。
在线升级模块：在线升级模块主要完成对FPGA版本文件的升级，当PS接收到来自地面的FPGA版本后，首先将版本文件存放在EMMC中，然后通过FPGA Manager加载该版本文件。
在线升级模块不启动单独的进程，只提供升级API。当系统通信控制模块接收到升级指令，并接收完FPGA版本文件后，将版本存放在EMMC对应的分区中，调用升级API，通过FPGA Manager加载比特流文件进行版本升级。系统每次上电后，在初始化过程中，需要判断当前EMMC升级分区是否存在版本文件，如果存在，则也需要调用升级API，加载最新的版本文件。
针对上述卫星通信的地面控制系统，其控制方法如图5所示：
由系统通信模块创建系统通信线程，接收来自地面终端的指令，解析命令字和长度，解析完成后，通过消息队列发送给所述系统控制模块处理；
由系统控制模块创建系统控制线程，完成系统的初始配置，并根据指令对缓冲区进行相应的写入，以进行对功能模块的参数配置和工作任务的动态切换；
由数据处理模块创建数据处理线程，接收来自功能模块的数据，并根据要求进行处理，转发给地面终端或者转发给其它任务模块。
系统通信模块执行的具体步骤如图6所示：
系统通信模块接收到来自地面终端的指令，首先查找帧头标识，如果未查找到帧头标识，则丢弃。如果找到帧头标识，则解析命令字和长度，如果当前数据长度小于帧头中的长度，则继续接收剩下的数据。解析指令的内容，判断是否是升级指令，若是，调用升级模块API进行升级；若否，将指令发送到系统控制模块的消息队列。
同时，系统通信模块为数据处理模块提供下发数据的API接口，数据处理模块处理完来自BRAM缓冲区的数据后，将数据交给系统通信模块。系统通信模块通过该API接口为数据加上帧头，对指令/数据进行封装，然后通过RS422发送给地面终端。
系统控制模块执行的具体步骤如图7所示：
系统控制模块主要完成系统的初始配置，根据指令进行相应的操作，包括参数配置，任务动态切换等功能。该操作方向为PS-＞PL，通过BRAM指令区缓冲区发送。
系统控制模块循环通过调用串口从系统通信模块的发送消息队列里面读取指令信息，读取成功后，判断是否是工作模式的配置指令，若是，则根据不同的工作模式向对应功能模块的BRAM写入使能/停止命令，切换当前的工作状态；若不是工作模式的配置指令，则判断指令/参数对应的功能模块，并将指令/参数写入对应模块的BRAM区域，透传给对应模块处理。根据对应的命令字，判断对应的功能模块指令缓冲区当前是否可写，如果不可写则延时等待，如果可写，则写入对应的地址。
数据处理模块执行的具体步骤如图8所示：
数据处理模块主要完成接收来自PL的数据，并根据要求进行处理，转发给地面终端或者转发给其它任务模块。该操作方向为PL-＞PS，通过BRAM数据缓冲区接收。
数据处理模块循环判断10个数据缓冲区的状态，如果缓冲区有数据，则根据长度寄存器读取应长度的数据，并调用通信模块的发送API，将该数据发送给地面终端。
在线升级模块执行的具体步骤如图9所示：
在线升级模块主要完成对FPGA版本文件的升级，当PS接收到来自地面的FPGA版本后，首先将版本文件存放在EMMC中，然后通过FPGA Manager加载该版本文件。
在线升级模块不启动单独的进程，只提供升级API。当系统通信控制模块接收到升级指令，并接收完FPGA版本文件后，将版本存放在EMMC对应的分区中，调用升级API，通过FPGA Manager加载比特流文件进行版本升级。
系统每次上电后，在初始化过程中，需要判断当前EMMC升级分区是否存在版本文件，如果存在，则也需要调用升级API，加载最新的版本文件。
最后，针对上述卫星通信的地面控制系统，提供了如图10所示的统一的管理界面，其中包括：监控界面、控制界面、软件工作模式和通讯&测距&导航的功能模块，并提供多种信号的各种参数的图形模式分析，最后还能实现文件升级和文件保存的功能。
上述实施例并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本领域技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种卫星通信地面控制系统，其特征在于，包括：
处理系统PS和可编程逻辑PL；
所述处理系统PS包括：系统通信模块、系统控制模块和数据处理模块；所述可编程逻辑PL中包括多个功能模块；
所述处理系统PS控制所述功能模块的选取和负责协调各个功能模块，使各个功能模块能按照既定的方案进行运行；所述处理系统PS与各个功能模块间达成协议并采用统一的软接口AXI来对各个模块进行控制；
其中，所述软接口AXI采用缓存的方式进行读取，所述处理系统PS发送数据和指令放在所述可编程逻辑PL的缓存区，所述功能模块对缓存区的数据和指令进行读取，通过对应的软接口返回数据和指令给所述处理系统PS，以进行相应的下一步操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理系统PS和所述可编程逻辑PL之间的交互通过双缓存BRAM实现，根据所述功能模块的数量，可编程逻辑PL侧对应生成对应数量的BRAM；同时，每个BRAM划分为两部分，一部分地址空间用于PS只写PL只读，剩下的地址空间用于PL只写PS只读。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统通信模块用于接收来自地面终端的指令，解析命令字和长度，解析完成后，通过消息队列发送给所述系统控制模块处理；
所述系统通信模块还用于提供数据的接口，该接口对从数据处理模块接收的指令和/或数据进行封装，然后发送给地面终端。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统控制模块用于完成系统的初始配置，根据指令进行相应的参数配置和工作任务的动态切换；
其中通过指令找到对应的功能模块，并将指令写入对应的缓冲区，以传送给对应的功能模块；
并根据不同的工作模式，向对应的功能模块的缓冲区写入使能/停止命令，以切换当前工作状态。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理模块用于循环判断数据缓冲区的状态，如果缓冲区有数据，则根据长度寄存器读取应长度的数据，将数据交给所述系统通信模块。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述在线升级模块主要完成对FPGA版本文件的升级。
7.一种通过如权利要求1所述的系统进行控制的方法，其特征在于：
由系统通信模块创建系统通信线程，接收来自地面终端的指令，解析命令字和长度，解析完成后，通过消息队列发送给所述系统控制模块处理；
由系统控制模块创建系统控制线程，完成系统的初始配置，并根据指令对缓冲区进行相应的写入，以进行对功能模块的参数配置和工作任务的动态切换；
由数据处理模块创建数据处理线程，接收来自功能模块的数据，并根据要求进行处理，转发给地面终端或者转发给其它任务模块。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述系统通信模块接收到来自地面终端的指令，首先查找帧头标识，如果未查找到帧头标识，则丢弃；如果找到帧头标识，则解析命令字和长度，如果当前数据长度小于帧头中的长度，则继续接收剩下的数据；
所述系统通信模块为接收到的来自所述数据处理模块的数据加上帧头，然后发送给地面终端。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述系统控制模块循环从系统通信模块的发送消息队列里面读取指令信息，读取成功后，根据对应的命令字，判断对应的功能模块指令对应的缓冲区当前是否可写，如果不可写则延时等待，如果可写，则写入对应的地址。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述数据处理模块循环判断数据缓冲区的状态，如果缓冲区有数据，则根据长度寄存器读取应长度的数据，并通过所述系统通信模块将该数据发送给地面终端。
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