航天器電子數(shù)據(jù)單應用方法分析

呂良慶 張峻巍 何睿 王彧澤

(1 中國科學院國家空間科學中心 復雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點實驗室，北京 100190)(2 中國科學院大學，北京 100049)

即插即用技術(shù)是通過采用電子數(shù)據(jù)單(EDS)技術(shù)而實現(xiàn)的。電子數(shù)據(jù)單是連接到某個系統(tǒng)中的一個部件實體的信息對象，內(nèi)容主要是可供外部相連系統(tǒng)使用的部件自描述信息，如接口信息、行為動作的關(guān)聯(lián)信息等。[1-2]

面對航天器智能化、自主化能力需求的不斷增多，日益復雜和適應目標未知等特點，航天器功能業(yè)務需要采用模型驅(qū)動加數(shù)據(jù)化的開發(fā)方式，對引入電子數(shù)據(jù)單技術(shù)提出了需求[3]。為此空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)在2006年后陸續(xù)推出了基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換標準建議書(XML Telemetric and Command Exchange，XTCE)[4-7]，以及描述航天器接口業(yè)務(SOIS)的電子數(shù)據(jù)單(SOIS EDS，SEDS)標準建議書[8]，允許航天器業(yè)務的數(shù)據(jù)化描述和與硬件的隔離。同時，電子數(shù)據(jù)單的運用也需要遵循一定的體系架構(gòu)建模方法來進行。

本文介紹了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)參考架構(gòu)(RASDS)[9]中信息視角的信息對象建模方法，分析了航天器所需要的遙測、遙控、部件等數(shù)據(jù)對象的應用過程，提出了相應的電子數(shù)據(jù)單工具系統(tǒng)的設計思路和應用建議。

1 信息對象的建模方法

電子數(shù)據(jù)單解決信息對象描述的問題，需要遵循系統(tǒng)架構(gòu)方法論。按照系統(tǒng)工程架構(gòu)理論[10-12]提出的視角概念，RASDS中定義了5種基本視角，即企業(yè)視角、功能視角、連接視角、通信視角和信息視角。除企業(yè)視角外，在技術(shù)方面，功能視角描述了一個系統(tǒng)應該具有的功能，連接視角描述了系統(tǒng)的組成和連接關(guān)系，通信視角描述了系統(tǒng)各個組成部分之間的通信協(xié)議關(guān)系，信息視角描述了通信交換數(shù)據(jù)的語義、語法、規(guī)則、約束等。這些視角對同一個對象的描述應具有一致性和相關(guān)的邏輯關(guān)系。

信息視角主要關(guān)注信息對象、數(shù)據(jù)對象及其如何定義和配置的描述。信息對象通過一組抽象的數(shù)據(jù)元素，使用特定語言和特定框架來定義數(shù)據(jù)對象及其邏輯關(guān)系。數(shù)據(jù)對象用于描述語法(結(jié)構(gòu))、語義、關(guān)系、約束、規(guī)則、策略等的元數(shù)據(jù)，以及需要表達的信息內(nèi)容，通常是人機可訪問的。數(shù)據(jù)對象在一組連接對象之間傳遞，內(nèi)容可以是連接對象的可能狀態(tài)、行為和環(huán)境互動關(guān)系，或者是內(nèi)部動作。實際系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)對象應具有詳盡、嚴格的數(shù)據(jù)模型描述，作為信息對象實例化的操作載體。信息對象的建模過程從建立專業(yè)領域的抽象數(shù)據(jù)架構(gòu)開始，是一個從抽象到具體的過程，如圖1所示[9]。

圖1 信息對象的建模過程

信息對象具有客觀性，不同專業(yè)領域會有不同的描述對象、要素和方法，例如航天器系統(tǒng)的機、電、熱、信息等專業(yè)領域。圖1中的抽象數(shù)據(jù)架構(gòu)反映了這種客觀性，主要關(guān)注信息對象的各種數(shù)據(jù)元素的定義，元素間的關(guān)系以“相關(guān)”、“部分”、“被使用”等形式表達。抽象數(shù)據(jù)架構(gòu)通常是在建立數(shù)據(jù)模型時，以標準化的形式出現(xiàn)，需要建立不同領域信息對象的描述標準。

實例化過程是將抽象的信息對象的特征信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)模型的過程，主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)元素的名稱標識、排列順序等，可以是模板、外部文件、或其他存儲元數(shù)據(jù)的形式。數(shù)據(jù)模型通常是在系統(tǒng)設計時實例化的結(jié)果。

個性化實現(xiàn)過程是根據(jù)不同信息流的使用場景和目的，將數(shù)值填入模板，形成具體的數(shù)據(jù)對象的過程。該過程是一個具體系統(tǒng)對特定信息的生成、處理、解析和識別過程，從而允許異構(gòu)系統(tǒng)之間交換不同形式的數(shù)據(jù)。具體的數(shù)據(jù)對象通常是在系統(tǒng)進入詳細設計或系統(tǒng)使用時出現(xiàn)的，表現(xiàn)為一組數(shù)據(jù)流、字節(jié)流，用于信息的具體保存、處理和交換。

2 電子數(shù)據(jù)單的應用示例分析

電子數(shù)據(jù)單工具鏈的設計會因信息對象的專業(yè)領域不同而不同，與不同的數(shù)據(jù)對象的應用過程和場景密切相關(guān)。以CCSDS的XTCE標準為例，其描述的對象是遙測和遙控數(shù)據(jù)，有著不同的內(nèi)容和應用過程。按照圖1的信息對象建模過程，圖2、圖3分別描述了XTCE遙測和遙控數(shù)據(jù)對象的定義、生成和使用過程。

圖2 XTCE標準遙測數(shù)據(jù)對象的生成和使用

圖3 XTCE標準遙控數(shù)據(jù)對象的生成和使用

圖2中，XTCE標準的遙測元數(shù)據(jù)歸納了遙測數(shù)據(jù)所需要的數(shù)據(jù)元素和它們之間的組成關(guān)系，作為實例化各種航天器遙測數(shù)據(jù)對象模板的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標準。在使用過程中，當接收到實際的航天器遙測數(shù)據(jù)時，將其填入模板中，生成XTCE遙測數(shù)據(jù)文件，在不同的系統(tǒng)、機構(gòu)、設施和節(jié)點之間傳遞和交換。由于不同的實體會存在設計上的差異，甚至是對已有系統(tǒng)的繼承使用，因此同一個XTCE遙測數(shù)據(jù)文件需要根據(jù)不同實體自身的數(shù)據(jù)對象定義進行個性化轉(zhuǎn)換、解析和識別，供實體內(nèi)部進一步處理和使用，從而實現(xiàn)對同一遙測數(shù)據(jù)的共享。

同樣，圖3中XTCE標準的遙控元數(shù)據(jù)也歸納了遙控數(shù)據(jù)所需要的各種數(shù)據(jù)元素和它們之間的組成關(guān)系，基于此可以實例化各種航天器所需要的遙控數(shù)據(jù)對象模板。與遙測元數(shù)據(jù)不同的是，遙控元數(shù)據(jù)除了指令元素外，還增加了變量類型元素，以反映遙控數(shù)據(jù)內(nèi)容可配置的特點，而遙測數(shù)據(jù)填入模板后生成的遙測數(shù)據(jù)對象實體不會再變化。在使用過程中，不同的系統(tǒng)、機構(gòu)和設施實體的指令數(shù)據(jù)按照XTCE遙控模板生成XTCE遙控數(shù)據(jù)文件。當發(fā)送指令上行給航天器時，由于不同的航天器設計不同，需要對遙控數(shù)據(jù)文件進行個性化數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，從而使得同一個指令模板可以在不同航天器間共用。這樣做，有利于航天器和地面系統(tǒng)及其基礎設施的設計和繼承使用，由此引起的指令安全性問題可以在個性化轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)中進行針對性解決和保證。

航天器上裝載的設備和功能業(yè)務的數(shù)據(jù)描述方式可以采用CCSDS的SEDS標準，圖4給出了SEDS數(shù)據(jù)對象的定義、生成和使用過程。

圖4 SEDS標準數(shù)據(jù)對象的生成和使用

圖4中，SEDS標準的元數(shù)據(jù)歸納了描述設備、功能業(yè)務所需要的數(shù)據(jù)元素和它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以用于實例化各種設備、業(yè)務和應用的自描述信息模板。為了描述設備及其組成部件，數(shù)據(jù)元素中包括了設備元素和組件元素(可進一步細分為硬件和軟件)。組件元素用于描述功能業(yè)務時需要有相應的狀態(tài)機、行為、接口等元素。接口可以包括各種星載網(wǎng)絡、總線的通信協(xié)議，業(yè)務間接口關(guān)系，以及遙測、遙控接口等。遙測遙控數(shù)據(jù)對象可以通過XML語言機制，直接引用XTCE描述的遙測、遙控數(shù)據(jù)對象實體，一同個性化形成SEDS文件，作為設備、業(yè)務、應用等實體的自描述靜態(tài)信息在實體間交換，從而支持設備、功能業(yè)務的即插即用效果。如果交換雙方的信息結(jié)構(gòu)是異構(gòu)的，還可以繼續(xù)進行類型格式轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)同一個名片可以在不同實體間交換的效果，解決異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)的問題。

3 電子數(shù)據(jù)單工具系統(tǒng)的設計

從第2節(jié)信息對象到數(shù)據(jù)對象的應用示例分析可見，不同信息對象的工具鏈是不同的，并且可以結(jié)合建模過程對每一種工具鏈的組成進行劃分。隨著工具鏈種類的增加，會產(chǎn)生大量的電子數(shù)據(jù)單(模板、各種格式轉(zhuǎn)換后的實例、個性化文件等)，需要工具系統(tǒng)來進行統(tǒng)一的管理，提供存儲、定位、訪問和發(fā)布的支持。工具系統(tǒng)需要考慮的信息對象管理接口主要有規(guī)則、模板、元素類型、約束、可保持性等方面，相應的管理能力主要有結(jié)構(gòu)、語義、關(guān)系的定義，以及類型轉(zhuǎn)換、約束檢查等。在此基礎上，工具系統(tǒng)還需要具有可擴展、易用性的特點。為此，提出工具系統(tǒng)針對工具鏈管理的組成架構(gòu)，見圖5。

圖5架構(gòu)設計的核心思想是采用共用的插件管理引擎對不同的工具鏈和通用工具進行插件式管理[13-14]，實現(xiàn)所需的工具鏈配置和使用。圖5中應用業(yè)務層的橫向關(guān)系表示的是不同信息對象工具鏈的可擴展性，解決工具鏈的獨立開發(fā)、使用和可擴展問題，滿足圖2、圖3、圖4所示的不同設計、應用過程和場景的需要?？v向關(guān)系是支持一個信息對象工具鏈的可配置性，方便不同工具鏈的統(tǒng)一管理、獨立開發(fā)和使用。例如遙控工具鏈可根據(jù)遙控數(shù)據(jù)信息對象的生成模型和應用場景，分解成圖5中的4個小工具，解決在指令生成過程中的模板創(chuàng)建、指令生成和包裝問題[15]。在生成XTCE描述的注入包后，其二進制轉(zhuǎn)換的工作由通用服務層完成。遙測工具鏈在生成XTCE遙測實例后，可以直接在異構(gòu)系統(tǒng)間交換，而對它的解析和識別交由不同系統(tǒng)去完成。SEDS工具鏈的目的是生成設備名片，需要生成最終的設備個性化文件。

圖5 基于插件的電子數(shù)據(jù)單工具系統(tǒng)架構(gòu)

通用服務層是生成、解析、轉(zhuǎn)換、包裝和校驗方法的通用工具。由于SEDS和XTCE都使用XML語言，雖然在元素的表達上有差異，但是它們的處理方法是可以通用的。

不同信息對象和數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)定義可以采用通用的參數(shù)定義方法。在歐洲空間標準化合作組織(ECSS)的包應用標準(PUS)C版本中規(guī)定了類型代碼(PTC)和格式代碼(PFC)[16]。PTC規(guī)定了布爾型、枚舉型、整型、實型等12種數(shù)據(jù)類型代碼，PFC則在每種PTC之下，通過不同的編碼方式定義了不同的數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)。實際應用時，在PTC+PFC基礎上可以進一步定義任意復雜的參數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，組合生成實際的數(shù)據(jù)對象模板，再根據(jù)處理或傳輸?shù)男枰M行必要的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。這種參數(shù)定義方法也可以單獨設計成參數(shù)定義工具鏈，它既可以單獨使用，又可以用于輔助其他工具鏈的數(shù)據(jù)定義，從而允許用戶自行定義數(shù)據(jù)對象，將主要的精力放在客觀對象的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即信息對象的描述上。

4 應用建議

電子數(shù)據(jù)單技術(shù)的引入可以用于數(shù)字化描述航天器各種信息對象，解決航天器上的各種部件(設備、業(yè)務、應用)的即插即用和互聯(lián)互通問題。電子數(shù)據(jù)單的建立需要遵循系統(tǒng)架構(gòu)中信息視角分析的方法，其設計、應用和管理過程會因描述的信息對象、數(shù)據(jù)對象不同而不同，具有客觀信息的復雜性，需要相應的工具系統(tǒng)支持。工具將為紛繁復雜的信息生成、交換、轉(zhuǎn)換和解析提供一致性的保證和自動化的執(zhí)行環(huán)境，為開發(fā)組織提供信息的可保持性，支持基礎設施的重復利用和系統(tǒng)快速集成測試，增強航天器應對越來越復雜、多樣和未知需求的開發(fā)和應用能力。

后續(xù)電子數(shù)據(jù)單技術(shù)的研究主要有3個需要持續(xù)進行的方向。

(1)在信息對象的標準化描述方面，需要對不同的描述對象分別建立元模型標準，再按照信息對象的建模過程，分析建立其數(shù)據(jù)模型和具體的數(shù)據(jù)對象。

(2)由于信息對象的多樣，支持信息對象建模過程的工具系統(tǒng)也會表現(xiàn)為多樣化和進化的特點。因此對同一信息對象的異構(gòu)工具之間，需要解決互聯(lián)互通和進化兼容問題。

(3)數(shù)據(jù)化方法的使用必然會影響到現(xiàn)有開發(fā)方式，需要遵循基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)思想，逐漸向采用MBSE方法的方向轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)RASDS信息視角提出的從抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型到具體數(shù)據(jù)對象的建模方法，以航天器所需要的遙測、遙控、部件描述的不同數(shù)據(jù)對象建模過程為例，分析了其建模、設計和應用的特點和不同，說明了信息對象的抽象性、復雜性和多樣性。相應的電子數(shù)據(jù)單工具系統(tǒng)需要對此具有適應性和可擴展性，從而允許不同信息對象的工具鏈能夠獨立開發(fā)和應用，同時又可以進行統(tǒng)一的管理和可持續(xù)發(fā)展。采用電子數(shù)據(jù)單技術(shù)有助于航天器系統(tǒng)的快速集成和測試，在軌飛行任務過程中的各組成部分的分離和對接應用，以及空間星座、編隊、組網(wǎng)等應用場景下不同節(jié)點之間的動態(tài)接入和撤出過程，實現(xiàn)應用軟件的可重用，保持在任務全生命周期中信息傳遞的一致性。電子數(shù)據(jù)單需要通過一系列工具環(huán)境的支持，對傳統(tǒng)的航天器開發(fā)方式進行改造，才能夠發(fā)揮其應有的效果。電子數(shù)據(jù)單及其工具鏈技術(shù)是推行MBSE方法、實現(xiàn)數(shù)字孿生愿景的基礎技術(shù)之一。