趙德艷 李小光 蔣勇 介陽陽

摘 ? 要：通過對(duì)時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)在航天測控場中應(yīng)用需求、主要用途分析，文章提出了構(gòu)建時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)基本內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管、設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷等功能，提高時(shí)頻設(shè)備可靠性。

關(guān)鍵詞：綜合監(jiān)控;遠(yuǎn)程診斷;管理系統(tǒng);航天測控場

1 ? ?航天測控場視頻設(shè)備介紹

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)航天科技的研究不斷深入，對(duì)航天測控精度要求也越來越高，時(shí)間統(tǒng)一勤務(wù)系統(tǒng)（簡稱：時(shí)統(tǒng)）的時(shí)頻設(shè)備輸出頻率和時(shí)間信號(hào)是獲得高精度測控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)。隨著時(shí)頻設(shè)備不斷更新，種類越來越多，集成度越來越高，功能越來越強(qiáng)大，在航天測控場中使用的時(shí)頻設(shè)備就有十余種。如何更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)頻設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控管理、參數(shù)調(diào)整、頻率準(zhǔn)確度的快速計(jì)算和顯示、及時(shí)準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程故障診斷、有效節(jié)省人力資源等，成為航天測控場中時(shí)統(tǒng)亟待解決的問題。因此，如果建設(shè)一套時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)時(shí)對(duì)時(shí)統(tǒng)的時(shí)頻設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采集、監(jiān)控、管理，技術(shù)人員不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，還可以隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、比對(duì)，提高時(shí)頻設(shè)備可靠性。

2 ? ?需求分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)航天測控場中時(shí)統(tǒng)的時(shí)頻設(shè)備狀態(tài)綜合監(jiān)管，數(shù)據(jù)綜合分析、處理，實(shí)現(xiàn)原子頻標(biāo)自動(dòng)時(shí)延測量，精準(zhǔn)、快速計(jì)算準(zhǔn)確度，實(shí)時(shí)監(jiān)管頻率信號(hào)狀態(tài)、分析定時(shí)信號(hào)（GPS/北斗信號(hào)）優(yōu)劣，掌握原子頻標(biāo)的工作性能，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻設(shè)備故障遠(yuǎn)程診斷等功能，需要構(gòu)建一套時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。

2.1 ?時(shí)頻狀態(tài)監(jiān)管

隨著時(shí)頻設(shè)備不斷地改進(jìn)、更新，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控管理，新設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)要求設(shè)備可通過協(xié)議端口輸出設(shè)備狀態(tài)，例如：頻標(biāo)、晶振鎖定狀態(tài)、B碼輸出及同步精度等關(guān)鍵指標(biāo)。時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)可以利用該協(xié)議端口，采用相應(yīng)的硬件設(shè)備，利用軟件編程，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻設(shè)備狀態(tài)的單站采集、綜合監(jiān)管的功能。

2.2 ?頻率準(zhǔn)確度精準(zhǔn)、快速計(jì)算

目前，航天測控場中頻率基準(zhǔn)由銣原子頻標(biāo)提供，銣原子頻標(biāo)為二級(jí)頻標(biāo)，輸出頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1.0E-10的量級(jí)，如果對(duì)頻率準(zhǔn)確度的要求更高，就要進(jìn)行守時(shí)校頻工作，手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整頻率準(zhǔn)確度，使其輸出頻率滿足高精度測控設(shè)備對(duì)頻率準(zhǔn)確度的要求。

2.3 ?定時(shí)校頻（GPS/北斗）信號(hào)狀態(tài)分析

時(shí)頻設(shè)備定時(shí)校頻可以通過GPS/北斗信號(hào)進(jìn)行，GPS、北斗信號(hào)是否正常，直接影響定時(shí)、校頻精度。GPS/北斗信號(hào)自身也在不斷漂移，也有時(shí)延調(diào)大現(xiàn)象，如果不采用專門的設(shè)備測試記錄很容易被忽略。但是如果在定時(shí)、校頻的關(guān)鍵時(shí)期出現(xiàn)，很容易造成同步時(shí)頻設(shè)備輸出信號(hào)的精度變差或測試不準(zhǔn)，造成不必要的麻煩。時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)的建立可以實(shí)時(shí)（每秒一個(gè)點(diǎn)）比對(duì)、記錄GPS/北斗秒、頻標(biāo)秒的變化情況，采用圖示直觀顯示、比對(duì)，更容易發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的信號(hào)，并可以對(duì)多站點(diǎn)定時(shí)校頻（GPS/北斗信號(hào)）狀態(tài)綜合分析，確保結(jié)果的準(zhǔn)確、有效。

2.4 ?設(shè)備遠(yuǎn)程故障監(jiān)控

時(shí)頻監(jiān)控管理系統(tǒng)的構(gòu)建，可遠(yuǎn)程掌握設(shè)備指標(biāo)的變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)變化、人員操作失誤、設(shè)備響應(yīng)錯(cuò)誤等故障時(shí)，監(jiān)管系統(tǒng)報(bào)警提示，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 ? ?研究內(nèi)容

3.1 ?時(shí)頻設(shè)備狀態(tài)的采集分系統(tǒng)

通過計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)頻設(shè)備采集設(shè)備狀態(tài)輸出相關(guān)信息，遵循時(shí)頻設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控件定義，通過試驗(yàn)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至?xí)r頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)查閱、故障報(bào)警功能。

3.2 ?時(shí)頻原子頻標(biāo)守時(shí)校頻時(shí)延測量系統(tǒng)

原子頻標(biāo)守時(shí)校頻時(shí)延測量系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)GPS、北斗、頻標(biāo)秒的相互時(shí)延測量，并遵循分時(shí)段采集處理原則，通過試驗(yàn)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至?xí)r頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。

3.3 ?時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件編程及界面設(shè)計(jì)要求

（1）各時(shí)統(tǒng)站原子頻標(biāo)狀態(tài)信息采集顯示及故障報(bào)警。（2）各時(shí)統(tǒng)站守時(shí)校頻數(shù)據(jù)信息采集處理。（3）根據(jù)上報(bào)的各時(shí)統(tǒng)站守時(shí)校頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算相應(yīng)的頻率準(zhǔn)確度。（4）通過采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定上報(bào)錯(cuò)誤的信息，進(jìn)行故障定位。（5）設(shè)定上報(bào)信息狀態(tài)錯(cuò)誤報(bào)警的異常設(shè)置，達(dá)到系統(tǒng)健康監(jiān)控的目的。（6）多種運(yùn)算方式，定時(shí)或者手動(dòng)運(yùn)算顯示頻率準(zhǔn)確度。（7）多界面顯示、查詢，良好交互界面，提供直觀、方便、簡單狀態(tài)分析。（8）提供直觀的結(jié)果顯示，如頻率準(zhǔn)確度的顯示圖形等。

4 ? ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 ?硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 ?方案設(shè)計(jì)

概念層（軟件）和硬件層（計(jì)算機(jī)、I/O電纜和測試設(shè)備）構(gòu)成測試系統(tǒng)相連接。在這一模型中，來自應(yīng)用程序的命令和信息流經(jīng)過軟件和硬件層、電纜到達(dá)計(jì)數(shù)器，然后返回測試數(shù)據(jù)，其中，應(yīng)用程序?yàn)榫帉懙挠糜诳刂茰y量系統(tǒng)的程序[1]。I/O軟件層是應(yīng)用程序與物理I/O硬件（PC中GPIB，LAN，USB或RS-232）接口間通信的翻譯器，如圖1所示。

4.1.2 ?確定通信方式

選定了系統(tǒng)的I/O接口（GPIB，LAN，USB或它們的組合）后，就要建立連通性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)主計(jì)算機(jī)與儀器間的通信。實(shí)現(xiàn)連通性和通信的方法采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)命令集、應(yīng)用程序接口（Application Interface，API）和儀器驅(qū)動(dòng)程序。在應(yīng)用程序中通過把直接I/O與可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Command for Programmable Instruments，SCPI）及基于儀器驅(qū)動(dòng)程序的通信相組合，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.1.3 ?實(shí)現(xiàn)連通、通信

連通性是實(shí)現(xiàn)通信的必要條件，之后還必須使用正確的命令和協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信、控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

當(dāng)具備了連通能力后，就要決定如何實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)儀器間的通信。本系統(tǒng)使用直接I/O和SCPI。標(biāo)準(zhǔn)化API為更容易構(gòu)建多廠商測試系統(tǒng)，一組儀器廠商建立了虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）。它提供標(biāo)準(zhǔn)化的API，允許通過公共接口直接或使用驅(qū)動(dòng)程序控制儀器。

4.1.4 ?標(biāo)準(zhǔn)化直接I/O

1989年，HP2推出稱為測試和測量系統(tǒng)語言（Test and Measurement System Language，TMSL）的儀器通信語言。其后HP和其他8家制造商以TMSL為起點(diǎn)，共同致力于研究建立通用儀器控制的方法，其成果是SCPI。語法定義了嚴(yán)格的層次，規(guī)定了跨儀器型號(hào)的一致性命令、響應(yīng)和數(shù)據(jù)格式。

4.2 ?軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 ?編程環(huán)境

采用Visual Studio2010的C#語言，它提供擴(kuò)展的開發(fā)工具和內(nèi)置的幫助能力。優(yōu)點(diǎn)：具有開放性，能與任何其他編程技術(shù)通信，能用第三方工具軟件和驅(qū)動(dòng)程序等。Visual Studio能使用基于Microsoft COM的編程技術(shù)良好工作，包括VISA COM和IVI-COM，Agilent為VISAAPL提供NET的包裝程序。

4.2.2 ?程序界面

單站原子頻標(biāo)頻率準(zhǔn)確度測量監(jiān)控界面，多狀態(tài)信息采集、多窗口顯示可實(shí)現(xiàn)多站時(shí)頻狀態(tài)的綜合監(jiān)管界面，如圖2所示。

4.2.3 ?程序功能

（1）連接計(jì)數(shù)器：可以連接安捷倫53220A/230A計(jì)數(shù)器，必須使用正確的連接字符串，如USB連接：USB0：：2391：：6151：：MY50002373：：0：：INSTR。（2）設(shè)置計(jì)數(shù)器測量通道參數(shù)，測量并記錄時(shí)差數(shù)據(jù)，計(jì)算并顯示準(zhǔn)確度結(jié)果。（3）回放、分析歷史測量數(shù)據(jù)。（4）導(dǎo)入、分析歷史測量數(shù)據(jù)。

4.2.4 ?程序控制功能

（1）可以采用不同的方法連接不同的計(jì)數(shù)器。（2）具有豐富的通道參數(shù)控制。（3）能以不同的采樣速率進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。（4）可以準(zhǔn)確地進(jìn)行X，Y軸手動(dòng)控制。（5）能以不同采樣時(shí)間、不同時(shí)間區(qū)間進(jìn)行準(zhǔn)確度計(jì)算。（6）野值數(shù)據(jù)的有效剔除。（7）時(shí)差、準(zhǔn)確度的分別顯示。

程序設(shè)計(jì)采用SCPI編程技術(shù)，數(shù)據(jù)的野值剔除和階躍數(shù)據(jù)的重捕，準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)的直線擬合和計(jì)算。

5 ? ?應(yīng)用效果

5.1 ?提升技術(shù)人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)掌控能力

通過對(duì)時(shí)頻監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究、構(gòu)建，可以使技術(shù)人員通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，提升時(shí)頻系統(tǒng)的守時(shí)校頻的精度，節(jié)省人力，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)頻設(shè)備的狀態(tài)、頻率準(zhǔn)確度等重要參數(shù)，提高設(shè)備的可靠性，防止技術(shù)人員的操作失誤[2]。

5.2 ?實(shí)現(xiàn)時(shí)頻系統(tǒng)的故障的遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過對(duì)時(shí)頻監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究構(gòu)建，可以使技術(shù)人員更好地掌握設(shè)備固有指標(biāo)的變化情況、人員操作過程情況、設(shè)備響應(yīng)各種操作過程情況，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)變化、人員操作失誤、設(shè)備響應(yīng)錯(cuò)誤，及時(shí)進(jìn)行警告、結(jié)果提示和措施改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.3 ?實(shí)現(xiàn)時(shí)頻系統(tǒng)原子頻標(biāo)的自動(dòng)守時(shí)校頻功能

時(shí)頻系統(tǒng)原子頻標(biāo)的守時(shí)校頻是技術(shù)人員的主要工作之一，其工作量大、繁瑣，每天需要不間斷記錄數(shù)據(jù)7～8 h，并且要根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)人工計(jì)算守時(shí)校頻的精度，消耗了大量的人力。由于人工記錄間隔時(shí)間為每小時(shí)，短時(shí)間內(nèi)，該數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)頻系統(tǒng)原子頻標(biāo)的狀態(tài)并不能實(shí)現(xiàn)有效的分析。通過對(duì)時(shí)頻監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究、構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)快速、準(zhǔn)確掌握時(shí)頻系統(tǒng)原子頻標(biāo)的設(shè)備狀態(tài)、工作情況，并可根據(jù)需要隨時(shí)存儲(chǔ)、查詢、處理原始數(shù)據(jù)，做到實(shí)時(shí)分析原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度及其調(diào)整情況，定時(shí)校頻設(shè)備的工作情況，繪制圖表、并進(jìn)行分析處理[3]。

5.4 ?充實(shí)通信監(jiān)控管理系統(tǒng)網(wǎng)管功能

實(shí)現(xiàn)時(shí)頻系統(tǒng)監(jiān)控管理可以進(jìn)一步完善通信監(jiān)控管理系統(tǒng)網(wǎng)管功能，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能。

6 ? ?結(jié)語

時(shí)頻綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，特別是時(shí)頻系統(tǒng)原子頻標(biāo)頻率準(zhǔn)確度等重要指標(biāo)是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)方面，有很多單位在此方向研究較為系統(tǒng)，并能獨(dú)立生產(chǎn)原子頻標(biāo)，取得了一系列成果。但是由于缺乏實(shí)踐檢驗(yàn)，很多設(shè)備具有一些研究的功能，功能不全面、實(shí)際應(yīng)用效果較差，而且沒有進(jìn)行多站點(diǎn)時(shí)頻監(jiān)控管理系統(tǒng)的綜合管理。

隨著科技的發(fā)展，在航天測控場中實(shí)現(xiàn)時(shí)頻系統(tǒng)的綜合監(jiān)管，是全自動(dòng)化的時(shí)頻設(shè)備，具有良好的發(fā)展、研究前景，但是目前無人值守，需要遠(yuǎn)程監(jiān)管、診斷，網(wǎng)管功能是必不可少的前提。

[參考文獻(xiàn)]

[1]約翰·夏普.Visual C#從入門到精通[M].8版.周靖，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[2]李孝輝，楊旭海，劉婭，等.時(shí)間頻率信號(hào)的精密測量[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]徐季平，王拂為.時(shí)間頻率測量儀器原理與使用[M].北京：中國計(jì)量出版社，2009.