航天發(fā)射通用化指顯數(shù)據(jù)處理方法及應用

周淦，劉貴聰，申展瑜，周宇

(華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

近年來，我國航天已進入高密度、高強度發(fā)射常態(tài)化階段，發(fā)射任務的密集化對發(fā)射場保障能力提出了更加嚴格的標準和要求。隨著運載火箭技術(shù)的不斷發(fā)展和新型高性能測控設備的列裝應用，發(fā)射場如何在飛行器和測控能力調(diào)整的情況下快速適應密集任務成為了一個值得深究的問題。

與此同時，信息技術(shù)的高速發(fā)展已推動我國航天發(fā)射場實現(xiàn)測發(fā)、測控、氣象、通信和勤務五大分系統(tǒng)一體化融合，打破了原有各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)煙囪式的壁壘，極大提高了發(fā)射場內(nèi)部試驗指揮效率。但未來航天發(fā)射場建設更加趨向于一體化，多個不同發(fā)射場缺乏統(tǒng)一規(guī)劃的建設現(xiàn)狀增加了信息的互聯(lián)、互通與互操作的難度。順應未來航天發(fā)射任務一體化試驗指揮的建設趨勢，需迫切解決多個發(fā)射場信息差異化接入的問題。

指揮顯示系統(tǒng)作為航天發(fā)射場執(zhí)行發(fā)射試驗任務的指揮樞紐，需匯集發(fā)射場五大分系統(tǒng)的基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)、決策分析類數(shù)據(jù)以及指揮類數(shù)據(jù)，對保障發(fā)射任務圓滿成功具有重要作用[1]。傳統(tǒng)的指揮顯示系統(tǒng)存在著定制化程度深、任務準備時間長、數(shù)據(jù)接入兼容性差等問題，難以滿足發(fā)射任務密集化、目標飛行器與參試測控設備多樣化以及未來多級指揮一體化的需求。因此，本文深入分析多個航天發(fā)射場多類型、多層級的業(yè)務數(shù)據(jù)，提出一種通用指顯數(shù)據(jù)處理方法，對不同數(shù)據(jù)格式采用模板化的數(shù)學模型進行處理，輔以組件化的方式實現(xiàn)差異性外部數(shù)據(jù)接入、處理、存儲與轉(zhuǎn)發(fā)工作，從而提高指揮顯示系統(tǒng)的快速與通用適應能力。

1 航天發(fā)射任務指揮顯示系統(tǒng)

指揮顯示系統(tǒng)是執(zhí)行航天發(fā)射任務的指揮支撐技術(shù)平臺，可以歸屬于指揮自動化系統(tǒng)中的C4IS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)覆蓋飛行器進場測試、發(fā)射直至最終入軌的全周期階段，實現(xiàn)發(fā)射場區(qū)內(nèi)測發(fā)、測控、氣象、通信與勤務五大分系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯集、處理與顯示，向崗位專業(yè)技術(shù)人員、試驗指揮人員和首長提供形象、直觀、可靠以及智能的發(fā)射試驗信息，全面掌握試驗任務的綜合態(tài)勢[1]。

1.1 指揮顯示系統(tǒng)功能組成

從功能組成而言，面向航天發(fā)射試驗任務的指揮顯示系統(tǒng)功能組成[2-5]如圖1 所示。

圖1 指揮顯示系統(tǒng)功能組成圖

(1)綜合顯示軟件是指揮顯示系統(tǒng)的核心軟件，采用曲線、表格、二三維地圖等多種態(tài)勢呈現(xiàn)方式，實現(xiàn)發(fā)射試驗任務過程中五大分系統(tǒng)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、決策分析類數(shù)據(jù)和指揮類數(shù)據(jù)的集中展示[6-7]。

(2)數(shù)據(jù)處理軟件用于接收、處理、存儲所有接入到指揮顯示系統(tǒng)的試驗任務數(shù)據(jù)，具備快速適應不同型號任務指揮顯示的能力。該軟件負責將多個外部系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成內(nèi)部各軟件能識別的格式，并完成后續(xù)顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、存儲以及轉(zhuǎn)發(fā)/發(fā)布等功能。

(3)頁面編輯軟件提供頁面編輯工具和組件庫，可用于系統(tǒng)的二次開發(fā)與可視化畫面定制。

(4)數(shù)據(jù)模擬軟件用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回放與模擬仿真。通過模擬各外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在無外部實時數(shù)據(jù)的情況下驅(qū)動指揮顯示系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

(5)輔助支持軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的指揮與自動化分發(fā)部署，兼具管理與輔助功能，包括遠程控制、版本維護、即時通信和用戶管理等。

(6)條屏控制軟件用于控制指揮大廳LED 條形屏內(nèi)容的顯示。

1.2 航天發(fā)射任務指揮顯示要素分析

為了輔助專業(yè)技術(shù)人員、崗位指揮人員等各類用戶更好地掌握航天發(fā)射試驗任務態(tài)勢，任務指揮中心需要獲取發(fā)射任務過程中各業(yè)務系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并處理形成決策分析類數(shù)據(jù)和指揮類數(shù)據(jù)[1]。本文通過對各發(fā)射場任務信息梳理，形成通用化指揮顯示軟件需要展示的數(shù)據(jù)類別如下：

(1)測發(fā)電測信息

測發(fā)電測信息包括火箭總體網(wǎng)測試信息和衛(wèi)星總體網(wǎng)測試信息，指火箭、衛(wèi)星測試發(fā)射過程中形成的測試信息與狀態(tài)信息。

(2)測發(fā)地勤信息

測發(fā)地勤信息指發(fā)射試驗任務期間，需要密切關(guān)注的地面設施設備狀態(tài)信息。

(3)測控信息

測控信息指火箭、衛(wèi)星等飛行器在測控聯(lián)調(diào)和實戰(zhàn)任務期間形成的測量控制類信息。

(4)氣象信息

發(fā)射場氣象部門提供的短期預報、天氣實況等指揮員關(guān)注信息。

(5)通信信息

通信網(wǎng)態(tài)勢綜合監(jiān)視實現(xiàn)對傳輸層、業(yè)務承載層、數(shù)據(jù)層整個通信網(wǎng)系的監(jiān)測。

(6)勤務信息

發(fā)射場勤務系統(tǒng)信息包括供配電信息、車輛與人員信息等。

(7)視頻監(jiān)視信息

視頻監(jiān)視信息是各級人員遠程監(jiān)控發(fā)射現(xiàn)場最直接的輸入信息，包括發(fā)射場設備重要產(chǎn)品關(guān)鍵部位、關(guān)鍵工作場景等視頻畫面。

(8)決策分析信息

決策分析信息指任務指揮中心根據(jù)發(fā)射場各分系統(tǒng)基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)利用后形成的二次產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可為專業(yè)人員提供快速輔助決策[8]。

(9)輔助指揮信息

輔助指揮信息指任務指揮中心結(jié)合基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)和決策分析類數(shù)據(jù)，為驅(qū)動發(fā)射任務指揮進程形成的試驗指揮信息。

(10)試驗文書

試驗文書包括發(fā)射場簡介、任務介紹、試驗大綱、應急預案等內(nèi)容，通常以Word、pdf 等文本形式呈現(xiàn)。

總體而言，通用化的航天發(fā)射任務指揮顯示系統(tǒng)需要適配各發(fā)射場不同格式類型上述接入數(shù)據(jù)，同時還需滿足發(fā)射任務密集化帶來的快速任務準備需求，這對指揮顯示數(shù)據(jù)處理軟件的彈性適應能力提出了新的要求。

2 指顯數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)

為了滿足航天發(fā)射任務指揮顯示系統(tǒng)的通用化需求，采用“高內(nèi)聚+松耦合”的設計思路，對指顯數(shù)據(jù)處理軟件重新進行了架構(gòu)設計，引入數(shù)據(jù)引擎核心框架，并根據(jù)業(yè)務需求梳理功能模塊，抽象出一系列業(yè)務組件[9-11]，從而能夠靈活、可插拔式添加新的通信協(xié)議與業(yè)務功能，在架構(gòu)設計層面增強功能模塊內(nèi)聚特性，使任務準備的復雜度大大降低。

指顯數(shù)據(jù)處理軟件采用5 層架構(gòu)設計，支持“框架+組件”體系[12-13]，軟件架構(gòu)靈活，在滿足軟件基本功能的前提下，通過豐富組件庫實現(xiàn)能力增量拓展,達到全流程、全要素、全階段與全型號的應用要求。指顯數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 指顯數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)圖

軟件架構(gòu)分為能力生成層、服務供給層、網(wǎng)絡互聯(lián)層、資源要素層和基礎(chǔ)支撐層。

(1)能力生成層是指顯數(shù)據(jù)處理軟件功能的主要呈現(xiàn)層，由數(shù)據(jù)引擎核心框架、服務管理、接口管理、協(xié)議管理、UI 顯示等組成。數(shù)據(jù)引擎核心框架為組件提供標準調(diào)用接口和組件邏輯綁定方法，能夠滿足組件熱插拔式接入，定義組件調(diào)用邏輯架構(gòu)，是所有功能的基礎(chǔ)；服務管理為軟件提供統(tǒng)一的服務管理窗口，支持服務的添加、修改、刪除等功能；接口管理為軟件提供統(tǒng)一的樹形接口管理組件，支持接口的添加、服務綁定、刪除接口、刪除服務等功能；協(xié)議管理為軟件提供集中的協(xié)議轉(zhuǎn)換和協(xié)議集管理功能；UI 顯示提供標準的UI 顯示窗體，在窗體上可以顯示接口數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息等。

(2)服務供給層為指顯數(shù)據(jù)處理軟件提供主要的服務能力，主要是以組件的形式體現(xiàn)，組件庫是強內(nèi)聚的業(yè)務邏輯組件，根據(jù)業(yè)務邏輯分為數(shù)據(jù)接收類、數(shù)據(jù)存儲類、數(shù)據(jù)解析類、數(shù)據(jù)處理類、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)類等；除了業(yè)務組件庫還包括部分功能組件，這部分功能是內(nèi)聚度較高且需求不易變化的服務，一般不提供升級迭代，包括主題生成服務組件、雙工管理服務組件、日志記錄服務組件、協(xié)議轉(zhuǎn)換服務組件、數(shù)據(jù)訂閱服務組件、組件綜合管理服務等。

(3)網(wǎng)絡互聯(lián)層是指顯數(shù)據(jù)處理軟件的主要對外交互層，支持的交互方式包括UDP 通信、TCP 通信、HTTP通信、本地文件交互以及Redis 通信等，兼容幾乎所有形式的通信方式，可以搭建任意復雜的網(wǎng)絡架構(gòu)。

(4)資源要素層是指顯數(shù)據(jù)處理軟件接收和處理對象的全集，主要是結(jié)構(gòu)化報文，具有數(shù)據(jù)量大、實時性高、種類多等特點，總結(jié)為指揮數(shù)據(jù)、地勤數(shù)據(jù)、測發(fā)數(shù)據(jù)、測控數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)、試驗文書等信息。

(5)基礎(chǔ)支撐層是指顯數(shù)據(jù)處理軟件的所有物理支撐資源的集合，為軟件提供網(wǎng)絡資源、計算資源、存儲資源以及軟件運行環(huán)境等，包括：操作系統(tǒng)、服務器、達夢數(shù)據(jù)庫、神通數(shù)據(jù)庫、路由設備等。

3 指顯數(shù)據(jù)處理方法

3.1 協(xié)議模型

為提高數(shù)據(jù)解析與處理的伸縮性能力，滿足多任務、多型號的數(shù)據(jù)內(nèi)容差異化、高并發(fā)、多平面等應用需求，首先對解析方法進行標準化描述，對解析過程進行形式化描述，并提供以解析方法集為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理工具庫，構(gòu)建多層解耦的數(shù)據(jù)協(xié)議模型。通過分析數(shù)據(jù)處理流程，將協(xié)議模型分成數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)準備層、邏輯層和數(shù)據(jù)加工層4 個層面，依據(jù)數(shù)據(jù)處理粒度由底向上層級遞進，每層的處理資源由下一層提供[14]。具體協(xié)議模型如圖3 所示。

圖3 協(xié)議模型示意圖

(1)數(shù)據(jù)源層按生保信息、測控信息、測發(fā)電測、測發(fā)地勤、氣象信息、通信信息等不同方向引接網(wǎng)絡數(shù)據(jù)為解析處理做數(shù)據(jù)資源準備。

(2)數(shù)據(jù)準備層將數(shù)據(jù)源層引接的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)按照預設幀結(jié)構(gòu)進行幀頭解析和數(shù)據(jù)域預處理，主要對解析出的字段進行信源校驗、信宿校驗、任務匹配、類型校驗、幀序校驗、時間解算、校驗位處理、幀長校驗等，并將校驗信息特別是數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)域?qū)脒壿媽訛轭愋推ヅ浜头椒ㄆヅ涮峁┮罁?jù)。

(3)邏輯層根據(jù)業(yè)務特點和數(shù)據(jù)幀組織形式將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流分為單值數(shù)值型、多值數(shù)值型、狀態(tài)型、指令型、源碼型以及遙測型，并針對不同類型數(shù)據(jù)構(gòu)建整型、單精度浮點型、雙精度浮點型、字符串型、源碼型等標準化解析規(guī)則庫，將上述資源導入?yún)?shù)模板構(gòu)建完整參數(shù)字典，約定參數(shù)的名稱、代號、參數(shù)序號、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、解析方法、有效位、顯示形式等內(nèi)容。

(4)數(shù)據(jù)加工層主要對解析后數(shù)據(jù)按需進行坐標轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、T0 處理、軌道外推、統(tǒng)計分析、主題生成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)并對數(shù)據(jù)資產(chǎn)提供統(tǒng)一管理。

3.2 主題模型

根據(jù)航天發(fā)射通用指揮顯示系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)設計規(guī)范，統(tǒng)一將外系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過解析處理后打包封裝成內(nèi)部標準數(shù)據(jù)格式，并以數(shù)據(jù)主題形式提供標準數(shù)據(jù)訂閱接口。數(shù)據(jù)主題字段包括主題ID、主題名稱、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)發(fā)送者、生成方法、被測對象、發(fā)布狀態(tài)等字段，主題定義如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)主題

系統(tǒng)為每個主題分配一個ID，作為系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)主題的唯一標識。為了解耦并屏蔽內(nèi)部數(shù)據(jù)邏輯，在需要訂閱主題時可通過數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)發(fā)送者、生成方法、被測對象等信息對數(shù)據(jù)主題進行精確篩選，并能夠?qū)崟r預覽主題詳細信息，數(shù)據(jù)主題配置管理界面如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)主題配置管理UI

3.3 處理流程

指揮顯示數(shù)據(jù)處理軟件運行流程根據(jù)資源構(gòu)建、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)加工等主題功能，在邏輯上分為“離線態(tài)”和“在線態(tài)”兩種工作模式[15]。數(shù)據(jù)配置階段的狀態(tài)稱為“離線態(tài)”，數(shù)據(jù)接入、解析主體流程運行狀態(tài)稱為“在線態(tài)”；“離線態(tài)”通過改變解析模型、主題模型、接口路由、服務配置等影響“在線態(tài)”數(shù)據(jù)處理流程和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)流程。

(1)“離線態(tài)”主要包括任務信息導入、參數(shù)模板創(chuàng)建、參數(shù)字典創(chuàng)建、協(xié)議模板創(chuàng)建、解析規(guī)則創(chuàng)建、主題模型創(chuàng)建、任務接口創(chuàng)建、接口服務綁定、接口屬性配置、接口服務發(fā)布等流程。軟件離線態(tài)運行流程如圖5所示。

圖5 指顯數(shù)據(jù)處理軟件“離線態(tài)”運行流程圖

在任務準備階段，啟動指顯數(shù)據(jù)處理軟件進行“離線態(tài)”工作，根據(jù)任務大綱導入任務基本信息，包括：任務網(wǎng)絡節(jié)點SID、DID 索引表，任務名稱，任務BID，任務理論數(shù)據(jù)等任務信息。根據(jù)任務接口約定創(chuàng)建參數(shù)模板、參數(shù)字典、協(xié)議模板，并生成解析規(guī)則。根據(jù)數(shù)據(jù)種類及前端顯示需求，添加一系列數(shù)據(jù)訂閱主題構(gòu)建數(shù)據(jù)主題模型。同時，根據(jù)任務大綱和解析、處理、轉(zhuǎn)發(fā)需求創(chuàng)建任務接口，對接口進行服務綁定，并配置服務信息，配置完成后將服務發(fā)布，生成接口路由表。構(gòu)建完整的協(xié)議模型、主題模型、接口路由結(jié)束“離線態(tài)”流程。

(2)“在線態(tài)”主要包括配置信息加載、接口服務實例化、雙工切換、數(shù)據(jù)接入、幀頭解析、解析規(guī)則匹配、解析服務調(diào)用、數(shù)據(jù)域解析、數(shù)據(jù)資產(chǎn)入庫、數(shù)據(jù)資源共享等流程。軟件“在線態(tài)”運行流程圖如圖6 所示。

圖6 指顯數(shù)據(jù)處理軟件“在線態(tài)”運行流程圖

在任務進行階段，啟動指顯數(shù)據(jù)處理軟件，加載“離線態(tài)”預設的協(xié)議模型、主題模型、路由規(guī)則等準備資源，轉(zhuǎn)入“在線態(tài)”運行。加載配置信息，根據(jù)配置信息實例化接口服務；啟動雙工服務，判斷主備機狀態(tài)，激活主機工作流程，開始進行數(shù)據(jù)接收。按照PDXP 標準格式解析幀頭信息，匹配任務預設SID、DID、MID 等信息，丟棄冗余信息；根據(jù)BID 和MID 解析結(jié)果匹配解析規(guī)則，并調(diào)用相應解析服務，進入解析線程對幀數(shù)據(jù)域進行解析。對解析后數(shù)據(jù)資產(chǎn)進行入庫處理，并顯示統(tǒng)計狀態(tài)，開放數(shù)據(jù)主題訂閱接口，結(jié)束“在線態(tài)”流程。

4 系統(tǒng)應用實例

根據(jù)指顯數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)設計，采用Qt 開發(fā)平臺，用C++語言開發(fā)出了一套航天發(fā)射通用化指揮顯示數(shù)據(jù)處理軟件。

軟件設計了一個通用數(shù)據(jù)模型配置與處理引擎，引擎采用“框架+組件”形式，將服務封裝成一系列標準化組件，以組件庫的方式進行運維管理及版本升級，解耦模塊關(guān)聯(lián)，降低系統(tǒng)整體鉸鏈關(guān)系復雜度。該引擎支持解析規(guī)則、處理規(guī)則的動態(tài)配置，同時能夠通過引擎的接口配置，根據(jù)需要以任意規(guī)則組織服務間調(diào)用的邏輯關(guān)系，構(gòu)建接收解析處理模型，根據(jù)模型將實時接收的數(shù)據(jù)按需解析、處理、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)業(yè)務流程單項綁定，在保證系統(tǒng)通用性的同時最大化精簡配置復雜度，降低任務準備時間。

指顯數(shù)據(jù)處理軟件運行界面如圖7 所示。

圖7 指顯數(shù)據(jù)處理軟件主界面圖

指顯數(shù)據(jù)處理軟件運行界面包含本地時間顯示、軟雙工切換控制、任務切換控制、系統(tǒng)日志分級顯示、接口狀態(tài)監(jiān)控等功能部件，能夠?qū)崿F(xiàn)對軟件整體運行狀態(tài)做統(tǒng)一監(jiān)控和控制。

5 結(jié)論

本文以近年來我國航天發(fā)射任務密集化與常態(tài)化、新型運載火箭和參試測控設備不斷應用和未來發(fā)射試驗任務一體化指揮建設為應用背景，針對現(xiàn)實需求對發(fā)射試驗任務指揮顯示系統(tǒng)提出的通用性和適應性難題，提出了一種通用化指揮顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法。

根據(jù)航天發(fā)射任務數(shù)據(jù)特點，抽象定義了外部數(shù)據(jù)接入的協(xié)議模型和內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的主題模型，實現(xiàn)內(nèi)部外協(xié)議轉(zhuǎn)換映射。以信息處理過程為基礎(chǔ)，采用“平臺+構(gòu)件”的方式搭建指顯數(shù)據(jù)處理軟件，達到數(shù)據(jù)處理的服務化。經(jīng)過多次試驗任務的檢驗，本方法所設計的模型描述能力較強，數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)具有一定的靈活性及擴展性，能夠較好地適應密集任務、新任務以及多級一體化指揮所需要的能力快速生成需求，降低了指揮顯示系統(tǒng)任務準備與日常維護的成本。