多目标系统中频数字开关矩阵自动运行方法改进

王松鹤，武鹏，代金国，阴元智，赵宇

（西安卫星测控中心，陕西西安，710043）

0 引言

多目标统一测控设备是集遥测、遥控、外测和卫星定位数据转发功能于一体的测控装备，具有作用距离远、精度高、功能全面、可靠性好等特点[1]。多目标统一测控[2]系统可以满足多目标同时跟踪、测量、控制的需求，某型多目标系统在测控活动过程中出现了因中频数字开关矩阵配置不到位导致上行信号无法发出的问题，并且出现概率较高，严重影响了多目标测控活动的正常进行，为有效解决该问题，确保自动化运行流程稳定可靠，遂需研究中频开关矩阵配置的改进优化方法。

1 开关矩阵功能及配置不到位原因分析

1.1 中频数字开关矩阵功能

多目标测控系统自动化运行[3]流程通过对中频数字开关矩阵分配调用，实现基带分系统和波束形成与控制子系统之间的连接，从而形成多个独立可控的波束，完成上行和下行多信号的处理功能，满足全空域覆盖多目标的跟踪、测量与控制等要求。

中频数字开关矩阵作为中间的桥梁，具备信号数据的选择切换功能。系统工作时，监控分系统按照系统资源管理设置中频数字开关矩阵状态，实现多个发射波束与基带分系统内部板卡的灵活配置，系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意简图

中频数字开关矩阵[4]有多个信号输入端口和信号输出端口，这些端口与其它分系统连接进行信号传输和数据交互。任务执行时，中频数字开关矩阵的交换板和加权板按照监控分系统的指令选择对应信号的输入与输出，完成对应信号输入端口和输出端口的状态设置。

1.2 原开关矩阵分配调用策略

1.2.1 原开关矩阵分配调用方法

监控分系统自动化运行流程里原中频数字开关矩阵分配调用方法如图2所示，当任意任务自动化流程启动后，监控分系统首先读取当前矩阵状态D0并保存，然后按照资源管理执行当前任务的矩阵配置P1，将当前任务的矩阵配置与保存的原矩阵状态叠加生成新的矩阵状态D1=D0+P1，待任务结束后，释放本次任务的矩阵配置。与此同时，监控分系统自动化流程一直开启监测进程，检查当前基带主备状态是否与系统资源管理一致，若不一致，则按当前状态更新系统资源管理状态并重新执行矩阵配置P1’，生成新的矩阵状态 D1’=D0+P1’。

图2 原矩阵分配调用方法流程

1.2.2 矩阵配置不到位原因分析

当多任务并行时，多次出现因矩阵配置不到位而导致上行无法发出的问题。以1次3个目标同时运行为例，系统监控界面出现波束10上行状态异常指示，在系统资源管理中主用基带为基带10-1，检查中频发射数字开关矩阵状态，发现基带10-1上行信号未与发波束10连接，其矩阵开关配置状态如图3所示。手动重新配置矩阵，将带10-1上行信号与发波束10连接后，波束10上行异常状态恢复正常，手动重新配置矩阵后的矩阵开关配置状态如图4所示。

图3 矩阵开关配置状态

图4 重新配置后矩阵开关配置状态

自动化运行流程时，按照设备工作计划的时间点来执行各项操作，当多任务并行时，设其按照矩阵配置操作时间的先后顺序为任务1、任务2、……、任务N，矩阵配置执行的时间点为t1、t2、……、tN，矩阵配置需要用时（含监控与矩阵通信时间）为△t1、△t2、……、△tN，只有对任意任务i（2≤i≤N），满足条件：|ti-ti-1|＞△ti-1时，才能保证全部任务的矩阵配置状态正确。对任意任务i，设任务执行前的矩阵状态为Di-1，任务矩阵配置为Pi，叠加后的矩阵状态为Di，多任务并行时的矩阵配置状态如图5所示。

图5 多任务并行时矩阵配置状态图

当多任务并行时，假设对于任务k，不满足条件|tk-tk-1|＞△tk-1，那么当任务k执行矩阵配置时，由于任务k-1未完成矩阵配置Pk-1，任务k读取并保存的矩阵状态为不含矩阵配置Pk-1的矩阵状态Dk-2，矩阵配置Pk执行结束后叠加的矩阵状态Dk里也不含有矩阵配置Pk-1，造成任务k-1的矩阵配置状态不到位，其矩阵配置状态如图6所示。此外，当监测进程检测到基带主备状态与系统资源管理不一致时，按当前状态更新系统资源管理状态并重新执行矩阵配置Pk，若此时任务k-1未完成矩阵配置Pk-1，同样会出现矩阵配置状态不到位的现象，原理同上。

图6 矩阵配置不到位状态图

2 开关矩阵分配调用方法改进

为保证多任务并行时，全部任务的矩阵配置都能执行，需对中频数字开关矩阵分配方法进行改进优化，策略是对矩阵配置操作设置指令保护间隙△t，对任意任务i，矩阵配置命令执行首先检测是否处于指令保护间隙，判决条件为|ti-ti-1|＜△t，若否，则正常执行后续矩阵配置操作，若是，则进入等待队列等待至指令保护间隙结束，然后重新检测，等待队列采用先进先出、后进后出的数据结构，这样可以保证矩阵配置执行的顺序与任务执行的顺序一致。改进优化后的中频数字开关矩阵分配方法如图7所示。

指令保护间隙△t数值的选择设置需要满足两个条件，一是指令保护间隙要大于单次矩阵配置用时，即对于任意任务i满足△t＞△ti；二是考虑满足设备最大波束数量n同时进行测控活动时可正常执行，多任务并行且所有任务均有主备基带切换时，全部的矩阵配置时间要小于任务准备的系统自动化运行时间tA，即△t＜tA/2n。综合考虑,指令保护间隙选取范围为：△ti-max＜△t＜tA/2n。

图8 矩阵配置时间轴

方法改进优化后，多任务并行时，假设对于任务k和任务k+1，不满足条件|tk-tk-1|＞△tk-1和|tk+1-tk|＞△tk，由于指令保护间隙△t的存在，矩阵配置Pk和Pk+1执行时间点由原来的 tk和tk+1变为tk’=tk-1+△ t和 tk+1’=tk’+△t，其满足条件|tk’-tk-1|＞△ tk-1和 |tk+1’-tk’|＞△tk，因此矩阵配置Pk-1和Pk能够得到执行，矩阵配置时间轴如图8所示。

3 结论

多目标测控系统自动化运行流程中原有的中频数字开关矩阵分配调用方法，在多任务并行时，当一个任务的矩阵配置未完成而收到新的矩阵配置命令时，会造成该任务的矩阵配置不到位而导致上行无法发出。通过设置配置命令指令保护间隙，增加顺序排队等待的方法对矩阵分配调用方法进行改进优化，并经过长期稳定运行得到验证，为多目标测控系统自动化运行功能优化起到重要作用。