卫星测控系统设计（共5篇）
卫星测控系统设计 篇1
1 概述
自1968年2月20日中国空间技术研究院成立以来,中国的卫星技术也取得了飞速的发展,研制成功了实验卫星、返回式遥感卫星、地球静止轨道通信卫星和气象卫星、同步轨道气象卫星、地球资源卫星等,其中有很多项目已经跨入世界先进行列。通过卫星传输回来的信息被广泛的运用于我国的如地质、海洋、农林、考古、环保、铁道、公路和军事等各部门,创造出巨大的收益[1]。
卫星和飞船在国民经济和国防建设中有着重要的作用,对于他们的发射和运行过程进行跟踪测控是航天系统的重要组成部分,理想状态是对卫星或飞船进行全程跟踪测控。然而测控设备只能观测到所在点切平面以上的空域,且在与地面夹角为3°的范围内测控效果不好,实际上每个测控站只考虑与地平面夹角3°以上的空域[2]。在一个卫星或者飞船的发射与运行过程中,往往有多个测控站联合小组完成测控任务。
2 卫星测控站设计
2.1 理想模型设计
假设卫星在赤道上空的轨道是一个近似的圆,如图1所示,是卫星的发射轨迹。
由于卫星的运行轨道是圆形,因而可以得出一个站点对卫星的测控情况,如图2所示。外圆为卫星运行轨道,内圆为地球表面,D点为站点所在的地球表面位置,则为站点测控的范围角。
由图2所示建立模型,利用正弦公式得:
则一个测控站检测的范围角为:
由于总的弧长为2π,则建立方程
方程(1)、(2)、(3)得
由(4)式可知,随着卫星或飞船到地球表面距离的增加,所需要的测控站数目不断减少,因此只需讨论卫星或飞船在最低轨道运行时所应建的测控站数目。即只需考虑卫星或飞船距地球表面200Km时所需的测控站数目。
则当H=200Km时,由(4)式可得
即需要建立16个测控站,才能实现全程跟踪测控,因此,也就是在赤道上空,相隔22.5°等间距地布置16个测控站。
根据卫星在中低轨道、卫星轨道高度集中在200km~1200km之间的不同运行高度,根据(4)式,用MATLAB软件[3]计算得出结果,建立如表1所示表格。
2.2 实际模型设计
如图3所示,根据空间几何[4,5],以地球的中心为坐标原点,分别建立x、y、z轴,设卫星轨道所在平面与赤道平面夹角为。
建立坐标,那么地球表面坐标为:
我们设卫星所在的平面方程为:
那么联合(5)、(6)、(7)、(9),即卫星轨道平面与地球表面的交线方程为
进行求解得:
因为经线面方程是过z轴的,所以得经线面方程为
因而卫星赤道平面和经线面的法向量分别为
设过y,z轴坐标的平面为0度经线面,那么0度经线面的法向量为
地球自转角速度为,所以经度角为:
所以纬度角:
当,卫星轨道平面与地球交线圆周上的运动速度,用MATLAB作得卫星在地球表面上的经纬线轨迹如图4。
卫星运行三个周期时,卫星在地球上投影经过的经纬线轨迹如图5。
对其中一条纬线进行卫星在该纬线上的投影情况分析如图6所示,设地球上北纬度的纬线圈在t=0时刻卫星的正投影刚好在A点,卫星的周期为:
如果k为整数,那么卫星在北纬度的纬线圈正投影点数为k个,当卫星再次运行到A点正上方时,卫星在地球表面上的投影,将会重复上一次经过A点时的轨迹。
如果k不是整数,那么卫星在北纬度的纬线圈正投影点数不是有限点,卫星的投影能到达该纬线圈上的任一点,这种情况下,是卫星轨迹平面与赤道平面的夹角,那么卫星能扫过纬度是范围内的地球区域,如图7所示,因此在这种情况,所需要监测点数最多。
为了方便对卫星的测控,设计卫星轨道时,设计合适的高度,使k为整数,即
当k=1时,卫星在地球上的投影只有一条轨迹线,所需要布设的监测站最少。
又因为:
解得:
那么监测站的监测范围在地球经纬坐标平面中是一个直径为156.7478的圆,那么在当卫星周期与地球周期一样时,卫星在地球经纬坐标平面的投影,以及监测站的布点情况如图8所示。
从图8中可以很容易看到,在,则需要5个监测站。
结束语
本文通过利用空间坐标,建立地球与卫星的空间运行模型。再利用MATLAB软件进行求解。设计出卫星的运行轨道,以及地面最少的测控站点,从而建立卫星测控网,实现对卫星运行全程的跟踪测控。本设计还存不足,因没有考虑到地球地面的情况,在需要设置测控点的地方可能不适合设置测控点,从而影响测控站点的布置。接着下来的研究将会结合地球的地理位置特点,以及地区的安全政策的影响下进行测控点的优化设计,进一步符合实际应用要求。
参考文献
[1]葛榜军.中国卫星应用进展[J].卫星应用,2006,14(4):43-50.
[2]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:北京科学出版社,2008.
[3]宋兆基.MATLAB 6.5在科学计算中的应用[M].北京:清华大学出版社,2005.
[4]吴良大.高等数学教程[M].北京:清华大学出版社,2007.
[5]李瑰贤.空间几何建模及工程应用[M].北京:高等教育出版社,2007.
基于HLA的卫星测控仿真系统 篇2
1 高层体系结构简介
高层体系结构HLA(High Level Architecture)是在美国国防部(DoD)建模仿真办公室指导下提出的新一代仿真规范。用于产生计算机仿真系统的通用技术框架。其主要目的是解决各类仿真应用之间的互操作和仿真部件的可重用，其显著特点是通过运行支撑环境RTI(Run-Time Infrastructure)，提供通用的、相对独立的支撑服务程序。它考虑如何构建联邦，即如何设计联邦成员间的交互以达到仿真的目的。HLA的基本思想就是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统的对象模型(OM,Object Model)，以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用。HLA结构规范定义由三部分组成，分别为：
1)规则(Rules);
2)对象模型模板(OMT:objectModelTemplate);
3)接口规范说明(Interfacesspecification);
在HLA中，对象模型是描述客观事物的一组对象的集合，在对象模型中描述了这些对象的属性、联系与交互。对象模型在HLA中分为两类：一类是联邦对象FOM(Federation object Model)，描述了在联邦执行过程中所有成员可共享的信息;另一类是成员对象模型SOM(SimulationobjectModel)，用于说明成员在参与联邦时能提供的信息。RTI是HLA框架的核心，它实现接口规范中定义的联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时钟管理、数据分发管理等6类服务，目的是将仿真应用与底层通信及基本功能相分离，提供底层的通信和基本功能支持。
2 系统建模
2.1 系统业务描述
我国航天测控网是一个可为各类卫星和载人航天任务提供服务的测控系统。通常由中心测控系统和若干测控站组成，主要包括北京中心、西安中心、地面测控站、海上测控船和指挥显示中心等测控显示系统。
该测控仿真系统的构建是用作空间理论研究与测控模拟的仿真演示系统，包含以下基本元素：
1)测控中心站，情报处理和决策中心，其负责对卫星控制做出决策，判断，通过测控站向卫星发布相关指令;
2)地面测控站，指令中转中心和测控中心，其负责对卫星转发中心站的相关指令，回复中心指令，并完成对卫星的测控等工作。
3)海上测量船，指令中转中心和测控中心，其测量结果除了同陆基雷达一样，其跟踪精度还受到船摇干扰的影响。在大海中运动有六个自由度，三个线位移(进退、横荡、升沉)及三个角位移(偏航、横摇和纵摇)。
4)卫星，接受指令完成相关的空间机动，并对所处状态发出报告(轨道根数)，反馈给测控站。
中心站成员负责卫星控制指令的生成，它的主要任务是完成空间信息的收集、决策，以指令的形式发给测控站成员，再由测控站把指令转发给执行任务的空间卫星，另外中心站成员负责星下点的绘制以及各成员的位置描述，并显示在二维地球展开图上。地面和海上测控站作为联邦执行的一个重要成员，是联系卫星成员和中心站成员的一个中枢纽带，卫星的全部信息需经由测控站转发给中心站成员，而中心站的指令也是通过测控站发布给卫星的。测控成员除负责变轨卫星的测量和控制外，还肩负对下一测控站发布状态信息任务。测量结果以信息方式传给中心站，控制以指令方式发给卫星成员。
2.2 系统建模
根据上面的过程描述，我们可以对海上测量船测控模拟系统中各成员建模如下：
中心站成员：生产中心站对象，并对各测控站进行控制。发布测控船、站位置信息，通过测控船站间接发送控制指令，订购卫星轨道根数。
地面测控站成员：生产地面测控站对象，发出测控指令，捕捉目标，建立相关的链接，发布下一测控船站测控任务。订购卫星的属性和位置姿态反馈信息，发布任务交互和链接交互。
海上测量船成员：生产海上测量船对象。发布测量船状态，包括在大海中运动的六个自由度，三个线位移(进退、横荡、升沉)及三个角位移(偏航、横摇和纵摇)，订购卫星姿态，地面站测控状态，订购链接交互。
指挥所成员：生产指挥所，控制指挥所对象。发布卫星测控链路交互，订购卫星链路交互。
星下点显示成员：显示卫星飞行轨迹。发布卫星显示交互，订购卫星、中心站、测控站，测量船对象。
模拟控制成员：向系统中各成员发送模拟想定，控制模拟的进度等。订购测控站、测量船、卫星对象，发布模拟想定。
3 联邦成员设计
3.1 OMT交互对象描述
联邦对象是由OMT规范语言对现实世界通俗描述的元素，RTI通过联邦对象文档建立仿真平台。对于基于HLA的仿真系统来讲，包含两种数据，一种是连续存在的属性数据，标识实体的状态，如名称、句柄以及位置信息等，OMT用对象类(objectclass)及其属性(attributes)来描述它们;另一种是实体瞬间事件的数据，如指令和测量结果等，OMT用交互类(interaction class)及其参数(parameter)来描述它们。
3.2 建立FOM/SOM关系
中心站需要发布一个统一时统PTime，各成员以此为基础进行仿真推进。列出对象类SOM关系如表2所示。
由任务要求知道，中心站成员需要得到卫星信息，都是通过测控站的测量得到，将测量结果(measuringResult)归为交互类(interaction class)。首先是由中心站对测控站进行问询(ASK)：卫星是否处于测控站测控范围以内，收到测控船站的回答，中心站发出指令(command),测控站收到指令后，即回复测量结果，并由中心站对相应测量结果发送一个回执(receipt)，以免信息丢失。由于中心站也肩负着绘制星下点轨迹的任务，所以当卫星处于测控区时，中心站可以得到由测控站传来的卫星的位置，当不在测控区时则中心站需要通过积分计算得到卫星的位置、速度信息。中心站将对卫星发布变轨指令，指令将包括的内容是指令时间和指令速度以及目标星的编号。测量指令和变轨指令共存在指令类(command)中，只需在其参数中对类型进行标识。由此，建立联邦成员SOM交互类如表2所示。
4 建立仿真推进过程
4.1 仿真开发过程
基于HLA仿真系统的对象类及交互类建立模型后,即可进行成员的仿真开发。由于显示各星下点轨迹,以及指令输入等,中心站成员支持多线程,人机交互界面控制占用一个线程,仿真主循环开启一个线程,其它与网络交互相关的线程由pRT11516自动处理。仿真主循环逻辑如图2所示。
4.2 人机交互具体实现
人机交互，包括输入测量指令、变轨指令，输入项包括变轨时间、变轨速度等。输入指令后，由界面线程判断全局变量是否空闲，将此值赋予全局变量，同样在HLA线程中也需要对全局变量状态进行判断。输出项包括星下点轨迹显示和地面站、测量船方位、状态输出，另外，在客户区显示二维地球展开图，经过由经纬度到屏幕坐标系的坐标转换，实时输出星下点地位置，需要强调的是，在各成员全部推进到同步点之后，请求时间推进，仿真继续进行。
5 结束语
仿真结果表明，此基于HLA的测控网仿真系统，计算精确，仿真显示符合预期结果。其核心是该系统考虑到各类仿真应用间的互操作和仿真部件的可重用性，便于系统扩展，为大型仿真的实现提供了基础。本文叙述的仿真系统对测控系统交互方面的研究只是初步性的，有待于更加深入和全面的研究和探讨。
摘要：研究基于HLA/RTI的卫星测控仿真系统。根据模拟测控系统环境,设计基于HLA的测控系统仿真架构,介绍各成员的功能交互,设计了FOM/SOM表,将HLA思想很好应用于整个卫星测控系统,以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用,初步达到交互仿真效果。
关键词：卫星测控,高层体系架构(HLA),RTI,OMT,FOM,SOM
参考文献
[1]周彦,戴建伟.HLA仿真程序设计[M].北京:电子工业出版社,2002.
[2]刘蕴才.导弹卫星测控系统工程[M].北京:国防工业出版社,1996.
[3]吴义明,齐欢.基于HLA的导弹与飞机对抗计算机仿真[J].计算机工程,2004(4):156-157.
电梯智能测控系统设计 篇3
1、电梯控制系统结构[1]
电梯控制系统由PLC控制的逻辑部分和变频器控制的调速部分组成如图1所示。
PLC接收来自操纵控制盘和每层呼梯的呼叫信号、轿厢和厅门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号, 经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时, 根据随机逻辑控制的要求, 向变频器发出运行方向、启动、加速、减速和制动停梯等信号。由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制电机。其控制流程图如图2。
2、数字PID控制算法
在PID调节中, 由于PID算式不同, 会得到不同的控制效果, 特别是算法中某些参数选择得不妥时, 会引起控制系统的超调或震荡, 这对电梯运行过程十分有害。为了避免这种有害现象的发生, 分析和研究PID算法, 确定合理的PID参数是十分必要的。
PID调节器由比例调节器 (P) , 积分调节器 (I) 和微分调节器 (D) 构成, 它通过对偏差值的比例积分和比例微分运算后, 用计算所得的控制量来控制被控对象, 如图3所示。
图3中:R为设定的期望值, y为控制变量, s为实际输出量, e为控制偏差 (e=R-S) , 其数学模型
式 (1) 中:KP为比例系数, Ti积分常数, Td为微分常数, y0为偏差e等于零时调节器的输出值。
数字PID控制系统是时间的离散系统, PLC对生产过程的控制是断续的过程.即在每一个采样周期内, 传感器将所测数据转换成统一的标准信号后输送给调节器, 在调节器中与设定植进行比较后得出偏差值, 经PID运算得出本次的控制量, 将控制量输入到执行体后, 才完成了本次的调节任务。
对式 (1) 进行离散处理, 可得到数字PID控制算法的表示函数为:
式 (2) 中:e (k) 为第k个采样时刻输入的偏差值;KP比例系数;KI积分系数;KD微分系数。
从式 (2) 中可见, 当调整参数改善控制性能时, 只需调整KP、KI、KD的大小即可。
3、数字PID控制算法的可编程控制器PLC实现
3.1 基于可编程控制器PLC的数字PID控制算法模型
典型的基于数字PID的闭环控制系统如图4示, 其中虚线部分在PLC内部实现。结合式 (2) 可见:第K次采样时控制器的输出为
其中:s (k) 为过程变量, R (k) 为给定植, y (k) 为输出值, e (k) 为s (k) 与R (k) 之差值, KP为比例常数;KI为积分系数;KD为微分系数。
3.2 PLC的硬件配置[2]
根据电梯运行控制要求 (以五层楼电梯控制为例) , 计算出输入、输出I/O点数分配, 具体分配见表1。
从表1可以看出:输入有开关门按钮、上下行按钮厅外呼唤按钮、选层按钮、超载压力传感器、防夹红外线传感器、上下平层位置感应器、检修开关、基站开关、上下强迫开关、开关门极限行程开关和上下行极限行程开关共12类控制信息, 需要31个I点。输出有开关门继电器、上下行指示、选层信号指示、呼唤信号指示、上下行启停信号、加减速信号和楼层显示共8类控制信息, 需要26个O点。输入、输出信号均为开关量信号, 不需要模拟量模块[3]。选择S7-300系列的CPU313, 加上数字输入量模块SM321及数字输出量模块322就能满足控制要求。[3]
3.3 可编程控制器PLC的软件设计[4]
由于乘客对电梯的呼叫是随机的, 为了提高电梯的响应速度, 缩短PLC的扫描和逻辑运行时间, PLC程序设计采用分部编程。
1) 组织块 (主程序) :组织块OB1用于调用逻辑功能, 实现电梯的逻辑控制功能。根据电梯的设计使用情况, 逻辑功能FC应由7块组成, 即:开关门FC1、楼层信号FC2、内选信号FC3、外呼信号FC4、定上下行指示FC5、停层FC6、启停、运行FC7, 并把实参赋给逻辑功能块。下面以楼层信号为例, 梯形图如图5所示。
2) 逻辑功能 (子程序) :是用户程序子程序, 用来完成某项具体控制功能。以楼层显示为例, 梯形图如图6所示。
当电梯位于某一层时, 应产生位于该层的楼层信号, 以控制楼层显示器显示楼层处的位置, 离开该层时, 该信号应被新的楼层信号 (上一层或下一层) 取代。电梯的楼层数存放在MW20中。“#xsq”是上强迫行程开关的形参, 当电梯到达5楼时, 使MW20为5。“#sxq”是下强迫行程开关, 当电梯到达1楼时, 使MW20为1。在中间, 电梯上行时, 每上一层, MW20加1;电梯下行时, 每下一层, MW20减1。如果层显有误, 只要将电梯开到顶层或1层, 马上就能显示正常楼层序号。
4、结论
在电梯的自动控制系统中引入了先进的PID控制技术和PID控制算法, 给出了系统模型和实现方法, 给出了关键程序设计梯形图。实践证明, 该系统波动小、响应块、控制精度高, 具有良好的控制效果, 提高了电梯的工作效率、运行平稳性和可靠性。由此研究的电梯, 可广泛应用于智能楼宇和公共交通场所。
摘要：在现代都市中, 电梯成了都市人重要的生活、工作交通工具。为了尽可能地提高电梯运行的可靠性、安全性和舒适性, 利用PLC技术和数字PID算法, 对传统的电梯控制系统进行了智能化的改造, 研制智能电梯成为必然。理论分析和实验结果表明:该系统可对电梯运行实施测控任务, 实现电梯的智能化控制, 从而提高了电梯的工作效率和可靠性, 可广泛应用于高层楼宇和商场。
关键词：可编程控制器,PID,智能测控系统,智能电梯
参考文献
[1] 王少华.PLC、变频器在电梯中的应用[J]
[2] S7可编程控制器.系统手册[M] .西门子 (中国) 公司.2004
[3]胡学林.可编程控制器教程[M]北京:高等教育出版社.2005
卫星测控系统设计 篇4
1 测控数据的结构与特点
一般情况下, 为了满足卫星测控覆盖率的要求, 对同一颗卫星, 会安排多个位于不同区域的测控站进行测控, 这些测控站与控制中心间存在大量的数据交换。为了使测控站与控制中心之间的数据交换安全、可靠、实时性强, 在测控站和控制中心开发专门的数据传输系统完成测控数据的采集、加工和传输。数据传输系统和通信网共同构成了航天测控网的数据传输通道, 完成测控站与控制中心间的数据交换, 如图1所示。
测控数据包括测量数据 (遥测和外侧) 和控制数据 (遥控指令和注入数据) 。相对而言, 测量数据远远多于控制数据, 而卫星遥测数据包含有表征卫星状态的各种参数, 是地面测控系统监视和判断卫星健康状态的主要依据。下面以卫星遥测数据为例, 对其数据结构和特点进行分析。
1.1 遥测数据的结构
卫星下传的遥测数据包括实时遥测和延时遥测。遥测数据组合体制多种多样, 既有分帧遥测, 又有分包遥测。分帧遥测以遥测帧的方式下传, 多数以主副波道组帧, 遥测帧长为n个字节 (n=64, 128, 256等) 。而分包遥测由固定遥测及分包遥测组成。既包括类似分帧遥测由其在遥测帧中的位置联合部分标志参数确定的遥测数据, 也包含由多个遥测帧组包后由其在数据包中的位置联合部分标志参数确定的遥测数据[2]。地面测控站接收到卫星遥测数据后, 自动为每帧打上当时北京时间, 同时按照相关格式约定, 实时发送给控制中心。其信息主要包括:信源信宿, 信息类别、标志、时间, 数据长度和数据内容等。
1.2 遥测数据的特点
对于数据量最大的地球静止轨道同步卫星遥测数据, 其具有以下显著特点。
(1) 由于测控站24 h连续测控, 因此测控数据帧呈现出连续不间断。
(2) 测控数据帧序列是按时间大小顺序排列。
(3) 对于一颗具体型号的卫星, 其遥测数据的码速率和帧周期固定, 所有测控数据是按帧周期等时间间隔分布。
2 测控数据存储与查询方法
以记录方式存储的测控数据具有三个特点:一是记录数量巨大。根据实验测算, 如果按照每个参数采样值存储为一条记录的方式, 以北斗二号GEO卫星为例, 平均每秒钟有200个参数, 每天24 h跟踪, 一天产生的遥测记录为:200×3 600×24=17 280 000 (条) 。二是数据按照时间顺序入库。通常情况下, 测控数据均为实时接收入库, 按照数据采样时间顺序存储。三是数据入库后以只读方式访问。遥测和外测数据是卫星测控的原始采样数据, 存储到数据库中后一般只会对其进行查询检索操作, 不会对其进行更新、删除等操作。
2.1 索引的优化设计
索引是数据库中重要的数据结构, 它的根本目的就是为了提高查询的效率。为了实现海量测控数据的高效查询, 如何合理地设计索引是遥测数据查询优化的关键[3]。遥测数据是典型的时间序列数据, 通常情况下按时间顺序产生、存储和查询。通过对各类应用情况的分析, 发现对于卫星遥测数据, 所有的检索类型都是以某个时间区间为条件进行的;而90%以上的应用是查询某个参数在某段时间内的所有遥测值。因此对遥测数据表的索引设计就包含两个字段:数据时间 (DATA_TIME) 和参数代号 (PID) 。为了支持对某段时间中所有参数值进行查询, 索引字段的顺序必须为数据时间在前、参数代号在后[4]。遥测数据表索引设计如下:
2.2 基于时间分区表的优化
当表中的数据量不断增大, 查询数据的速度就会变慢, 应用程序的性能就会下降, 这时就应该考虑对表进行分区[5]。表进行分区后, 逻辑上表仍然是一张完整的表, 只是将表中的数据在物理上存放到多个表空间 (物理文件上) , 这样查询数据时, 不至于每次扫描整张表[6]。
Oracle的分区功能支持将表、索引或索引组织表进行分区。分区表具有以下优点。
(1) 改善查询的性能:对分区对象的查询可以优化为搜索对应的某个分区, 提高检索速度。
(2) 增强可用性:如果表的某个分区出现故障, 其他分区的数据仍然可用。
(3) 维护方便:如果某个分区出现故障, 只需要修复该分区即可。
(4) 均衡I/O:可以把不同的分区映射到不同磁盘以平衡I/O, 改善整个系统的性能。
Oracle支持范围、列表、散列等三类基本分区, 以及若干种组合分区。
测控数据中, 遥测、外测等海量数据具有时间序列的特征, 通常以时间为主键, 并以时间为条件进行检索, 同时需要对查询结果按照时间进行排序, 针对这些特点, 采用基于数据时间的范围分区方式进行存储, 可大大降低这类数据的检索效率, 使数据的查询响应时间不会随着数据量的增长而增加[7]。以分区表方式存储遥测数据设计如下:
2.3 基于索引组织表的优化
索引组织表 (Index Organized Table, IOT) 是与通常的堆组织表相对应的[8]。使用堆组织表时, 必须为表和表的索引分别留出空间, 存储在堆中的表是无组织的, 只要有可用的空间, 数据可以存放在任何地方, 而IOT表中的数据则是按主键存储和排序[9]。数据直接存储在索引上, 不存在主键的存储空间开销, 索引就是数据, 数据就是索引, 二者合而为一。IOT带来的好处一方面大大节约了存储空间的占用, 更重要的是大幅度降低了I/O数量。按IOT表的方式设计的遥测数据的存储表如下:
其中, 以数据时间 (DATA_TIME) 和参数代号 (PID) 为主键索引。按照这种方式进行遥测数据存储, 数据本身直接存放在索引中, 如图2所示, 大大降低了存储空间的占用。由于数据存储在索引中, 在数据插入时需要进行排序, 会损失部分写入的效率[10], 但遥测数据具有按照时间顺序入库的特点, 损失的效率会非常小。
3 实验与分析
对上述方法的存储空间和查询时间效率进行测试。测试环境:服务器Sun Fire490, 硬盘SCSI146GB, CPU 1 500 MHz×2, 内存8 GB;Oracle 10 G10.1.0.2 64 Bit。
首先接收存储某地球静止轨道同步卫星实时数据, 24 h内共存储记录16 990 000条, 平均每秒产生记录16 990 000/3 600/24=196.6条。然后使用脚本按照每秒钟200个参数自动生成60 d模拟测试数据, 在此基础上对存储空间和查询时间分别进行了分析。
3.1 存储空间分析
一颗地球静止轨道同步卫星每天产生的数据1 700万条记录, 占用存储空间约1 GB左右, 同一颗卫星的遥测数据以记盘文件方式 (不压缩) 存储约为820 MB左右。以堆组织表形式存储则占用空间为2.56 GB左右。通过IOT方式存储比以堆组织表方式 (索引与数据分别存储) 存储大幅度降低了存储空间占用, 前者只有后者的39.1%。通过IOT方式按照记录存储比原有的按照记盘文件方式 (每小时1个文件) 存储只增加了10%的存储空间占用, 但比压缩记盘文件方式增加了12倍的空间占用。
3.2 查询时间分析
从24 h的数据中检索某个参数一个小时内的所有值 (按数据时间排序) , 查询响应时间为0.17 s。从60 d的数据中检索同一个参数一个小时内的所有值 (按数据时间排序) , 查询时间为0.27 s。通过分区表和IOT方式存储, 当数据量从1 d增加到60 d时, 查询响应时间并无明显变化。遥测参数查询的SQL语句如下:
3.3 数据存储模式
对于测控数据中数据量最大的遥测数据, 存储要兼顾空间和时间两方面的因素, 要在尽量减少空间占用的同时尽量提高遥测参数的检索效率。
从3.1节和3.2节分析可知, 以记录方式存储支持对任意时间段内任意参数所有遥测值的快速检索, 虽然经过优化, 存储空间占用已经与按非压缩记盘文件方式基本相当, 但与压缩记盘文件方式相比仍有10倍左右的差距。为了在时间与空间之间取得平衡, 对遥测数据的存储采取文件和记录两种方式相结合的方案, 实时存储软件接收任务的遥测处理结果数据, 每小时将记盘文件压缩存储到数据库中, 同时解析收到的数据帧并将各个遥测参数的值按照记录的方式存入数据库[11]。记录方式的存储只保存最近一定时期 (如1个月) 的数据。既满足长期数据存档和事后分析的要求, 也支持近期遥测数据的实时检索, 为控制计算提供实时查询服务。
4 结论
本文结合工程实际需求, 提出了基于时间分区表和索引组织表的海量测控数据存储和查询方法。该方法通过工程实验和结果分析, 可以得出以下结论。
(1) 高效的查询检索。按照索引方式存储数据, 数据在数据块内按照时间数据存储, 大大降低了查询时的I/O次数, 使查询响应时间大幅度降低[12]。同时, 由于对数据按照时间进行分区存储, 基于时间的数据检索不会随时间和数据量的增长而导致查询响应时间的快速增长。
(2) 较低的存储空间占用。采用索引组织表形式进行存储, 测控数据全部存放在索引节点上, 节省了数据表本身需要占用的存储空间。另外可以通过对索引主键中的时间序列进行压缩, 进一步降低存储空间的占用。
(3) 支持数据的聚合分析。通过记录方式存储的测控数据, 支持数据库提供的聚合函数, 可以对数据进行不同长度和固定时间间隔的聚合分析。
参考文献
[1] 张秉强.数据库优化技术在海量数据下的研究与应用.上海:同济大学硕士学位论文, 2007:33—40
[2] 任国恒.同步卫星遥测数据相关性分析与研究.西安:西安工业大学硕士学位论文, 2011:14—41
[3] 卢海红.基于XML数据仓库历史数据归档与管理策略的研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文, 2007:51—56
[4] 吴广君, 王树鹏, 陈明, 等.海量结构化数据存储检索系统.计算机研究与发展, 2012;49 (S1) :86—92
[5] 陈苗.海量地学数据查询优化关键技术的研究.长春:吉林大学, 2008:87—110
[6] 刘难贵, 周俭, 贾宏.经济、安全的海量数据生命周期管理方案.计算机工程与设计, 2009;10 (19) :56—60
[7] 傅颖勋, 罗圣美, 舒继武, 等.安全云存储系统与关键技术综述.计算机研究与发展, 2013;50 (1) :136—145
[8] 姚书怀, 刘兴伟.大型数据中心海量数据存储解决方案的设计.四川工业学院学报, 2004;12 (S1) :65—72
[9] 朱海青, 唐娉, 王文杰.实现Oracle数据库中海量数据管理的简捷方案.计算机应用研究, 2005;2 (22) :185—191
[10] 唐立文, 宇文静波.海量空间数据存储技术研究.中国计算机辅助设计与图形学2008——纪念全国首届CAD/CG学术会议30 周年论文集, 2008:88—92
[11] 王华斌, 唐新明, 李黔湘.海量遥感影像数据存储管理技术研究与实现.测绘科学, 2008;33 (6) :153—157
测控仪器精密主轴系统设计 篇5
对于需要作回转运动的测控仪器来说, 主轴系统是一个关键部件, 主轴系统的精度将直接影响整台测控仪器的综合精度。主轴系统设计的主要要求是主轴能够在一定载荷下具有一定的回转精度, 同时还要求有一定的刚度和热稳定性。通常主轴系统由主轴, 轴承, 安装在主轴上的传动单元、驱动单元以及分度元件组成。因此, 要想设计一套适合测控仪器使用的高精度精密主轴系统, 主轴系统的机械结构设计、传动和驱动单元的选型和分度元件的选型是至关重要的。
1 精密主轴系统机械结构设计
1) 总体方案设计。主轴系统的机构类型有很多种, 按照所用轴承种类划分, 常见的结构有半运动式圆柱型轴承结构轴系、锥形滑动轴承轴系、V型弧滑动轴承轴系和滚动摩擦轴承轴系等。这些不同的结构类型有不同的特点, 适用于不同的应用场合。对于我们本次设计的适用于测控仪器的高精度精密主轴系统来说, 考虑到轴系的回转精度、刚度、主轴的热稳定性和使用寿命等因素, 同时参考过去在精密主轴系统方面的设计经验, 我们决定采用技术成熟、应用较广的非标密珠滚动轴承的设计方案。根据仪器主轴系统安装空间和安装方式的要求, 充分考虑精密仪器主轴机械设计过程中的各种注意事项, 初步设计轴系装配图 (如图1所示) 。密珠在保持架6、8、9的约束下, 密集分布于主轴4与轴套3的径向和端面之间;锁紧螺母1、消隙簧片11和止推板2固定在轴套下端, 限制主轴在轴向方向的窜动;主轴下端继续向下延伸, 用于安装主轴驱动电机与角度编码器。
1.锁紧螺母2.止推板3.轴套4.主轴5, 10.轴向承载滚珠6, 8, 9.密珠保持架7.径向滚珠11.消隙簧片
2) 设计过程中的计算。主轴轴系的总体方案确定后, 我们在后续的具体设计过程中还需对一些关键参数进行充分的论证, 并进行必要的设计计算, 其中主要包括以下几项:
(1) 轴向滚珠直径d1和数量z1的确定。因主轴系统是在垂直情况下安装使用的, 轴系载荷都集中在轴向承载滚珠上, 所以主轴的承载能力由轴向承载滚珠的承载能力决定, 影响滚珠承载能力的因素有滚珠的材料、直径和数量, 滚珠材料通常是轴承钢GCr15, 所以我们只需通过计算确定滚珠直径和数量即可。按强度条件计算滚珠直径d1的公式为:
式中:[P]为滚珠材料许用负荷强度;a1为负荷情况系数, 静载荷时取1;a2为工作时间系数, 10 000h时取2;a3为座圈转动系数, 取1;W为最大轴向载荷;k为承载负载滚珠比例, 通常k=0.8;z1为止推滚珠个数。
从公式中我们可以看出, 滚珠直径d1是与滚珠个数z1之间相关联的, 在主轴载荷确定的情况下, 两者之间呈反比关系, 滚珠个数z1越大, 所需的滚珠直径越小。根据材料力学分析, 减小滚珠直径会有助于提高密珠滚动轴承轴系的刚性, 但是滚珠个数z1太多会影响轴系的运动灵活性。所以, 我们应在不影响主轴旋转灵活性的前提下, 根据主轴尺寸合理排布滚珠, 确定滚珠个数z1, 从而确定钢球直径d1。最后还应通过计算滚珠的直径变形量δ来校验所选的滚珠直径是否满足要求。滚珠的直径变形量:
式中, E1、E2分别为滚珠和滚珠接触面的材料弹性模量。
(2) 径向滚珠直径d2和个数z2的确定。因为垂直安装使用的主轴轴系径向载荷较小, 所以径向滚动轴承的滚珠尺寸可选得小些, 以便使轴系结构更紧凑, 根据我们以往的设计经验, 选取常用的ф4钢球作为径向滚珠, 滚珠个数z2由主轴尺寸和滚珠排布周期确定。
(3) 径向滚珠装配过盈量的确定。由于轴系零件在加工中不可避免地存在加工误差, 导致轴系在装配时径向会产生间隙 (轴向间隙可以通过消隙簧片11调整消除) , 影响轴系运动精度和刚性, 所以为了能够消除此间隙, 常采用过盈量装配的方法。对于本设计的轴系来说, 可以在加工完轴套内圆直径尺寸和确定所用钢球直径后, 通过配磨主轴外圆直径的方式, 调整主轴径向装配的过盈量, 根据以往的设计经验, 比较合理的过盈量为5~8μm。
2 精密主轴系统电机和角度编码器的选型
1) 主轴系统电机的选型。参考国内外主流设计选型方案, 我们选用了由DDR直驱力矩电机与主轴连接一体的直接驱动方式, 这种结构省去了传动机构, 主轴电机通过主轴直接作用到轴系, 具有可靠性高、易维护、定位精度和可重复精度高、刚性好和机械噪声低等诸多优点, 也是现在高精度主轴轴系普遍采用的一种方式。根据主轴与负载的转动惯量Jm (Jm=Mr2/2。式中, M为主轴与负载质量, r为负载半径) 、主轴最大转速n和最大角加速度a, 我们可以计算出主轴系统所需的最大扭矩Tm=Jm·a。在电机选型的计算过程中, 以往还需校验负载与电机轴的惯量比, 但是因为DDR直驱电机技术使得电机通过主轴直接连接到负载, 电机和负载的惯量成为了一个公共惯量比, 惯量比能够达到大于11 000∶1, 这可以满足绝大多数的应用需求, 因此只需根据最大扭矩Tm和所需的电机安装形式尺寸选择合适的主轴电机型号即可。
2) 主轴系统角度编码器的选型。对于精密主轴系统的分度元件, 目前普遍采用的是高精度光栅角度编码器, 也是目前设计高精度主轴系统的最佳选择。考虑机械安装条件和设计所需达到的精度要求, 我们选用了国际著名厂商生产的孔式圆光栅角度编码器, 光栅精度为±1″, 一周光栅刻线36000线, 光栅信号在经过25倍频处理后, 再经过4倍频的光栅信号辨向倍频处理, 最终的光栅分辨率能达到0.36″, 完全能够满足精密主轴系统的设计要求。
3 结语
经过一系列的设计计算以及图纸的绘制, 完成了该套精密主轴系统的设计工作, 通过对第一台样机的测试, 各项技术指标均达到了设计要求, 可见该设计方案是可行的, 为我们以后对于精密主轴系统方面的设计积累了宝贵经验。
摘要：介绍了适合测控仪器所用的一种精密主轴系统的设计过程, 详述了主轴系统的机械结构设计方法, 并对主轴系统配套驱动电机的选型以及角度编码器的选型进行了概述。
关键词：精密主轴系统,密珠滚动轴承,DDR直驱力矩电机,角度编码器
参考文献
[1]King M, 李幼涵.机器设计中伺服电机及驱动器的选型[M].北京:机械工业出版社, 2012.
[2]吕辉.现代测控技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.