基于構(gòu)件的運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件框架研究

李蘭蘭 霍 宏 溫 亞

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

基于構(gòu)件的運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件框架研究

李蘭蘭 霍 宏 溫 亞

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

面對(duì)運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件功能復(fù)雜、研制周期短的現(xiàn)狀，如何保證軟件質(zhì)量，提高研制效率已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。本文在分析現(xiàn)有運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件功能要求的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)流和控制流兩方面提出了基于構(gòu)件的控制系統(tǒng)飛行軟件框架，該框架采用分層控制體系結(jié)構(gòu)模式，有效地提高了飛行軟件的研制效率和質(zhì)量。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該框架對(duì)控制系統(tǒng)飛行軟件設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。 關(guān)鍵詞 構(gòu)件；框架；控制系統(tǒng)飛行軟件

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，為了適應(yīng)航天任務(wù)要求，運(yùn)載器功能越來(lái)越復(fù)雜，控制系統(tǒng)飛行軟件作為運(yùn)載器的控制靈魂，是航天任務(wù)成敗的關(guān)鍵，控制系統(tǒng)飛行軟件規(guī)模和復(fù)雜程度急劇增加。面對(duì)研制周期短、質(zhì)量要求高的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足控制系統(tǒng)飛行軟件研制要求，為了提高控制系統(tǒng)飛行軟件的可靠性和可擴(kuò)展性，亟需研究一種通用的控制系統(tǒng)飛行軟件框架以提高飛行軟件開(kāi)發(fā)的效率和質(zhì)量。本文在分析現(xiàn)有控制系統(tǒng)飛行軟件功能要求的基礎(chǔ)上，提出了一種基于構(gòu)件的可復(fù)用、可擴(kuò)展的控制系統(tǒng)飛行軟件框架設(shè)計(jì)方法，該方法在運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件研制過(guò)程中具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。

1 控制系統(tǒng)飛行軟件概述

在運(yùn)載器控制系統(tǒng)領(lǐng)域中，飛行軟件屬于強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式軟件，主要完成運(yùn)載器飛行過(guò)程中的導(dǎo)航、制導(dǎo)和姿態(tài)控制等周期性任務(wù)。運(yùn)載器飛行過(guò)程分為多個(gè)飛行段，各飛行段之間的轉(zhuǎn)級(jí)通過(guò)關(guān)機(jī)判斷完成自動(dòng)切換，以一定的周期控制指令的輸出，完成各級(jí)飛行段的實(shí)時(shí)控制，使運(yùn)載器按照指令穩(wěn)定飛行，精確入軌。典型控制系統(tǒng)飛行軟件采用“分段式+周期性”的運(yùn)行模式，其運(yùn)行的主流程如圖1所示。

圖1 典型控制系統(tǒng)飛行軟件運(yùn)行主流程圖

2 控制系統(tǒng)飛行軟件框架

軟件框架是一種粗粒度的系統(tǒng)級(jí)軟件復(fù)用，實(shí)現(xiàn)特定領(lǐng)域內(nèi)目標(biāo)任務(wù)的基礎(chǔ)功能。目標(biāo)任務(wù)的具體功能由軟件開(kāi)發(fā)人員按照框架提供的接口協(xié)議編寫(xiě)代碼完成。根據(jù)控制系統(tǒng)飛行軟件典型的運(yùn)行模式，從數(shù)據(jù)流和控制流兩方面提出基于構(gòu)件的控制系統(tǒng)飛行軟件框架能夠有效地提高軟件復(fù)用率，在“框架+構(gòu)件”的軟件架構(gòu)中，軟件開(kāi)發(fā)人員可通過(guò)配置和增刪構(gòu)件，完成目標(biāo)任務(wù)。

控制系統(tǒng)飛行軟件框架體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，框架體系結(jié)構(gòu)包括主流程控制構(gòu)件層、子流程控制構(gòu)件層和功能構(gòu)件層三部分。主流程控制構(gòu)件層和子流程控制構(gòu)件層實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)飛行軟件控制流設(shè)計(jì)，功能構(gòu)件層實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)飛行軟件數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)。其中，主流程控制構(gòu)件層主要完成子流程控制構(gòu)件層所有控制構(gòu)件的調(diào)度時(shí)序控制；子流程控制構(gòu)件層主要完成各自負(fù)責(zé)子功能的調(diào)度時(shí)序控制、以及統(tǒng)一上下層的通訊接口；功能構(gòu)件層主要完成具體的功能實(shí)現(xiàn)?；跇?gòu)件的控制系統(tǒng)飛行軟件框架采用“分層控制體系結(jié)構(gòu)模式”，將系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)與單個(gè)構(gòu)件的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行分離。每層包含一個(gè)或多個(gè)控制構(gòu)件或功能構(gòu)件，控制構(gòu)件提供高層控制，包括調(diào)度各個(gè)功能構(gòu)件并且決定各個(gè)功能構(gòu)件的下一步動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)功能構(gòu)件的生命周期管理。

圖2 控制系統(tǒng)飛行軟件框架體系結(jié)構(gòu)

2.1 功能構(gòu)件層設(shè)計(jì)方法

表1 功能構(gòu)件與主流程對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 功能構(gòu)件之間的互連示意圖

2.2 子流程控制構(gòu)件層設(shè)計(jì)方法

子流程控制構(gòu)件層封裝了功能構(gòu)件層的處理流程和控制邏輯，通過(guò)分析功能構(gòu)件層的輸入、輸出和處理，設(shè)計(jì)調(diào)度相應(yīng)功能構(gòu)件的接口協(xié)議和調(diào)度算法。子流程控制構(gòu)件層的“XX控制構(gòu)件”調(diào)度功能構(gòu)件層對(duì)應(yīng)的功能構(gòu)件，完成飛行軟件的具體功能。子流程控制構(gòu)件層封裝了功能構(gòu)件層的控制邏輯，由于各個(gè)運(yùn)載器的具體功能要求存在差異性，如何實(shí)現(xiàn)定制可靈活配置的控制流程，是子流程控制構(gòu)件層的核心任務(wù)。為了滿足運(yùn)載器的所有功能需求，子流程控制構(gòu)件層設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性，子流程控制構(gòu)件層是控制系統(tǒng)飛行軟件框架是否滿足通用化和可擴(kuò)展要求的關(guān)鍵層，該層并不是具體功能的實(shí)現(xiàn)層，而是通過(guò)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)功能構(gòu)件層具體構(gòu)件的創(chuàng)建、運(yùn)行和結(jié)束，進(jìn)行功能構(gòu)件層的生命周期管理?！癤X控制構(gòu)件”向軟件開(kāi)發(fā)人員提供相應(yīng)功能構(gòu)件的創(chuàng)建接口，根據(jù)接口信息，自動(dòng)控制相應(yīng)功能構(gòu)件的運(yùn)行，具體設(shè)計(jì)方法包括創(chuàng)建構(gòu)件和控制運(yùn)行過(guò)程兩部分：

1)創(chuàng)建構(gòu)件：注冊(cè)功能構(gòu)件的基本信息，包括：唯一標(biāo)識(shí)名稱、屬性、依賴關(guān)系和過(guò)程調(diào)用接口，如表2所示。過(guò)程調(diào)用接口是“XX控制構(gòu)件”和功能構(gòu)件的連接器，形參是功能構(gòu)件的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，功能構(gòu)件根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)完成相應(yīng)的功能。

2)控制運(yùn)行過(guò)程：按照功能構(gòu)件的屬性和依賴關(guān)系，依次實(shí)現(xiàn)從“開(kāi)始”到“結(jié)束”的狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制，“結(jié)束”表示該功能構(gòu)件完成任務(wù)，以后不再調(diào)用該功能構(gòu)件。

表2 功能構(gòu)件的注冊(cè)信息表

2.3 主流程控制構(gòu)件層設(shè)計(jì)方法

主流程控制構(gòu)件層按照飛行軟件的主任務(wù)流程調(diào)度子流程控制構(gòu)件層的“XX控制構(gòu)件”，完成子流程控制構(gòu)件層所有控制構(gòu)件的調(diào)度時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)飛行軟件的主流程控制邏輯。一般情況下，運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件的主流程控制構(gòu)件層的設(shè)計(jì)是固定不變的。根據(jù)表1中的功能構(gòu)件與主流程功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主流程控制構(gòu)件層采用順序方式調(diào)度“XX控制構(gòu)件”，主流程控制構(gòu)件層設(shè)計(jì)流程如圖4所示?！癤X控制構(gòu)件”內(nèi)部封裝了每類控制的具體流程控制邏輯，僅向主流程控制構(gòu)件層提供統(tǒng)一的過(guò)程調(diào)用接口，其中：(1)，(4)和(9)均為“調(diào)用‘I/O流程控制構(gòu)件’的過(guò)程調(diào)用接口”，分別實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)采集及處理、輸出控制和輸出遙測(cè)；(2)和(6)均為“調(diào)用‘制導(dǎo)流程控制構(gòu)件’的過(guò)程調(diào)用接口”，分別實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)前臺(tái)計(jì)算和制導(dǎo)后臺(tái)計(jì)算；(3)和(7)均為“調(diào)用‘姿控流程控制構(gòu)件’的過(guò)程調(diào)用接口”，分別實(shí)現(xiàn)姿控前臺(tái)計(jì)算和姿控后臺(tái)計(jì)算。主流程控制構(gòu)件層主要完成I/O控制、制導(dǎo)控制、姿控控制、關(guān)機(jī)控制和遙測(cè)控制五類基礎(chǔ)控制流程的調(diào)用，具體流程控制方法被封裝在子流程控制構(gòu)件層。

圖4 主流程控制構(gòu)件層設(shè)計(jì)流程

3 實(shí)例分析

結(jié)合某運(yùn)載器系列控制系統(tǒng)功能要求，基于構(gòu)件的控制系統(tǒng)飛行軟件框架已得到工程應(yīng)用。

1)主流程控制構(gòu)件層依據(jù)圖4進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中，I/O流程控制構(gòu)件、制導(dǎo)流程控制構(gòu)件、姿控流程控制構(gòu)件、關(guān)機(jī)流程控制構(gòu)件和遙測(cè)流程控制構(gòu)件五類控制構(gòu)件均以接口函數(shù)方式被調(diào)用。

2)子流程控制構(gòu)件層設(shè)計(jì)過(guò)程：

①按照表1的功能構(gòu)件和主流程功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系將功能構(gòu)件分類，如表3所示；

②針對(duì)表1的每個(gè)主流程功能，在子流程控制構(gòu)件層分別定義各自獨(dú)立的功能構(gòu)件注冊(cè)信息表序列；

③通過(guò)填寫(xiě)功能構(gòu)件注冊(cè)信息表實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能構(gòu)件的互連和調(diào)度時(shí)序控制。

3)功能構(gòu)件層各個(gè)功能構(gòu)件之間的數(shù)據(jù)接口信息交互如圖5所示，其中，遙測(cè)數(shù)據(jù)處理功能構(gòu)件與其他功能構(gòu)件均有數(shù)據(jù)交互。

當(dāng)現(xiàn)有的功能構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)滿足需求定義的所有功能時(shí)，則軟件開(kāi)發(fā)人員只須在子流程控制構(gòu)件層定義并配置功能構(gòu)件的注冊(cè)信息表，即可完成整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；當(dāng)需要根據(jù)任務(wù)要求增加其他功能時(shí)，可設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的功能構(gòu)件，然后根據(jù)框架子功能控制構(gòu)件層提供的功能構(gòu)件注冊(cè)信息表，增加新功能。

表3 功能構(gòu)件劃分實(shí)例表

圖5 功能構(gòu)件層交互示意圖

4 結(jié)論

結(jié)合運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件的任務(wù)特點(diǎn)，通過(guò)提取共性需求，提出了基于構(gòu)件的控制系統(tǒng)飛行軟件框架。該框架采用分層控制體系結(jié)構(gòu)模式，通過(guò)實(shí)際型號(hào)工程應(yīng)用分析可知，該框架能夠縮短控制系統(tǒng)飛行軟件的研制周期，提高控制系統(tǒng)飛行軟件的質(zhì)量和重用率?；跇?gòu)件的運(yùn)載器控制系統(tǒng)飛行軟件框架具有一定的通用性和擴(kuò)展性，對(duì)控制系統(tǒng)飛行軟件研制具有一定的借鑒意義和參考價(jià)值。

[1] [美]Hassan Gomaa. 彭鑫，吳毅堅(jiān)，趙文耘, 等.譯. 軟件建模與設(shè)計(jì)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2016: 227-240.(Hassan Gomaa.Peng Xin，Wu Yijian， Zhao Wenyun，et al. Translation.Software Modeling & Design[M]. China Machine Press, 2016: 227-240.)

[2] 王云爽，劉堃，鄭挺，等. 一種電子對(duì)抗行動(dòng)控制應(yīng)用軟件框架研究[J]. 電子信息對(duì)抗技術(shù)，2014,29( 1):77-82.(Wang Yunshuang，Liu Kun，Zheng Ting，et al. Architecture of Application Software on Electronic Confrontation Action Control[J]. Electronic Information Warfare Technology，2014,29(1):77-82.)

[3] 路游, 紀(jì)連恩. 一種群組行為模擬繪制系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)方法[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013,23(4):79-82.(Lu You，Ji Lianen. A Design Method of Crowd Behavior Rendering System Software Framework[J]. Computer Technology and Development，2013,23(4):79-82.)

[4] 付純鶴, 王君鋒. 平臺(tái)+插件式軟件框架模型的研究[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2011,195(4):14-16.(Fu Chunhe，Wang Junfeng. Research on Software Architecture Module of Platform/Plug-in[J]. Equipment for Electronic Products Manufacturing，2011,195(4):14-16.)

[5] 吳錦龍,趙強(qiáng),趙曉平.設(shè)計(jì)模式在有限元軟件框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011,28(4):215-221.(Wu Jinlong，Zhao Qiang，Zhao Xiaoping. Applying Design Pattern in Finite Element Software Framework Design[J]. Computer Applications and Software，2011,28(4):215-221.)

專稿 專人 專題

包為民院士、宋征宇院士曾為本刊創(chuàng)刊30周年時(shí)提供專稿文章，將自已在多年航天工作經(jīng)歷中積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、設(shè)想等和讀者分享。

本刊特設(shè)“專稿”欄目，為在航天控制領(lǐng)域工作多年，經(jīng)驗(yàn)豐富的專家、學(xué)者搭建一個(gè)平臺(tái)，利用他們的學(xué)術(shù)創(chuàng)新帶頭示范作用和科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)指導(dǎo)，從控制系統(tǒng)各領(lǐng)域基礎(chǔ)理論延伸到工程試驗(yàn)可靠性操作等方面的獨(dú)到見(jiàn)解，進(jìn)一步展示出航天控制技術(shù)的博大精深，更深遠(yuǎn)地影響并提升期刊未來(lái)的稿件層次和方向。基于此，特長(zhǎng)期誠(chéng)邀航天控制系統(tǒng)各領(lǐng)域資深專家、學(xué)者、相關(guān)院士及各高校相關(guān)學(xué)術(shù)帶頭人等不吝為本刊“專稿”欄目投稿，期待您的高瞻遠(yuǎn)矚不僅讓更多的讀者受益于專稿啟奠，也為期刊的稿件質(zhì)量和影響力豐羽填色！

Research on the Framework Based on Components for the Launch Vehicle Control System Flight Software

Li Lanlan， Huo Hong， Wen Ya

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China

Regardingthesituationoffunctioncomplicationanddevelopmentcycleshortageofthelaunchvehiclecontrolsystemflightsoftware,howtoguaranteethesoftwarequalityandimprovethedevelopmentefficiencybecomesahotspot.Duetotheanalysisofthefunctionrequirementofthelaunchvehiclecontrolsystemflightsoftware,theframeworkbasedoncomponentsforthelaunchvehiclecontrolsystemflightsoftwarefromthedataandthecontrolflowisproposedinthispaper.Thedevelopmentefficiencyandthequalityoftheflightsoftwarecanbeimprovedbyusingtheframeworkbasedonthelayeredcontrolarchitecture.Theframeworkisusedinpracticeandcanserveasreferenceforthedesignofthecontrolsystemflightsoftware.

Components;Framework;Controlsystemflightsoftware

2016-11-24

李蘭蘭(1982-)，女，河南人，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；霍 宏(1986-)，女，黑龍江人，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；溫 亞(1984-)，男，北京人，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

TP302

A

1006-3242(2017)03-0062-05