基于XTCE的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

邢瑩 師本慧 陳金勇

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊 050081）

基于XTCE的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

邢瑩 師本慧 陳金勇

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊 050081）

針對衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視任務(wù)不斷增加的多樣性和復(fù)雜性，衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺的設(shè)計越來越復(fù)雜，介紹基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言的遙測遙控信息交換（XTCE）標(biāo)準(zhǔn)，提出分層的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺架構(gòu)。該平臺將XTCE作為衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)交換的統(tǒng)一格式，采用“平臺+插件”的思想對基于XTCE的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺進(jìn)行體系架構(gòu)設(shè)計，以降低各個模塊之間的耦合度，簡化了衛(wèi)星數(shù)據(jù)交換格式轉(zhuǎn)換流程，提升整個平臺的可擴(kuò)展性和通用性，減少項(xiàng)目的研發(fā)周期和成本。

XTCE 衛(wèi)星數(shù)據(jù) “平臺/插件” 狀態(tài)監(jiān)視

1 引言

隨著航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星和有效載荷的種類和數(shù)量都在不斷的增長，衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視任務(wù)也越來越復(fù)雜，研發(fā)周期和成本也在不斷增長，對衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺的處理效率、通用性和易擴(kuò)展性的要求也越來越高。傳統(tǒng)衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視對衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)格式的描述均是根據(jù)不同的衛(wèi)星和有效載荷定制的，不同衛(wèi)星采用了大量不同的工具和技術(shù)，導(dǎo)致每個衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺在數(shù)據(jù)處理和軟件研制等方面的工作量很大，不利于衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)研制過程中不同組織或部門之間的遙測數(shù)據(jù)交換。

XTCE(XML Telemetric and Command Exchange)[1,2]是對象組織管理最初于2003年制訂了一套國際化的空間遙測和遙控數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，保證了空間遙測和遙控數(shù)據(jù)交換的一致性。因而XTCE在衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺中的應(yīng)用，是航天地面系統(tǒng)、航天器設(shè)計和研制的重要環(huán)節(jié)[3]。

根據(jù)某系列衛(wèi)星的狀態(tài)監(jiān)視需求，設(shè)計了一種通用可擴(kuò)展的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺，該平臺采用XTCE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為遙測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一格式，構(gòu)建了“平臺+插件”的體系架構(gòu)，并針對不同的衛(wèi)星狀態(tài)顯示需求設(shè)計實(shí)現(xiàn)了功能插件，給出了具體示例。

2 XTCE對遙測數(shù)據(jù)的描述

XTCE是以XML技術(shù)為基礎(chǔ)，定義空間任務(wù)遙控和遙測數(shù)據(jù)格式的交換標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了遙測和遙控的元數(shù)據(jù)邏輯存儲結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用在航天器、有效載荷和地面支持系統(tǒng)生命期（系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、測試、驗(yàn)證和任務(wù)實(shí)施）的各個階段[4,5]，實(shí)現(xiàn)遙測遙控信息在航天任務(wù)各系統(tǒng)間無縫對接。

XTCE是以SpaceSystem為根元素，樹狀層次化的結(jié)構(gòu)。XTCE的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)又被稱為XTCE Schema。XTCE Schema的實(shí)例,即遙測和遙控數(shù)據(jù)配置文件,都是以根元素SpaceSystem開始，每個SpaceSystem元素有6個部分。在以XTCE定義的Schema為根據(jù)設(shè)計衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，需要涉及以下方面的內(nèi)容：對空間系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計、對遙測數(shù)據(jù)的設(shè)計、對遙控指令的設(shè)計以及對遙測遙控規(guī)則的服務(wù)集的設(shè)計[7]。

在使用XTCE標(biāo)準(zhǔn)定義遙測遙控數(shù)據(jù)時，需要先規(guī)定參數(shù)集的結(jié)構(gòu)，依次按各個參數(shù)屬性對數(shù)據(jù)類型、長度以及編碼等進(jìn)行細(xì)化。在配置遙測文件時，需按照測控數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大綱編寫數(shù)據(jù)傳輸幀和數(shù)據(jù)包的格式，在XTCE中定義數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，設(shè)置其名稱、長度、遙測類型和應(yīng)用通道標(biāo)示符等，并于容器元素（xtce:SequenceContainer）分別定義幀、包的結(jié)構(gòu)，如主導(dǎo)頭、數(shù)據(jù)區(qū)、運(yùn)行控制區(qū)和幀差錯控制區(qū)等。

在配置遙測數(shù)據(jù)時，需要設(shè)置參數(shù)類型集（xtce：ParameterTypeSet）、參數(shù)集（xtce：ParameterSet）以及封裝各參數(shù)的容器集（xtce：ContainerSet）的內(nèi)容。在參數(shù)集中描述了遙測參數(shù)名稱、類型以及關(guān)聯(lián)參數(shù)和物理地址等屬性，容器作為對遙測參數(shù)的封裝定義了其包含參數(shù)的結(jié)構(gòu)關(guān)系和排列順序。

XTCE中使用xtce：DefaultAlarm元素來描述參數(shù)的報警范圍屬性，共定義了WatchWarningDistressCriticalSevere五種報警級別。XTCE還提供xtce：AlarmConditions元素來描述各個報警級別的成立條件，成立條件可以和一或多個參數(shù)關(guān)聯(lián)，也可以使用布爾表達(dá)式、逆波蘭表達(dá)式以及自定義算法進(jìn)行描述。

在衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式中，存在大量需要對遙測參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系描述的情況。XTCE中定義了xtce：InclusionCondition元素來描述這種參數(shù)處理方法，常見關(guān)聯(lián)關(guān)系的包含條件描述方法有布爾表達(dá)式判斷、單一條件判斷以及列表?xiàng)l件判斷。

3 基于代理的WBM系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)基于代理的WBM方案模型，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)3個部分的功能，分別是Web服務(wù)器、WBM應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)管理平臺，為保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，Web服務(wù)器采用MVC設(shè)計模式，WBM應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)管理平臺組合到一起，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，整個系統(tǒng)的框架如圖2所示。

圖2 XTCE在測數(shù)據(jù)處理顯示流程中應(yīng)用示意圖

一般遙測數(shù)據(jù)處理流程為包含接收存儲、解析處理和顯示3個階段。在接收存儲階段，從測控系統(tǒng)或地面站接收遙測數(shù)據(jù)流，解密并將原文件本地保存并入庫，判斷幀同步碼并將數(shù)據(jù)流解析處理，XTCE文件提供幀同步信息，以獲取幀標(biāo)識，將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理顯示。在解析處理過程中，需要對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯、信道分錄、載荷分包和源包重構(gòu)，然后根據(jù)XTCE提供的遙測數(shù)據(jù)格式規(guī)范解析源包中的參數(shù)數(shù)據(jù)[8]，使其具有物理意義。顯示部分通過XTCE中遙測參數(shù)結(jié)構(gòu)的定義和處理方法的描述，對遙測參數(shù)進(jìn)行列表、曲線和圖形等方法的顯示展示。

XTCE作為一種交換遙控和遙測數(shù)據(jù)格式的方法，從空間任務(wù)的研發(fā)到運(yùn)行階段的過程中，用在衛(wèi)星、載荷研制部門以及地面不同系統(tǒng)之間。將XTCE用于衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺中來描述遙測數(shù)據(jù)信息格式，可以減少各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換工作，提升系統(tǒng)工作效率，縮短任務(wù)研制周期。

4 衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺架構(gòu)設(shè)計

按照建立可重組重構(gòu)的柔性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，將衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺進(jìn)行分層建模，構(gòu)建監(jiān)視平體系架構(gòu)，分為交互層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)資源層和支撐層。從總體概念角度看，為逐層向上提供服務(wù)與支撐的機(jī)制。交互層向用戶展示遙測數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行人機(jī)交互，業(yè)務(wù)層與測控系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺的體系架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺的體系架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)計要求，在分析衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)“平臺+插件”思想設(shè)計平臺功能，為各衛(wèi)星有效載荷狀態(tài)等監(jiān)視顯示提供統(tǒng)一的平臺框架[9-12]和公共功能，如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺框架

衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺集成插件管理功能，為某衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視和參數(shù)統(tǒng)計分析等業(yè)務(wù)層插件提供數(shù)據(jù)文件處理、插件通信和插件接口規(guī)范等支持。平臺是整個系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)[13]，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視的通用功能，擴(kuò)展性處理及顯示功能則以插件的方式來實(shí)現(xiàn)。各個擴(kuò)展功能插件之間，以及平臺與插件之間集成與協(xié)調(diào)工作則由平臺管理支持實(shí)現(xiàn)。平臺最基本的功能和服務(wù)[14]由平臺內(nèi)核、插件管理、插件加載及插件公用服務(wù)4部分實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)提供插件注冊和加載等功能。

5 衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺的實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺被應(yīng)用于某空間科學(xué)專項(xiàng)任務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)中，將實(shí)時遙測數(shù)據(jù)或科學(xué)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果用于監(jiān)視各個衛(wèi)星平臺和有效載荷在軌運(yùn)行狀態(tài)、通過衛(wèi)星參數(shù)信息對衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行綜合判讀及提供對參數(shù)的統(tǒng)計分析，其主要由衛(wèi)星數(shù)據(jù)支撐和衛(wèi)星專用顯示2部分組成。衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺界面如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺界面

數(shù)據(jù)處理插件通過讀取參數(shù)處理結(jié)果和科學(xué)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，根據(jù)XTCE中參數(shù)處理方法和判讀規(guī)則，將處理結(jié)果數(shù)據(jù)返回給衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺。

衛(wèi)星顯示插件獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)支撐模塊的處理結(jié)果，用列表或曲線圖等方式對衛(wèi)星平臺狀態(tài)和有效載荷狀態(tài)等進(jìn)行展示。衛(wèi)星專用顯示軟件提供參數(shù)頁面的定制功能，根據(jù)配置信息獲取數(shù)據(jù)處理插件的數(shù)據(jù)支撐，該過程通過通信插件實(shí)現(xiàn)，多參數(shù)統(tǒng)計分析的界面如圖6所示。

6 結(jié)束語

目前在航天地面支持系統(tǒng)中，衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺一般都是根據(jù)衛(wèi)星和有效載荷定制設(shè)計的，存在著系統(tǒng)自動化、智能化程度低與系統(tǒng)通用性差等問題。提出了用XTCE作為遙測數(shù)據(jù)交換的統(tǒng)一格式，基于“平臺+插件”思想設(shè)計的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺，搭建衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺體系架構(gòu)，為遙測數(shù)據(jù)的顯示功能以插件的形式提供擴(kuò)展，有效地提升了系統(tǒng)平臺的健壯性和可復(fù)用性，大大減少了新任務(wù)的開發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視平臺的快速開發(fā)和高效運(yùn)行。

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Design and Implementation of Satellite Status Monitoring Platform Based on XTCE

XING Ying,SHI Ben-hui,CHEN Jin-yong
(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

With the continuous increasing of diversity and complexity of satellite status monitoring tasks,the design on satellite status monitoring platform becomes more and more complex.This paper introduces the XML Telemetric and Command Exchange(XTCE) standard and proposes the hierarchical architecture of satellite status monitoring platform.This platform takes the XTCE as the unified form of satellite telemetry data exchange,and uses the idea of platform and plug-in to design the system architecture of satellite status monitoring platform based on XTCE,in order to reduce the coupling degree among components,simplify the format conversion process of satellite data exchange,improve the extendibility and universality of whole platform and decrease the development cycle and cost of project.

XTCE;satellite data;platform and plug-in;status monitoring

TP319

A

1008-1739（2014）24-55-4

定稿日期：2014-11-26