时频综合监控管理系统在航天测控场中的设计与应用

赵德艳 李小光 蒋勇 介阳阳

摘   要：通过对时频综合监控管理系统在航天测控场中应用需求、主要用途分析，文章提出了构建时频综合监控管理系统基本内容和设计方案，实现时频设备状态监管、设备远程故障诊断等功能，提高时频设备可靠性。

关键词：综合监控;远程诊断;管理系统;航天测控场

1    航天测控场视频设备介绍

随着科学技术的发展，人类对航天科技的研究不断深入，对航天测控精度要求也越来越高，时间统一勤务系统（简称：时统）的时频设备输出频率和时间信号是获得高精度测控数据的基础。随着时频设备不断更新，种类越来越多，集成度越来越高，功能越来越强大，在航天测控场中使用的时频设备就有十余种。如何更好地实现对时频设备实时状态的监控管理、参数调整、频率准确度的快速计算和显示、及时准确的远程故障诊断、有效节省人力资源等，成为航天测控场中时统亟待解决的问题。因此，如果建设一套时频综合监控管理系统，通过网络方式实时对时统的时频设备状态进行采集、监控、管理，技术人员不仅可以实时监控、调整设备状态，还可以随时对数据进行分析、处理、比对，提高时频设备可靠性。

2    需求分析

為了实现对航天测控场中时统的时频设备状态综合监管，数据综合分析、处理，实现原子频标自动时延测量，精准、快速计算准确度，实时监管频率信号状态、分析定时信号（GPS/北斗信号）优劣，掌握原子频标的工作性能，实现时频设备故障远程诊断等功能，需要构建一套时频综合监控管理系统。

2.1  时频状态监管

随着时频设备不断地改进、更新，为了实现对设备状态的监控管理，新设备设计时要求设备可通过协议端口输出设备状态，例如：频标、晶振锁定状态、B码输出及同步精度等关键指标。时频综合监控管理系统可以利用该协议端口，采用相应的硬件设备，利用软件编程，实现时频设备状态的单站采集、综合监管的功能。

2.2  频率准确度精准、快速计算

目前，航天测控场中频率基准由铷原子频标提供，铷原子频标为二级频标，输出频率准确度优于1.0E-10的量级，如果对频率准确度的要求更高，就要进行守时校频工作，手动或自动调整频率准确度，使其输出频率满足高精度测控设备对频率准确度的要求。

2.3  定时校频（GPS/北斗）信号状态分析

时频设备定时校频可以通过GPS/北斗信号进行，GPS、北斗信号是否正常，直接影响定时、校频精度。GPS/北斗信号自身也在不断漂移，也有时延调大现象，如果不采用专门的设备测试记录很容易被忽略。但是如果在定时、校频的关键时期出现，很容易造成同步时频设备输出信号的精度变差或测试不准，造成不必要的麻烦。时频综合监控管理系统的建立可以实时（每秒一个点）比对、记录GPS/北斗秒、频标秒的变化情况，采用图示直观显示、比对，更容易发现出现问题的信号，并可以对多站点定时校频（GPS/北斗信号）状态综合分析，确保结果的准确、有效。

2.4  设备远程故障监控

时频监控管理系统的构建，可远程掌握设备指标的变化情况，当发现设备状态变化、人员操作失误、设备响应错误等故障时，监管系统报警提示，可以实现设备故障远程监控。

3    研究内容

3.1  时频设备状态的采集分系统

通过计算机对时频设备采集设备状态输出相关信息，遵循时频设备网络监控件定义，通过试验网实时传输数据至时频综合监控管理系统，实现状态查阅、故障报警功能。

3.2  时频原子频标守时校频时延测量系统

原子频标守时校频时延测量系统软、硬件设计，实现GPS、北斗、频标秒的相互时延测量，并遵循分时段采集处理原则，通过试验网实时传输数据至时频综合监控管理系统。

3.3  时频综合监控管理系统软件编程及界面设计要求

（1）各时统站原子频标状态信息采集显示及故障报警。（2）各时统站守时校频数据信息采集处理。（3）根据上报的各时统站守时校频数据实时计算相应的频率准确度。（4）通过采集的数据进行分析，确定上报错误的信息，进行故障定位。（5）设定上报信息状态错误报警的异常设置，达到系统健康监控的目的。（6）多种运算方式，定时或者手动运算显示频率准确度。（7）多界面显示、查询，良好交互界面，提供直观、方便、简单状态分析。（8）提供直观的结果显示，如频率准确度的显示图形等。

4    系统方案设计

4.1  硬件设计

4.1.1  方案设计

概念层（软件）和硬件层（计算机、I/O电缆和测试设备）构成测试系统相连接。在这一模型中，来自应用程序的命令和信息流经过软件和硬件层、电缆到达计数器，然后返回测试数据，其中，应用程序为编写的用于控制测量系统的程序[1]。I/O软件层是应用程序与物理I/O硬件（PC中GPIB，LAN，USB或RS-232）接口间通信的翻译器，如图1所示。

4.1.2  确定通信方式

选定了系统的I/O接口（GPIB，LAN，USB或它们的组合）后，就要建立连通性和实现系统内主计算机与仪器间的通信。实现连通性和通信的方法采用工业标准命令集、应用程序接口（Application Interface，API）和仪器驱动程序。在应用程序中通过把直接I/O与可编程仪器的标准命令（Standard Command for Programmable Instruments，SCPI）及基于仪器驱动程序的通信相组合，从而实现设计目标。

4.1.3  实现连通、通信

连通性是实现通信的必要条件，之后还必须使用正确的命令和协议实现通信、控制、数据传输等。

当具备了连通能力后，就要决定如何实现主计算机和系统仪器间的通信。本系统使用直接I/O和SCPI。标准化API为更容易构建多厂商测试系统，一组仪器厂商建立了虚拟仪器软件体系结构（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）。它提供标准化的API，允许通过公共接口直接或使用驱动程序控制仪器。

4.1.4  标准化直接I/O

1989年，HP2推出称为测试和测量系统语言（Test and Measurement System Language，TMSL）的仪器通信语言。其后HP和其他8家制造商以TMSL为起点，共同致力于研究建立通用仪器控制的方法，其成果是SCPI。语法定义了严格的层次，规定了跨仪器型号的一致性命令、响应和数据格式。

4.2  软件设计

4.2.1  编程环境

采用Visual Studio2010的C#语言，它提供扩展的开发工具和内置的帮助能力。优点：具有开放性，能与任何其他编程技术通信，能用第三方工具软件和驱动程序等。Visual Studio能使用基于Microsoft COM的编程技术良好工作，包括VISA COM和IVI-COM，Agilent为VISAAPL提供NET的包装程序。

4.2.2  程序界面

单站原子频标频率准确度测量监控界面，多状态信息采集、多窗口显示可实现多站时频状态的综合监管界面，如图2所示。

4.2.3  程序功能

（1）连接计数器：可以连接安捷伦53220A/230A计数器，必须使用正确的连接字符串，如USB连接：USB0：：2391：：6151：：MY50002373：：0：：INSTR。（2）设置计数器测量通道参数，测量并记录时差数据，计算并显示准确度结果。（3）回放、分析历史测量数据。（4）导入、分析历史测量数据。

4.2.4  程序控制功能

（1）可以采用不同的方法连接不同的计数器。（2）具有丰富的通道参数控制。（3）能以不同的采样速率进行数据测量。（4）可以准确地进行X，Y轴手动控制。（5）能以不同采样时间、不同时间区间进行准确度计算。（6）野值数据的有效剔除。（7）时差、准确度的分别显示。

程序设计采用SCPI编程技术，数据的野值剔除和阶跃数据的重捕，准确度数据的直线拟合和计算。

5    应用效果

5.1  提升技术人员对设备状态掌控能力

通过对时频监控管理系统的研究、构建，可以使技术人员通过计算机监控设备状态，提升时频系统的守时校频的精度，节省人力，并可实时监控时频设备的状态、频率准确度等重要参数，提高设备的可靠性，防止技术人员的操作失误[2]。

5.2  實现时频系统的故障的远程监控

通过对时频监控管理系统的研究构建，可以使技术人员更好地掌握设备固有指标的变化情况、人员操作过程情况、设备响应各种操作过程情况，做到及时发现设备状态变化、人员操作失误、设备响应错误，及时进行警告、结果提示和措施改进，可以实现设备故障远程监控。

5.3  实现时频系统原子频标的自动守时校频功能

时频系统原子频标的守时校频是技术人员的主要工作之一，其工作量大、繁琐，每天需要不间断记录数据7～8 h，并且要根据记录的数据人工计算守时校频的精度，消耗了大量的人力。由于人工记录间隔时间为每小时，短时间内，该数据对时频系统原子频标的状态并不能实现有效的分析。通过对时频监控管理系统的研究、构建，可以实现短时间内快速、准确掌握时频系统原子频标的设备状态、工作情况，并可根据需要随时存储、查询、处理原始数据，做到实时分析原子频标的频率准确度及其调整情况，定时校频设备的工作情况，绘制图表、并进行分析处理[3]。

5.4  充实通信监控管理系统网管功能

实现时频系统监控管理可以进一步完善通信监控管理系统网管功能，实现通信系统的远程监控管理功能。

6    结语

时频综合监控管理系统，特别是时频系统原子频标频率准确度等重要指标是目前国内外的研究热点。国内方面，有很多单位在此方向研究较为系统，并能独立生产原子频标，取得了一系列成果。但是由于缺乏实践检验，很多设备具有一些研究的功能，功能不全面、实际应用效果较差，而且没有进行多站点时频监控管理系统的综合管理。

随着科技的发展，在航天测控场中实现时频系统的综合监管，是全自动化的时频设备，具有良好的发展、研究前景，但是目前无人值守，需要远程监管、诊断，网管功能是必不可少的前提。

[参考文献]

[1]约翰·夏普.Visual C#从入门到精通[M].8版.周靖，译.北京：清华大学出版社，2016.

[2]李孝辉，杨旭海，刘娅，等.时间频率信号的精密测量[M].北京：科学出版社，2010.

[3]徐季平，王拂为.时间频率测量仪器原理与使用[M].北京：中国计量出版社，2009.