一种卫星有效载荷地面远程测试系统设计

赵川 杨海龙 梁军民

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

一种卫星有效载荷地面远程测试系统设计

赵川 杨海龙 梁军民

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

提出了一种卫星载荷数据的地面远程测试实时处理分析方法，详细论述了其实现原理及实际系统中的各功能模块，重点介绍了远程测试服务平台内部结构设计、远程测试终端内部结构设计、内部数据通信协议设计、系统工作流程等及部件的设计思路和实现方法。文章所介绍的卫星有效载荷远程测试系统，能够支持卫星下传的超大数据量数据在远程终端监控下进行就近实时处理分析功能，从而使有限的专家力量集中在北京的测试大厅对远在发射场的卫星进行实时监视和测试。

卫星载荷数据；远程测试；实时处理分析

1 引言

随着我国航天技术的发展，航天器高密集发射的需求越发凸显，在现有测试系统应用条件下专家力量已不足以支撑如此高密度的发射任务，因此发展卫星的远程测试系统，使专家力量在北京便能对卫星发射场的实时状态进行监视和控制。目前已有多家厂所及科研机构着手研制卫星的远程测试系统，并已具备遥测参数、控制命令等小数据量数据的远程实时处理分析功能，但尚不具有对卫星数传分系统下传的超大数据量的载荷数据实时处理和分析功能，仍然需要专家坐在测试现场对数据进行处理和分析或通过远程事后分析等，无法从根本上解决专家力量利用不足的问题。

针对现有测试系统在载荷远程测试方面的需求，卫星载荷远程测试系统采用数据就近处理［1-4］，远程实时显示与操作的设计思路［5-7］，可成功地解决卫星研制过程中对载荷下传的超大数据量数据的远程实时分析处理，突破支持远程测试的专用网络的带宽限制，实现小带宽条件下载荷超大数据量数据的实时分析处理功能。使专家力量不需要到发射场测试现场即可完成对卫星载荷数据的处理分析工作，更加高效地将有限的专家力量投入到更多的卫星研制任务中。

2 系统方案

2.1 总体结构

卫星载荷远程测试系统的主体架构如图1所示，系统包括远程测试服务平台和远程测试终端两部分［3-4］。其中远程测试服务平台布置在发射场测试大厅，为整个远程测试系统提供载荷数据分析处理工具的运行平台和远程测试服务；远程测试终端布置在北京远程测试大厅，为用户提供实时分析结果显示和远程实时控制等功能。远程测试终端通过远程测试网络连接到远程测试服务平台的虚拟应用服务，在终端本地桌面创建应用程序镜像，通过对本地应用镜像的操作，来实现载荷设备操作、载荷数据的远程实时分析、处理及显示等功能。

图1 卫星载荷远程测试系统网络结构示意图Fig.1 Network topology graph of system

2.2 远程测试服务平台设计

远程测试服务平台是远程测试系统的核心，由应用服务器和远程测试服务程序两部分构成。远程测试服务程序的内部结构如图2所示，由载荷数据交互接口、远程服务、中心控制、数据处理解析管理控制中心、即插即用数据处理解析等模块组成。载荷数据交互接口采用TCP/IP网络协议与载荷测试设备进行数据交互；远程测试服务模块负责通过远程测试网络与远程终端进行信息交互；中心控制模块负责控制整个远程测试服务平台的初始化和运行工作；数据处理解析管理控制中心模块负责控制管理所有即插即用数据处理解析模块的运行和初始化，并与之进行数据交互工作；即插即用数据处理解析模块采用通用的数据接口，实现不同类型数据处理功能的即插即用。

图2 远程测试服务平台内部模块结构图Fig.2 Internal structure of remote testing service platform

远程测试服务平台的工作原理为：①中心控制模块完成对整个远程测试服务平台各模块的初始化操作；②远程服务模块，从远程测试终端获取用户的实时操作信息，最后将数据处理结果的图像压缩数据，回传给远程测试终端进行处理和显示；③载荷数据交互接口，向载荷测试设备发送远程用户的操作信息，同时从载荷测试设备中获取载荷的实时数据；④数据处理解析管理控制中心模块，集中管控具备通用数据接口的数据处理解析模块，完成载荷数据的实时分析处理功能，并实时截取数据处理结果的图像数据，采用分区压缩技术完成图像数据的动态分区压缩操作，最终将压缩好的图像数据通过远程服务模块发送给远程测试终端显示。

本文2.3节将对卫星载荷远程测试系统中采用的图像分区压缩关键技术进行详细说明。

2.3 图像分区压缩技术

在载荷数据处理软件处理载荷数据的过程中，可能仅有一小部分界面是在实时更新的，而大多数区域是没有变化的，如果将整个界面图像进行传输，势必造成大量不必要的网络带宽占用情况，因此为了有效节省测试过程中的带宽占用量，卫星载荷远程测试系统采用图像分区压缩技术来对图像进行分区压缩传输。

具体实现原理如图3所示，卫星载荷远程测试系统将载荷数据处理分析软件运行的实时界面区域进行4×4等分划分（划分的颗粒度可以根据实际应用需要进行人工设置），使用每个区域所在的二维矩阵坐标对该区域进行标示，用于后期处理使用（如：图像左上角为“［1，1］”以此类推）。在载荷测试过程中，远程测试服务平台根据区域等分设置情况，对载荷数据处理的实时运行界面区域进行分区获取，逐个对当前分区的图像数据与之前对应区域的历史图像数据进行尺度不变特征转换（Scale Invariant Feature Transform，SIFT）算法匹配，若当前区域的图像数据与之前的数据不匹配，则将该区域的图像数据封装压缩后发送到远程测试终端进行解压显示［8-10］，然后继续下一个区域图像数据的匹配操作；若与之前图像匹配完好，则继续检测下一个区域的图像数据，如此反复直至整个界面的所有区域都被遍历。采用这种方式只传输变化部分的图像，能够有效降低图像数据传输的带宽占用量。

图3 数据实时处理分析图像分区获取示意图Fig.3 Sketch map for the method of image partition

2.4 远程终端设计

如图4所示，远程测试终端是整个系统面向用户的部分，终端由普通计算机作为运行平台，终端软件由服务通信接口、操作显示模块、中心数据路由模块、数据处理模块组成。服务通信接口采用TCP/ IP网络协议与远程测试服务平台进行数据交互；操作显示模块负责显示实时数据处理结果图像并为用户提供与本地操作感受一致的操作界面；中心数据路由模块负责整个远程测试终端内部数据的传输控制功能；数据处理模块负责对分析处理结果图像的处理和用户操作信息的封装。

远程测试终端的工作原理为：

（1）远程测试终端通过操作显示模块，向用户呈现载荷数据处理结果的实时图像信息，同时采集用户的实时操作信息，并将操作信息发送给中心数据路由模块等待发送。

（2）中心数据路由模块是整个远程测试终端的数据交互桥梁，终端内部的所有数据都要经过此模块，以到达其对应的数据发送或解析处理模块；中心数据路由模块的设计，可以使终端内部传输的数据有条不紊地在其内部流通。

（3）远程测试终端向远程测试服务器发送的用户实时操作信息和远程测试终端所显示的数据实时处理结果图像，都是通过数据处理模块进行封装和解析的，中心路由模块会将待封装或待解析的数据发送到其中进行处理，处理后数据处理模块会将数据反馈给中心路由模块进行分发。

（4）服务通信接口采用TCP/IP通信协议，通过远程测试网络与远程测试服务端进行数据通信，向远程测试服务端发送用户的实时界面操作信息，与此同时，从远程测试服务端获取载荷数据的实时处理结果图像数据，并将其发送到中心数据路由模块进行分发处理。

图4 远程测试终端内部模块图Fig.4 Internal structure of remote testing terminal

2.5 传输数据帧格式设计

表1所示，远程服务端和远程测试终端使用的数据帧格式由帧同步头、帧长度、来源ID、目标ID、数据类型、数据域、CRC校验、帧尾8个部分组成，其中帧同步头采用CCSDS通信协议标准规定的0x1ACFFC1D；帧长度为整帧长度，该值为（N＋20 byte）（N为数据域长度，20 byte为帧结构中包括同步头、长度、来源ID、目标ID、数据类型、CRC校验、帧尾的长度总和）；来源ID记录本帧数据的来源；目标ID记录本帧数据的目标；数据类型采用4 byte记录本帧数据的类型；数据域用于传输有效数据；CRC是校验用户记录本帧数据的校验码，校验区域为同步头之后到数据域结束之间的数据；帧尾码使用同步头的逆序码0x1DFCCF1A。

表1 系统内部数据交互数据格式Table 1 Data interchange format of system

2.6 系统运行流程

卫星载荷远程测试系统的整体运行流程如图5所示。

图5 系统运行流程图Fig.5 Operation flow chart of system

（1）用户在远程终端上启动远程测试服务平台上的远程载荷数据实时分析处理工具；

（2）用户的操作控制命令通过远程网络传输到远程测试服务平台；

（3）远程测试服务平台解析该命令并执行相应操作；

（4）远程测试服务平台获取载荷数据的实时处理结果图像，并将变化区域的图像进行压缩处理，通过远程网络发送到远程测试终端；

（5）远程测试终端接收到载荷数据的实时处理结果图像数据后，对图像数据进行压缩并将图像更新到对应区域；

（6）用户根据需要继续在远程测试终端上进行相应操作；

（7）远程测试终端将用户的操作转换为操作数据，并将操作数据封装为统一内部通信帧格式，发送到远程测试服务平台；

（8）重复第3步～第7步的操作直至载荷测试完毕，用户发送退出操作命令；

（9）远程测试服务平台接收到退出操作命令后，首先关闭本地运行的载荷数据分析处理工具，然后向对应的远程测试终端发送结束运行消息；

（10）远程测试终端接收到结束运行消息后，关闭本地的载荷数据实时结果图像，至此载荷远程测试工作结束。

3 系统的应用和特点

卫星载荷远程测试系统目前已经在多个型号的发射场任务中得到应用，解决了卫星研制过程中对载荷下传的超大数据量数据的远程实时分析处理的需求，突破了支持远程测试的专用网络的带宽限制，实现了小带宽条件下载荷超大数据量数据的实时分析处理功能。该系统具备如下特点：

（1）卫星载荷远程测试系统，将所有数据的处理、分析集中在现场服务器中进行，数据不再全部回传便可完成载荷超大数据的实时分析处理工作，解决了载荷超大数据量的下传数据的远程实时分析处理难题，这是现有远程测试系统所不具备的功能；

（2）卫星载荷远程测试系统采用远程分布式架构方案，只要能访问到远程测试服务器的终端，都可以被用来作为载荷测试数据的分析和监视终端来使用，本地专家甚至可以坐在办公室里来完成卫星的载荷测试工作；

（3）卫星载荷远程测试系统能够实时传输载荷数据处理分析结果图像，并实时响应远程终端的虚拟操作，为用户提供与本地操作毫无差别的操作体验，不需要任何培训和适应时间，即可完成由现场测试到远程测试工作的转变；

（4）卫星载荷远程测试系统采用变化图像分区压缩算法，运行过程中只需占用很小的网络带宽，可以在任何极端条件下完成对远程载荷数据实时处理、分析和监视工作的支持。

4 结束语

目前，卫星载荷远程测试系统已经成功应用于小卫星8型12星的发射场远程测试任务，圆满配合完成了各项发射场测试工作。但是，目前本系统仅支持电子载荷数据和部分光学载荷数据的远程实时处理分析功能。后续需要对软件的数据编码压缩算法进行优化升级，扩大系统对光学载荷数据的支持面；引入带宽的智能分配使用算法，进一步提升系统对远程网络带宽的有效使用率；开展远程数据传输的数据安全研究，探索利用公众网络传输保密数据的可行性。

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（编辑：张小琳）

A Design of Satellite Payload Remote-testing-system

ZHAO Chuan YANG Hailong LIANG Junmin
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

This paper presents a type of method to process the satellite payloads data in real-time，and describes the implementation principle of this method and the details of each functional module in the system.This paper mainly introduces the design of the internal structure，internal data communication protocol，system work flow and so on.In this paper，the satellite payload remote testing system is able to support the function of real-time processing and analyzing of large amount of data on the remote side，so that a few experts can stay at the testing hall in Beijing，to monitor and test in real time the satellite being laid on launching site.

satellite payload data；remote testing；real time processing&analyzing

TP274.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.019

2015-07-23；

：2015-09-11

国家重大航天工程

赵川，男，硕士，工程师，从事小卫星地面测试系统设计与研制工作。Email：zhaozihu@163.com。