基于SOA的衛(wèi)星地面管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉洪剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北 石家莊 050081）

基于SOA的衛(wèi)星地面管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉洪剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北 石家莊 050081）

研究了SOA技術(shù)的特點(diǎn)和架構(gòu)，利用SOA思想分析了地球觀測(cè)衛(wèi)星地面管控系統(tǒng)的功能組成，對(duì)管控系統(tǒng)現(xiàn)有功能進(jìn)行改進(jìn)和封裝，向衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的用戶提供星地資源查詢、運(yùn)行狀態(tài)查詢等服務(wù)，并接受衛(wèi)星用戶提交的衛(wèi)星控制任務(wù)需求，允許用戶直接控制衛(wèi)星的觀測(cè)獲取所需的數(shù)據(jù)，改進(jìn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)用戶與衛(wèi)星管控系統(tǒng)之間的交互方式，提高了系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。

SOA W ebService系統(tǒng)架構(gòu)任務(wù)管控

1 引言

在傳統(tǒng)的衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)中，管理控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收各類用戶的衛(wèi)星遙測(cè)遙感數(shù)據(jù)請(qǐng)求，根據(jù)當(dāng)前衛(wèi)星的工作狀態(tài)及使用約束，綜合考慮地面與中繼接收資源、數(shù)據(jù)傳輸資源和業(yè)務(wù)測(cè)控資源等，完成衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)、數(shù)據(jù)接收任務(wù)、數(shù)據(jù)加工與分發(fā)任務(wù)的規(guī)劃與調(diào)度。對(duì)于使用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的用戶來(lái)說(shuō)，在提出數(shù)據(jù)使用請(qǐng)求后，接收衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用戶一般不參與衛(wèi)星的管理控制。

利用SOA技術(shù)理念，對(duì)衛(wèi)星管控系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，讓使用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的最終用戶知悉衛(wèi)星及載荷的工作能力，及時(shí)獲取星地資源的工作狀態(tài)，根據(jù)觀測(cè)需求提出具體的衛(wèi)星控制要求，提高用戶與衛(wèi)星管控部門(mén)的溝通效率，發(fā)揮衛(wèi)星資源的更大效能。

2 SOA特點(diǎn)及技術(shù)架構(gòu)

2.1 SOA概念

SOA(Service-O riented Architecture)就是面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)組件模型[1]，將應(yīng)用程序的不同功能單元通過(guò)服務(wù)之間良好定義的接口和契約聯(lián)系起來(lái)，成為有機(jī)的整體。接

口是采用中立的方式定義的，它獨(dú)立于提供服務(wù)的平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，這使得構(gòu)建在這樣系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)一且通用的方式進(jìn)行交互。

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)是一種用于構(gòu)建分布式系統(tǒng)的方法，采用SOA這種方法構(gòu)建的分布式應(yīng)用程序可以將功能作為服務(wù)交付給終端用戶，也可以構(gòu)建其他的服務(wù)。SOA基于服務(wù)，在使用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分布式應(yīng)用程序時(shí)，可以將服務(wù)的使用從簡(jiǎn)單的客戶端——服務(wù)器模型擴(kuò)展成任意復(fù)雜的系統(tǒng)。因而，獨(dú)立的軟件個(gè)體成為開(kāi)發(fā)其他應(yīng)用程序的基本構(gòu)件，可以通過(guò)與新的代碼和遺留代碼一起使用的共同交互方式來(lái)減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.2 SOA技術(shù)架構(gòu)

SOA體系架構(gòu)如圖1所示，包括3個(gè)角色：服務(wù)提供者，服務(wù)請(qǐng)求者和服務(wù)注冊(cè)器[2]。角色之間主要有3種操作:發(fā)布、查找和綁定。服務(wù)注冊(cè)包括對(duì)服務(wù)的描述，服務(wù)提供者包含服務(wù)描述和為服務(wù)請(qǐng)求者提供服務(wù)。

圖1 SOA技術(shù)架構(gòu)

服務(wù)描述是實(shí)現(xiàn)SOA的松耦合性的基礎(chǔ)之一，通過(guò)服務(wù)描述定義了服務(wù)提供者和服務(wù)消費(fèi)者之間的服務(wù)契約的主要內(nèi)容[3]。服務(wù)契約要求是無(wú)歧義的和定義良好的服務(wù)接口。一般服務(wù)契約使用WSDL來(lái)描述。服務(wù)發(fā)現(xiàn)（包括注冊(cè)和查找操作）需要有一個(gè)服務(wù)注冊(cè)中心，用戶存儲(chǔ)、查詢和版本化服務(wù)描述信息。服務(wù)注冊(cè)中心需要提供分類管理能力，利用分類能力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的搜索。服務(wù)注冊(cè)中心的實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以有多種，包括：UDDI、LDAP、數(shù)據(jù)庫(kù)和文件方式。另外，SOA架構(gòu)中還包括服務(wù)管理、服務(wù)安全和服務(wù)質(zhì)量等內(nèi)容，這些SOA都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。

2.3 SOA技術(shù)設(shè)計(jì)

SOA的核心是服務(wù)，服務(wù)的概念進(jìn)一步提高了抽象的水平，它的最終目的是逾越業(yè)務(wù)和軟件實(shí)現(xiàn)之間的鴻溝。在抽象層次上，服務(wù)位于業(yè)務(wù)和技術(shù)中間。面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)一方面必須理解在業(yè)務(wù)需求和可以提供的服務(wù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，另一方面，要理解服務(wù)與提供這些服務(wù)的底層技術(shù)之間的關(guān)系[4]。SOA設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)服務(wù)，服務(wù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)[5]；服務(wù)的粒度要恰當(dāng)，服務(wù)之間的關(guān)系清晰；服務(wù)要能夠適應(yīng)業(yè)務(wù)的變化；服務(wù)接口設(shè)計(jì)要標(biāo)準(zhǔn)，接口設(shè)計(jì)要固定。

3 基于SOA衛(wèi)星管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)的衛(wèi)星管控系統(tǒng)功能組成

衛(wèi)星管控系統(tǒng)受理各類用戶的衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)需求，針對(duì)各類衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用模式和特點(diǎn)，綜合統(tǒng)籌規(guī)劃衛(wèi)星平臺(tái)和各類載荷資源，調(diào)度地面接收資源、中繼資源、數(shù)據(jù)傳輸資源和業(yè)務(wù)測(cè)控資源等，實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)任務(wù)的控制執(zhí)行[6]。同時(shí)，負(fù)責(zé)監(jiān)視平臺(tái)及載荷狀態(tài)，指揮調(diào)度地面系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行，保障星地系統(tǒng)正常運(yùn)行。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星資源的規(guī)劃與任務(wù)控制，確保星地資源的高效合理應(yīng)用。衛(wèi)星管控系統(tǒng)主要包括指揮調(diào)度、任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定、載荷控制、狀態(tài)監(jiān)視和星地資源管理等主要功能，衛(wèi)星管控系統(tǒng)的功能組成及與業(yè)務(wù)用戶的關(guān)系如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星管控系統(tǒng)功能組成及與業(yè)務(wù)用戶關(guān)系

衛(wèi)星管控系統(tǒng)的功能如下：

①指揮調(diào)度：主要完成任務(wù)受理和分析，指揮調(diào)度衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行，協(xié)調(diào)測(cè)控和中繼任務(wù)，高效調(diào)度各類業(yè)務(wù)計(jì)劃實(shí)施。指揮調(diào)度一般通過(guò)預(yù)先制定的工作計(jì)劃按時(shí)間控制業(yè)務(wù)的運(yùn)行，當(dāng)業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常時(shí)，指揮調(diào)度及時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行干預(yù)，保障業(yè)務(wù)的順利進(jìn)行；

②任務(wù)規(guī)劃：負(fù)責(zé)對(duì)觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行分類和分解，綜合對(duì)地觀測(cè)任務(wù)、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)及載荷資源使用情況等信息，完成任務(wù)分解和匯總。針對(duì)不同的任務(wù)規(guī)劃模型實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)任務(wù)綜合統(tǒng)籌規(guī)劃，根據(jù)任務(wù)需要和資源狀態(tài)分配星地資源，進(jìn)行資源優(yōu)化，消除星間任務(wù)沖突、載荷任務(wù)沖突以及數(shù)據(jù)傳

輸和地面站數(shù)據(jù)接收沖突等，生成衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)方案；

③計(jì)劃制定：針對(duì)衛(wèi)星及載荷約束和應(yīng)用特點(diǎn)，編制各衛(wèi)星工作業(yè)務(wù)計(jì)劃；另外編制地面接收站和中繼衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，編制衛(wèi)星指令上行注入的業(yè)務(wù)測(cè)控計(jì)劃等。通過(guò)約束檢驗(yàn)和計(jì)劃仿真推演驗(yàn)證計(jì)劃的正確性和可執(zhí)行性，保障系統(tǒng)業(yè)務(wù)的順利完成；

④載荷控制：依據(jù)衛(wèi)星工作業(yè)務(wù)計(jì)劃，按照不同衛(wèi)星的指令格式和使用約束編制載荷控制指令，通過(guò)指令約束檢驗(yàn)和指令反演對(duì)載荷控制指令的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)；

⑤狀態(tài)監(jiān)視：接收解析衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)視衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的運(yùn)行狀態(tài)；監(jiān)視地面系統(tǒng)設(shè)備和主要業(yè)務(wù)執(zhí)行狀況；

⑥星地資源管理：管理維護(hù)各類資源信息和系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)信息，為系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。星地資源管理實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源、有效載荷資源、測(cè)控資源、中繼資源和地面站資源等各類星地資源信息管理維護(hù)。

3.2 衛(wèi)星管控系統(tǒng)基于SOA技術(shù)的改進(jìn)

基于SOA技術(shù)架構(gòu)，對(duì)管控系統(tǒng)的功能進(jìn)行重新梳理組織，對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)功能進(jìn)行封裝，提供給衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用者，管控系統(tǒng)內(nèi)部軟件也通過(guò)調(diào)用相應(yīng)服務(wù)進(jìn)行功能重用。改進(jìn)后的衛(wèi)星管控系統(tǒng)的功能組成及與業(yè)務(wù)用戶的關(guān)系如圖3所示，圖中虛線箭頭表示調(diào)用關(guān)系。

圖3 衛(wèi)星管控系統(tǒng)功能組成及與業(yè)務(wù)用戶關(guān)系

下面對(duì)業(yè)務(wù)功能的封裝進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

①星地資源管理：對(duì)星地資源管理的查詢功能進(jìn)行封裝，這樣用戶端也可以查看到當(dāng)前星地資源信息，了解衛(wèi)星平臺(tái)及有效載荷詳細(xì)的工作能力及使用約束，掌握地面站及中繼衛(wèi)星接收資源發(fā)布情況；

②指揮調(diào)度：在保留用戶提交衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)請(qǐng)求能力的基礎(chǔ)上，增加提交衛(wèi)星控制任務(wù)的能力。當(dāng)用戶端對(duì)星地資源掌握足夠詳細(xì)，就具備針對(duì)自已對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)需求提出非常具體明確的控制要求的能力，可以向衛(wèi)星管控系統(tǒng)就衛(wèi)星具體開(kāi)機(jī)時(shí)間、工作參數(shù)和數(shù)據(jù)下傳時(shí)間等提出控制要求，很明顯相對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)請(qǐng)求，衛(wèi)星控制要求更準(zhǔn)確地反映了用戶需求；

③任務(wù)規(guī)劃：對(duì)規(guī)劃算法進(jìn)行封裝，提供用戶端調(diào)用，用戶可以就自已的任務(wù)需求進(jìn)行初步規(guī)劃，掌握資源分配情況，便于提出衛(wèi)星控制任務(wù)；

④計(jì)劃制定：對(duì)計(jì)劃查詢功能進(jìn)行封裝，用戶端可以查看最終的星地資源工作計(jì)劃，掌握資源配置情況；

⑤載荷控制：載荷控制功能用戶端不需要接觸；

⑥狀態(tài)監(jiān)視：對(duì)狀態(tài)監(jiān)視部分功能進(jìn)行封裝，便于用戶端及時(shí)掌握衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)的執(zhí)行情況和觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取情況。

經(jīng)過(guò)改造后，業(yè)務(wù)用戶保留原先與衛(wèi)星管控系統(tǒng)的接口功能，還可以通過(guò)調(diào)用管控系統(tǒng)封裝的公用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)星地資源查看、工作計(jì)劃查看和業(yè)務(wù)監(jiān)視等功能，及時(shí)掌握上述信息后，調(diào)用管控系統(tǒng)提供的規(guī)劃服務(wù)，可根據(jù)觀測(cè)任務(wù)需求生成衛(wèi)星控制任務(wù)要求，提交衛(wèi)星管控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用SOA技術(shù)理念，對(duì)衛(wèi)星管控系統(tǒng)的功能組成進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，這種改進(jìn)是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能重組，充分利用已有資源，進(jìn)行再組織再封裝，不僅可以提高系統(tǒng)內(nèi)部軟件的重用性，更重要的是可以改進(jìn)衛(wèi)星管控系統(tǒng)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)用戶之間的交互方式，使得用戶可以更貼近衛(wèi)星及載荷，業(yè)務(wù)操作體驗(yàn)好像是在對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行直接控制，這種使用方式對(duì)應(yīng)急情況和臨時(shí)任務(wù)非常高效，縮短了用戶與衛(wèi)星控制之間的距離，提高系統(tǒng)運(yùn)行效能。

[1]張敏輝．SOA架構(gòu)的工作流管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化,2012,31(1)：126-128．

[2]孫豐,段慧芬,薛倡新．基于SOA的質(zhì)量管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．工業(yè)工程,2010,29(6)：66-69．

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[4]Erl T．SOA概念、技術(shù)與設(shè)計(jì)[M]．王滿紅,陳榮華,譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006．

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Design on Satellite Ground Control System Based on SOA

LIU Hong-gang
(The 54th Research Institute ofCETC,Shijiazhuang Hebei050081,China)

This paper studies the characteristics and architecture of Service-O riented Architecture(SOA)technology,analyzes the function componentsofearth observation satellite ground controlsystem based on SOA idea,improvesand packagesthe existing functions of control system to provide the services such as satellite-ground resource query and operating statesquery for satellite observation data users,and accepts the satellite controlm ission requirementsproposed by satellite usersto allow them to directly access the data required by satellite observation.In thisway,the interaction between satellite data user and satellite control system aswell as the quick reaction capability ofsystem are improved.

SOA;W ebService;system architecture;m ission control

TP399

A

1008-1739（2014）13-49-3

定稿日期：2014-06-12