基于矩陣式軟件庫的航天系統(tǒng)快速構(gòu)建

李贛華，樊恒海，董黎，邰能建

(1.國家宇航動力學(xué)實驗室，陜西 西安 710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

近年來，我國航天工業(yè)尤其是商業(yè)航天的發(fā)展速度很快，面向民商軌航天器數(shù)量井噴式增長。面對每年型號多樣、數(shù)量較多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理，航天地面數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)的功能很多、組成復(fù)雜，硬件系統(tǒng)數(shù)量不斷上升，軟件建設(shè)耗費(fèi)人力和經(jīng)費(fèi)數(shù)量巨大，面向未來大量不斷增加的在軌航天器，地面數(shù)據(jù)處理中心如何對主要分系統(tǒng)進(jìn)行梳理分類，充分利用已經(jīng)過充分驗證的在用系統(tǒng)模塊，結(jié)合在用模塊配置更改和少量模塊研發(fā)，快速構(gòu)建新上衛(wèi)星的地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將是滿足未來民用和商用衛(wèi)星數(shù)量增加，降低成本的關(guān)鍵技術(shù)問題。基于類統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)，本文提出一個利用矩陣式軟件庫快速組建新的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對應(yīng)用軟件和部署硬件進(jìn)行解耦分離，實現(xiàn)在用系統(tǒng)不中斷情況下快速構(gòu)建新增衛(wèi)星任務(wù)系統(tǒng)的方法。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

國內(nèi)主要在軟件流水線方面和軟件庫的管理方面開展了許多的研究。針對系統(tǒng)快速構(gòu)建，金星波提出基于軟件庫的軟件生產(chǎn)線過程模型及無縫遷移模型，采用生產(chǎn)線技術(shù)達(dá)到降低初期投入成本，有助于生產(chǎn)線的遷移能力[1]。陳永紅提出了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)軟件的模式，建立模塊庫管理系統(tǒng)，用戶可以交互地和隨意地往模塊庫中插入、刪除、修改和查詢模塊[2]。曹洪雨提出一種基于開源架構(gòu)的在線研發(fā)流水線組件的設(shè)計實現(xiàn)方法[3]。徐正權(quán)針對那些已經(jīng)存在的傳統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的軟件資源能夠利用Internet 技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和互操作，提出一種新的SoftStore 軟件庫系統(tǒng)模型——SSLM，并結(jié)合一個實際的類庫系統(tǒng)討論SoftStore 軟件庫的具體應(yīng)用[4]。倪奇智針對存在精確異常要求的Java 程序，提出了一種軟件流水線的算法，并以安騰作為底平臺對該算法進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果顯示該算法在保證Java 精確異常要求的情況下能夠大幅度提高Java 程序的性能[5]。同樣，國外在系統(tǒng)快速組建和軟件生產(chǎn)線方面開展了大量的研究，使系統(tǒng)開發(fā)時間大大縮短，降低軟件開發(fā)費(fèi)用[6-9]。

國內(nèi)外航天系統(tǒng)[10-11]同樣采用了基于云平臺和相對分離模塊化軟件架構(gòu)。但是因為航天數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)主要應(yīng)用于航天器的地面操控和管理工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟件模塊組成量大，同系列不同型號系統(tǒng)組成相似，可以通過配置和相應(yīng)更改實現(xiàn)構(gòu)建，在這樣的要求下，上述方法可以借鑒但難以直接利用。

2 多態(tài)多層解耦的軟硬件結(jié)構(gòu)

針對航天數(shù)據(jù)處理中心，本文提出一種云計算三層服務(wù)架構(gòu)，即基礎(chǔ)設(shè)施層(IaaS)、平臺服務(wù)層(PaaS)和軟件服務(wù)層(SaaS)，如圖1 所示。在云計算系統(tǒng)下是硬件設(shè)備層，為云計算系統(tǒng)提供硬件資源支撐。同時，為了減少不同系統(tǒng)層建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)產(chǎn)生的相互干擾，需通過技術(shù)手段實現(xiàn)SaaS、PasS、IaaS 和硬件設(shè)備層的解耦合，分別通過建設(shè)通用模塊化硬件平臺和動態(tài)調(diào)度定制化矩陣式軟件庫等途徑來實現(xiàn)。

圖1 航天數(shù)據(jù)處理中心多態(tài)多層兼容結(jié)構(gòu)示意圖

3 通用模塊化硬件平臺

計算機(jī)系統(tǒng)包含服務(wù)器、終端、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及配套設(shè)施等，按照功能劃分，主要包括標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計機(jī)房和統(tǒng)一管理的集中部署硬件平臺等，詳細(xì)如下。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計機(jī)房

為了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計航天數(shù)據(jù)中心機(jī)房，保證系統(tǒng)具備統(tǒng)一管理和集中部署能力，同時滿足軟硬件系統(tǒng)解耦合要求，可采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化機(jī)房設(shè)計，根據(jù)需要對機(jī)房進(jìn)行隔斷，實現(xiàn)功能區(qū)劃分。機(jī)房包含溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)、水浸監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、工具柜等配套設(shè)施。每個機(jī)房的布局如圖2 所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化模塊化機(jī)房設(shè)計示意圖

3.2 操作與系統(tǒng)分離的架構(gòu)設(shè)計

按一體化云架構(gòu)建成的航天數(shù)據(jù)處理中心如圖3所示，初步計劃采用國產(chǎn)芯片硬件平臺，從物理實體的視角看，主要由統(tǒng)一的計算中心、數(shù)據(jù)中心、操控中心、信息網(wǎng)絡(luò)、安全中心以及云管理中心等組成，航天數(shù)據(jù)處理中心軟件系統(tǒng)由統(tǒng)一平臺提供硬件資源。

圖3 統(tǒng)管集中硬件平臺架構(gòu)示意圖

其中，計算中心包括各類計算硬件資源和虛擬化管理軟件，以及承載在虛擬機(jī)上的多種粒度的應(yīng)用軟件；數(shù)據(jù)中心包括存儲硬件資源以及承載其上的數(shù)據(jù)存儲管理軟件、各類任務(wù)數(shù)據(jù)；操控中心包括各類顯示資源和承載其上的任務(wù)顯示或用戶交互軟件；信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各中心和系統(tǒng)之間的信息傳輸；安全中心完成中心云平臺用戶認(rèn)證、終端防護(hù)、應(yīng)用審計等，并為天地信息交互提供密碼保障；云管理中心實現(xiàn)中心私有云資源分配、服務(wù)管理、狀態(tài)監(jiān)控和日志管理等。

4 矩陣式定制化動態(tài)調(diào)度軟件庫

如圖4 所示，航天數(shù)據(jù)處理中心所有軟件系統(tǒng)將采用統(tǒng)一的硬件系統(tǒng)平臺，建設(shè)核心矩陣式軟件武器庫，通過需求可靈活地定制化組建新應(yīng)用系統(tǒng)，按照系統(tǒng)運(yùn)行要求，快速動態(tài)調(diào)整及加載卸載應(yīng)用系統(tǒng)，達(dá)到“硬件資源充分優(yōu)化利用，軟件平臺按需動態(tài)使用”的目的。

圖4 軟件矩陣式軟件庫架構(gòu)及選擇使用示意圖

以其中一個型號衛(wèi)星為例：首先，系統(tǒng)根據(jù)該星飛控任務(wù)軟件配置需求，可對照矩陣式軟件庫的存儲狀態(tài)表生成軟件模塊配置矩陣；其次，系統(tǒng)讀取配置矩陣，完成所需模塊的快速精準(zhǔn)抽?。蛔詈?，系統(tǒng)通過規(guī)則判斷和軟件配置/設(shè)置，完成任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的快速拼裝組建。

4.1 矩陣式軟件庫

航天數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)與協(xié)同單位、衛(wèi)星用戶、衛(wèi)星研制等單位按照統(tǒng)一的信息傳輸要求，如圖5 所示，采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化軟件架構(gòu)設(shè)計，由“矩陣式軟件庫”和“大數(shù)據(jù)分析管理”等組成軟件數(shù)據(jù)層，支撐各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成的系統(tǒng)應(yīng)用層，通過統(tǒng)一的“航天信息交互系統(tǒng)”通信接口進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)航天數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲管理，對所有需部署的軟件模塊通過標(biāo)準(zhǔn)流程測試驗證后，定型補(bǔ)充到矩陣式軟件庫中，持續(xù)擴(kuò)展完善，形成航天數(shù)據(jù)中心的矩陣式軟件庫。

圖5 矩陣式軟件庫運(yùn)行架構(gòu)示意圖

4.2 定制化組建應(yīng)用

應(yīng)用系統(tǒng)的組建將主要包括兩種方式，一種是新建系統(tǒng)定制化生成，另一種是同系列型號的快速生成系統(tǒng)。下面介紹主要組建過程。

4.2.1 新建系統(tǒng)定制化生成

航天數(shù)據(jù)處理中心軟件系統(tǒng)采用多維中心軟件庫進(jìn)行存儲和管理，應(yīng)用系統(tǒng)將采用流水線方式開展應(yīng)用系統(tǒng)的定制化組建，“組建”及“下線”的運(yùn)行流程如圖6所示。在用戶申請下，提出新建應(yīng)用需求，按照映射表建立庫映射模板，通過軟件武器矩陣庫生成軟件需求矩陣。針對系統(tǒng)必需的匯集分發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、顯示服務(wù)等功能要求，按規(guī)則對軟件需求矩陣輔助判斷檢查，經(jīng)查后，通過軟件配置設(shè)置、應(yīng)用系統(tǒng)生成，實現(xiàn)應(yīng)用上線運(yùn)行。當(dāng)前系統(tǒng)不再使用時，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需求，可對應(yīng)用及數(shù)據(jù)進(jìn)行卸載，并形成鏡像文件封存，完成應(yīng)用系統(tǒng)下線，釋放硬件資源。

圖6 新建系統(tǒng)定制化組建流程示意圖

4.2.2 同系列系統(tǒng)快速生成

對于同系列衛(wèi)星的航天任務(wù)系統(tǒng)，如圖7 所示，可選擇庫中保存的同系列型號鏡像文件，采用快速統(tǒng)一系統(tǒng)配置，實現(xiàn)快速應(yīng)用系統(tǒng)生成，實現(xiàn)快速組建，并同樣可根據(jù)使用要求靈活動態(tài)加載和卸載應(yīng)用。

圖7 同系列航天任務(wù)系統(tǒng)組建流程示意圖

4.3 按需動態(tài)加載系統(tǒng)

如圖8 所示，通過鏡像文件方式，應(yīng)用軟件系統(tǒng)按需具備快速動態(tài)加載和卸載的能力，在集中部署和統(tǒng)一管理的硬件平臺上，運(yùn)行重要和長期駐留的應(yīng)用軟件，需臨時和間斷性運(yùn)行的應(yīng)用軟件將按需上線和使用，達(dá)到充分優(yōu)化硬件資源利用效率的目的。

圖8 應(yīng)用系統(tǒng)按需動態(tài)加載使用示意圖

5 結(jié)論

針對航天數(shù)據(jù)中心同系列衛(wèi)星地面系統(tǒng)的快速構(gòu)架和加載卸載應(yīng)用，本文提出了一種基于多維矩陣式軟件庫的快速定制構(gòu)建方法，同時提出了軟硬件分離、操作和操作場地解耦的一體化方案，有效提高了系統(tǒng)研制的效率，降低了系統(tǒng)應(yīng)用和管理的成本，提高了硬件系統(tǒng)和操作場地的使用靈活性。通過在航天數(shù)據(jù)中心的使用，能夠滿足當(dāng)前我國井噴式增長的民商用航天器地面管理的任務(wù)要求。