面向?qū)ο蟮暮教炱鬟b測元數(shù)據(jù)信息交換技術(shù)

董房 楊同智 周汝志 盛開明

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

元數(shù)據(jù)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是關(guān)于數(shù)據(jù)的組織、數(shù)據(jù)域及其關(guān)系的信息[1]，元數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)資源、文獻資料、人文社科、博物藝術(shù)品、數(shù)字圖像、技術(shù)報告等各種場合，用于輔助用戶管理、維護與應(yīng)用數(shù)據(jù)，同時元數(shù)據(jù)技術(shù)是下一代互聯(lián)網(wǎng)-語義網(wǎng)的核心技術(shù)之一[2]。遙測元數(shù)據(jù)是描述遙測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，用于指導遙測數(shù)據(jù)的解析與處理。

標準高效的遙測元數(shù)據(jù)在國外已展開應(yīng)用，美國對象管理組織(Object Management Group，OMG)的空間領(lǐng)域任務(wù)工作組(Space Domain Task Force，STDF)、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)制定了一系列航天領(lǐng)域標準，旨在通過標準規(guī)范提升空間應(yīng)用的互操作性，降低空間系統(tǒng)任務(wù)的風險與開銷[3]。OMG-STDF與CCSDS協(xié)調(diào)一致，2007年發(fā)布了用于描述測控數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)樣式規(guī)范XTCE 1.1[4]，2019年發(fā)布了XTCE 1.2規(guī)范[5]，根據(jù)XTCE實際應(yīng)用反饋，修正了標準附錄XML Schema Definition中的數(shù)據(jù)格式、報警重構(gòu)、索引等近90項細節(jié)問題，標準正文的總體結(jié)構(gòu)未更改。XTCE應(yīng)用于詹姆斯-韋伯空間望遠鏡(JWST)、羅塞塔(Rosetta)號探測器、“冷衛(wèi)星”(Cryosat)、“氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星”(Metop)、普朗克衛(wèi)星(Herschel-Planck)等的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如JWST是多國合作的下一代大型紅外線空間望遠鏡項目，共有24個單位參與，每個單位擁有一個數(shù)據(jù)庫，并且這些數(shù)據(jù)庫都會與JWST的主數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換，按照XTCE標準對這些數(shù)據(jù)庫進行整合，統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換接口，使得測控數(shù)據(jù)在不同單位間更容易交互[6]。法國國家太空研究中心(CNES)、美國Harris公司開發(fā)了BEST、OS/COMET XTCE ingest tool等面向?qū)ο蟮臏y控數(shù)據(jù)定義描述軟件工具[7]。此外，ESA的SCOS 2000 MIB、NASA的GovSat/AMMOS、開源YAMCS數(shù)據(jù)系統(tǒng)也均采用面向?qū)ο蟮倪b測元數(shù)據(jù)設(shè)計模式[8-10]，服務(wù)于多個航天器。

目前，國內(nèi)衛(wèi)星總體設(shè)計與總體測試人員之間、衛(wèi)星總體集成單位與單機研制單位之間、衛(wèi)星研制單位與用戶之間大部分還是使用自己獨有的格式規(guī)范進行遙測元數(shù)據(jù)描述，當需要進行數(shù)據(jù)交換時，基本都是通過Word文檔、紙質(zhì)文檔采用自然語言的方式進行描述[11]。當數(shù)據(jù)導入之后，還需要進行信息的集成、整合和校驗，非常繁瑣,而且這些工作大多依靠人工完成，既浪費工作人員的時間、精力，又容易因人為原因出錯。因此，標準高效的遙測元數(shù)據(jù)設(shè)計模式是當前必要的、急需的。

本文通過分析現(xiàn)有遙測元數(shù)據(jù)模式的不足，設(shè)計了面向?qū)ο蟮姆謱拥倪b測元數(shù)據(jù)組織模式，并應(yīng)用于航天器研制的測控信息管理平臺，實現(xiàn)了從系統(tǒng)設(shè)計到集成測試的遙測信息一體化管控，減少了人工重復配置的開銷與錯誤，提升了整體研制效率。

1 現(xiàn)有遙測元數(shù)據(jù)模式分析

遙測數(shù)據(jù)處理通過軟件與配置文件完成，目前國內(nèi)主流的做法是：遙測處理軟件通用化設(shè)計，常規(guī)處理通過遙測配置文件(遙測元數(shù)據(jù)文件)描述，特殊處理通過專用軟件模塊實現(xiàn)?，F(xiàn)有的遙測元數(shù)據(jù)文件主要采用Excel和XML，典型示例如下。

(1)Excel描述方法示例見表1，一行為一個遙測參數(shù)，包含處理方式及序列信息。

表1 遙測處理配置表

注：位序中H表示高位序，L表示低位序；處理公式中的“5”代表公式y(tǒng)=k×x+b，公式系數(shù)表示公式中的k、b值；小數(shù)位數(shù)表示遙測物理量保留的有效小數(shù)位數(shù)，采用預(yù)警、報警兩級區(qū)間門限，利于提前發(fā)現(xiàn)問題。

(2)XML描述方法示例如下，一個TmPara元素為一個遙測參數(shù)(含處理信息)，多個TmPara元素組合表示一個遙測序列(如遙測包)，如圖1所示。

經(jīng)分析，傳統(tǒng)的兩種遙測元數(shù)據(jù)表達方式在使用中存在以下不足。

(1)遙測參數(shù)類型、參數(shù)實例未分開定義：同類遙測的物理意義相近，且采用同一個模數(shù)變換(AD)采集，其遙測參數(shù)的信息重復度較高，如表1中的蓄電池單體電壓僅遙測名稱、代號、公式參數(shù)不同。在方式1的表格(見表1)及方式2的XML(見圖1)描述中，遙測參數(shù)的所有信息獨立定義與修改，存在較多重復配置，在測試中經(jīng)常出現(xiàn)“單體3更改了，但單體9未同步更改”之類的問題，狀態(tài)不容易統(tǒng)一控制。建議先定義參數(shù)類型，完成遙測參數(shù)類的總體描述，再通過類的實例化繼承定義具體的遙測量，只重寫必要的信息(如公式參數(shù))?？傮w信息(如字節(jié)序、單位、編碼方式、報警范圍等)需要修改時，只需更改類定義，不需更改每一個遙測量。遙測參數(shù)類定義提升了同類遙測量的批量管理能力，類定義集也可方便地移植到其他型號。

(2)遙測參數(shù)、遙測序列未分開定義，當同一遙測參數(shù)分布于多個遙測包、遙測幀區(qū)域時，若多包共用的遙測分開放置，會引起較多的重復填寫與修改；若多包共用的遙測集中放置，雖然實現(xiàn)了遙測參數(shù)的統(tǒng)一管理，減少了重復修改操作，但破壞遙測序列的可讀性，也不利于遙測元數(shù)據(jù)的裁剪、移植等應(yīng)用。

(3)缺乏繼承、重寫機制，傳統(tǒng)的遙測元數(shù)據(jù)采用結(jié)構(gòu)化描述，未采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計范式，缺乏遙測序列的繼承、動態(tài)重寫機制，當一段遙測參數(shù)集被多個包重用或重寫時，會引起較多的重復填寫與修改。

因此，傳統(tǒng)的遙測元數(shù)據(jù)模式將遙測參數(shù)類型、遙測參數(shù)實例、遙測序列定義混合在一起，其遙測信息描述的耦合性強，構(gòu)架的靈活性、彈性不足，缺乏繼承、動態(tài)重寫機制，不利于測控信息的組織、裁剪與重用，不利于多用戶間遙測信息的互操作。針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)式遙測元數(shù)據(jù)模式的缺點，借鑒面向?qū)ο蠹夹g(shù)，設(shè)計具備派生、繼承、重寫等對象管理機制的遙測元數(shù)據(jù)設(shè)計模式，提高遙測元數(shù)據(jù)信息的表達能力與效率。

圖1 采用XML描述的傳統(tǒng)遙測元數(shù)據(jù)樣式Fig.1 Traditional telemetry metadata style in XML schema

2 面向?qū)ο蟮倪b測元數(shù)據(jù)設(shè)計

遙測數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵信息是遙測元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、遙測點的參數(shù)定義、遙測點的序列組合，元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)遙測配置文件的總體描述，參數(shù)定義用于實現(xiàn)遙測點的原碼與物理量的轉(zhuǎn)換處理，序列組合用于遙測幀、遙測包、遙測段到遙測點的結(jié)構(gòu)解析，因此本節(jié)從遙測元數(shù)據(jù)的總體結(jié)構(gòu)、遙測點的參數(shù)定義、遙測點的序列組合三方面展開描述。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

航天器系統(tǒng)采用分層組織結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由單機、分系統(tǒng)、航天器系統(tǒng)各個層級組成。為實現(xiàn)航天器研制全周期遙測元數(shù)據(jù)管理，航天遙測元數(shù)據(jù)應(yīng)采用樹型分層結(jié)構(gòu)[12]，方便聚合單機研制單位、分系統(tǒng)研制單位、航天器總承單位的遙測元數(shù)據(jù)信息。

圖2 航天器層次組織結(jié)構(gòu)Fig.2 Spacecraft hierarchical structure

XML是元數(shù)據(jù)的常用構(gòu)建方式[13]，XML文檔采用樹狀結(jié)構(gòu)，較容易實現(xiàn)遙測元數(shù)據(jù)的分層組織，利于遙測元數(shù)據(jù)信息的聚合、裁剪與移植。在SpaceSystem中嵌套SpaceSystem，實現(xiàn)分層組織構(gòu)架，如圖3所示。

圖3 基于XML的遙測元數(shù)據(jù)分層管理機制

為了克服傳統(tǒng)遙測元數(shù)據(jù)的不足，面向?qū)ο蟮倪b測元數(shù)據(jù)將遙測參數(shù)類型、參數(shù)實例、遙測序列、算法獨立定義。基于類的設(shè)計理念，通過派生、實例化參數(shù)類型，定義遙測參數(shù)；通過序列容器的繼承與重寫，逐層聚合遙測參數(shù)、遙測序列，構(gòu)建遙測包、遙測幀結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的彈性描述，提高遙測元數(shù)據(jù)信息的表達能力與效率。

遙測元數(shù)據(jù)的主要元素組成如圖4所示。遙測元數(shù)據(jù)主要要素的XML樣式描述見圖5。

圖4 遙測元數(shù)據(jù)主要元素構(gòu)成

圖5 采用XML描述的遙測元數(shù)據(jù)要素Fig.5 Telemetry metadata primary element in XML schema

遙測元數(shù)據(jù)的元素組成與功能如下。

(1)參數(shù)類型集：定義遙測參數(shù)類型，包括數(shù)據(jù)類型、說明信息、報警閾值、工程單位、長度、位序、字節(jié)序、處理算法、編碼方式等，支持類型派生。

(2)參數(shù)集：通過實例化參數(shù)類型獲得，可以繼承參數(shù)類型的配置信息，也可在實例化時重寫報警閾值、算法參數(shù)等信息。

(3)算法集：遙測參數(shù)處理的基礎(chǔ)算法，可以是傳統(tǒng)的數(shù)學運算，也可通過腳本描述自定義算法。

(4)序列容器集：聚合遙測參數(shù)、其它序列容器構(gòu)建遙測序列，可以描述分包遙測、復幀遙測序列，支持繼承、重寫、條件選擇等機制，實現(xiàn)遙測信息重用與分層構(gòu)建。

(5)數(shù)據(jù)流集：用于描述遙測幀同步、幀結(jié)構(gòu)、編碼信息，用于遙測組幀、解幀操作。

此外，還可定義消息集應(yīng)用于信息服務(wù)中，如通過消息篩選出一類遙測序列(如與某信息相關(guān)的遙測包)，用于功能監(jiān)視、問題排查等任務(wù)[14]。

2.2 面向?qū)ο蟮倪b測參數(shù)

遙測參數(shù)、參數(shù)類型獨立定義。遙測參數(shù)類型作為一類進行定義，通過類封裝遙測參數(shù)的處理信息，支持類派生[15]，增強遙測信息統(tǒng)一管理能力。類屬性包括單位、位序、字節(jié)序、數(shù)據(jù)類型、報警閾值等，類方法包括遙測校準、遙測處理算法。遙測參數(shù)為類的實例化，通過ParameterTypeRef索引定義的類，繼承類的屬性與方法，在實例化時可以重寫繼承的方法。“某電池單體電壓”遙測參數(shù)類型的類“SingleBatType”定義如圖6所示。

圖6 遙測參數(shù)類型示例Fig.6 Telemetry parameter type example

遙測參數(shù)實例化示例見圖7，可以實例化“蓄電池單體電壓1”、“蓄電池單體電壓2”等多個單體電壓，通過一個類定義進行統(tǒng)一管理，每個實例可以重寫類成員，如“蓄電池單體電壓2”重寫了“SingleBatType”類的處理系數(shù)成員，提高遙測參量信息的利用率與靈活性。

圖7 遙測參數(shù)類型實例化Fig.7 Telemetry parameter type instantiation

常用的遙測類型ParameterType包括Float、String、Enumerated、Integer、Binary、Boolean、RelativeTime、AbsoluteTime、Array、Aggregate等參數(shù)類型，編碼方式DataEncoding包括Integer、Float、String、Binary四類。遙測量處理流程見圖8，逐步完成原碼類型轉(zhuǎn)換、有效范圍檢查、數(shù)值計算、遙測參數(shù)類型轉(zhuǎn)換、報警檢查，實現(xiàn)原碼到物理量的轉(zhuǎn)換與報警監(jiān)視。

圖8 遙測參數(shù)的原碼與物理量轉(zhuǎn)換流程Fig.8 Conversion flow of telemetry parameters form origin code to physical value

2.3 基于序列容器的繼承設(shè)計

如圖9所示，遙測數(shù)據(jù)采用分層結(jié)構(gòu)，由遙測參數(shù)段、遙測包、多路復用、虛擬信道、遙測幀逐級生成[16]。為了實現(xiàn)遙測信息的分層組織，需要引入繼承與動態(tài)重寫機制，實現(xiàn)遙測信息的高效定義與重用。

通過面向?qū)ο蟮男蛄腥萜髟O(shè)計實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的分層構(gòu)建。如下定義一個基容器，聲明一個遙測包頭序列格式，其中EntryList負責聚合2.2節(jié)中定義的遙測參數(shù)，通過parameterRef索引遙測參數(shù)，也可以通過containerRef索引其它序列容器，從而實現(xiàn)分層組織，如圖10所示。

圖9 遙測分層組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.9 Telemetry hierarchical data structure

圖10 基容器示例Fig.10 Base container example

如下定義一段遙測參數(shù)序列“SecondaryHeader”，可以被其他序列容器引用。通過IncludeCondition條件(如比較條件Comparison parameterRef=“SecH” value=“1”)在序列實例化時重寫序列，從而支持動態(tài)序列容器(見圖11)。

圖11 遙測參數(shù)段的序列容器示例

通過BaseContainer支持容器繼承，并通過RestrictionCriteria匹配條件篩選，實現(xiàn)解幀、解包、解遙測參數(shù)段等操作指示(見圖12)。

圖12 容器繼承示例Fig.12 Container inheritance example

3 遙測元數(shù)據(jù)仿真應(yīng)用

為了提升多用戶間遙測信息平滑交互能力，打通總體設(shè)計與綜合測試之間的遙測信息交互壁壘，減少低層次重復勞動，本文設(shè)計了一體化的測控信息管理系統(tǒng)，可面向于不同航天器不同分系統(tǒng)不同單機的遙測數(shù)據(jù)管理。通過調(diào)研國外遙測元數(shù)據(jù)及參考面向?qū)ο蟮脑O(shè)計技術(shù)，設(shè)計了上節(jié)所述的分層的面向?qū)ο蟮倪b測元數(shù)據(jù)樣式，并應(yīng)用于測控信息管理仿真系統(tǒng)。從設(shè)計頂層出發(fā)，將衛(wèi)星綜合電子采集、下位機打包遙測信息納入單位信息化系統(tǒng)，在如圖13所示的測控信息管理仿真系統(tǒng)上，實現(xiàn)了衛(wèi)星設(shè)計環(huán)節(jié)與測試環(huán)節(jié)的遙測信息一體化管控，減少了人工重復配置的開銷與錯誤，提升了整體研制效率。

圖13 測控信息管理系統(tǒng)軟件界面Fig.13 Software interface of TM&TC information management system

測控信息管理仿真系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，系統(tǒng)模塊組成如圖14所示，由客戶端軟件和服務(wù)器軟件組成，客戶端軟件主要用于提供圖像化的編輯界面，供用戶進行數(shù)據(jù)、文檔操作，同時提供服務(wù)器管理界面，供系統(tǒng)管理員進行整個系統(tǒng)的配置；服務(wù)器軟件是為整個系統(tǒng)多個用戶提供在線的數(shù)據(jù)、文檔管理服務(wù)。

圖14 測控信息管理仿真系統(tǒng)模塊組成Fig.14 Module composition of TM&TC information management system

如圖15所示，通過圖形化的界面進行遙測元數(shù)據(jù)定義，一個單元格表征一個遙測參數(shù)，單元格屬性為遙測參數(shù)具體的內(nèi)容定義，通過行列表格的形式進行遙測參數(shù)的序列容器定義。

國內(nèi)航天器研制廠商、測控用戶、業(yè)務(wù)用戶均有成熟的、應(yīng)用多年的電氣地面支持設(shè)備(Electrical Ground Support Equipment，EGSE)，全面應(yīng)用面向?qū)ο蟮倪b測元數(shù)據(jù)配置存在著技術(shù)換代風險，影響任務(wù)執(zhí)行，因此可以如圖16所示，將公共的遙測元數(shù)據(jù)規(guī)范作為研制單位、用戶之間的遙測信息交換媒介，開發(fā)一套轉(zhuǎn)換軟件，完成本地遙測元數(shù)據(jù)與公共遙測元數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，如法國國家太空研究中心(CNES)開發(fā)了OASIS系統(tǒng)，完成了XTCE格式與本地XIF格式之間的轉(zhuǎn)換[17]。為了適應(yīng)地面測控站的遙測元數(shù)據(jù)格式，開發(fā)了相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換插件，將航天器研制單位的遙測元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地面測控站的遙測數(shù)據(jù)格式，便于地面站直接應(yīng)用，提升任務(wù)效率。

圖15 遙測元數(shù)據(jù)信息定義Fig.15 Definition of telemetry metadata

圖16 多用戶間遙測元數(shù)據(jù)應(yīng)用示意Fig.16 Application schema of telemetry metadata among users

測控信息管理仿真系統(tǒng)可自動生成航天器測控軟件、地面測試系統(tǒng)及地面測控系統(tǒng)的遙測配置文件，極大減少了軟件配置更改、調(diào)試、驗證及錯誤。如表2所示，相比傳統(tǒng)人工管理模式，減少了90%以上的遙測大表配置、檢驗等低層次重復勞動，節(jié)約了72天·人，系統(tǒng)協(xié)作效率提升300%，配置錯誤率為0，有力提升了各個航天器測控、綜合測試、地面測控、在軌長管、應(yīng)用用戶等相關(guān)方的系統(tǒng)協(xié)作效率，保障了任務(wù)。

表2 遙測元數(shù)據(jù)管理效率對比表

4 結(jié)束語

高效統(tǒng)一的遙測元數(shù)據(jù)信息交換技術(shù)有助于規(guī)范衛(wèi)星研制單位與相關(guān)用戶間的遙測數(shù)據(jù)的交互格式，減少由于信息描述格式不同引起的軟件更改、調(diào)試、驗證及錯誤，提升不同衛(wèi)星的遙測信息在多用戶間平滑交互的能力。本文借鑒國外成功經(jīng)驗并結(jié)合我國航天器研制需求，設(shè)計了一種面向?qū)ο蟮倪b測元數(shù)據(jù)樣式，具備遙測信息統(tǒng)一管理、繼承、派生、動態(tài)重寫等技術(shù)優(yōu)點，可與當前主流的Java、C#等面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言實現(xiàn)良好互通，在航天器研制過程中，基于該元數(shù)據(jù)樣式構(gòu)建了測控信息管理仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了衛(wèi)星設(shè)計環(huán)節(jié)與測試環(huán)節(jié)的遙測信息一體化管控，提升了衛(wèi)星研制的整體效率。

當前航天器各個研制階段的試驗測試數(shù)據(jù)格式不一致，遲滯阻礙了全周期大數(shù)據(jù)應(yīng)用。標準、高效、性能優(yōu)良的元數(shù)據(jù)信息技術(shù)可用于規(guī)范各個階段的試驗測試數(shù)據(jù)描述，有助于打通研制各階段的測試信息交互壁壘，聚合單機研制、AIT、發(fā)射、在軌等階段的航天器測控數(shù)據(jù)，進行全周期的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。后續(xù)將進一步開展元數(shù)據(jù)信息技術(shù)在全周期數(shù)據(jù)工程中的應(yīng)用研究，為試驗鑒定、測試大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用提供前提保障，提升航天大系統(tǒng)的工程協(xié)作效率與信息共享性。