測(cè)控設(shè)備運(yùn)行流程遠(yuǎn)程定制技術(shù)研究

黨　琦，董廣然，茍茹君，秦　勃

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043；

2.航天器在軌故障診斷與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

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測(cè)控設(shè)備運(yùn)行流程遠(yuǎn)程定制技術(shù)研究

黨琦1,2，董廣然1，茍茹君1，秦勃1,2

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043；

2.航天器在軌故障診斷與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

摘要針對(duì)我國(guó)航天測(cè)控設(shè)備監(jiān)控軟件采用固定的自動(dòng)化流程，提出了一種遠(yuǎn)程流程定制的方法，設(shè)計(jì)了基于Lua的自動(dòng)化流程架構(gòu)。通過(guò)分析研究設(shè)備的自動(dòng)化流程，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)及腳本執(zhí)行效率進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明提出的方法可行。Lua腳本和C++語(yǔ)言的效率比在一個(gè)量級(jí)之內(nèi)，完全勝任航天測(cè)控領(lǐng)域?qū)崟r(shí)任務(wù)對(duì)測(cè)控流程的性能需求。這種方法能減少軟件的重復(fù)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精細(xì)化操作。

關(guān)鍵詞腳本語(yǔ)言；測(cè)控設(shè)備；流程定制；自動(dòng)化運(yùn)行；Lua

0引言

流程是測(cè)控設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行的核心。我國(guó)航天測(cè)控設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行是固定過(guò)程的自動(dòng)化運(yùn)行，設(shè)備以測(cè)控計(jì)劃為依據(jù)，按照時(shí)間段劃分為若干個(gè)自動(dòng)化運(yùn)行流程。這種方式在單站跟蹤時(shí)能夠較好地完成任務(wù)，但是當(dāng)需要多站接力測(cè)控或需要調(diào)整某個(gè)自動(dòng)化運(yùn)行流程時(shí)，就凸現(xiàn)出固定過(guò)程的缺陷：

① 多站接力跟蹤。測(cè)控設(shè)備自動(dòng)按照固定過(guò)程運(yùn)行，完成雙捕后自動(dòng)加上行，這會(huì)對(duì)前站上行造成影響。此時(shí)需要人工對(duì)后跟蹤的設(shè)備進(jìn)行操作，以降低對(duì)前站設(shè)備影響的程度。隨著發(fā)射任務(wù)越來(lái)越密集，這種方式已經(jīng)不適應(yīng)任務(wù)要求，嚴(yán)重影響了測(cè)控網(wǎng)自動(dòng)化運(yùn)行的工作進(jìn)程。

② 設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行流程調(diào)整。測(cè)控資源監(jiān)控軟件由設(shè)備研制部門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，自動(dòng)化流程為固定過(guò)程，要對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化或更改時(shí)，需要對(duì)所有的測(cè)控設(shè)備監(jiān)控分系統(tǒng)軟件進(jìn)行修改和測(cè)試，涉及面廣、人員工作強(qiáng)度大，工作效率低、影響域大，并且無(wú)法滿足多種應(yīng)急預(yù)案的實(shí)施。

針對(duì)上述問(wèn)題提出了一種基于Lua構(gòu)建測(cè)控設(shè)備控制流程引擎的方法，實(shí)現(xiàn)測(cè)控設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行流程的動(dòng)態(tài)調(diào)整，增強(qiáng)測(cè)控設(shè)備的適應(yīng)性。

1Lua

Lua語(yǔ)言小巧、高效，能很好地與C語(yǔ)言一起工作[1,2]，屬嵌入式腳本語(yǔ)言，它與PHP、Tcl、Perl、JavaScript和Python等不同，支持?jǐn)?shù)據(jù)描述機(jī)制擴(kuò)展功能[2]，具有以下特點(diǎn)：

① 輕量級(jí)。Lua官方版本只包括一個(gè)精簡(jiǎn)的核心和最基本的庫(kù)，體積小、啟動(dòng)速度快，適合嵌入到別的程序里[3]。

② 可擴(kuò)展。Lua以簡(jiǎn)潔的API實(shí)現(xiàn)與宿主語(yǔ)言的接口，可通過(guò)宿主語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)許多擴(kuò)展功能，且在所有操作系統(tǒng)和平臺(tái)上都可以編譯和運(yùn)行[4]。

③ 配置功能。Lua可以作為普通的配置文件，代替XML和INI等文件，容易理解和維護(hù)，并能以函數(shù)形式來(lái)控制變量等之間的邏輯關(guān)系，具有更大的靈活性[5]。

④ Lua具備自動(dòng)內(nèi)存管理，提供多線程支持功能。

由此可見(jiàn)，Lua很適合嵌入式流程定制技術(shù)中的設(shè)備控制語(yǔ)言的設(shè)計(jì)。

2航天測(cè)控設(shè)備自動(dòng)流程分析

測(cè)控設(shè)備的監(jiān)控分系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、工作參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)配置、自檢、測(cè)試、標(biāo)校以及跟蹤測(cè)控等任務(wù)[6]。

正常情況下，監(jiān)控分系統(tǒng)接收任務(wù)中心發(fā)送的測(cè)控計(jì)劃，根據(jù)計(jì)劃分解生成單圈次或多圈次的工作流程，包括系統(tǒng)自檢、設(shè)備標(biāo)校、轉(zhuǎn)等待點(diǎn)、捕獲跟蹤和事后處理等[7-9]。系統(tǒng)的基本工作流程如圖1所示，其中T0為測(cè)控計(jì)劃中的跟蹤開(kāi)始時(shí)間。自動(dòng)化運(yùn)行流程一旦中斷，后續(xù)工作只能通過(guò)設(shè)備監(jiān)控客戶端手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)。

圖1　基于計(jì)劃驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化運(yùn)行流程

3基于Lua的自動(dòng)化流程架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1測(cè)控設(shè)備自動(dòng)流程分解

測(cè)控設(shè)備自動(dòng)化流程實(shí)際上是一種業(yè)務(wù)流程，可以被定義為一個(gè)由各種不同功能的活動(dòng)組成的一系列相互關(guān)聯(lián)的任務(wù)，依照一定的業(yè)務(wù)邏輯和順序依次執(zhí)行，業(yè)務(wù)流程管理正在迅速成為軟件開(kāi)發(fā)獲得敏捷性和適應(yīng)性的重要方法[10]。測(cè)控設(shè)備任務(wù)執(zhí)行過(guò)程的自動(dòng)化程度取決于系統(tǒng)是否支持流程可定制、可更改和可運(yùn)行的目標(biāo)。

現(xiàn)有測(cè)控設(shè)備的自動(dòng)化流程相當(dāng)于一種程序化的流程，一旦流程運(yùn)行中斷，后續(xù)的所有工作，都需要操作員在監(jiān)控客戶端以監(jiān)控命令的方式手動(dòng)操作。還有，當(dāng)要對(duì)給定的流程進(jìn)行調(diào)整，需要更動(dòng)監(jiān)控分系統(tǒng)的程序，影響域比較大，因此考慮采用流程定制的方式，遠(yuǎn)程對(duì)流程進(jìn)行控制和維護(hù)，以增強(qiáng)設(shè)備的適應(yīng)性。

依據(jù)前面對(duì)測(cè)控設(shè)備自動(dòng)化流程的分析，將自動(dòng)化流程分解為以下6個(gè)子流程，如圖2所示。

圖2　測(cè)控設(shè)備自動(dòng)化流程分解

對(duì)于?fi，?sik與之對(duì)應(yīng)，sik包含OP的一個(gè)子集及對(duì)應(yīng)的邏輯判斷。

測(cè)控設(shè)備流程執(zhí)行過(guò)程如圖3所示。

圖3　流程執(zhí)行過(guò)程

本文選用Lua作為腳本語(yǔ)言，用其定義測(cè)控設(shè)備各個(gè)自動(dòng)化子流程，由此提高系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性和高效性。

3.2流程引擎架構(gòu)設(shè)計(jì)

流程引擎的主要功能是執(zhí)行業(yè)務(wù)流程，而業(yè)務(wù)流程是指包含那些為用戶創(chuàng)造價(jià)值的行為[11]，流程引擎設(shè)計(jì)的好壞、效率高低直接影響到整個(gè)業(yè)務(wù)流程管理的性能高低。

流程引擎架構(gòu)如圖4所示。

圖4　流程引擎架構(gòu)

本文將流程引擎分為以下5個(gè)部分：

① 遠(yuǎn)程通信。負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程中心之間的信息交互，接收遠(yuǎn)程中心的流程配置和查詢命令，接收遠(yuǎn)程中心發(fā)送的流程腳本文件，接收遠(yuǎn)程中心的控制命令。

② 流程管理。包括流程裝訂和流程存儲(chǔ)2部分功能，負(fù)責(zé)完成遠(yuǎn)程腳本文件的存儲(chǔ)和驗(yàn)證，為流程執(zhí)行提供流程索引服務(wù)。

③ 流程執(zhí)行。包括流程加載、流程解析和流程控制3部分功能，負(fù)責(zé)流程的解析執(zhí)行和執(zhí)行控制。

④ 流程存儲(chǔ)。包括設(shè)備原子操作動(dòng)態(tài)庫(kù)、腳本文件以及腳本與流程之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的配置文件。

⑤ 流程監(jiān)視。負(fù)責(zé)展示流程的執(zhí)行過(guò)程，為流程執(zhí)行過(guò)程中的控制操作提供輔助支持。

3.3腳本與引擎交互方式

3.3.1通過(guò)堆棧的交互

Lua通過(guò)虛擬機(jī)內(nèi)部的堆棧實(shí)現(xiàn)與宿主語(yǔ)言之間的交互。Lua提供了對(duì)堆棧操作的API，包括出入棧操作以及通過(guò)索引值隨機(jī)讀寫(xiě)棧元素[12]。

3.3.2Lua調(diào)用引擎函數(shù)

Lua調(diào)用函數(shù)采用了函數(shù)指針的形式，在C++中定義函數(shù)時(shí)要遵守一定的規(guī)則。

Lua可通過(guò)棧傳遞無(wú)窮個(gè)參數(shù)。當(dāng)Lua調(diào)用引擎函數(shù)的時(shí)候，使用和引擎調(diào)用Lua相同類型的棧來(lái)交互。獲取某變量值的代碼段如下：

static intLuaCallC(1ua_State *LState)

{

int d = luaL_checknumber(LState,1)；//檢查值

lua_pushnumber(Lstatue,d)；//值入棧

return1;

}

3.3.3引擎調(diào)用Lua函數(shù)

Lua通過(guò)棧傳遞參數(shù)及返回值。引擎調(diào)用Lua函數(shù)時(shí)，先把這個(gè)函數(shù)壓入棧，然后順序壓入所有參數(shù)，函數(shù)返回后，返回值存放在棧中[10]。

例如在Globa1.1ua文件中有設(shè)置UI窗口內(nèi)容的Lua函數(shù)如下：

function SetWindowText(win,txtContent)

Ken_ApiManager.SetWindowText(win,txtContent)

Return 1

end

4測(cè)試與分析

測(cè)試環(huán)境：計(jì)算機(jī)采用Intel Core i7 CPU，主頻3.4 GHz，內(nèi)存3G，支持工具為L(zhǎng)ua-5.2.2。

4.1功能驗(yàn)證

根據(jù)前面的論述，以現(xiàn)有測(cè)控設(shè)備監(jiān)控客戶端程序?yàn)榛A(chǔ)，對(duì)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行流程遠(yuǎn)程定制進(jìn)行了技術(shù)上的驗(yàn)證。主體功能包括：

① 自動(dòng)化運(yùn)行流程測(cè)試腳本開(kāi)發(fā)：對(duì)應(yīng)6個(gè)自動(dòng)化運(yùn)行過(guò)程，分別編制了以下6個(gè)腳本文件：

SetParameter.lua設(shè)置任務(wù)參數(shù)

AngleAdjust.lua角度標(biāo)校

DistanceAdjust.lua距離校零

Guide.lua轉(zhuǎn)等待點(diǎn)

Track.lua跟蹤

Aftertrack.lua事后處理

按照?qǐng)D1實(shí)現(xiàn)了一個(gè)順序執(zhí)行的自動(dòng)化運(yùn)行腳本，在對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)調(diào)用設(shè)置任務(wù)參數(shù)、角度標(biāo)校、距離校零、轉(zhuǎn)等待點(diǎn)、跟蹤和事后處理等6個(gè)自動(dòng)化運(yùn)行流程，按照順序及時(shí)間符合執(zhí)行6個(gè)腳本的C++代碼片段如下：

……

lua_State *m_plua;

PlanTime = GetPlanTime();//讀取計(jì)劃時(shí)間

while(TRUE)

{

CurrentTime = GetLocalTime();

DiffTime = Difftime(CurrentTime,PlanTime);

if(DiffTime <= 300)

{//執(zhí)行任務(wù)參數(shù)設(shè)置流程

dofile(“SetParameter.lua”);

}

else if(DiffTime <= 240)

{//執(zhí)行角度標(biāo)校流程

luaL_dofile(m_plua,“AngleAdjust.lua”);

}

else if(DiffTime <= 180)

{//執(zhí)行距離校零流程

luaL_dofile(m_plua,“DistanceAdjust.lua”);

}

else if(DiffTime <= 60)

{

luaL_dofile(m_plua,“Guide.lua”);//執(zhí)行轉(zhuǎn)等待點(diǎn)流程

luaL_dofile(m_plua,“Track.lua”);//執(zhí)行跟蹤流程

luaL_dofile(m_plua,“Aftertrack.lua”);//事后處理流程

}

}

② 腳本控制過(guò)程測(cè)試：編制了一個(gè)腳本，測(cè)試控制開(kāi)始、暫停、繼續(xù)和終止等過(guò)程操作的腳本片段如下：

lua_line = 0

debug.sethook(hook,“l(fā)”)—注冊(cè)hook

—hook函數(shù)

Function hook()

lua_line = debug.getinfo(1).linedefined

while 1 do

local state = myControlState()

if state==1 then—跳出循環(huán) 繼續(xù)

break

end

if state==0 then—退出

error(aexit)

end

if state==2 then—暫停

sleep(10)

end

end

end

③ 數(shù)據(jù)顯示測(cè)試：根據(jù)需要，顯示流程運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，讓用戶充分掌握流程各運(yùn)行環(huán)節(jié)執(zhí)行狀態(tài)，控制數(shù)據(jù)顯示腳本片段如下：

—實(shí)現(xiàn)距離和速度的顯示切換，按照時(shí)間，每2 s切換一次

……

Timevalue=2—定義時(shí)間間隔初值

d=mytime()—利用宿主語(yǔ)言功能計(jì)算時(shí)間間隔

Speedvalue()—取速度

if d==0then

RVvalue()—取距離

end

4.2效率測(cè)試

4.2.1邏輯測(cè)試過(guò)程

在宿主語(yǔ)言中定義接口函數(shù)l_add，在流程文件test.lua中定義流程模塊Test_Module。腳本測(cè)試邏輯序列如圖5所示。該測(cè)試用例表征了流程引擎和流程腳本的雙向交互測(cè)試。

圖5　邏輯測(cè)試序列

4.2.2效率測(cè)試過(guò)程

配置2個(gè)測(cè)試流程，分別執(zhí)行1×106次業(yè)務(wù)邏輯判斷和1×106次浮點(diǎn)運(yùn)算。

4.3測(cè)試結(jié)果分析

分別編寫(xiě)對(duì)應(yīng)于4.1節(jié)的Lua腳本和C++程序，使用預(yù)先準(zhǔn)備的測(cè)試數(shù)據(jù)完成了4.2.1的邏輯測(cè)試，說(shuō)明本文采用的方法是可行的。為了說(shuō)明腳本及流程引擎的執(zhí)行效率，用Lua腳本和C++實(shí)現(xiàn)流程業(yè)務(wù)邏輯判斷效率測(cè)試過(guò)程和流程浮點(diǎn)運(yùn)算速度測(cè)試過(guò)程，各進(jìn)行了5組測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6　業(yè)務(wù)邏輯判斷測(cè)試結(jié)果比對(duì)

圖7　浮點(diǎn)運(yùn)算測(cè)試結(jié)果比對(duì)

測(cè)試結(jié)果表明，流程業(yè)務(wù)邏輯判斷效率測(cè)試中Lua腳本和C++語(yǔ)言的效率比近似值是7，流程浮點(diǎn)運(yùn)算速度測(cè)試中Lua腳本和C++語(yǔ)言的效率比近似值是3.6。Lua腳本和C++語(yǔ)言的效率比在一個(gè)量級(jí)之內(nèi)，完全勝任航天測(cè)控領(lǐng)域?qū)崟r(shí)任務(wù)對(duì)測(cè)控流程的性能需求。

5結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)航天測(cè)控設(shè)備的自動(dòng)化流程，采用Lua腳本語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了流程引擎架構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，Lua能夠?qū)⒊绦蚝诵暮瓦壿嬁刂品蛛x開(kāi)來(lái)，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，測(cè)控設(shè)備流程引擎只需提供的測(cè)控設(shè)備原子操作接口，就可以通過(guò)配置不同腳本，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的邏輯控制。

基于Lua的測(cè)控設(shè)備自動(dòng)化流程定制技術(shù)很好地兼顧了靈活性和效率，并且能為軟件的后期維護(hù)提供便捷的服務(wù)支持，能節(jié)省大量的程序維護(hù)和測(cè)試時(shí)間，可節(jié)約大量的人力資源，為后續(xù)測(cè)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

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黨琦男，(1972—)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用軟件技術(shù)等。

茍茹君女，(1971—)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：航天器遙測(cè)信息處理、應(yīng)用軟件技術(shù)等。

引用格式：黨琦,董廣然,茍茹君,等.測(cè)控設(shè)備運(yùn)行流程遠(yuǎn)程定制技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2016,46(1):16-19，64.

Research on Automation Process Remote Customizing

Technology of TT&C Equipment

DANG Qi1,2,DONG Guang-ran1,GOU Ru-jun1,QIN Bo1,2

(1.Xi’anSatelliteControlCenter,Xi’anShaanxi710043,China；

2.KeyLaboratoryforFaultDiagnosis&MaintenanceofSpacecraftinOrbit,Xi’anShaanxi710043,China)

AbstractTo address the problems in the fixed automation process of monitoring&control software for TT&C equipment,a new method for remote process customization is proposed,and an automation process architecture based on Lua is designed.Through analyzing the equipment automation process,the key technologies and script execution efficiency are tested and validated,and the result shows the feasibility of the method.The efficiency ratios of Lua script and C++ language are in the same level,so the Lua meets the capability requirement of real-time mission in space TT&C.The method can also reduce software re-development and enable the fine operation of equipment.

Key wordsscript language;TT&C equipment;process customizing;automated operation;Lua

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-09-30

中圖分類號(hào)TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)01-0016-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.04