支持插件擴展的衛(wèi)星任務管控平臺研究

高朝暉，張 琦，陳金勇，顏 博

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)是航天地面應用系統(tǒng)業(yè)務運行的核心樞紐，但以往系統(tǒng)的研制只針對一型衛(wèi)星，基本不具備可復用性［1－3］。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星數量逐年增多，如果沿用以往的技術路線，針對每型衛(wèi)星進行任務管控系統(tǒng)研制，不僅會增加工程的開發(fā)周期、增加開發(fā)人員的負擔，還造成人力資源和財力的嚴重浪費。另外，現階段我國衛(wèi)星地面系統(tǒng)的建設采取的是增量分步驟式的開發(fā)方式，需要更改、維護大量代碼，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大打折扣。因此，提高衛(wèi)星管控系統(tǒng)的復用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性勢在必行。

結合任務管控系統(tǒng)的特點，本文重點研究“平臺/插件”軟件架構，通過剝離系統(tǒng)的基礎、核心功能和業(yè)務，構建衛(wèi)星任務管控平臺和一系列可擴展的功能插件，達到在不影響已有系統(tǒng)運行的基礎上，以插件的方式完成后續(xù)衛(wèi)星任務管控功能的擴充和維護。

1 總體設計

1.1 “平臺/插件”架構的基本原理

平臺/插件架構模型的主要思想是將待開發(fā)的目標軟件分為平臺和插件2部分，如圖1所示［4］。

圖1 平臺/插件架構的基本原理

平臺所完成的功能是系統(tǒng)的核心和基礎功能，插件所完成的是一系列定制、個性化的功能，是對平臺功能的擴展與補充［5－7］。在平臺/插件軟件架構中需定義平臺擴展接口和插件接口，平臺擴展接口實現插件向平臺方向的單向通信，插件通過平臺擴展接口可獲取主框架的各種資源和數據。插件接口為平臺向插件方向的單向通信，平臺通過插件接口調用插件所實現的功能，讀取插件處理數據等［9－11］。

1.2 衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)功能模型

衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)負責受理各用戶的任務需求，針對各類應用模式和特點，綜合統(tǒng)籌規(guī)劃各類資源等，實現觀測任務的控制執(zhí)行。同時，負責監(jiān)視平臺狀態(tài)，指揮調度地面系統(tǒng)任務的執(zhí)行，保障星地系統(tǒng)正常運行，最終實現對資源的統(tǒng)一規(guī)劃與任務控制，確保星地資源的高效合理應用，主要包括:指揮調度、任務規(guī)劃、計劃制定、衛(wèi)星控制、狀態(tài)監(jiān)視和星地資源管理等6個分系統(tǒng)。

1.3 插件擴展的衛(wèi)星任務管控平臺設計

針對衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)的功能結構特點，為了實現系統(tǒng)級的重用，基于平臺/插件軟件架構設計了支持插件擴展的衛(wèi)星任務管控平臺。該平臺具備任務管控的基本能力，具備統(tǒng)籌提供用戶需求受理、業(yè)務運行管理、任務統(tǒng)籌、多星任務綜合規(guī)劃與優(yōu)化調度、衛(wèi)星計劃編排與衛(wèi)星控制、地面站網任務管理和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等共性能力。并且，隨著后續(xù)衛(wèi)星技術狀態(tài)的變化，支持在平臺上以插件的方式，完成后續(xù)衛(wèi)星任務管控功能的擴充和維護。

本文設計的衛(wèi)星任務管控平臺由軟硬件支撐環(huán)境、基礎平臺和通用插件組成，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星任務管控平臺組成

軟硬件支撐環(huán)境提供衛(wèi)星任務管控平臺運行所需的操作系統(tǒng)、數據庫、中間件、網絡、存儲、計算和安控設備等基礎設施。

基礎平臺提供任務、資源相關的基礎服務能力，包括平臺內核、任務管理與調度服務和資源管理與調用服務。

①平臺內核:提供通用插件和專用插件調用，維護插件間的溝通、交互機制。

②任務管理與調度服務:以服務的形式與任務管理與調度插件包進行信息交換、流程對接，共同實現任務管理與調度功能。

③資源管理與調用服務:以服務的形式與各類插件包進行信息交換、流程對接，實現資源管理與調用功能。

在基礎平臺之上，通用插件提供衛(wèi)星任務管控的基本能力，包括:任務管理和調度插件包、任務統(tǒng)籌與規(guī)劃插件包、計劃優(yōu)化與編排插件包、控制與管理插件包、業(yè)務與設備狀態(tài)監(jiān)視插件包和數據設計與集成插件包。

本文設計的衛(wèi)星任務管控平臺體系架構如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星任務管控平臺體系架構

物理層提供衛(wèi)星任務管控平臺的底層支撐環(huán)境，實現數據信息的集中存儲，配置中間件和傳輸等業(yè)務專用服務器，提供集中統(tǒng)一、充分共享的計算資源、存儲資源、網絡資源和終端資源。

服務層和資源層完成平臺功能，實現物理層資源的集中管理和動態(tài)調度，搭建可繼承、可擴展集成服務總線架構，提供平臺安全控制策略和環(huán)境。

業(yè)務層基于基礎層提供的衛(wèi)星任務管控平臺所需的各類通用插件的封裝發(fā)布和集成調用，實現平臺的核心業(yè)務能力。

插件層在衛(wèi)星任務管控平臺基礎之上，提供系統(tǒng)集成與擴展必需的能力，并通過研發(fā)專業(yè)插件，調用業(yè)務層各類業(yè)務應用，實現滿足使用要求的任務管控系統(tǒng)功能。

2 需要解決的問題

2.1 衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)架構設計

基于統(tǒng)籌星地資源，提高資源利用率的要求，衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)將管理和控制由多種類型、多種型號和多顆衛(wèi)星組成的航天資源，不能再按照“一星一系統(tǒng)”進行建設，必須對現有衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)進行綜合集成，使得系統(tǒng)具備良好的擴展性，滿足星地資源統(tǒng)一分配、任務統(tǒng)一控制、接口和流程統(tǒng)一設計的要求。因此，系統(tǒng)架構設計需支持業(yè)務重構和靈活擴充，是亟需解決的問題之一。

2.2 任務規(guī)劃問題模型及求解算法

任務規(guī)劃是衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)需要解決的核心問題，而隨著我國衛(wèi)星數量的增加，任務規(guī)劃問題涉及的衛(wèi)星資源大大增加。除此之外，面臨的任務需求也由點目標偵察擴展多目標的聯合偵察。因此，相對于以往單星的點目標任務規(guī)劃問題來說，新時期的衛(wèi)星偵察任務規(guī)劃問題，無論是在技術創(chuàng)新性還是問題規(guī)模上都面臨著全新的挑戰(zhàn)［12－15］。

解決這一問題可以在面向多種復雜任務的條件下，實現對星地資源的統(tǒng)籌優(yōu)化調度，從而充分發(fā)揮多星聯合偵察效能，滿足日益復雜的任務需求。

3 關鍵技術

3.1 通用化任務管控功能平臺設計

抽取衛(wèi)星任務管控的共性功能，采用“平臺+插件”的方式構建支持插件擴展的衛(wèi)星任務管控平臺。平臺負責插件的管理，為插件提供公共功能;插件負責具體業(yè)務功能，并根據平臺規(guī)定的接口規(guī)范進行實現，插件可以隨時加載到平臺并被平臺識別。通過統(tǒng)一的技術規(guī)范，完成平臺插件的應用集成，隨著后續(xù)衛(wèi)星技術狀態(tài)的變化，在衛(wèi)星任務管控平臺上以插件化的方式，完成后續(xù)衛(wèi)星任務管控功能的擴充和維護。

3.2 多星多任務聯合規(guī)劃技術

提出分級分類規(guī)劃的思想，分析用戶需求的影響域，建立多級任務規(guī)劃機制分層進行規(guī)劃。每層有各自獨立的規(guī)劃目標和約束條件，上層規(guī)劃的結果作為下層規(guī)劃的要求，對下層任務規(guī)劃產生約束作用，上層完成下層各實體之間任務的協(xié)調調度。分層規(guī)劃將復雜問題進行集中統(tǒng)籌分配，分布式處理，大大減低了問題的復雜度與相關性。

4 系統(tǒng)測試和結果分析

在衛(wèi)星任務管控平臺設計基礎之上，進行了任務管控平臺基礎功能插件開發(fā)試驗，包括集成框架插件、數據訪問插件、權限管理插件、分布式消息隊列插件、BPEL引擎插件、日志插件和報表插件等。

針對平臺/插件體系架構，開發(fā)了任務管控平臺插件倉庫管理系統(tǒng)，可以對衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)開發(fā)中的插件進行有效的管理(包括插件的分類管理和插件的版本管理)，并能通過Web形式共享現有插件(包括插件下載和更新、插件的使用手冊等)，衛(wèi)星任務管控平臺插件倉庫如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星任務管控平臺插件倉庫

針對各型號衛(wèi)星的能力等約束條件等剝離資源服務、任務規(guī)劃算法等通用插件，形成衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)通用插件包;針對各型號衛(wèi)星類型、工作模式和軌道特性，提煉個性化專用插件，組成衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)專用插件包。在此基礎之上，統(tǒng)籌考慮衛(wèi)星資源、地面資源，完成衛(wèi)星任務管控平臺搭建，如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星任務管控平臺集成界面

從圖4中可以看出，衛(wèi)星任務管控平臺插件倉庫具備對開發(fā)的插件進行分類管理的能力，具備插件說明文檔和插件信息的可視化編輯能力，方便插件的維護等日常操作。

從圖5中可以看出，衛(wèi)星任務管控平臺具備二維和三維可視化展示衛(wèi)星觀測范圍、觀測時間的能力;具備可視化展示接收、測控、中繼和傳輸等地面資源的能力;具備指揮調度、任務規(guī)劃、計劃制定和衛(wèi)星控制等管控的基本能力;具備統(tǒng)籌星地資源進行聯合任務規(guī)劃的能力;具備依據時間軸進行任務規(guī)劃和計劃的仿真能力;對人機交互界面、平臺的智能化操作進行大幅優(yōu)化，提高了星地資源的利用率。

5 結束語

針對衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)復用率低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差和星地資源利用率不足等問題，在平臺/插件軟件架構的基礎上，結合衛(wèi)星任務管控的特點，設計了支持插件擴展的衛(wèi)星任務管控平臺。在衛(wèi)星任務管控平臺中，插件具有熱插拔、物理隔離和動態(tài)特性，插件互相隔離，不同的插件可以有不同的版本，獨立開發(fā)、部署和測試，且對插件的更改不會影響到其他插件的行為，方便維護升級。

［1］ 王士成．衛(wèi)星運行控制系統(tǒng)混合模式架構研究［J］．無線電工程，2013，43(3):1 －3．

［2］ 張正強，郭建恩，王 鵬．基于AHP的遙感衛(wèi)星任務規(guī)劃效能評價方法［J］．無線電工程，2012，42(1):36－39．

［3］ 周 冰，李緒志．插件結構軟件在衛(wèi)星地面系統(tǒng)中的應用［J］．計算機工程，2010，36(2):56 －57．

［4］ 李俊娥，周洞汝．“平臺/插件”軟件體系結構風格［J］．小型微型計算機系統(tǒng)，2007，28(5):876－881．

［5］ 戴仔強，金曉雪，余 俊．基于插件的表現集成技術［J］．指揮信息系統(tǒng)與技術，2013，4(1):38 －42．

［6］ 郭 娜，黃永平，吳學義，等．基于插件的動態(tài)模塊框架研究［J］．吉林大學學報，2008，26(1):69 －75．

［7］ 孫昌愛，金茂忠，劉 超．軟件體系結構研究綜述［J］．軟件學報，2002，13(7):1 228 －1 235．

［8］ 張勝文，劉金菊，放信峰．基于平臺/插件軟件架構的CAPP 系統(tǒng)研究［J］．江蘇科技大學學報，2009，23(2):133－137．

［9］ 張 謙，賈永紅．基于平臺/插件軟件架構的多源遙感影像融合系統(tǒng)設計［J］．遙感技術與應用，2010，25(3):394－398．

［10］ HU X L，YE B．Research on Software Architecture Based on Plug－In Technology［C］∥Proceeding of the 7th International Conference on System of Systems Engineering，2012:277－279．

［11］ LILIANA D，EILA N．A Survey on Software Architecture Analysis Methods［J］．IEEE Transactions on Software Engineering，2002，28(7):638 －653．

［12］沈 玉．MF－TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)網絡規(guī)劃技術研究［J］．無線電通信技術，2014，40(4):11 －14．

［13］楊詠建，祝勝強．態(tài)勢標繪系統(tǒng)設計分析［J］．無線電通信技術，2012，38(1):52 －55．

［14］潘鞘劍，周裝輕，賀仁杰，等．多星多載荷聯合調度問題建模研究［J］．科學技術與工程，2011，11(29):7 174－7 178．

［15］張正強，郭建恩，阮啟明．面向區(qū)域目標的遙感衛(wèi)星任務規(guī)劃算法［J］．無線電工程，2009，39(9):40－43．