李瑞軍 范延芳

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

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基于XTCE改進(jìn)模型的遙控指令生成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李瑞軍 范延芳

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

提出了一套改進(jìn)的基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言的遙測(cè)遙控信息交換(XTCE)遙控元數(shù)據(jù)模型，重構(gòu)了空間任務(wù)遙測(cè)遙控信息描述模型，引入了指令集合元素，使其能夠支持更廣義的指令，具有更高的擴(kuò)展性；以該模型為基礎(chǔ)，文章設(shè)計(jì)了一種通用化遙控指令生成系統(tǒng)，采用了自動(dòng)化軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使遙控?cái)?shù)據(jù)定義更加便捷、高效。實(shí)踐證明本系統(tǒng)達(dá)到了增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理軟件通用性、減少開發(fā)成本、降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的效果。

基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言的遙測(cè)遙控信息交換；遙控元數(shù)據(jù)模型；通用化；遙控指令

1 引言

隨著航天器復(fù)雜度和可靠性要求的提升，對(duì)航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的解析和處理要求也隨之不斷升高[1]。然而航天器的研制、管控系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)等描述遙控?cái)?shù)據(jù)的方式和格式卻千差萬別，不同的航天器的應(yīng)用子系統(tǒng)、地面任務(wù)操作系統(tǒng)等，往往使用自己特有的數(shù)據(jù)接口定義，導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、人工核對(duì)工作，增加系統(tǒng)開發(fā)維護(hù)費(fèi)用，耗費(fèi)了任務(wù)完成時(shí)間，增加大了任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)[2]。

解決上述問題的一個(gè)有效途徑是遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)定義的標(biāo)準(zhǔn)化。目前，國(guó)內(nèi)的遙控?cái)?shù)據(jù)定義多采取自定義的方式，還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的方式。有些型號(hào)采取了自定義的XML格式的遙控指令生成工具，但在通用化程度、擴(kuò)展性和易用性上仍然存在較多問題；國(guó)際上，各航天大國(guó)和國(guó)際組織都在開展工程標(biāo)準(zhǔn)化的研究[3]。其中，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)推出的基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言的遙測(cè)遙控信息交換(XTCE)標(biāo)準(zhǔn)得到了較為廣泛的認(rèn)可，并已在歐美的航天器研制中得到廣泛的應(yīng)用[4]。

XTCE是一套遙測(cè)和遙控?cái)?shù)據(jù)交換的解決方案，應(yīng)用在任務(wù)開發(fā)和操作的各個(gè)階段[5-8]。XTCE定義了遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)的格式，具有很高的通用性和擴(kuò)展性。但為了具有更大的覆蓋性，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)定義中有些信息冗余、導(dǎo)致整個(gè)文件體積龐大，部分元素層次較深，描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成XTCE定義和解析過程中仍需要做較多的處理[3]。同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)只是從數(shù)據(jù)交換的角度定義了遙測(cè)、遙控的標(biāo)準(zhǔn)化描述方式，并沒有給出其在工程實(shí)踐中具體的管理方式和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。因此，有必要在實(shí)際中對(duì)其進(jìn)行本地化改進(jìn)，同時(shí)需要在工程實(shí)踐中為其選擇具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

本文根據(jù)具體的項(xiàng)目需求，首先對(duì)XTCE模型進(jìn)行了裁剪和改造，形成了一套本地化的遙控?cái)?shù)據(jù)定義模型；系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，減少了學(xué)習(xí)XTCE標(biāo)簽語法的過程和編輯過程，大大地提高了效率。

2 基于XTCE的遙控元數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

2.1 XTCE的遙控元數(shù)據(jù)模型

XTCE中定義了遙測(cè)元數(shù)據(jù)、遙控元數(shù)據(jù)和服務(wù)元素等概念。其中遙控元數(shù)據(jù)模型如圖1所示[7-9]。模型分了兩級(jí)，第一級(jí)下定義了七個(gè)元素：參數(shù)類型、參數(shù)集合、數(shù)據(jù)段類型、元指令、指令容器、數(shù)據(jù)流和算法集合。元指令是具體的遙控指令對(duì)應(yīng)的元素，其下第二級(jí)定義，列出了所有的子元素：系統(tǒng)名稱、基本元指令、數(shù)據(jù)段、判讀準(zhǔn)則、發(fā)送限制、重要等級(jí)、單指令容器、互鎖、校驗(yàn)集合。

圖1 XTCE遙控元數(shù)據(jù)模型Fig.1 XTCE command meta data model

2.2 基于XTCE改進(jìn)的遙控元數(shù)據(jù)模型

如圖2所示，為本文改進(jìn)后的遙控元數(shù)據(jù)模型，保留了XTCE遙控元數(shù)據(jù)模型中的七個(gè)元素。元指令中只保留判讀準(zhǔn)則，并將其重構(gòu)到遙控?cái)?shù)據(jù)下，新增加了指令集合元素。

圖2 基于XTCE改進(jìn)的遙控元數(shù)據(jù)模型Fig.2 Improved command metadata model based on XTCE

2.2.1 遙控元數(shù)據(jù)模型的裁剪

XTCE的遙控元數(shù)據(jù)模型中比較完備地給出了從基本類型(參數(shù)類型、數(shù)據(jù)段類型)到基本元素(元指令、參數(shù)集合)，最后到復(fù)雜的包裝單元(容器、數(shù)據(jù)流)的定義，同時(shí)支持類型算法集合。對(duì)于元指令中的元素，改進(jìn)模型保留了判讀準(zhǔn)則，其他的只保留了接口。

2.2.2 遙控元數(shù)據(jù)模型的重構(gòu)

在XTCE的遙控元數(shù)據(jù)模型中，元指令主要包含了兩大方面的內(nèi)容：指令的格式和指令的其他管理屬性。指令的格式主要指該指令由哪些數(shù)據(jù)段組成，包括基本元指令、數(shù)據(jù)段列表、指令容器等。管理屬性表示指令的分類、發(fā)送限制、發(fā)送后的判讀準(zhǔn)則等，包括發(fā)送限制、判讀準(zhǔn)則、指令等級(jí)等。

XTCE標(biāo)準(zhǔn)的初衷，就是要解決數(shù)據(jù)交換過程中的格式匹配和兼容問題。核心問題是定義圍繞數(shù)據(jù)流的格式，并沒有把指令本身的管理放到和數(shù)據(jù)流對(duì)等的地位。

在實(shí)際的任務(wù)中，指令的屬性很多，包括指令名稱、指令意義、指令執(zhí)行效果及指令格式等。指令的格式可能有不同的表現(xiàn)，如發(fā)送到航天器上的硬件指令是一條數(shù)據(jù)流，這條數(shù)據(jù)流在發(fā)往航天器上后會(huì)對(duì)應(yīng)某臺(tái)設(shè)備的一個(gè)脈沖輸出，從廣義上講這個(gè)脈沖輸出也是一條指令，而遙控指令數(shù)據(jù)流與脈沖輸出是同屬于一條指令的兩個(gè)表現(xiàn)形式。所以在XTCE中，將指令的其他屬性放到二級(jí)的元指令中。

其次，在實(shí)際的工作中將指令的不同表現(xiàn)通過指令聯(lián)系起來，對(duì)于測(cè)試驗(yàn)證等工作具有重要意義。例如，上面提到硬件指令數(shù)據(jù)流與輸出脈沖，將它們聯(lián)系起來更有助于判斷指令的效果，而不只是單單從判讀準(zhǔn)則中規(guī)定的參數(shù)期望值來判斷其效果。

將遙控指令數(shù)據(jù)流與脈沖輸出通過指令建立起聯(lián)系，這對(duì)于地面測(cè)試驗(yàn)證等工作具有意義。

基于以上原因，本系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行了重構(gòu)：

(1)增加單獨(dú)的指令集合元素，和元指令處于同一級(jí)，二者通過指令I(lǐng)D進(jìn)行引用關(guān)聯(lián)；

(2)將原來屬于元指令的管理類元素放到遙控元數(shù)據(jù)下。

2.2.3 遙控元數(shù)據(jù)元素定義

模型中各個(gè)元素類圖及其關(guān)系如圖3所示。

圖3 通用遙控元數(shù)據(jù)模型元素類圖Fig.3 Element class diagram of generic command metadata model

1)參數(shù)類型

參數(shù)類型用于定義任務(wù)中遙測(cè)參數(shù)的類型，定義了整型、浮點(diǎn)型等基本類型。在此基礎(chǔ)上，可以通過自定義枚舉等方式擴(kuò)充。

2)參數(shù)集合

參數(shù)集合定義了任務(wù)中參數(shù)的集合。系統(tǒng)中定義了參數(shù)ID、參數(shù)名稱、參數(shù)類型、參數(shù)單位等屬性域，用戶還可以根據(jù)需求擴(kuò)展這些屬性域。參數(shù)的處理會(huì)用到算法集合中的算法。參數(shù)由參數(shù)ID唯一標(biāo)識(shí)，外部對(duì)其引用通過該標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中元指令和判讀準(zhǔn)則中會(huì)引用到參數(shù)。

3)算法集合

算法集合定義運(yùn)算算法。系統(tǒng)中預(yù)定義一套標(biāo)準(zhǔn)算法，包括正則表達(dá)式運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、校驗(yàn)和運(yùn)算等算法。此外通過標(biāo)準(zhǔn)接口可以擴(kuò)展，包括動(dòng)態(tài)庫算法加載、腳本調(diào)用接口等。

4)數(shù)據(jù)段類型

數(shù)據(jù)段類型用于定義元指令中數(shù)據(jù)段的類型，數(shù)據(jù)段類型決定了數(shù)據(jù)段內(nèi)容的生成方式。系統(tǒng)中預(yù)定義有固定值、枚舉值、校驗(yàn)和、長(zhǎng)度、即時(shí)輸入值、引用值、算法計(jì)算等類型。其中，算法計(jì)算通過引用算法集合中的算法計(jì)算得到；引用值可以引用參數(shù)集合中的參數(shù)，從而根據(jù)參數(shù)內(nèi)容動(dòng)態(tài)生成。對(duì)于復(fù)雜及無法通過上述算法得到的，則通過擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)。

5)元指令

元指令定義了遙控指令的格式及內(nèi)容，每條元指令對(duì)應(yīng)任務(wù)中的一條遙控指令。元指令由若干數(shù)據(jù)段組成，數(shù)據(jù)段由數(shù)據(jù)段類型決定了內(nèi)容生成方式。

此外，還有條件屬性，是否為分類等屬性。條件屬性用于定義該屬性成立的條件，一般會(huì)依賴于其他數(shù)據(jù)段或者所在容器的數(shù)據(jù)段。分類屬性用于形成指令的分類，不同類型的指令據(jù)此存儲(chǔ)在不同的指令容器中，便于指令的管理。這兩種方式都會(huì)造成底層的元指令、子容器對(duì)父級(jí)容器的依賴，本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)定義采用自頂向下的定義方式。

元指令中定義的遙控指令通過指令I(lǐng)D與指令集合中的指令關(guān)聯(lián)。

6)指令容器

指令容器定義了一類具有邏輯相關(guān)性的指令集合，這種相關(guān)性可能是其具有相同的屬性段、相同的指令類型等，也可能是由人為定義在一起的一類指令集合。在系統(tǒng)中，通過指令容器對(duì)指令進(jìn)行分類管理。指令容器自身還可以有自己的屬性，通過這些屬性可以對(duì)其中的指令加些特殊處理，比如參數(shù)對(duì)齊、自動(dòng)填充等，也可以在此基礎(chǔ)上，針對(duì)特殊情況進(jìn)行擴(kuò)展。

7)數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)流定義了發(fā)往目標(biāo)的一條數(shù)據(jù)流的格式。其中包括元指令、指令容器及組織它們的控制字段，例如同步字、校驗(yàn)和、長(zhǎng)度域等。

8)判讀準(zhǔn)則

判讀準(zhǔn)則定義了遙控指令發(fā)出后參數(shù)的期望值。一個(gè)參數(shù)準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)一組參數(shù)期望值列表。

9)指令集合

指令集合中的指令有指令I(lǐng)D、指令名稱等屬性信息，此外，一條指令還引用了判讀準(zhǔn)則。

3 基于XTCE改進(jìn)模型的遙控指令生成系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于XTCE改進(jìn)模型的遙控指令生成系統(tǒng)是改進(jìn)模型的工程化實(shí)踐系統(tǒng)，用戶可以方便地編輯、存儲(chǔ)、生成、共享指令規(guī)則，快速地生成指令。本系統(tǒng)軟件采用了三層的軟件架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 基于XTCE改進(jìn)模型的遙控指令生成系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.4 Architecture of command generation system based on improved XTCE Model

3.1 用戶界面接口

XTCE利用XML方式表述，提供了結(jié)構(gòu)化且功能強(qiáng)大的描述方式。但XML編輯工作量大，人工管理繁雜且易出錯(cuò)。為此，本系統(tǒng)中通過軟件建模，將繁雜的XML操作轉(zhuǎn)換為表格化操作。

用戶界面接口提供了友好的界面，用戶不必編輯大量的XML文件，而是通過表格化的編輯，即可完成指令規(guī)則生成和指令參數(shù)的管理。

3.2 業(yè)務(wù)處理層

參數(shù)管理、指令管理、判讀準(zhǔn)則管理分別完成型號(hào)中參數(shù)、指令、判讀準(zhǔn)則的編輯和管理；指令規(guī)則管理模塊完成指令規(guī)則的編輯；XTCE的標(biāo)準(zhǔn)中推薦自底向上的方式對(duì)規(guī)則進(jìn)行描述[7]，即先定義好基礎(chǔ)的元素，如參數(shù)類型、指令類型后，再定義元指令，然后由元指令再定義容器和數(shù)據(jù)流等。在本系統(tǒng)的實(shí)踐中兼容了這種方式，但更推薦采用自頂向下的方式(原因見2.2.3節(jié)說明)。同時(shí)用戶也不必先定義這些類型，再定義參數(shù)，軟件實(shí)現(xiàn)上提供了需要類型時(shí)再定義的按需定義方式。

指令生成模塊用于根據(jù)預(yù)定義規(guī)則生成指令內(nèi)容；而指令反演模塊則將現(xiàn)有指令塊的內(nèi)容反演出其含義；可以根據(jù)實(shí)際需要將發(fā)令功能集成在該軟件中。

3.3 數(shù)據(jù)庫抽象層

XML表述的文件易讀性強(qiáng)，但是文本數(shù)據(jù)量大，純文本的管理比較復(fù)雜，不便于管理和共享。本系統(tǒng)中，將XML結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫表存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫抽象層，將數(shù)據(jù)庫表封裝為實(shí)例化的對(duì)象，上層模塊只需要調(diào)用對(duì)象即可；該層屏蔽了底層異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫形式，為用戶在多種數(shù)據(jù)庫形式的轉(zhuǎn)換提供便利。

4 基于XTCE改進(jìn)模型的遙控指令生成系統(tǒng)應(yīng)用效果

目前航天任務(wù)中有三類用于遙控?cái)?shù)據(jù)生成的工具，分別是針對(duì)具體型號(hào)定制開發(fā)的工具、基于自定義XML格式的遙控指令生成工具和本文的基于XTCE改進(jìn)模型的遙控指令生成軟件。

定制開發(fā)的工具通用性最差，指令生成規(guī)則嵌入在代碼中實(shí)現(xiàn)，需要較長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)間，通常需要數(shù)周時(shí)間，且要求使用者先編程。由于開發(fā)者的設(shè)計(jì)水平、實(shí)現(xiàn)水平和已經(jīng)投入時(shí)間的不同，定制軟件的功能性也參差不齊，但通常都是圍繞規(guī)則制定軟件的功能。一旦工具完成后，用戶就不再需要考慮更多的指令規(guī)則等情況。

基于自定義的XML格式的遙控指令生成工具，對(duì)現(xiàn)有指令生成規(guī)則進(jìn)行了抽象，用戶不再需要編程，只需要按照定制的XML格式對(duì)指令規(guī)則進(jìn)行配置，因此規(guī)則制作時(shí)間大大縮短。該工具通用性較之前有很大提高，實(shí)現(xiàn)了多領(lǐng)域多型號(hào)的通用。但由于制作規(guī)則的抽象覆蓋面有限，對(duì)于部分型號(hào)的特殊需求等還存在無法覆蓋的情況，且擴(kuò)展性有限，如不支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)段、新的校驗(yàn)和生成算法擴(kuò)展等。此外，該工具對(duì)于XML編輯沒有更多的封裝支持，在軟件自動(dòng)化支持方面不夠豐富。因此規(guī)則制作和指令生成效率有限。

本文的系統(tǒng)工具基于XTCE遙控元數(shù)據(jù)模型，并針對(duì)現(xiàn)有航天器情況作本地化改造，且在可能的變化元素上留下了擴(kuò)展接口，通用性更強(qiáng)。同時(shí)系統(tǒng)軟件在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，借鑒了定制軟件指令生成上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)自定義格式遙控指令中XML編輯、指令生成時(shí)的不便利情況，運(yùn)用軟件的強(qiáng)大的編輯和自動(dòng)化技術(shù)，使得用戶不需要再學(xué)習(xí)XML規(guī)范，在規(guī)則編輯和生成上更加便捷高效。

目前，基于XTCE改進(jìn)模型的遙控指令生成系統(tǒng)在深空、通信和遙感等領(lǐng)域的多顆衛(wèi)星上進(jìn)行了應(yīng)用，指令包括星上軟件指令、離散指令等。表1列舉了3種不同的遙控指令生成工具的使用效果。從中可以看出，本系統(tǒng)的工具的各項(xiàng)指標(biāo)均高于或等于現(xiàn)有的工具，且在提高效率、適用范圍和易用性上具有非常高的優(yōu)越性。

表1 不同遙控指令生成工具使用效果對(duì)比

注：指令生成時(shí)間是指用戶使用軟件時(shí)的選擇和配置時(shí)間。

5 結(jié)束語

XTCE遙控元數(shù)據(jù)模型是CCSDS中定義遙控指令格式的模型，本文以該模型為基礎(chǔ)，針對(duì)航天任務(wù)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了本地化的改進(jìn)，在保留原有基本元素的基礎(chǔ)上進(jìn)行了模型的重構(gòu)，使得其具有更好的開放性和本地適用性。在實(shí)現(xiàn)上，針對(duì)現(xiàn)有軟件的不足，引用軟件自動(dòng)化技術(shù)，降低了任務(wù)學(xué)習(xí)和使用負(fù)擔(dān)，提高了生成效率。

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(編輯：張小琳)

Design of Command Genaration System Based on Improved XTCE Model

LI Ruijun FAN Yanfang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

This paper presents a set of improved XTCE command metadata model that reconstructs the original model and introduces the instruction set elements.The new model can support more generalized commands and has higher extensibility.Based on the model，the paper introduced a generic command generation system.With the help of the automation technology and database，the newly presented description language of the telecontrol data can be applied easily and effectively.It has been proven that the new system is more practical，efficient and generic than the similar products.

XTCE；command metadata model；generic；telecontrol command

2015-09-06；

2015-11-11

李瑞軍，男，工程師，從事星載軟件研究。Email:npulrj@163.com。

TP319；V446

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.011