基于資源池的航天測控資源動態(tài)重組實現(xiàn)技術

劉云杰，王　彬，劉友永

(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

在航天測控系統(tǒng)建設模式上，我國的傳統(tǒng)做法是按“型號”研制、按“套”部署。在這種建設模式下，同一測控站內(nèi)隸屬不同系統(tǒng)但具有相同功能的分系統(tǒng)不能靈活互換，不同的測控系統(tǒng)重復建設了相同功能的配套設備(例如時頻、測試標校等)，這就使得測控站內(nèi)有限的測控資源不能夠得到最大程度的利用。

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，日益增多的航天發(fā)射任務和大量在軌運行的偵察、測繪、氣象、通信、導航和遙感衛(wèi)星對航天測控系統(tǒng)提出了越來越高的要求，有限的航天測控資源與日益增加的航天測控需求的矛盾逐漸突出[1]。為了解決上述問題，一些學者從算法層面對測控資源調(diào)度問題進行了研究，提出了采用遺傳算法、啟發(fā)式算法和基于沖突的回跳算法等算法進行測控資源調(diào)度，優(yōu)化資源調(diào)度效能，提高測控資源利用率[2-8]。

除了采用優(yōu)化算法提高資源利用率之外，通過對測控站內(nèi)的測控資源的優(yōu)化組合和靈活配置，最大限度地挖掘和提高測控站自身測控能力已經(jīng)成為業(yè)界的共識。原北京跟蹤與通信技術研究所郭琦、劉敏等提出了測控設備資源重組的概念和優(yōu)點，分析了我國測控設備的現(xiàn)狀，提出了我國未來測控設備資源重組系統(tǒng)建設的一種構想。西安衛(wèi)星測控中心洪宇等人設計了適應資源動態(tài)重組需求的測控設備的體系結構及其監(jiān)控管理方式，提出了集中監(jiān)控管理平臺的概念，分析了其功能需求，討論了需要重點關注的關鍵技術[9]。本文在上兩篇文章研究基礎上，重點對動態(tài)資源調(diào)度方法、支持資源重組的監(jiān)控軟件實現(xiàn)架構進行研究，從具體實現(xiàn)層面豐富和完善航天測控設備資源動態(tài)重組知識體系，為航天測控資源動態(tài)重組的設計與實現(xiàn)奠定基礎。

1　基于資源池的測控設備體系架構

在傳統(tǒng)測控系統(tǒng)建設模式上，一個測站內(nèi)通常部署不相關的多套測控系統(tǒng)，各自獨立執(zhí)行測控任務，多套測控系統(tǒng)之間不存在設備共享機制，系統(tǒng)監(jiān)控只對本系統(tǒng)內(nèi)的測控設備進行配置管理，測控站內(nèi)的測控資源得不到充分利用。傳統(tǒng)的航天測控系統(tǒng)體系架構如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)測控設備體系架構

為了適應測控資源動態(tài)重組需求，為全站建立集中監(jiān)控管理平臺，以集中監(jiān)控管理平臺為運行核心完成站內(nèi)測控設備的資源重組和任務調(diào)度。集中監(jiān)控管理平臺把整站內(nèi)的測控資源(包含多套前端系統(tǒng)(含信道設備、跟蹤接收機等)、多套終端設備及公共設備)組成測控資源池，把以單套設備為對象的資源調(diào)配模式擴大為以全站測控設備為對象的資源調(diào)配模式。集中監(jiān)控平臺根據(jù)跟蹤任務計劃和設備健康狀態(tài)自動對測控資源池內(nèi)設備進行配置，完成設備組合、參數(shù)配置和自動化運行等工作?；谫Y源池的測控設備體系架構如圖2所示。

圖2　基于資源池的測控設備體系架構

集中監(jiān)控平臺與傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)控的主要區(qū)別是管理對象由單套測控系統(tǒng)變化為全站測控設備，增加了測控設備資源重組與調(diào)度功能，由單任務調(diào)度變?yōu)槎嗳蝿照{(diào)度，由單目標測控變?yōu)槎嗄繕藴y控，增強了測控系統(tǒng)的自適應能力，充分利用有限的測控資源更好地完成多目標測控任務。

2　基于任務驅(qū)動的動態(tài)資源調(diào)度方法

在面向資源重組的測控設備體系結構下，前端系統(tǒng)與后端的基帶設備、數(shù)據(jù)存儲與交互等分系統(tǒng)并不是固定的對應關系，而是根據(jù)任務需要進行動態(tài)的組合配置，是在任務驅(qū)動下的動態(tài)資源重組。

2.1　任務規(guī)劃調(diào)度

任務規(guī)劃調(diào)度的目的是接收中心的工作計劃，進行沖突性檢查后，形成按時間排列的測控任務序列，同時按照時間符合機制調(diào)動相關設備執(zhí)行測控任務。

任務規(guī)劃調(diào)度功能包括任務規(guī)劃和任務調(diào)度功能。

① 任務規(guī)劃主要是依據(jù)工作計劃合理性判決策略將接收到的工作計劃按時間順序生成測控任務隊列。計劃合理性判決策略通過判斷待執(zhí)行任務數(shù)量、工作計劃任務時段、測控設備可用數(shù)量和測控設備類型等條件判決該工作計劃是否為合理工作計劃，合理的工作計劃最終生成測控任務隊列，依據(jù)時間先后關系存儲到測控任務隊列中，等待調(diào)用執(zhí)行。

② 任務調(diào)度模塊向資源調(diào)度模塊發(fā)送測控資源申請。資源調(diào)度模塊根據(jù)任務需求、資源分配策略、冗余資源數(shù)量和資源健康狀態(tài)在測控資源池中進行資源分配，將資源分配結果上報任務調(diào)度模塊。

③ 任務調(diào)度實時檢測測控任務隊列中的任務開始時間，以時間符合原則調(diào)度測控任務。任務調(diào)度模塊啟動由測控資源分配表中包含的設備，同時將測控任務相關信息發(fā)送相關設備，開始自動化進行系統(tǒng)標校、執(zhí)行測控任務。

2.2　動態(tài)資源分配

在測控任務執(zhí)行前一段時間(默認5 min)，任務調(diào)度模塊進行測控資源確認，檢查分配給該任務的測控設備的狀態(tài)，如果出現(xiàn)資源沖突或資源故障情況，需要對后續(xù)工作計劃重新進行資源分配。

測控資源確認成功后，資源調(diào)度模塊生成測控資源鏈表，并將資源分配結果上報任務調(diào)度模塊。測控任務結束后，任務調(diào)度模塊釋放占用的測控資源，資源調(diào)度模塊進行資源回收，維護更新測控資源狀態(tài)表，等待下一次的測控資源分配申請。

在任務執(zhí)行過程中，如果出現(xiàn)設備故障，一般情況下由備份設備進行替代，如果備份設備也出現(xiàn)故障，需要任務調(diào)度模塊向資源調(diào)度模塊申請新的資源，資源調(diào)度模塊需要根據(jù)設備空閑情況和設備狀態(tài)進行重新分配，此時后續(xù)工作計劃的資源分配也應同時進行，保證資源不出現(xiàn)沖突情況。如果存在突發(fā)緊急任務需要執(zhí)行，需為突發(fā)任務進行資源分配，如果無空閑資源應請示中心由其指定停止那一項正在執(zhí)行的任務，并將相應資源分配給指定任務。

3　面向快速重構的系統(tǒng)監(jiān)控軟件體系架構

監(jiān)控分系統(tǒng)用于完成測控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、設備控制、資源分配、任務調(diào)度，負責調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)所有設備執(zhí)行自動測試、系統(tǒng)標校以及測控任務的執(zhí)行，是測控系統(tǒng)的重要組成部分。在集中監(jiān)控平臺下，需要靈活應對測控設備的增減、監(jiān)控接口和功能的增刪等，為此在軟件體系架構和監(jiān)控運行體制上需要進行創(chuàng)新，有效應對資源動態(tài)重組的需求。

傳統(tǒng)模式開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，具體應用與設備通常是緊密耦合關系，得到的往往是一個定制系統(tǒng)，可擴展性和可重構性非常差，這類系統(tǒng)雖然可以較好地完成系統(tǒng)最初設計任務，但難以進行擴展或重構以適應業(yè)務需求的變化，很難適應當前的資源重組需求。為了解決上述問題，我們在監(jiān)控業(yè)務體系框架上采用了設備管理與任務調(diào)度相分離的體制，在監(jiān)控軟件實現(xiàn)架構上采用了基于軟總線的集中監(jiān)控軟件體系框架，在監(jiān)控體制上采用了集中監(jiān)控與虛擬測控系統(tǒng)監(jiān)控相結合的分級監(jiān)控體制。

3.1　系統(tǒng)監(jiān)控及運行管理業(yè)務體系框架

系統(tǒng)監(jiān)控及運行管理業(yè)務體系框架如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)監(jiān)控及運行管理業(yè)務體系框架

系統(tǒng)監(jiān)控及運行管理業(yè)務體系框架由應用層、數(shù)據(jù)管理層、設備管理層和設備層組成。設備管理功能是系統(tǒng)監(jiān)控管理的基礎，完成系統(tǒng)監(jiān)控與運行管理軟件與所有外部設備的信息交換、數(shù)據(jù)格式轉換，屏蔽與硬件、外部設備相關的數(shù)據(jù)接口，為上層軟件提供數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)管理與分發(fā)層統(tǒng)一管理上層服務(業(yè)務或者任務)所需的數(shù)據(jù)，為上層服務的運行提供數(shù)據(jù)支持和信息交換，確保上層服務的獨立性、擴展性和統(tǒng)一設計。

在這種業(yè)務體系框架下，應用層(或任務層)與設備層是分離的，具體應用是由設備管理層分配相關設備完成，應用本身無需關心是哪些設備參與完成測控任務。通過任務與設備的隔離，保證了應用和設備的獨立性，任務模式的增加并不影響設備的管理，同樣設備的增加也不影響具體任務的執(zhí)行。

3.2　基于軟總線的集中監(jiān)控平臺體系框架

軟總線是組件集成的基礎設施，是硬件總線的虛擬和映射，它通過為組件服務之間提供虛擬的數(shù)據(jù)傳輸公共通道實現(xiàn)組件與操作系統(tǒng)、組件與組件之間的數(shù)據(jù)通信，起到的是數(shù)據(jù)通信中間件的作用，目前主流的軟總線機制包括CORBA、COM/DCOM及EJB等?；谲浛偩€的體系結構具有可維護性好、可重用度高、擴展能力強及較強的通用性，并支持軟件構件的“即插即用”和服務接口的動態(tài)配置，使得軟件系統(tǒng)具有良好的靈活性，在業(yè)務需求變化時，軟件系統(tǒng)可快速重構進行適應[10-11]。

基于軟總線的集中監(jiān)控平臺體系框架如圖4所示。

圖4　基于“軟總線”的集中監(jiān)控平臺體系框架

集中監(jiān)控軟件體系框架由應用層、服務層、基礎層和系統(tǒng)平臺層組成，各層的功能及運行關系如下：

① 系統(tǒng)平臺層提供操作系統(tǒng)、運行環(huán)境及軟件運行所需的系統(tǒng)服務；

② 基礎層為外部接口設備和軟件運行所需的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件等支持環(huán)境；

③服務層是該軟件架構的核心，為應用層和其它服務提供運行服務。服務分為四級或更多，由同級或更低級別服務經(jīng)集成、加工后經(jīng)服務發(fā)布模塊向外發(fā)布。各級服務之間不直接耦合，由服務層提供的軟總線進行服務交互。服務管理模塊實現(xiàn)對外服務的訂閱、發(fā)布和管理。

④ 應用層提供UI界面，是各級服務對外的直接展示平臺，可以通過軟總線或服務管理模塊直接使用各級服務；

⑤ 各個服務可采用動態(tài)鏈接庫、進程和遠程調(diào)用(RPC)的形式提供服務，各服務之間采用標準的接口實現(xiàn)各服務之間的交互。

采用基于軟總線軟件體系框架，各服務之間是松散耦合的，通過軟總線實現(xiàn)它們之間的信息交互，對新增功能、新增接口或新增設備來說，只需增加對應的業(yè)務服務或增加設備服務類，通過修改以XML文件形式表示的服務配置文件[12]，即可實現(xiàn)監(jiān)控軟件的在線維護擴展。采用松耦合架構設計集中監(jiān)控管理平臺，在測控資源接入或退出全系統(tǒng)時，無需進行程序開發(fā)，只要通過簡單配置就能夠完成界面和功能重構[13]。采用基于軟總線的軟件體系框架進行集中監(jiān)控管理平臺開發(fā)可以方便的通過測控設備運行流程的遠程定制[14]，實現(xiàn)集中監(jiān)控管理平臺的遠程升級[15]。

3.3　基于分級監(jiān)控的測站監(jiān)控體制

為了實現(xiàn)測控站內(nèi)測控資源的動態(tài)重組，利用面向整個測控站的集中監(jiān)控管理平臺實現(xiàn)對測站內(nèi)所有測控資源的管理和測控任務調(diào)度，好處是利于測控資源重組；缺點是所有設備的監(jiān)視和控制都在一個軟件內(nèi)去實現(xiàn)，混亂且不太方便，同時在進行軟件維護時需要停止所有測控任務，靈活性不足。

為了解決這個問題，我們采用集中監(jiān)控與虛擬測控系統(tǒng)監(jiān)控相結合的分級監(jiān)控體制。集中監(jiān)控管理平臺根據(jù)任務需求，從測控資源池中把測控資源動態(tài)組合出若干套虛擬測控系統(tǒng)，這些虛擬測控系統(tǒng)共用公共設備，每套虛擬測控系統(tǒng)均可作為一套功能完整的、可獨立執(zhí)行測控任務的測控系統(tǒng)來使用。虛擬測控系統(tǒng)組成示意圖如圖5所示。

圖5　虛擬測控系統(tǒng)組成示意圖

集中監(jiān)控平臺負責整站測控資源的分配管理和任務調(diào)度，監(jiān)視每個虛擬測控系統(tǒng)的重要狀態(tài)信息；虛擬測控系統(tǒng)監(jiān)控是一個獨立的監(jiān)控軟件，完成虛擬測控系統(tǒng)內(nèi)設備的監(jiān)視控制，它由集中監(jiān)控平臺任務調(diào)度模塊在啟動虛擬測控系統(tǒng)執(zhí)行測控任務時啟動，完成測控任務釋放測控資源時銷毀，是一個與任務相伴的虛擬監(jiān)控系統(tǒng)。

虛擬測控系統(tǒng)監(jiān)控接受集中監(jiān)控平臺的監(jiān)視與控制，負責向集中監(jiān)控平臺上報主要的設備狀態(tài)信息，同時負責完成與中心和分機設備的信息交換，起到的是傳統(tǒng)按型號部署的系統(tǒng)監(jiān)控的作用。虛擬測控系統(tǒng)監(jiān)控是伴隨任務生命周期而存在的，可以脫離集中監(jiān)控獨立運行，這樣在增加測控資源時，無需停止正在執(zhí)行的測控任務，只對集中監(jiān)控平臺進行停機維護即可，而基于軟總線的軟件體系架構保證了在新增功能、新增接口或新增設備時通過修改配置文件可以快速實現(xiàn)的目的，能夠做到新增功能、新增接口或新增設備時幾乎不影響任務的正常執(zhí)行。在實際部署時，可以按測控模式事先生成不同的虛擬測控系統(tǒng)監(jiān)控軟件，在虛擬測控系統(tǒng)啟動時加載對應模式的虛擬測控系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

4　結束語

當前，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的衛(wèi)星發(fā)射上天，對地面測控設備的需求越來越大。資源重組作為解決測控設備資源不足的重要技術手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對測控資源有效和充分的利用，一定程度上解決測控資源緊張的問題[16]。本文對實現(xiàn)測控設備資源重組所要解決的關鍵技術問題進行了詳細闡述，該技術成果已經(jīng)被應用于當前我部測控系統(tǒng)研制中資源重組實施的理論基礎，后續(xù)研究重點是資源重組的實施步驟與策略，為全面實施測控設備資源重組奠定基礎。