量子科学实验光学地面站综合控制系统设计与开发

发布时间：2021-12-22 04:27

　　"墨子号"量子科学实验卫星（简称"墨子号"）是国际首颗从事空间尺度量子科学实验的卫星。"墨子号"和4个量子科学实验光学地面站及一个量子隐形传态光学地面站构建了天地一体化量子科学实验平台。为了实现各地面站的综合协调工作,需要研制一套量子科学实验光学地面站综合控制系统（简称地面站综合控制系统）。地面站综合控制系统涉及4个量子科学实验光学地面站,包括2个新建地面站和2个改造地面站,需要对其实现统一的接口和平台控制。参考国际标准接口,针对量子科学实验光学地面站的功能需求,采用分层和模块化的设计方法,将地面站综合控制系统分为:网络服务层、网络交互层和设备控制层。设计完成的地面站综合控制系统实现了以下功能:（1）科学数据的发布;（2）内外数据的交互;（3）量子科学实验卫星项目科学实验计划的解析执行;（4）测站环境和设备状况的监测。作为量子科学实验光学地面站的统一控制平台,地面站综合控制系统为量子科学实验光学地面站的全面协调控制提供了有力保障和支持,同时作为通用的地面站控制系统,具有便于向其他望远镜控制系统移植的优点。 

【文章来源】：天文研究与技术. 2020,17(03)CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

地面站综合控制系统软件架构图

设备层和主控软件之间的通信采用单链路全双工模式,命令控制数据流和状态反馈数据流的传输相互独立,各使用一条通信链路。设备控制端(量子光通信望远镜控制软件、量子终端控制软件)以固定频率向主控软件推送反馈状态帧,主控软件解析反馈状态帧确定设备状态,进行流程控制。“墨子号” 是一颗低轨道卫星,运行速度较快,需要以较高频率对量子光通信望远镜进行位置和速度的控制。如果由主控软件进行轨道跟踪控制,由于网络通信频率和网络通信延迟的影响,无法实现高频率、高精度的跟踪控制。因此,在本设计中,由量子光通信望远镜控制软件负责轨道跟踪控制。主控软件流程如图3,主控软件提前将轨道数据转换为测站坐标系下的时间位置序列,发送给量子光通信望远镜控制软件。同时,为了提高效率,任务开始前,主控软件控制量子光通信望远镜运动到轨道序列的第1个位置,等待任务开始便进行轨道跟踪。

环境监测和视频监控模块是地面站综合控制系统的辅助模块,为实验计划的顺利执行提供保障。测站环境信息是实验计划制定和调整的重要参考信息,同时也为实验结果的分析提供参考。环境监测设备如图4,由云量相机和气象站组成,负责测量和记录地面站的环境参数,采集的信息要素如表2,主要包括云量、温度、湿度、风速、风向等。在环境监测设备建设初期,由于云量相机和气象站距离控制室较远,采用传输延长线的方式进行长距离传输,但在实际应用中会出现设备与采集电脑通信不稳定的情况,造成数据采集不完整。经过测试分析,发现是由于控制计算机和采集设备之间延长线过长引起通信不稳定。于是对相关系统进行了升级,新的系统采用ARM单片机完成对全天相机和气象站的控制及数据采集工作,采集结果通过网络接口发给服务器上的数据接收程序,数据接收程序对接收文件进行存储[10],在使用过程中故障率显著降低。视频监控部分主要包括环境视频监控、粗跟踪相机视频和精跟踪相机视频(简称粗精跟踪相机视频)。通过摄像头采集实时监控视频和粗精跟踪相机视频,传输到硬盘录像机,存储到网络硬盘,并通过网络发布到量子专网。视频监控模块为实验过程的回溯提供了材料,为事后实验结果分析提供参考。


本文编号：3545758