航天器遙測信息傳遞通用接口設計

張海威 郭江 匡冬梅 張江 任登高

(西安衛(wèi)星測控中心，宇航動力學國家重點實驗室，西安 710043)

在航天器的設計、研制、使用過程中，仿真、測試、載荷、測控等系統(tǒng)之間各自使用不同的接口定義，導致系統(tǒng)間需要交互的遙測信息格式和方式千差萬別；同時，由于航天器設計、制造、測試使用的集成測試數(shù)據(jù)庫和由用戶使用的飛行任務數(shù)據(jù)庫二者相互隔離，導致同樣用來監(jiān)控航天器狀態(tài)的遙測信息數(shù)據(jù)庫重復配置，帶來了大量的重復工作和無謂的經(jīng)費浪費，增加了任務準備時間，并引入了不必要的任務風險。

目前，NASA、ESA的航天器系統(tǒng)中廣泛應用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)的基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換(XTCE)標準。XTCE[1-5]是CCSDS于2005年發(fā)布的一種標準化語言，其目標是完整、準確地描述遙測遙控信息，實現(xiàn)同構(gòu)或異構(gòu)航天任務的遙測遙控信息在各系統(tǒng)、各部門乃至各個國家的航天局之間實現(xiàn)無縫對接、交換。中法合作空間資源監(jiān)測衛(wèi)星項目的地面系統(tǒng)探討了XTCE技術(shù)的應用；文獻[6-9]中研究了基于XTCE的遙測組幀技術(shù)，但工程應用不足。本文在上述工作的基礎(chǔ)上，參照CCSDS的XTCE標準中航天器遙測信息交互通用接口，設計遙測信息從總體結(jié)構(gòu)到各層次本身的屬性、再到各元素的詳細信息，并采用關(guān)口支持型解決方案。通過對國內(nèi)各航天器研制方與測控中心遙測信息處理軟件作適應性改進，可實現(xiàn)雙方的遙測信息快速傳遞。工程實踐表明，本文設計的通用接口有利于提高航天器設計制造、測控管理和應用效能。

1 遙測信息傳遞通用接口

考慮到國內(nèi)各航天器研制方與測控中心在遙測信息處理解析過程中的通用和一致性要求，實現(xiàn)各航天器研制方遙測信息從設計測試到測控中心使用管理的精確有效傳遞，本文設計了航天器遙測信息傳遞通用接口，目標是：①規(guī)范國內(nèi)各航天器研制方與測控中心間遙測數(shù)據(jù)的描述方法和格式，使設計、測試數(shù)據(jù)可以有效應用于航天器運行和操控，提高工作效能；②考慮到與國內(nèi)各航天器研制方現(xiàn)有遙測信息傳遞的通用性，采用關(guān)口支持型解決方案實現(xiàn)接口設計，盡可能減少當前各航天器研制方遙測信息系統(tǒng)的更動；③鑒于CCSDS的XTCE標準對多種遙測信息的定義和處理的適應性過于靈活，為保證信息處理傳遞的規(guī)范、準確和易于理解，規(guī)避XTCE標準對同一數(shù)據(jù)格式的多種描述方式，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上實現(xiàn)各航天器研制方與測控中心間的接口統(tǒng)一規(guī)范；④統(tǒng)一航天器研制到使用監(jiān)控之間的數(shù)據(jù)庫交換，打通遙測信息流動通道，縮短任務周期。

1.1 通用接口結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)各航天器研制方主要采用分包遙測體制進行航天器遙測設計，包括固定格式的包頭信息、部分關(guān)鍵的插入?yún)^(qū)數(shù)據(jù)信息、可變內(nèi)容的數(shù)據(jù)區(qū)及校驗區(qū)信息等[7]。實際使用過程中，航天器按照分系統(tǒng)遙測信息采集的優(yōu)先級進行組幀、組包，然后下傳至測控中心。測控中心將接收到的原始遙測數(shù)據(jù)進行預處理，區(qū)分航天器名稱代號等基礎(chǔ)信息，驗證校驗信息的正確性，進而對遙測數(shù)據(jù)進行分系統(tǒng)分類處理，隨后對遙測參數(shù)進行解析，計算得到相應的物理量，從而實現(xiàn)對航天器各分系統(tǒng)運行狀態(tài)的分析判斷。因此，本文通過分析國內(nèi)各航天器研制方采用的遙測體制與協(xié)議，提取各方遙測系統(tǒng)的設計共性，參考XTCE標準，提出基于分層模型的遙測信息傳遞通用接口結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

注：CRC為循環(huán)冗余校驗。

圖1 通用接口結(jié)構(gòu)

Fig.1 Universal interface structure

1.2 通用接口模型

以遙測包結(jié)構(gòu)為例，基于原始遙測數(shù)據(jù)X的包協(xié)議映射函數(shù)Y滿足

(1)

式中：n為虛擬信道個數(shù)；Dij為第i個虛擬信道下的第j個包數(shù)據(jù)；mi為第i個虛擬信道的包個數(shù)；G為參數(shù)對應的處理方法集合。

進一步考慮包數(shù)據(jù)域中各個子元素的位置信息，則有

(2)

式中：E為信息提取函數(shù);Mi為包數(shù)據(jù)域中的位置矩陣；Pi為位置向量；Ci為元素提取條件判斷函數(shù)。

(3)

式中：s為航天器第i個分系統(tǒng)出現(xiàn)的條件個數(shù)；V為第i個分系統(tǒng)第j個出現(xiàn)條件判據(jù)向量；ri為多航天器中第i個分系統(tǒng)的出現(xiàn)條件。

由此可見，通過定義航天器各分系統(tǒng)信息提取位置向量P、條件判斷向量V、出現(xiàn)條件關(guān)系r和處理方法集合G等，就可以方便地實現(xiàn)航天器從頂層至底層元素間的映射。

1.3 通用接口設計

利用上述分析結(jié)果，本文采用分層模型構(gòu)建遙測信息傳遞通用接口，見圖2。它包括航天器名稱(Satellite)、遙測幀的說明(TmFrames/TmFrame)、插入域的處理定義(InsertZone)、分系統(tǒng)的名稱定義(Subsystems/Subsystem)、航天器遙測包格式的定義和數(shù)據(jù)包的具體定義(TmPackets/TmPacket)、遙測參數(shù)的定義(TmPara)、通用和自定義處理方法庫(TmFuncs)及預留非標準處理的庫文件(InputTypes)。其中：航天器名稱(Satellite)為根節(jié)點，用于表示具體航天器任務的相關(guān)信息；遙測幀(TmFrames)、插入域(InsertZone)、分系統(tǒng)(Subsystems)、通用和自定義處理方法庫(TmFuncs)及預留非標準處理的庫文件(InputTypes)為二級節(jié)點，用于描述整個遙測信息的結(jié)構(gòu)；單一的遙測幀(TmFrame)、分系統(tǒng)(Subsystem)等為三級節(jié)點，用于表征分系統(tǒng)及單幀遙測結(jié)構(gòu)；以此類推，直至達到表征單一具體遙測信息的TmParam。

圖2 通用接口分層模型

按照上述分層模型將遙測信息填充到XML各節(jié)點，可定義全格式的航天器包遙測XML統(tǒng)一協(xié)議。每個遙測解碼文件具備獨有的所屬航天器信息(Satellite)，利于多個航天器(Satellites,如星座、星群等)共用服務器和接口文件傳遞，而航天器只使用自身的XML解碼文件，通過該樹形結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)最終端的遙測信息解析。

1.3.1 航天器信息(Satellite)

航天器信息是整個XML有效內(nèi)容的根節(jié)點，作為一級結(jié)構(gòu)，具有名稱、航天器代號和識別碼屬性；元素包括文件版本(Revision)、遙測幀結(jié)構(gòu)(TmFrames)、包格式(TmPktHeader)、分系統(tǒng)(SubSystems)、函數(shù)庫(TmFuncs)等。

1)標簽

，用于表示航天器任務的相關(guān)信息。

2)屬性

code：航天器代號，如XX-1；name：航天器名稱，如“XX航天器”；projectName：航天器工程代號。

航天器信息示例見圖3。接口文件的版本包含版本信息和修改日期兩方面的內(nèi)容，即Version和Date，示例見圖4。

圖3 航天器信息

圖4 版本信息

1.3.2 航天器幀結(jié)構(gòu)信息

1)遙測幀結(jié)構(gòu)信息(TmFrames)

該部分內(nèi)容用來描述航天器遙測幀總體結(jié)構(gòu)信息。由于不同航天器間遙測信息差異較大，考慮通用性要求，定義如下格式：幀長、碼速率、同步字、航天器標志、幀計數(shù)、首導頭、數(shù)據(jù)區(qū)、校驗區(qū)等。遙測幀結(jié)構(gòu)對上述信息進行項目角色定義，通過子元素描述整個遙測幀的總體結(jié)構(gòu)，同時各子元素作為幀結(jié)構(gòu)元又具有不同的屬性描述，成為二級結(jié)構(gòu)。

子元素屬性定義如下。name：項目名稱；bitLen：數(shù)據(jù)位長度；startBitLocation：起始位置；value：值屬性，可選；role：項目角色，可選，用于標示該項目在遙測幀中代表的預定義角色，取值范圍為“SynCode”、“FrameCounter”、“FirstHeaderPointer”、“InsertZone”、“PacketZone”、“CheckZone”。

通用分包遙測體制的遙測幀結(jié)構(gòu)定義見圖5，給出了1024 byte長度遙測的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)形式。

2)插入?yún)^(qū)信息(InsertZone)

插入?yún)^(qū)單獨作為非包結(jié)構(gòu)的遙測解析規(guī)則，是固定格式的遙測數(shù)據(jù)，用于存在幀結(jié)構(gòu)復用的情況，其解碼一般配合幀計數(shù)FrameCounter使用。其下屬的子元素為。因此，各航天器需要將幀計數(shù)角色的幀結(jié)構(gòu)元處理為遙測工程值。具體示例見圖6。

圖6 插入?yún)^(qū)信息

3)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息(SubSystems)

該部分子元素為各個分系統(tǒng)的具體遙測解碼相關(guān)信息SubSystem，子元素SubSystem具有name屬性。具體示例見圖7。

圖7 分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯包含關(guān)系

4)通用處理方法集合信息(TmFuncs)

它主要描述函數(shù)庫的信息，給出庫中全部函數(shù)的接口描述信息。本部分具有子元素遙測處理方法TmFunc，用于定義處理方法的全部描述信息和格式。

屬性：name，遙測參數(shù)處理方法名稱，如“曲線擬合、溫度計算”；code，遙測參數(shù)處理方法代號，如“C0001、F0501”；dreturnType，處理方法的返回值類型，具有“無符號整數(shù)、補碼整數(shù)、單精度浮點數(shù)、雙精度浮點數(shù)”等可選項。

子元素：InputModulu，遙測處理方法的輸入系數(shù)；InputTmPara，遙測處理方法的輸入遙測參數(shù)。

InputModulu和InputTmPara屬性：name，名稱，對應系數(shù)或參數(shù)的名稱；code，遙測參數(shù)代號，輸入系數(shù)無此屬性；type，類型，對應輸入數(shù)據(jù)的類型。

考慮到各航天器研制方與測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫配置的靈活性和通用性要求，對TmFuncs的定義和調(diào)用，采用關(guān)口支持型方案，通過構(gòu)建處理方法數(shù)據(jù)庫進行映射的方式予以實現(xiàn)。通過對常用的處理方法約定特定處理方法代號，實現(xiàn)通用處理方法的高度復用，降低系統(tǒng)接口的復雜度，同時進一步降低系統(tǒng)的耦合程度，提高處理效率。

1.3.3 航天器包信息

1)包頭信息(HeaderItems)

遙測包頭的結(jié)構(gòu)，是遙測包識別的前提和依據(jù)。

屬性：name，項目名稱；bitLen，數(shù)據(jù)位長度；startBitLocation；role，項目角色，可選，用于標示該項目在包頭中代表的預定義角色，取值范圍為“包長度”、“包序列計數(shù)”、“包識別符”。

標簽：遙測包TmPkt，是進行遙測包識別的依據(jù)，由包頭項構(gòu)成。

Condition：用于描述本包的解析條件；元素Anded和Ored：表示“與”、“或”的邏輯關(guān)系；Criterion：作為判據(jù)，判斷參數(shù)Tmpara的出現(xiàn)條件。

2)遙測參數(shù)信息(TmPara)

它定義有關(guān)遙測參數(shù)的全部內(nèi)容，主要包括解碼、顯示和公式處理相關(guān)全部內(nèi)容。具體子元素定義見圖8。實現(xiàn)的遙測包數(shù)據(jù)描述見圖9。

圖9 TmPara遙測包數(shù)據(jù)實現(xiàn)

1.4 通用接口實現(xiàn)

在明確遙測參數(shù)信息傳遞接口模型后，要進一步理清其與測控中心的處理對應關(guān)系和約束，才能實現(xiàn)信息的正確、無損轉(zhuǎn)換傳遞。接口文件中包含的信息分布在遙測元數(shù)據(jù)，即XTCE標準對遙測元數(shù)據(jù)的規(guī)定(參數(shù)類型集合ParameterTypeSet、參數(shù)集合ParameterSet、信息容器集合ContainerSet、消息集合MessageSet、數(shù)據(jù)流集合StreamSet、算法集合Algorithmset等)中。其組織信息的方式是由小到大，先生成參數(shù)定義，由參數(shù)的組合生成容器，由容器生成消息和數(shù)據(jù)流，處理方法則貫穿于整個解析過程中；測控中心遙測信息處理的方式是由大到小，首先對遙測數(shù)據(jù)進行合理性檢驗(如航天器信息檢查、CRC等)，隨后將遙測數(shù)據(jù)幀分解為數(shù)據(jù)類集合(解幀)，數(shù)據(jù)類分解為參數(shù)集合(解包)，最后進行具體的參數(shù)處理，并對處理結(jié)果進行可信性分析(如位置確認、合理性區(qū)間分析)，處理方法同樣貫穿于整個解析過程中。

2 設計驗證

通過上述分析，編制航天器遙測信息接口分析與驗證軟件，以實現(xiàn)各航天器研制方遙測處理信息在測控中心的自動導入和驗證功能。

(1)軟件通過實現(xiàn)航天器研制方與測控中心間定義的遙測處理信息交換協(xié)議，實現(xiàn)兼容包括高級在軌系統(tǒng)(AOS)遙測、CCSDS包遙測等多種遙測協(xié)議的遙測信息自動導入功能。

(2)軟件可按照遙測協(xié)議分層結(jié)構(gòu)不同粒度提供遙測幀、副幀、遙測包、遙測參數(shù)、處理方法、顯示等信息分析、校驗、顯示、查詢和修改，用于測控中心航天器任務遙測信息處理準備與實施。

實際航天發(fā)射測控任務中，比對了遙感、“北斗”等多個系列衛(wèi)星的測試數(shù)據(jù)庫中遙測數(shù)據(jù)和測控中心采用接口軟件生成解析遙測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：軟件實現(xiàn)了數(shù)萬個遙測參數(shù)的“一鍵導入、快速生成、自主校驗”功能，具備了遙測信息導入、校驗及錯誤識別定位告警功能(見圖10)，具有較好的使用效果。

圖10 通用接口軟件處理結(jié)果

3 結(jié)束語

為解決我國航天器研制與應用不同階段間遙測信息交換不統(tǒng)一導致大量重復工作、不適應當前我國航天快速高密度發(fā)射形勢的需求問題，本文參照CCSDS的XTCE標準，結(jié)合當前我國航天器研制方與測控中心遙測信息傳遞實際，提出了通用規(guī)范的航天器遙測信息傳遞通用接口。其中：構(gòu)建了航天器遙測信息分層模型，明確了航天器各分系統(tǒng)的分支節(jié)點，完成了航天器遙測文件元素定義；規(guī)范了航天器遙測信息交換的通用數(shù)據(jù)處理方法,實現(xiàn)了測控中心遙測信息傳遞通用接口軟件。該通用接口已經(jīng)過多個航天器研制與應用的實踐檢驗，可推廣使用。