張亞航 袁珺 郭堅(jiān)

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

航天器遙測(cè)是把航天器上各種被測(cè)信息，經(jīng)感知、采集和調(diào)制，通過天線傳輸?shù)降孛娼邮照?，再?jīng)過解調(diào)、記錄和處理的測(cè)量全過程［1］。星載遙測(cè)系統(tǒng)是航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)或綜合電子軟件的重要功能組成部分。

不同航天器型號(hào)任務(wù)，往往對(duì)遙測(cè)參數(shù)設(shè)置、采集頻率、存儲(chǔ)方式和下傳方式等需求不同。我國航天器一般采用高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）遙測(cè)體制［2］，但是不同型號(hào)通常對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)源包組包、調(diào)度和虛擬信道調(diào)度等方面有不同的需求。傳統(tǒng)星載遙測(cè)軟件設(shè)計(jì)方法，軟件邏輯處理與用戶需求緊密耦合，因此，不同的型號(hào)任務(wù)需要單獨(dú)開發(fā)一套遙測(cè)處理模塊，難以重用，造成了許多重復(fù)性勞動(dòng)，耗費(fèi)了大量人力物力。

本文首先對(duì)AOS鏈路協(xié)議［2］、空間包協(xié)議［3］、包調(diào)度方法［4］和航天器遙測(cè)需求［5-6］等一般遙測(cè)技術(shù)涉及的內(nèi)容進(jìn)行分析和研究，其次介紹了星載軟件構(gòu)件技術(shù)［7］，并在此基礎(chǔ)之上，提出基于構(gòu)件的通用遙測(cè)軟件設(shè)計(jì)方法。該方法通過參數(shù)配置和組裝的方式滿足不同的遙測(cè)需求，從而實(shí)現(xiàn)通用化遙測(cè)軟件模塊，可以作為其他航天器軟件構(gòu)件化設(shè)計(jì)的參考。

2 傳統(tǒng)遙測(cè)軟件

航天器遙測(cè)模塊，一般包括遙測(cè)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、組織和調(diào)度下傳等子功能模塊［1］，屬于星載軟件重要的模塊之一?，F(xiàn)有衛(wèi)星型號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)更加靈活的處理和調(diào)度，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)組裝，往往采用國際上空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）規(guī)定的AOS遙測(cè)體制。傳統(tǒng)遙測(cè)處理軟件，其典型的設(shè)計(jì)方式是將軟件分為多個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片按照順序做不同的事情，共同協(xié)調(diào)完成遙測(cè)數(shù)據(jù)采集、組包、包調(diào)度、組幀和幀調(diào)度等相關(guān)功能。其流程如圖1所示。

圖1 典型遙測(cè)處理流程Fig．1 Typical TM process

遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為源包的調(diào)度和虛擬信道的調(diào)度。對(duì)于源包級(jí)別的調(diào)度，包括源包的生成和下傳。遙測(cè)系統(tǒng)根據(jù)源包各自的生成周期完成源包生成，并根據(jù)源包各自的下傳周期安排下傳。對(duì)于虛擬信道的調(diào)度，主要是對(duì)虛擬信道進(jìn)行同步調(diào)度或者異步調(diào)度等方式，以滿足數(shù)據(jù)按照不同優(yōu)先級(jí)或頻率占用信道的需求。雖然不同的衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)遙測(cè)模塊完成的基本功能類似，都包含遙測(cè)采集、組包、包調(diào)度、組幀、虛擬信道調(diào)度和最終下傳等功能。但是，由于衛(wèi)星型號(hào)軟件的設(shè)計(jì)方法仍然是基于傳統(tǒng)的代碼編寫方式，在實(shí)際任務(wù)中各個(gè)功能模塊之間的耦合非常大。以圖1為例，顯然該遙測(cè)模塊與衛(wèi)星型號(hào)具體需求和結(jié)構(gòu)緊密綁定。具體來說，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的遙測(cè)模塊，其子功能模塊耦合性主要體現(xiàn)在以下方面：①遙測(cè)采集功能和型號(hào)任務(wù)對(duì)遙測(cè)參數(shù)的定義和來源耦合緊密；②源包組織和遙測(cè)采集后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式耦合緊密；③源包組織和源包調(diào)度算法緊密耦合；④源包調(diào)度和VC幀組織緊密耦合；⑤VC幀組織和VC調(diào)度算法耦合緊密。

除此之外，即便是針對(duì)相同或極為相似的衛(wèi)星型號(hào)需求，不同設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，在代碼級(jí)一般存在較大的差異。由于以上原因，從軟件角度來看，導(dǎo)致兩個(gè)問題：①由于軟件與具體衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)需求耦合度高，因此，無法實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星型號(hào)之間代碼構(gòu)件級(jí)復(fù)用，進(jìn)而影響衛(wèi)星型號(hào)軟件開發(fā)效率；②由于軟件模塊間耦合度高，因此星載軟件需求變化適應(yīng)能力低，難以應(yīng)對(duì)衛(wèi)星型號(hào)需求在研制過程中的變化，同樣也影響軟件健壯性。

3 構(gòu)件化可配置通用遙測(cè)軟件

為了提高遙測(cè)模塊的通用性和適應(yīng)性，進(jìn)而提高軟件開發(fā)效率和可靠性，本文采用構(gòu)件化方式設(shè)計(jì)遙測(cè)各子功能模塊，并通過構(gòu)件的組裝，完成遙測(cè)模塊整體的設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^參數(shù)設(shè)置的方式，完成不同任務(wù)需求。

3．1 星載軟件構(gòu)件模型

星載軟件構(gòu)件［3］（簡稱構(gòu)件），指的是一個(gè)可獨(dú)立發(fā)布，并可以由第三方進(jìn)行組裝的功能模塊，它滿足一定的航天器軟件需求，并通過接口提供服務(wù)。它應(yīng)具備4個(gè)基本屬性：①獨(dú)立性，構(gòu)件發(fā)布，必須與所在的環(huán)境和其他構(gòu)件分離，除了基本運(yùn)行環(huán)境，不能依賴構(gòu)件以外的數(shù)據(jù)或代碼；②完整性，構(gòu)件發(fā)布時(shí)，構(gòu)件使用方不能訪問構(gòu)件內(nèi)部細(xì)節(jié)，且不可拆分；③組裝性，構(gòu)件用戶能夠根據(jù)既定規(guī)則將構(gòu)件進(jìn)行組裝；④功能性，必須具備具體的、明確的一個(gè)或多個(gè)功能，并且能夠被用戶調(diào)用，并在預(yù)定的運(yùn)行環(huán)境下正確運(yùn)行。

如圖2所示，典型的星載軟件模型由對(duì)外接口、實(shí)現(xiàn)體和構(gòu)件規(guī)約三個(gè)要素組成。其中，對(duì)外接口是構(gòu)件向用戶提供服務(wù)的唯一渠道；實(shí)現(xiàn)體為具有一定功能的源程序片段，實(shí)現(xiàn)對(duì)外接口所提供的服務(wù)；構(gòu)件規(guī)約作為對(duì)構(gòu)件的描述，是構(gòu)件使用說明書。其中，對(duì)外接口和構(gòu)件規(guī)約對(duì)外可見，被用戶調(diào)用或閱讀；實(shí)現(xiàn)體對(duì)外不可見，從而保證構(gòu)件的信息隱藏和獨(dú)立性。

圖2 星載軟件構(gòu)件模型Fig．2 Spacecraft software components model

3．2 通用遙測(cè)構(gòu)件設(shè)計(jì)

通過對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)需求的梳理，遙測(cè)處理模塊TmProc主要處理遙測(cè)采集、存儲(chǔ)、組包、包調(diào)度和虛擬信道調(diào)度等工作。因此，根據(jù)需求設(shè)計(jì)5種構(gòu)件，分別是數(shù)據(jù)池構(gòu)件（DataPool）、空間包構(gòu)件（SpacePacket）、元素周期調(diào)度構(gòu)件（PeriodSelector）、虛擬信道構(gòu)件（AosVc）和同步異步調(diào)度構(gòu)件（SynAynSelecotr）。其中構(gòu)件DataPool完成對(duì)星載軟件數(shù)據(jù)（包括遙測(cè)數(shù)據(jù)）的統(tǒng)一索引和存??；構(gòu)件SpacePacket完成空間包組織；構(gòu)件PeriodSelector實(shí)現(xiàn)元素周期性調(diào)度算法；構(gòu)件AosVc實(shí)現(xiàn)幀組織；構(gòu)件SynAynSelecotr實(shí)現(xiàn)元素同步／異步調(diào)度算法。

這些構(gòu)件所封裝的主要是處理邏輯和算法，并不與具體的用戶數(shù)據(jù)（如遙測(cè)參數(shù)表、遙測(cè)大綱等）綁定。用戶（即應(yīng)用程序）根據(jù)具體的需求，通過初始化接口，完成對(duì)構(gòu)件實(shí)例基本參數(shù)的設(shè)置，再通過調(diào)用構(gòu)件對(duì)用戶提供的功能接口，滿足不同的型號(hào)任務(wù)需求，即可通過有限個(gè)通用的構(gòu)件，來實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星型號(hào)的多樣化任務(wù)。

下面將從基本功能、初始化接口和對(duì)外功能接口等方面，分別對(duì)每個(gè)構(gòu)件的詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

3．2．1 數(shù)據(jù)池構(gòu)件（DataPool）

（1）基本功能：提供對(duì)不同長度數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一索引進(jìn)行存儲(chǔ)、更新和獲取等服務(wù)，用于滿足對(duì)整星數(shù)據(jù)（包括遙測(cè)數(shù)據(jù)）的采集、存儲(chǔ)、更新和獲取需求。

（2）初始化接口參數(shù)：①data＿size＿arr，數(shù)據(jù)池中預(yù)定義的數(shù)據(jù)項(xiàng)長度數(shù)組；②data＿size＿arr＿len，數(shù)據(jù)池預(yù)定義數(shù)據(jù)項(xiàng)長度數(shù)組的長度。

（3）功能接口：①GetDataSingle，獲取單個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)；②SetDataSingle，設(shè)置單個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)；③GetDataBlock，獲取包含多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)塊；④SetDataBlock，設(shè)置包含多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)塊。

3．2．2 空間包構(gòu)件（SpacePacket）

（1）基本功能：提供CCSDS標(biāo)準(zhǔn)空間包協(xié)議服務(wù)，滿足遙測(cè)包組裝、發(fā)送等需求。

（2）初始化接口參數(shù)：①type，包類型，1bit，1為遙測(cè)，0為遙控；②sec＿h(yuǎn)dr＿flag，副導(dǎo)頭標(biāo)識(shí)，1為有，0為無；③apid，應(yīng)用過程標(biāo)識(shí)，11bit；④seq＿flags，包序列控制標(biāo)志；⑤data＿msg，包數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)。

（3）功能接口：BuildPacketWithDataInput，根據(jù)包數(shù)據(jù)域進(jìn)行包組織和生成。

3．2．3 元素周期調(diào)度構(gòu)件（PeriodSelector）

（1）基本功能：提供對(duì)元素按照一定的周期，按照一定的算法進(jìn)行調(diào)度，用于滿足遙測(cè)包生成調(diào)度和下傳調(diào)度控制需求。

（2）初始化接口：①elem＿arr，被調(diào)度元素?cái)?shù)組；②elem＿num，參數(shù)elem＿arr數(shù)組長度。

（3）功能接口：①ResetPeriodSingle，重置單個(gè)元素的周期。若該元素?zé)o周期，其輸入的初始周期和設(shè)定周期為同一值。元素的查找是通過元素指針或者元素序號(hào)；②SelElemSingle，選擇一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的元素；③SelElemAll，選擇所有到期的元素；④DecWait，所有元素的計(jì)時(shí)自減。若某元素?zé)o周期，不自減；若某元素計(jì)時(shí)為零時(shí)，不自減。

3．2．4 虛擬信道構(gòu)件（AosVc）

（1）基本功能：提供CCSDS標(biāo)準(zhǔn)AOS鏈路協(xié)議虛擬信道中的包裝業(yè)務(wù)、多路復(fù)用業(yè)務(wù)、組幀業(yè)務(wù)等服務(wù)，用于滿足數(shù)據(jù)組幀的需求。

（2）初始化接口：①Scid，有效航天器標(biāo)志；②Vcid，有效VC 標(biāo)志；③input＿type，輸入數(shù)據(jù)類型；④ctrl＿field＿flag，操作控制域；⑤frame＿len，幀長；⑥insert＿len，插入域長；⑦circle＿count＿flag，VCDU 幀長；⑧pri＿freq，VC 在被調(diào)度時(shí)的輸出優(yōu)先級(jí)或頻率；⑨Buf，虛擬信道IO 緩存；⑩buf＿size，虛擬信道IO 緩存長度。

（3）功能接口：①SendData，往虛擬信道中發(fā)送源包E＿PDU、虛擬信道數(shù)據(jù)訪問單元VCA＿SDU或位流數(shù)據(jù)單元B＿PDU；②OutputExist，查詢VC中是否有輸出數(shù)據(jù)；③DownOutput，根據(jù)包數(shù)據(jù)域進(jìn)行包組織和生成遙測(cè)包；④GetMpduIdleBytes，獲取當(dāng)前組織的多路復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDDU）中剩余字節(jié)數(shù)。

3．2．5 同步異步調(diào)度構(gòu)件（SynAynSelector）

（1）基本功能：元素同步異步調(diào)度構(gòu)件，提供對(duì)元素的同步、異步和多級(jí)調(diào)度服務(wù)，用于滿足對(duì)虛擬信道同步異步調(diào)度需求。

（2）初始化接口：①elem＿arr，元素?cái)?shù)組；②elem＿arr＿len，當(dāng)前元素對(duì)子元素同步或異步調(diào)度；③syn＿ayn，應(yīng)用過程標(biāo)志；④pri＿freq，優(yōu)先級(jí)或輸出頻率。

（3）功能接口：SelectElem，根據(jù)同步或者異步方式調(diào)度元素。

3．3 構(gòu)件組裝和使用

在各個(gè)功能模塊的構(gòu)件化設(shè)計(jì)之后，需要將各個(gè)模塊進(jìn)行有效的組裝，以形成完整的遙測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)源包的生成、下傳和存儲(chǔ)等功能。采用統(tǒng)一建模語言UML［8］類圖描述其靜態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。其中TmProc表示遙測(cè)模塊。該圖重點(diǎn)描述模塊的構(gòu)成，且在本文3．2節(jié)已經(jīng)詳細(xì)描述了各個(gè)構(gòu)件對(duì)外提供的功能接口和功能，因此本圖不再詳細(xì)描述各個(gè)構(gòu)件自身的屬性和函數(shù)，均以空格表示。

圖3 遙測(cè)模塊軟件構(gòu)件組裝關(guān)系Fig．3 Relationship of software components in TM module

為了實(shí)現(xiàn)星載遙測(cè)軟件的通用化，本文通過軟件構(gòu)件化設(shè)計(jì)，通過對(duì)構(gòu)件配置接口參數(shù)設(shè)置和構(gòu)件功能結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置，從而滿足不同衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)的需求。構(gòu)件化的遙測(cè)模塊對(duì)構(gòu)件對(duì)象初始化后，周期性進(jìn)行操作。構(gòu)件化遙測(cè)模塊通過調(diào)用各個(gè)構(gòu)件實(shí)例完成遙測(cè)采集、組包、包調(diào)度、組幀和虛擬信道調(diào)度等功能，其處理流程如圖4所示，整個(gè)流程在任務(wù)啟動(dòng)后不斷循環(huán)。

圖4 通用遙測(cè)模塊任務(wù)處理流程Fig．4 Flow chart of generalized TM module

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本節(jié)對(duì)基于構(gòu)件的通用星載遙測(cè)處理方法的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并對(duì)虛擬型號(hào)軟件在應(yīng)用該方法前后的開發(fā)效率、模塊復(fù)雜度和資源消耗情況進(jìn)行比對(duì)。

以Mission 1、Mission 2、Mission 3 和Mission 4等衛(wèi)星型號(hào)為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其中Mission 1采用傳統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方式，Mission 2繼承Mission 1遙測(cè)模塊，并在Mission 1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性的改進(jìn)。Mission 3采用了構(gòu)件化設(shè)計(jì)，Mission 4繼承Mission 3遙測(cè)模塊。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 星載軟件構(gòu)件應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Spacecraft software component utilization data

4．1 構(gòu)件化開發(fā)技術(shù)對(duì)型號(hào)研制影響分析

兩種不同的遙測(cè)功能實(shí)現(xiàn)方法，在軟件研制效率和復(fù)雜度方面存在著較大的差異。

由圖5可以看出，首次采用構(gòu)件化設(shè)計(jì)的Mission 3，其效率并沒有比普通型號(hào)提高多少。但是對(duì)于其后繼承Mission 3 的型號(hào)Mission 4，與繼承Mission 1的傳統(tǒng)型號(hào)Mission 2相比，其研制效率迅速提高了3～5倍。

由圖6 可知，使用了構(gòu)件化的Mission 3 和Mission 4，應(yīng)用程序所需要涉及的全局變量數(shù)量大幅度降低，不到Mission 1的1／4。即使是Mission 2對(duì)Mission 1 進(jìn)行了優(yōu)化，變量數(shù)量也是Mission 3或Mission 4 的3 倍以上。在定義的結(jié)構(gòu)體方面，Mission 3和Mission 4應(yīng)用程序所定義的結(jié)構(gòu)體數(shù)量為0，即使是算上構(gòu)件數(shù)量，也只是5 個(gè)，少于Mission 1和Mission 2的1／3。

圖5 不同型號(hào)任務(wù)軟件開發(fā)效率對(duì)比分析Fig．5 Analysis of efficiency of SW development in different space missions

圖6 衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)復(fù)雜度分析Fig．6 Analysis of software complexity of different space missions

由此可見，采用了構(gòu)件化設(shè)計(jì)后的型號(hào)Mission 3和Mission 4，其研制效率得到極大提高，應(yīng)用程序復(fù)雜度大幅度簡化，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：①基于構(gòu)件的通用星載遙測(cè)軟件設(shè)計(jì)方法，極大地提高了對(duì)不同型號(hào)任務(wù)的適應(yīng)程度，降低了型號(hào)任務(wù)開發(fā)時(shí)間和工作量；②基于構(gòu)件的通用星載遙測(cè)軟件設(shè)計(jì)方法，降低了型號(hào)任務(wù)應(yīng)用程序的復(fù)雜度，一定程度上提高了系統(tǒng)健壯性。

4．2 構(gòu)件化設(shè)計(jì)的遙測(cè)模塊對(duì)代碼規(guī)模的影響分析

從對(duì)存儲(chǔ)資源的占用（即軟件代碼量）角度對(duì)比構(gòu)件化的遙測(cè)模塊與傳統(tǒng)遙測(cè)模塊，考慮不同衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)對(duì)遙測(cè)參數(shù)的定義數(shù)量存在較大差異，為了保證一般性，只對(duì)不同衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)的邏輯代碼行數(shù)進(jìn)行比較（見圖7）。

圖7 衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)遙測(cè)模塊代碼總行數(shù)Fig．7 Analysis of total code linage in different space missions

分析圖7的數(shù)據(jù)，隨著衛(wèi)星型號(hào)對(duì)軟件構(gòu)件復(fù)用個(gè)數(shù)的增加，遙測(cè)模塊涉及的總代碼行數(shù)不但沒有上升，反而呈下降趨勢(shì)。可見通用遙測(cè)軟件設(shè)計(jì)方法不會(huì)增加對(duì)資源的需求，反而在一定程度上節(jié)約了資源。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于構(gòu)件化設(shè)計(jì)的可配置通用遙測(cè)軟件方法，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，研究表明：構(gòu)件化的遙測(cè)模塊通過參數(shù)配置的方式，能夠?qū)⑻幚磉壿嫼陀脩粜枨蠓蛛x，即構(gòu)件化的功能設(shè)計(jì)，可提高軟件的適應(yīng)性、通用性，進(jìn)而大幅度提高軟件的開發(fā)效率；而且降低了代碼設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高了代碼健壯性。除此之外，構(gòu)件化設(shè)計(jì)的通用遙測(cè)模塊，并未增加軟件對(duì)資源的占用。本文的研究結(jié)果，可為星載遙測(cè)軟件設(shè)計(jì)和其他星載軟件設(shè)計(jì)提供參考。

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