李勤毅，彭 欣，陳靜靜

(1.上海利正衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)有限公司，上海 201108； 2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；3.上海交通大學(xué)海洋研究院，上海 200240)

航天器地面綜測系統(tǒng)軟件間通信協(xié)議的現(xiàn)狀與改進(jìn)

李勤毅1,2，彭 欣1，陳靜靜3

(1.上海利正衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)有限公司，上海 201108； 2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；3.上海交通大學(xué)海洋研究院，上海 200240)

傳統(tǒng)的航天器地面綜測系統(tǒng)軟件間通信協(xié)議一般是根據(jù)不同航天器的測試任務(wù)和測試特點而制定的，沒有形成統(tǒng)一規(guī)范，各航天器綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議和接口的差別甚大，導(dǎo)致綜測系統(tǒng)軟件可移植性差；針對現(xiàn)有航天器地面綜測系統(tǒng)軟件間通信協(xié)議可擴展性能差的現(xiàn)狀，以新型小衛(wèi)星地面綜測系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)為依托，探索并設(shè)計了一套基于XML描述與傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，開發(fā)了地面綜測系統(tǒng)軟件，并對該通信協(xié)議進(jìn)行了實現(xiàn)和試驗；經(jīng)試驗證明，利用XML描述與傳輸?shù)木C測系統(tǒng)軟件協(xié)議和XML串行化反串行化技術(shù)，該通信協(xié)議具備良好的操作性和可擴展性，較大的簡化了航天器地面綜測系統(tǒng)軟件間的接口設(shè)計，增強了綜測系統(tǒng)軟件的可移植性。

航天器綜測系統(tǒng)；通信協(xié)議；XML；串行化；反串行化

0 引言

航天器地面綜合測試系統(tǒng)(以下簡稱為：綜測系統(tǒng))是航天器各分系統(tǒng)接口設(shè)計匹配性與正確性、航天器整器的功能性能和航天器各項總體指標(biāo)的檢驗系統(tǒng)，完成航天器內(nèi)測控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、姿軌控分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、載荷分系統(tǒng)等各分系統(tǒng)單機的總裝測試、航天器有線及無線測試、測控對接測試和應(yīng)用對接測試等。對于新研航天器，綜測系統(tǒng)需要配合完成航天器關(guān)鍵技術(shù)驗證和關(guān)鍵單機研制測試等工作。綜測系統(tǒng)在航天器總體設(shè)計、總裝和總測中占據(jù)著非常重要的地位，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和結(jié)論，直接關(guān)系到航天器是否具備出廠發(fā)射的條件。同時，綜測系統(tǒng)接收、解析的各種航天器遙測數(shù)據(jù)、遙控數(shù)據(jù)、載荷應(yīng)用數(shù)據(jù)、地面系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、研制過程環(huán)境數(shù)據(jù)、環(huán)境模擬試驗數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，可直接作為航天器在軌狀態(tài)分析、演算和趨勢分析的依據(jù)。

隨著航天器功能的日益強大和航天器種類型號的日益龐大，航天器下行的遙測數(shù)據(jù)量日趨增大和復(fù)雜，如何高效、準(zhǔn)確的接收、解析、傳輸航天器遙測數(shù)據(jù)，并盡可能適應(yīng)不同種類、型號的航天器地面綜合測試，是現(xiàn)今航天器地面綜測系統(tǒng)設(shè)計和運行亟需解決的難題。

傳統(tǒng)的綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議一般是由航天器總體研制單位根據(jù)本單位航天器的測試任務(wù)和測試特點而制定的，并沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，各航天器綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議和接口的差別甚大，即使同單位內(nèi)部，綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議和接口也存在著不同航天器型號間定制的特點。這導(dǎo)致了綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議需要根據(jù)不同的航天器進(jìn)行修改和訂制，再根據(jù)協(xié)議對綜測系統(tǒng)軟件進(jìn)行修改、調(diào)試和再驗證。

本文以新型小衛(wèi)星地面綜測系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)為依托，探索具有靈活性和可擴展性的綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議，設(shè)計了一套基于XML描述與傳輸[1-2]的綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議，開發(fā)了綜測系統(tǒng)軟件，并對該綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議進(jìn)行了實現(xiàn)和試驗。經(jīng)試驗證明，利用XML描述與傳輸?shù)木C測系統(tǒng)軟件協(xié)議及XML串行化、反串行化技術(shù)，本文設(shè)計的航天器綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議具備良好的操作性和可擴展性，較大的簡化綜測系統(tǒng)軟件接口設(shè)計，可靈活運用于不同種類型號的航天器地面綜合測試系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)綜測系統(tǒng)軟件間協(xié)議概述

傳統(tǒng)的綜測系統(tǒng)軟件間協(xié)議版本較多，概括而言，預(yù)留較多的備用字段，以便后續(xù)擴展。軟件間協(xié)議樣板如表1所示。

表1 傳統(tǒng)綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議

數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)格式會根據(jù)數(shù)據(jù)類別的不同分別進(jìn)行制訂。數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)格式案例如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)格式案例

對于不同型號的航天器，如果航天器的測試特征差別較大，對于同一數(shù)據(jù)類別下的數(shù)據(jù)區(qū)格式定義差別也是比較大的。這便造成了綜測系統(tǒng)軟件移植性較差，如果該型號的航天器綜測系統(tǒng)需用于其他型號，綜測軟件修改量非常大。因為在協(xié)議中增加一個或多個字節(jié)，其余數(shù)據(jù)項在解析時便會有字節(jié)序號的偏移，直接關(guān)系到軟件協(xié)議解析模塊的解析錯誤。

航天器研制過程質(zhì)量控制非常嚴(yán)格，如果綜測系統(tǒng)軟件修改量較大，那么綜測系統(tǒng)需要重新進(jìn)行長時間的自測試進(jìn)行驗證，驗證正確后方可用于航天器的綜合測試，這勢必造成航天器研制周期的延長，增加了航天器研制的風(fēng)險。

2 基于XML描述的綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議設(shè)計

可擴展標(biāo)記語言(XML)能夠精確地聲明和描述航天器遙測數(shù)據(jù)項、遙控數(shù)據(jù)項及地面系統(tǒng)狀態(tài)項的各種內(nèi)容，再利用XML的串行化和反串行化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和解析，可以較好的解決不同種類航天器間綜測系統(tǒng)軟件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口的匹配難題。XML提供的這種描述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的格式，可大大簡化網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交換和表示，使得代碼、數(shù)據(jù)和表示分離[3-4]。

2.1 協(xié)議設(shè)計

基于XML描述與傳輸?shù)南到y(tǒng)軟件協(xié)議如表3所示。系統(tǒng)內(nèi)所有類型數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時，統(tǒng)一采用該協(xié)議格式。

表3 基于XML描述的綜測系統(tǒng)軟件間通信協(xié)議

2.2 包頭設(shè)計

包頭由同步頭、版本號、信息類別、包體長度和校驗位組成。直接傳輸XML包體也是可以的，但本協(xié)議在制訂時增加了包頭部分，目的如下：(1)信息類別可用于區(qū)分不同XML數(shù)據(jù)，如0x01表示衛(wèi)星遙測或地面設(shè)備狀態(tài)遙測；0x02表示遙控指令或地面設(shè)備控制指令；等。(2)同步頭、包體長度、校驗位的設(shè)置可增強協(xié)議傳輸?shù)慕研?，在一定程度上對網(wǎng)絡(luò)傳輸幀進(jìn)行了同步和校驗。

2.3 包體設(shè)計

包體采用XML文件進(jìn)行定義。對于航天器研制、測試過程中產(chǎn)生的不同類型信息數(shù)據(jù)采用不同的XML格式。信息量比較大的遙測類型數(shù)據(jù)、地面設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息采用四級節(jié)點的XML進(jìn)行描述，遙控類型數(shù)據(jù)采用二級節(jié)點的XML進(jìn)行描述。

(1)遙測類型數(shù)據(jù)XML包格式設(shè)計。

遙測源碼和采用解析規(guī)則對源碼解析后的物理工程量的包體設(shè)計樣本如下。節(jié)點表示本包傳輸?shù)氖沁b測數(shù)據(jù)，同理，節(jié)點可表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為發(fā)送至航天器的遙控數(shù)據(jù)。地面設(shè)備狀態(tài)信息、地面設(shè)備控制指令、環(huán)境數(shù)據(jù)等各種航天器測試數(shù)據(jù)類型可依次定義。

......

3

1

AAAAAA

......

1

......

其中，子節(jié)點對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行全局說明，如：

航天器型號

航天器代號節(jié)點

采集通道名稱

通道類別

通道描述節(jié)點

網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的包計數(shù)節(jié)點

本包數(shù)據(jù)地面接收時間節(jié)點

源碼節(jié)點等。

為遙測數(shù)據(jù)的根節(jié)點，此節(jié)點內(nèi)有多個組成，表示經(jīng)解析規(guī)則解析后的工程物理量。如：

波道名稱節(jié)點

物理量源碼節(jié)點

解析后物理量節(jié)點

顯示信息節(jié)點

物理單位節(jié)點

是否報警節(jié)點等。

由于采用XML格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行了組織，根節(jié)點下子節(jié)點的順序及不同型號航天器特定的子節(jié)點定義對軟件接收端解析沒有影響，這從根本上解決了傳統(tǒng)軟件協(xié)議難擴展的難題。

(2)遙控類型數(shù)據(jù)XML包格式設(shè)計

航天器遙控組織發(fā)送執(zhí)行過程所需信息的包體設(shè)計樣本如下。

0x15

S頻段遙控

其中，為遙控類型數(shù)據(jù)的根節(jié)點，由于航天器的遙控不是連續(xù)的，是偶發(fā)的上行數(shù)據(jù)注入，信息量較小，采用二級節(jié)點可以完整的表述。具體子節(jié)點含義如下：

遙控發(fā)送時間子節(jié)點

遙控代號子節(jié)點

遙控通道子節(jié)點

遙控通道描述子節(jié)點

遙控狀態(tài)子節(jié)點

遙控數(shù)據(jù)子節(jié)點

遙控包計數(shù)子節(jié)點

(3)其他類型數(shù)據(jù)XML包格式設(shè)計

其他類型數(shù)據(jù)的XML包設(shè)計可參照遙測類型數(shù)據(jù)、遙控類型數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，由于使用XML串行化和反串行化技術(shù)對XML文件進(jìn)行傳輸，軟件收端可以完整地發(fā)端組織的XML文件及其內(nèi)容，這也是包體采用XML文件的巨大優(yōu)勢之一。

2.4 XML串行化與反串行化

為了方便存儲或傳輸，采用串行化技術(shù)將打包的XML文件格式化至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，放入包體內(nèi)，然后對包頭進(jìn)行處理，再通過TCP/IP或者UDP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。

軟件接收端通過網(wǎng)絡(luò)將接收的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，首先進(jìn)行包體解析，包括包的同步、信息類別的識別、數(shù)據(jù)檢驗等。包頭判別正確后再將XML包體通過反串行化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，即利用串行的狀態(tài)信息將對象從串行XML狀態(tài)還原成原始狀態(tài)，最后獲得打包時的XML文件。串行化與反串行化的目的是進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

為了滿足這一機制的需求，.NET Framework實現(xiàn)了一種基于XML的串行化機制，.NET框架中包含了命名空間System.Runtime.Serialization和System.Xml.Serialization以提供串行化功能，其中，System.Xml.Serialization命名空間提供了將一個對象串行化為XML格式的基本方法。這樣便可以將一個對象串行化為XML格式，從而它的所有公共域和屬性都將以XML寫入，然后可以將這個XML發(fā)送到任何地方，接收方則可以并行化該XML 數(shù)據(jù)，從而在內(nèi)存中重建該對象。

System.Xml.Serialization命名空間中的關(guān)鍵類XmlSerializer提供了把對象串行化為XML文件及把XML文檔反串行化為對象的方法。實際的串行化過程在XmlSerializer類的Serialize方法中實現(xiàn)。該方法允許在串行化過程中調(diào)用TextWriter、Stream和XmlWriter對象。

XML文件串行化具體實現(xiàn)過程如下：

byte[] xmlDocBuffer;

MemoryStream xmlStream

= new MemoryStream();

XmlSerializer xmlSerial

= new XmlSerializer (typeof (XmlDocument));

xmlSerial.Serialize(xmlStream, xmlDocument);

//串行化XML文檔

xmlDocBuffer = xmlStream.ToArray();

//將內(nèi)存流寫入字節(jié)數(shù)組緩存中

XML文件串行化具體實現(xiàn)過程如下：

byte[] buf = udpRecvSocket.Receive(ref multicastUdpRecv);

MemoryStream xmlStream

= new MemoryStream(buf);

//將緩存中的信息寫入內(nèi)存流

XmlSerializer xmlSerial = new XmlSerializer (typeof (XmlDocument));

XmlDocument udpRecv = (XmlDocument) xmlSerial. Deserialize(xmlStream );

//反串行化XML文檔

xmlStream.Flush();

xmlStream.Close();

//關(guān)閉內(nèi)存流

xmlStream.Dispose();

3 基于XML描述與傳輸?shù)能浖f(xié)議驗證

綜測系統(tǒng)軟件是航天器地面綜合測試系統(tǒng)的信息核心，主要由總控臺軟件、服務(wù)器軟件、監(jiān)視臺軟件、太陽模擬陣軟件、基帶前端軟件及其他各設(shè)備前端軟件組成[5-8]。綜測軟件系統(tǒng)的設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 航天器地面綜測系統(tǒng)的設(shè)計圖

綜測系統(tǒng)內(nèi)各功能軟件間通信均采用上述基于XML描述和傳輸?shù)能浖f(xié)議。服務(wù)器軟件與監(jiān)視臺軟件運行截圖如圖2所示。從軟件中設(shè)備連接狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)計數(shù)、UDP組播發(fā)送計數(shù)及數(shù)據(jù)接收文本和曲線顯示可以看出，本文設(shè)計的基于XML描述與傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議在綜測系統(tǒng)軟件中應(yīng)用良好。

航天器在空間通過天線利用微波信號將自身數(shù)據(jù)傳送至地面，經(jīng)地面站微波通道接收后送基帶前端設(shè)備進(jìn)行解調(diào)還原成源碼。服務(wù)器軟件可接收多個通道的源碼，并按照解析規(guī)則進(jìn)行解析，而后按照上述協(xié)議進(jìn)行組織打包，通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)出去。

監(jiān)視臺軟件為測試人員提供對航天器狀態(tài)的監(jiān)視界面，如圖2所示。從圖2的曲線和文本數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，證明本文設(shè)計的基于XML描述與傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議具有可行性和良好的操作性。

圖2 監(jiān)視臺軟件運行截圖

4 基于XML描述與傳輸?shù)能浖f(xié)議可擴展性分析

傳統(tǒng)的綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議通過預(yù)留較多的備用字段，以便后續(xù)擴展。當(dāng)備用字段重新定義或者在協(xié)議中增加一個或多個字節(jié)后，數(shù)據(jù)接收端在解析時需要準(zhǔn)確把握字段定義及字節(jié)序號的偏移，否則會造成到軟件協(xié)議解析模塊的解析錯誤。

而本文設(shè)計的綜測系統(tǒng)軟件協(xié)議充分發(fā)揮了XML文件的靈活性，即使軟件接收端對部分節(jié)點定義不明確，也可通過反串行化技術(shù)直接獲得發(fā)端的XML文件和文件內(nèi)各節(jié)點的信息。同時，子節(jié)點的前后順序?qū)?shù)據(jù)接收解析沒有影響。對于不同種類型號的航天器綜測軟件，保證根節(jié)點及全局節(jié)點的名稱一致，子節(jié)點可根據(jù)航天器不同的測試特征進(jìn)行刪減，這可極大地提高綜測系統(tǒng)軟件的可移植性。

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)行航天器地面綜合測試系統(tǒng)軟件協(xié)議可擴展性能差的現(xiàn)狀，以新型小衛(wèi)星地面綜測系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)為依托，探索并設(shè)計了一套基于XML描述與傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，開發(fā)了綜測系統(tǒng)軟件，并對該通信協(xié)議進(jìn)行了實現(xiàn)和試驗。經(jīng)試驗證明，利用XML描述與傳輸?shù)木C測系統(tǒng)軟件協(xié)議和XML串行化反串行化技術(shù)，該通信協(xié)議具備良好的操作性和可擴展性，較大的簡化了綜測系統(tǒng)軟件接口設(shè)計，可靈活運用于不同種類型號的航天器地面綜合測試系統(tǒng)。

[1] 鄭 珂,徐艷群,張 斌.基于FDT與OPC XML的工業(yè)控制系統(tǒng)集成研究[J]. 計算機測量與控制, 2010, 18(8):1805-1807.

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[3] 張力生,洪小云,雷大江,等. 基于路徑特征的XML文檔結(jié)構(gòu)相似性度量[J] .計算機應(yīng)用與軟件，2015,32(7):39 -42.

[4] 夏 剛,劉林靜,樓文高.基于Schema的XML混合編碼索引查詢技術(shù)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2016,33(2):33-37.

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[8] 上海衛(wèi)星工程研究所. 星地測試數(shù)據(jù)顯示終端框架軟件:中國, 2014SR002551[P]. 2014-01-08.

Current Situation and Improvement of Software Communication Protocol for Spacecraft Testing System

Li Qinyi1,2, Peng Xin1, Chen Jingjing3

(1.Shanghai Lizheng Satellite Application Technology Co., Ltd., Shanghai 201108,China； 2.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240 ,China； 3.Institute of Oceanology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

There is no unified software protocol for traditional spacecraft testing system and the difference between software protocols for each spacecraft testing system is very large, resulting in portability of spacecraft testing system software very poor. In light of this issue, we design a software communication protocol based on XML description and transmission, and develope the software for spacecraft testing system. The result proves that the use of XML description protocol and XML serialization and deserialization technology simplifies the design of system software and enhances the portability of system software.

spacecraft testing system; software protocol; XML; serialization; deserialization

2016-12-08；

2017-01-05。

李勤毅(1985-)，男，主任設(shè)計師，工程師，主要從事衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)設(shè)計、測試系統(tǒng)軟件開發(fā)，電磁兼容設(shè)計與試驗，天線設(shè)計與仿真等方向的研究。

1671-4598(2017)05-0132-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.037

TP3

A