一種基于Lua腳本的航天器遙控快速測試驗證技術(shù)

宋宏江 高何 盧成志 何曉宇 白少華

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

航天器綜合測試是衛(wèi)星研制流程中的重要環(huán)節(jié)，測試期間需要頻繁向航天器上注遙控指令，同時通過遙測反饋檢查航天器動作執(zhí)行的正確性。目前，各類航天器均設(shè)計了大量遙控指令(二進制碼格式)，需要在航天器綜合測試現(xiàn)場進行指令編制和簽字復(fù)核，主要包括間接指令、星務(wù)指令、總線指令、數(shù)據(jù)注入指令以及由上述指令組合而成的任務(wù)級指令序列等，用于實現(xiàn)航天器的動作執(zhí)行及任務(wù)操控[1]。這些事先難于準(zhǔn)備和充分驗證，同時制作的指令數(shù)量過多，使用時難于檢索和實時上注，無法滿足航天器快速測試驗證需求。因此本文提出基于Lua腳本的航天器遙控快速測試驗證技術(shù)，將遙控指令注冊為Lua函數(shù)，航天器綜合測試過程中需要上注指令時，由綜合測試平臺中的指令控制臺發(fā)送遙控指令參數(shù)，再通過綜合測試平臺集成并擴展的Lua解釋器將腳本語言轉(zhuǎn)換為能夠生成遙控指令的函數(shù)語言完成指令碼字的生成、校驗并進行實時上注。

1 Lua腳本語言特點

Lua[2-4]是一種嵌入式腳本語言，由標(biāo)準(zhǔn)C編寫而成，具備可擴展性好、簡單、高效的特點，在其類庫的支持下，Lua腳本語言可非常方便地與C語言結(jié)合，完成遙控指令生成的流程控制，基于Lua腳本的航天器遙控快速測試驗證方法，應(yīng)用了Lua的下列特點。

(1)Lua腳本語言是基于關(guān)聯(lián)數(shù)組和可擴展語法結(jié)構(gòu)設(shè)計的語言，具有變量無類型、動態(tài)定義類型、面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)、編譯產(chǎn)生中間代碼和內(nèi)存自動回收等特點，所以常被作為一種腳本嵌入于其它主系統(tǒng)中。

(2)Lua腳本模塊作為一個獨立的線程，與主程序和其他線程互不影響地同時工作。Lua腳本模塊位于主程序的進程內(nèi)部，可容易地訪問主程序內(nèi)部的變量和函數(shù)。

(3)Lua腳本程序可很好地創(chuàng)建接口，定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，編碼和解碼每條指令。由于Lua本身是一種解釋性的語言，因此，不需要編譯過程，大大縮短了動態(tài)鏈接庫方式的程序語言的編寫、編譯、鏈接和運行的時間，允許用戶運行時編寫應(yīng)用程序，這樣，主程序變得更加靈活和實用，非常適合實時性要求高、運行環(huán)境多樣的場合。

圖1 綜合測試平臺與Lua腳本的調(diào)用關(guān)系圖Fig.1 Relationship between integrated test platform and Lua script

本文中綜合測試平臺與Lua腳本的調(diào)用關(guān)系[5]如圖1所示。航天器綜合測試平臺作為測試處理服務(wù)器，Lua作為嵌入式腳本，嵌入到宿主語言實現(xiàn)的綜合測試平臺遙控指令生成模塊中，為綜合測試平臺的遙控指令快速生成功能提供參數(shù)配置和邏輯描述；同時綜合測試平臺遙控指令生成模塊又作為Lua的底層擴展庫，支撐Lua腳本訪問航天器綜合測試系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)和計算資源。

2 遙控指令快速生成方法設(shè)計

遙控指令快速生成系統(tǒng)遵循平臺化思想，在航天器綜合測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上深度融合Lua腳本，通過Lua用來描述各類指令的模型和生成算法，屏蔽各型號指令生成接口協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的多樣性，實現(xiàn)了航天器綜合測試平臺和Lua腳本之間的交互通信，解決了航天器綜合測試遙控指令快速生成的難題。

設(shè)計思路如下：

(1)遙控指令快速生成系統(tǒng)創(chuàng)建一個獨立的進程用于完成航天器遙控指令的快速生成任務(wù)，該進程啟動時加載動態(tài)指令生成模塊。

(2)當(dāng)遙控指令快速生成系統(tǒng)收到用戶發(fā)送的遙控指令生成命令后，對命令進行解析，調(diào)用Lua語言提供的luaL_newstate接口函數(shù)創(chuàng)建Lua解釋器，然后調(diào)用lua_checkstack接口擴展Lua的堆棧容量，用來接收用戶的指令參數(shù)，調(diào)用luaL_openlibs接口加載Lua通用擴展庫，最后調(diào)用lua_register接口向Lua解釋器注冊遙控指令快速生成的擴展函數(shù)。本系統(tǒng)中設(shè)計的Lua擴展有：①getparamhex是獲取實時參數(shù)的函數(shù)，供Lua指令文件使用，該函數(shù)含有兩個參數(shù)，第一個參數(shù)是DATE.A001形式，第二個參數(shù)是%08x形式；②savefile是將數(shù)據(jù)存儲至遙控指令快速生成系統(tǒng)型號目錄下，第一個參數(shù)為要存儲的數(shù)據(jù)，第二個參數(shù)為要存儲的文件名；③isocompute是計算字符串的ISO校驗，參數(shù)為要計算的字符串，返回值為需要計算的字符串加上校驗碼；④crccompute是計算字符串的CRC校驗，參數(shù)為要計算的字符串，返回值為需要計算的字符串加上校驗碼；⑤paramreverse是將字符串按照字節(jié)反轉(zhuǎn)的函數(shù)，供Lua指令文件調(diào)用。

(3)按照Lua語法以及已經(jīng)在Lua解釋器中擴展的包含各種獲取航天器綜合測試系統(tǒng)資源的Lua命令將航天器自動化測試需要的動態(tài)指令的生成邏輯編寫到Lua腳本中，保存為klu.lua文件。

(4)獲取用戶發(fā)送的指令生成命令的參數(shù)，包括指令生成的規(guī)則名稱和參數(shù)數(shù)值，并傳遞給遙控指令快速生成系統(tǒng)的Lua解釋器，然后系統(tǒng)調(diào)用lua_pcall動態(tài)生成指令，期間如果指令需要獲取實時遙測數(shù)據(jù)作為其參數(shù)，利用系統(tǒng)擴展的getparamhex函數(shù)訂閱遙測工程值，最后系統(tǒng)通過lua_tostring獲取腳本生成的指令字符串。

(5)整個指令生成過程的差錯控制首先由系統(tǒng)調(diào)用luaL_loadfile接口將Lua腳本文件加載到遙控指令快速生成系統(tǒng)的Lua解釋器中，調(diào)用lua_pcall對Lua腳本文件進行語法和詞法檢查，返回航天器綜合測試系統(tǒng)靜態(tài)檢查信息；然后再是指令生成過程中系統(tǒng)對指令參數(shù)及生成邏輯進行合法性判斷和差錯控制；最后指令字符串生成后，遙控指令快速生成系統(tǒng)將字符串轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)返回給測試系統(tǒng)判斷并處理，當(dāng)返回結(jié)果為0時表示指令生成腳本邏輯有錯，不做上星處理，當(dāng)返回結(jié)果為非0數(shù)值時，則系統(tǒng)生成二進制碼流由前端設(shè)備上注至航天器，實現(xiàn)航天器遙控指令的快速生成及上注執(zhí)行。遙控指令生成過程如圖2所示。

圖2 遙控指令快速生成過程Fig.2 Fast generation process of remote control command

3 測試驗證

本文以高分七號衛(wèi)星綜合測試平臺[6-8]為例介紹遙控指令快速生成驗證方法，如圖3所示。

高分七號指令快速生成主要涉及：前端設(shè)備、指令控制臺以及遙控指令快速生成系統(tǒng)3部分。

(1)前端設(shè)備接收衛(wèi)星下傳的遙測信息并送入遙控指令快速生成系統(tǒng)中。

(2)指令控制臺提供用戶操作界面，實現(xiàn)指令參數(shù)輸入的可視化效果，傳遞遙控指令生成所需參數(shù)給遙控指令快速生成系統(tǒng)。

(3)遙控指令快速生成系統(tǒng)包括遙測解析模塊、動態(tài)指令生成模塊：遙測解析模塊將遙測信息從數(shù)據(jù)源碼狀態(tài)處理為數(shù)據(jù)工程值狀態(tài)；動態(tài)指令生成模塊加載Lua腳本文件，完成Lua腳本函數(shù)注冊，當(dāng)需要進行遙控指令上注時，動態(tài)指令生成模塊傳遞遙控指令生成所需參數(shù)給Lua解釋器，Lua解釋器對所述Lua腳本文件進行解釋執(zhí)行，生成指令二進制碼并實時發(fā)送給前端設(shè)備，最終送達(dá)衛(wèi)星。

測試驗證過程如下。

1)指令腳本創(chuàng)建

創(chuàng)建高分七號動態(tài)指令腳本邏輯文件klu.lua[9-10]，編寫動態(tài)指令的生成邏輯，如某功能指令-載荷單站回放DZHF，其腳本如圖4所示。

圖4中，DZHF為指令函數(shù)名，對應(yīng)測試系統(tǒng)傳遞的指令名稱；(p1…)為傳遞的參數(shù)數(shù)量及內(nèi)容；crccompute() 等為在測試系統(tǒng)中用C語言定義的擴展函數(shù)，用來計算校驗和；string.format( )等為Lua內(nèi)置函數(shù)及運算符，實現(xiàn)對指令字符串的格式轉(zhuǎn)換及數(shù)學(xué)計算等，最終返回生成的字符串結(jié)果至測試系統(tǒng)。

圖3 遙控指令快速生成系統(tǒng)Fig.3 Fast generation and test system of remote control command

圖4 動態(tài)指令生成腳本Fig.4 Dynamic instruction generation script

2)遙控指令發(fā)送

測試系統(tǒng)指令操作臺界面選擇載荷單站回放(DZHF)指令，填寫相應(yīng)參數(shù)，并發(fā)送指令，如圖5所示。

3)遙控指令生成

遙控指令快速生成系統(tǒng)收到指令控制臺傳遞的載荷單站回放(DZHF)指令參數(shù)后，調(diào)用kua.lua中的DZHF函數(shù)生成載荷單站回放(DZHF)的指令碼。

通過上述測試驗證系統(tǒng)，將高分七號衛(wèi)星模式測試中96個指令序列模板抽象為8個Lua函數(shù)腳本，使指令模板數(shù)量降低了90%以上，指令生成和上注時間由原來的5～30 min縮短為10～30 s。試驗表明：基于Lua腳本的航天器遙控指令快速生成方法利用Lua擴展性、高效率的特點，獲取實時遙測使遙控指令更加真實可信，不需重新編譯可即時調(diào)整腳本邏輯，提高了測試效率與驗證的充分性，簡化了生成步驟，最終較好地完成了遙控指令實時生成及上注的需求(見圖5)。

圖5 指令發(fā)送示意圖Fig.5 Instruction sending diagram

4 技術(shù)應(yīng)用

本文提出的基于Lua腳本的航天器遙控指令快速生成方法，實現(xiàn)了指令參數(shù)與指令碼字、邏輯時序的映射關(guān)系，根據(jù)測試項目靈活選取指令參數(shù)，大幅降低測試準(zhǔn)備時間，尤其適用于指令參數(shù)多、衍生需求大的遙感衛(wèi)星載荷任務(wù)指令任務(wù)編排場景，現(xiàn)已在我國多個航天器綜合測試中推廣應(yīng)用，無論是在整合指令模板數(shù)量方面，還是在縮短指令生成時間方面，其效率均顯著地提升達(dá)90%以上。

5 結(jié)束語

本文基于Lua腳本，提出了一種航天器遙控快速測試驗證技術(shù)，該技術(shù)通過測試前完成遙控指令Lua函數(shù)的注冊，測試時根據(jù)測試項目靈活選取指令參數(shù)，即可完成遙控指令傳參-生成-上傳-存儲-上注等一系列動作，大幅降低測試準(zhǔn)備時間，解決了指令生成靈活性差的問題，同時利用Lua擴展性、高效率的特點，獲取實時遙測使遙控指令更加真實可信，不需重新編譯可即時調(diào)整腳本邏輯，有效保障了遙控指令執(zhí)行的安全性，避免了人工重復(fù)制作或復(fù)核不到位等風(fēng)險。實踐證明，該方法可以快速生成各類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的遙控指令，大幅提高了遙感衛(wèi)星指令生成上注的測試效率。