基于NoSQL技術(shù)的衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】為解決傳統(tǒng)星載計算機系統(tǒng)中衛(wèi)星數(shù)據(jù)儲存速度慢、數(shù)據(jù)備份不足和綜合管理能力弱等問題，設(shè)計了基于NoSQL處理技術(shù)的衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊通過探測幀操作命令，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速檢索和快速回傳;數(shù)據(jù)庫綜合管理模塊實現(xiàn)了地對空數(shù)據(jù)傳輸、傳感器采集模塊的數(shù)據(jù)儲存、操作命令的執(zhí)行和實時通信。為加快數(shù)據(jù)傳輸，傳輸層采用UDP協(xié)議，詳細進行了儲存幀、數(shù)據(jù)檢索幀和數(shù)據(jù)傳輸幀的設(shè)計。模擬系統(tǒng)實驗測試證實該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多源數(shù)據(jù)的快速存取、復(fù)雜查詢和傳輸通信。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星配載;多源分布;傳感采集;數(shù)據(jù)處理

〔中圖分類號〕TP391.1（文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1674-3229（2021）04-0034-04

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

隨著衛(wèi)星飛行器技術(shù)的快速進步，衛(wèi)星配載的計算機系統(tǒng)中海量飛行數(shù)據(jù)的儲存、快速回放和數(shù)據(jù)檢索等需求迅猛提升，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理方式難以滿足新一代飛行器的存儲檢索等功能[1]。傳統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲管理通過操控存儲介質(zhì)實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的采集、儲存、實時處理和數(shù)據(jù)之間的互相訪問，在地面與衛(wèi)星之間通訊時數(shù)據(jù)回放過程會產(chǎn)生間斷、丟失等問題[2]。

基于NoSQL處理技術(shù)的衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式數(shù)據(jù)管理、存儲和檢索等功能，可以大大提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲、檢索和回傳的速度和準(zhǔn)確性[3-5]。

衛(wèi)星配載計算機系統(tǒng)多元數(shù)據(jù)的特點是品類多和形式各異，數(shù)據(jù)整體管理不易[6]。為了滿足衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的多元融合、存儲靈敏和實時檢索的需求，本文設(shè)計了全新的高效率數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框架，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，數(shù)據(jù)源1、2、3代表的是多源傳感設(shè)備收集的各類數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星飛行角度狀態(tài)、位置信息、速率、溫度和科學(xué)儀器等。綜合管理主要負責(zé)地對空的數(shù)據(jù)交互外部通信和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的內(nèi)部交互通信、數(shù)據(jù)檢索、通信接口設(shè)計和數(shù)據(jù)的儲存管理等。

數(shù)據(jù)管理功能主要包括數(shù)據(jù)的查詢搜索和快速儲存，數(shù)據(jù)庫技術(shù)NoSQL能夠滿足靈活多變、存儲邏輯快捷和檢索高效的系統(tǒng)需求，分布式框架實現(xiàn)了數(shù)據(jù)隔離和容易擴展的數(shù)據(jù)特征。綜合管理模塊使用Sqlite技術(shù)，提高了衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與組織，實現(xiàn)了地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與衛(wèi)星之間的實時數(shù)據(jù)傳輸對接[7]。

2 數(shù)據(jù)查詢模塊設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)查詢功能設(shè)計

數(shù)據(jù)查詢功能主要是通過綜合管理的數(shù)據(jù)查詢命令實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的接收與處理，并根據(jù)查詢命令在NoSQL數(shù)據(jù)庫中搜索相應(yīng)數(shù)據(jù)并傳輸至地面。系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)查詢功能模塊主要包括[8]：（1）數(shù)據(jù)連接探測子模塊主要功能為探測命令發(fā)出后，完成傳感器數(shù)據(jù)傳輸通道連接異常檢測并進行數(shù)據(jù)傳輸通道重啟，保障傳輸信道不會影響數(shù)據(jù)的采集與接收;（2）控制命令執(zhí)行子模塊主要功能為當(dāng)?shù)貙彰畎l(fā)出后，數(shù)據(jù)系統(tǒng)做出相應(yīng)的操作執(zhí)行;（3）數(shù)據(jù)檢索與查詢子模塊主要功能為實時進行數(shù)據(jù)的查詢、檢索與傳輸;（4）NoSQL數(shù)據(jù)庫子模塊主要功能為實時完成采集數(shù)據(jù)的接收與儲存。

2.2 數(shù)據(jù)查詢工作流程設(shè)計

數(shù)據(jù)查詢的工作流程主要包括[9]：（1）系統(tǒng)初始化實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收端的偵聽;（2）當(dāng)接收到探測命令后，打開客戶端接收狀態(tài);（3）根據(jù)檢索命令，實現(xiàn)衛(wèi)星對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)和飛行姿態(tài)的查詢存儲，并實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的封裝和傳送。數(shù)據(jù)查詢模塊的工作流程如圖3所示。

3 綜合管理模塊

數(shù)據(jù)綜合管理模塊主要可以實現(xiàn)傳感采集數(shù)據(jù)的存儲管理、數(shù)據(jù)接收和查詢檢索，并通過內(nèi)部通信和外部通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的空中對地面的數(shù)據(jù)回傳功能。整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 綜合管理模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)

消息展示子模塊主要負責(zé)空中對地面的數(shù)據(jù)傳送與界面顯示;數(shù)據(jù)組織管理子模塊主要負責(zé)衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)的儲存、分析和查詢檢索;通信子模塊主要負責(zé)實現(xiàn)衛(wèi)星內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸信道和衛(wèi)星外部數(shù)據(jù)傳輸信道的控制，完成相應(yīng)操作命令的執(zhí)行;控制子模塊主要負責(zé)數(shù)據(jù)的組織管理、傳輸、分析等功能。地對空命令包括了探測命令、簡單查詢、復(fù)雜查詢和數(shù)據(jù)庫操作等。具體如表1所示。

4 分布式通信協(xié)議

為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的通信協(xié)議使用了基于UDP傳輸?shù)募夹g(shù)，數(shù)據(jù)幀大小為64字節(jié)。幀格式類型主要設(shè)計了三種類型：

（1）數(shù)據(jù)通用格式主要包括1字節(jié)的frame type和63字節(jié)的數(shù)據(jù)長度。

（2）查詢命令格式主要包括1字節(jié)的frametype、1字節(jié)的catetyte、22字節(jié)的時間戳、22字節(jié)的長度檢測和18字節(jié)的數(shù)據(jù)校驗。

（3）儲存數(shù)據(jù)幀格式主要包括1字節(jié)的frametype、1字節(jié)的date tyte、1字節(jié)的dataSIQ、21字節(jié)長的保留未用和40字節(jié)的data。三種幀模式可以滿足數(shù)據(jù)的存儲、校驗和檢索等[10]。通信幀結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

5 系統(tǒng)模擬測試

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性，本文編碼實現(xiàn)了原型系統(tǒng)并進行了測試。測試所使用的驗證開發(fā)板為Power837x，其余測試的軟硬件配置情況如表2所示。

測試環(huán)境搭建中，數(shù)據(jù)交換設(shè)備使用交換機模擬搭建了地對空網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，業(yè)務(wù)開發(fā)板1、2和3模擬了衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)庫使用了NoSQL技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲、檢索和查詢等功能。測試系統(tǒng)環(huán)境搭建如圖6所示。

測試系統(tǒng)模擬了衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)儲存在NoSQL中，并通過UDP協(xié)議傳送到開發(fā)板。數(shù)據(jù)庫的上傳與下載速率如圖7所示。從圖7可知，傳感器采集數(shù)據(jù)的數(shù)目越多，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率越低，上傳與下載速率維持在1.5M/S。

為了驗證系統(tǒng)的速率，測試了在緩存技術(shù)與不啟動緩存的條件下，100條、500條、1000條、2000條、3000條和4000條數(shù)據(jù)的傳送時間。緩存與否傳送時間對比如表3所示。從表3可以看出，緩存機制大大提高了數(shù)據(jù)傳送的效率。

如圖8所示，衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的測試運行中，通過系統(tǒng)操作命令的測試，能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、檢索和傳送。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)的存儲、檢索和空對地的傳輸。

6 結(jié)語

基于NoSQL技術(shù)的衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)查詢、綜合管理、分布式通信協(xié)議和數(shù)據(jù)幀等模塊，實現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)的快速采集、檢索和地對空數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。NoSQL處理技術(shù)通過探測幀操作命令，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速檢索和回傳。數(shù)據(jù)庫綜合管理系統(tǒng)實現(xiàn)了地對空數(shù)據(jù)的傳輸、傳感器采集模塊的數(shù)據(jù)儲存、操作命令的執(zhí)行和實時通信等。通過模擬系統(tǒng)的實驗測試，證實該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、檢索和傳送。

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[收稿日期]2021-05-22

[作者簡介]劉慧慧（1994-），女，碩士，鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信工學(xué)院助教，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、無線通信等。