王君 王志杰 樂(lè)浪

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部， 北京 100094)

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基于SOIS的星載平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)探索

王君 王志杰 樂(lè)浪

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部， 北京 100094)

為適應(yīng)星上信息處理發(fā)展需要，文章探索新的星載平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。新架構(gòu)設(shè)計(jì)參考了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)的航天器在軌接口業(yè)務(wù)(SOIS)建議書中的信息處理流程，汲取其把應(yīng)用軟件和信息處理軟件分離的思想, 并結(jié)合有線和無(wú)線總線在軟件外部接口應(yīng)用的選擇。此架構(gòu)接口統(tǒng)一，可適應(yīng)多目標(biāo)多變量的發(fā)展需求，信息處理軟件可支持大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸，使應(yīng)用軟件可獲取更豐富的信息，有利于提升衛(wèi)星自主管理能力和在軌操作能力。

衛(wèi)星信息處理；航天器在軌接口業(yè)務(wù)；軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引言

星上信息系統(tǒng)軟件是衛(wèi)星信息系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它通過(guò)與周圍硬件的信息交互，完成衛(wèi)星所有自主管理任務(wù)。軟件需求隨著衛(wèi)星信息系統(tǒng)的發(fā)展不斷演進(jìn)，從局部管理到系統(tǒng)級(jí)管理，不斷提升自主能力。CCSDS等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一直致力于規(guī)范空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能，提高航天器智能化水平，增強(qiáng)航天器的兼容性和適應(yīng)性。CCSDS針對(duì)航天器新的發(fā)展要求，例如集成化、網(wǎng)絡(luò)化、功能軟件化、智能化和更高自主性等，提出了CCSDS 850.0-G-2 航天器在軌接口業(yè)務(wù)(Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS)及其配套的建議書。SOIS建議書提出了空間在軌接口業(yè)務(wù)參考通信架構(gòu)，可以理解為把航天器信息處理流程進(jìn)行分層和定義，建議多種總線和信息鏈路接口，具有很強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性。

目前，CCSDS建議書尚未對(duì)航天器軟件需求或設(shè)計(jì)提出建議，對(duì)軟件體系架構(gòu)的建議正處于醞釀之中。我國(guó)對(duì)CCSDS具體標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用很多，但涉及軟件設(shè)計(jì)的研究并不多見。SOIS建議書對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

本文首先從未來(lái)衛(wèi)星的信息化、智能化需求考慮，介紹了衛(wèi)星信息管理發(fā)展趨勢(shì)。在介紹空間在軌接口業(yè)務(wù)通信架構(gòu)基礎(chǔ)上，提煉當(dāng)前衛(wèi)星平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)與SOIS理念的差異。比對(duì)有線總線和無(wú)線總線優(yōu)缺點(diǎn)，提出軟件外圍接口總線使用的建議。最后提出了可適應(yīng)SOIS建議的衛(wèi)星平臺(tái)軟件架構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。

2 未來(lái)衛(wèi)星信息處理的新需求

未來(lái)衛(wèi)星信息化、智能化水平的提升，體現(xiàn)在自主集中監(jiān)視、控制和管理衛(wèi)星能力的提升。實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，主要有以下突出的新需求[1]。

(1)多目標(biāo)多變量：智能化衛(wèi)星首先需要在衛(wèi)星內(nèi)部具備更多目標(biāo)、更多變量的識(shí)別與控制。當(dāng)前用于自主管理的參數(shù)來(lái)源，有姿態(tài)敏感器信息、執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)、能源電壓和電流信息、溫度測(cè)量量等。軟件根據(jù)這些信息進(jìn)行必要的控制，同時(shí)具備一些自主故障診斷處理功能。能夠體現(xiàn)衛(wèi)星健康狀態(tài)的遙測(cè)參數(shù)，通常包括電壓、電流、溫度、壓力等，這些參數(shù)多數(shù)都被傳輸至地面用于地面觀測(cè)，而只有少量用于衛(wèi)星自主管理。需要更深入地挖掘現(xiàn)有遙測(cè)隱藏的信息，用于衛(wèi)星運(yùn)行和健康維護(hù)。未來(lái)的衛(wèi)星，還將裝載更多或更先進(jìn)的星上設(shè)備，包括智能化的設(shè)備，配有大量傳感器。軟件自主管理的范圍從平臺(tái)擴(kuò)展到載荷。這些作為新的變量應(yīng)都被融合到衛(wèi)星的管理中，用于完成更多目標(biāo)的任務(wù)。

(2)更高自主性：衛(wèi)星應(yīng)能適應(yīng)各個(gè)在軌生命階段的衛(wèi)星自主管理，在任何階段應(yīng)能在無(wú)地面干預(yù)情況下維持運(yùn)行幾年時(shí)間，包括應(yīng)能具備在軌自主位置保持的能力, 應(yīng)能夠自主預(yù)估衛(wèi)星的壽命，在壽命末期轉(zhuǎn)換工作模式如自主離軌等。

(3)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸：隨著衛(wèi)星任務(wù)需求數(shù)據(jù)量的增大(例如延遲遙測(cè)下傳、星間鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、星內(nèi)設(shè)備增加等新需求)，大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸成為必然?；赗OM和RAM存儲(chǔ)的方式由于體積、功耗、成本等已經(jīng)相對(duì)落后。基于Flash等高效可隨機(jī)存取的固態(tài)大容量存儲(chǔ)器已成熟，可滿足星上存儲(chǔ)。文件傳輸協(xié)議(CFDP)[2]，可由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)直接處理，可滿足大容量數(shù)據(jù)上傳、下載，空間網(wǎng)絡(luò)互傳，各空間組織(國(guó)家)交互操作，具備選擇性重發(fā)丟失和錯(cuò)誤部分，可自主/人工控制傳輸事件等特點(diǎn)，是優(yōu)選的協(xié)議。

(4)網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)化可滿足星內(nèi)、星地和星間的信息互聯(lián)交換、自主接入。網(wǎng)絡(luò)化既是衛(wèi)星功能需求上一個(gè)重要的拓展，也是設(shè)計(jì)理念上的拓展，衛(wèi)星也應(yīng)為迎接空間互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)而做好準(zhǔn)備。

(5)標(biāo)準(zhǔn)化：基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)本身也是標(biāo)準(zhǔn)化的一種體現(xiàn)。無(wú)論從結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、設(shè)備、接口、軟件開發(fā)、集成測(cè)試等都因標(biāo)準(zhǔn)化而有扎實(shí)的基礎(chǔ)、規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)可循。未來(lái)衛(wèi)星應(yīng)參考和兼容更多的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，才能做到網(wǎng)絡(luò)化，適應(yīng)更復(fù)雜的應(yīng)用需求，滿足互聯(lián)和兼容性，CCSDS擁有公認(rèn)的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)提升衛(wèi)星研制水平有很多有益的借鑒。

3 SOIS建議信息處理流程的啟示

目前，衛(wèi)星星內(nèi)設(shè)計(jì)構(gòu)建，尤其是姿軌控、綜合電子這些衛(wèi)星平臺(tái)信息處理分系統(tǒng)，都是基于設(shè)備的直接訪問(wèn)或總線訪問(wèn)，在軟件中協(xié)調(diào)調(diào)度，驅(qū)動(dòng)整星信息的流轉(zhuǎn)。這一塊的設(shè)計(jì)與衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備的研制狀態(tài)息息相關(guān)，軟件依據(jù)具體設(shè)備接口以及任務(wù)需求設(shè)計(jì)和編程，在一種平臺(tái)內(nèi)不同項(xiàng)目要一直進(jìn)行適應(yīng)性修改，不同平臺(tái)之間變化則較大。當(dāng)前的設(shè)計(jì)理念并不適應(yīng)設(shè)備的“即插即用”，也不適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化以及星間的協(xié)議互聯(lián)。在CCSDS相關(guān)協(xié)議[3]組中探尋到一些有利于信息流標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化的內(nèi)容，值得借鑒。

在CCSDS信息報(bào)告中，推薦了一種空間在軌接口業(yè)務(wù)通信架構(gòu)[3]，如圖1所示。圖1中對(duì)衛(wèi)星內(nèi)部信息的通信管理架構(gòu)進(jìn)行了分層定義，包括應(yīng)用層、應(yīng)用支持層、傳輸層、子網(wǎng)層。這個(gè)架構(gòu)可以兼容衛(wèi)星現(xiàn)有應(yīng)用業(yè)務(wù)、命令和數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)、包存儲(chǔ)和傳輸業(yè)務(wù)。另外還包括了文件業(yè)務(wù)、消息業(yè)務(wù)、枚舉設(shè)備業(yè)務(wù)(可自主增減設(shè)備)，更重要的是融入了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

在這個(gè)協(xié)議的配套協(xié)議中，針對(duì)指令和數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)，推薦了幾種實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)，有設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)[4]、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)[5]。從這些協(xié)議可以看到當(dāng)前衛(wèi)星信息流處理的影子，同樣是指令控制和信息采集請(qǐng)求，但是協(xié)議中建議的實(shí)踐已經(jīng)把具體設(shè)備抽象化，將設(shè)備物理訪問(wèn)映射到標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程控制，并設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的原語(yǔ)(如ACQUIRE_FROM_DEVICE.request、COMMAND_DEVICE.request)進(jìn)行訪問(wèn)。枚舉設(shè)備業(yè)務(wù)同樣采用標(biāo)準(zhǔn)化的device-add/remove等語(yǔ)法操作實(shí)時(shí)檢測(cè)、添加、刪除訪問(wèn)設(shè)備[6]。這樣的設(shè)計(jì)有利于多目標(biāo)多類型設(shè)備接入信息流，同時(shí)有利于軟件的模塊化設(shè)計(jì)、繼承和拓展，可以作為提升衛(wèi)星信息處理能力的出發(fā)點(diǎn)。

SOIS參考通信架構(gòu)不僅適用于單星星內(nèi)信息處理，而且適用于星地以及星間信息互聯(lián)，如圖2所示，子網(wǎng)層業(yè)務(wù)種類豐富，符合衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)。

注：CAN為控制器局域網(wǎng)。圖1 航天器在軌接口業(yè)務(wù)參考通信架構(gòu)Fig.1 SOIS reference communications architecture

圖2 基于網(wǎng)絡(luò)的可互換的文件/源包存儲(chǔ)訪問(wèn)機(jī)制Fig.2 Alternative file and packet store services architectures

應(yīng)用SOIS建議的信息處理架構(gòu)，需要軟件架構(gòu)具備業(yè)務(wù)分層處理的能力，具備設(shè)備訪問(wèn)和虛擬化以及子網(wǎng)通信的能力。與當(dāng)前衛(wèi)星常見的平臺(tái)軟件架構(gòu)(如圖3所示)比較，有幾個(gè)突出的區(qū)別，這些區(qū)別是促使衛(wèi)星平臺(tái)軟件架構(gòu)改進(jìn)的主要原因：

(1)需要多層業(yè)務(wù)處理，應(yīng)用支持層、傳輸層和子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，這些處理不再與應(yīng)用軟件集中于一層。在衛(wèi)星自主管理中需要的應(yīng)用支持信息、星地、星間和星內(nèi)互聯(lián)互通的功能已與應(yīng)用軟件區(qū)分開來(lái)，突出了信息處理的地位。

(2)在信息集中處理的應(yīng)用支持層，兼具多種業(yè)務(wù)形式，不僅有日漸成熟的包格式的遙測(cè)遙控，還有文件、消息業(yè)務(wù)等新的信息形式，可適應(yīng)大容量、長(zhǎng)延遲的信息傳輸需求。星載信息處理軟件可應(yīng)用CCSDS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議來(lái)適應(yīng)這些變化。

(3)傳輸層和子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層中，數(shù)據(jù)鏈路集中協(xié)議是一個(gè)突出的特點(diǎn)，需要軟件可配置和識(shí)別有線/無(wú)線總線通信協(xié)議。SOIS建議與目前的衛(wèi)星架構(gòu)不同，軟件架構(gòu)的外部接口，可以包括有線總線和無(wú)線總線兩種方式。由于有線傳輸?shù)目煽啃院芨撸芯€總線接口可用于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、程序存儲(chǔ)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等重要且大量的數(shù)據(jù)傳輸需要。其他星載設(shè)備、傳感器以及星間傳輸都可采用無(wú)線傳輸[7]。

注：FDIR為故障檢測(cè)、隔離與恢復(fù)。圖3 目前常用衛(wèi)星平臺(tái)軟件架構(gòu)Fig.3 Common software framework in satellite at present

4 星載軟件功能和架構(gòu)的初步設(shè)計(jì)

以第3節(jié)SOIS建議信息處理流程的啟示為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合未來(lái)衛(wèi)星信息處理的需求，提出以集中信息收集和處理為主要工作方式需求下的軟件應(yīng)具備的功能和架構(gòu)，例如衛(wèi)星平臺(tái)自主管理應(yīng)用。

4.1 當(dāng)前軟件功能和架構(gòu)概要

目前，衛(wèi)星平臺(tái)軟件包括主管衛(wèi)星各項(xiàng)任務(wù)的系統(tǒng)級(jí)軟件，以及一些單機(jī)軟件。這些單機(jī)軟件負(fù)責(zé)部分信息處理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。軟件架構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)級(jí)軟件把信息處理、應(yīng)用管理等功能在時(shí)序和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)上都融為一體，軟件復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，與外圍硬件狀態(tài)息息相關(guān)，不易擴(kuò)展。

4.2 一種新的軟件功能和架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照前文的內(nèi)容，提出一種衛(wèi)星軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示。這種設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下。

(1)分設(shè)應(yīng)用軟件和信息處理軟件，將應(yīng)用軟件和信息處理軟件功能和接口界面截然分開，使得應(yīng)用和信息流處理層次清晰。這與第2節(jié)提到的SOIS的衛(wèi)星自主管理中應(yīng)用支持信息、星地、星間和星內(nèi)互聯(lián)互通的功能應(yīng)與應(yīng)用軟件區(qū)分開來(lái)的啟示相呼應(yīng)，應(yīng)用軟件對(duì)應(yīng)SOIS的應(yīng)用層，信息處理軟件處理SOIS的應(yīng)用支持層、傳輸層及子網(wǎng)層。兩者之間可用軟件直接訪問(wèn)的大容量存儲(chǔ)設(shè)備相連，交互信息，可設(shè)置兩種存儲(chǔ)區(qū)域：一種是只允許應(yīng)用軟件寫，信息處理軟件讀；另一個(gè)區(qū)域是只允許應(yīng)用軟件讀，信息處理軟件寫，這樣可避免讀寫沖突。

(2)應(yīng)用軟件提供更加智能和自主的功能，以及更多傳感器處理、長(zhǎng)期自主運(yùn)行等。

(3)信息處理軟件，具備數(shù)據(jù)采集、指令發(fā)送等應(yīng)用支持層的功能，基于SOIS具備子網(wǎng)接入傳輸層協(xié)議，以及設(shè)備枚舉、子網(wǎng)同步、設(shè)備虛擬化和設(shè)備訪問(wèn)等子網(wǎng)業(yè)務(wù)。

(4)信息處理軟件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)議溝通多種設(shè)備，星地、星間、星內(nèi)設(shè)備(含存儲(chǔ)設(shè)備)。

(5)信息處理軟件，適應(yīng)有線和無(wú)線兩種總線接口，建議在星地、星間、星內(nèi)多數(shù)設(shè)備(來(lái)自平臺(tái)載荷的一些功能設(shè)備)以及傳感器設(shè)備都采用無(wú)線總線協(xié)議。對(duì)于存儲(chǔ)器訪問(wèn)，考慮到極高的可靠性要求，因此采用有線總線設(shè)備。

(6)將存儲(chǔ)器設(shè)備從計(jì)算機(jī)外圍分開，單獨(dú)設(shè)計(jì)訪問(wèn)，主要考慮到程序、數(shù)據(jù)量的增大以及維護(hù)便捷的需要。

(7)硬件設(shè)備的連接，除了必備的硬件電氣連接和遵守標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議外(例如MIL-STD1553B和SpaceWire通信協(xié)議)，更重要的是SOIS將設(shè)備進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化，從而適應(yīng)“即插即用”和遠(yuǎn)程訪問(wèn)的需求。SOIS建議了一種比較復(fù)雜但也很全面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]，即將航天器設(shè)備分類，各自應(yīng)用SOIS協(xié)議處理成統(tǒng)一接口，再通過(guò)總線與核心處理單元連接。實(shí)際應(yīng)用中，這里建議將有線鏈路選擇一種接口，無(wú)線鏈路選擇一種接口(例如UWB接口[8])，這樣在核心處理單元所處計(jì)算機(jī)外設(shè)中即可連接，簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 一種基于SOIS的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 A software framework design based on SOIS

4.3 軟件架構(gòu)的比較

基于SOIS軟件架構(gòu)和當(dāng)前軟件架構(gòu)比較見表1。由表1可見，新架構(gòu)接口統(tǒng)一，無(wú)線總線的應(yīng)用可適應(yīng)未來(lái)信息處理多目標(biāo)多變量的發(fā)展需求。信息處理軟件可支持大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。傳輸層和子網(wǎng)層SOIS建議的應(yīng)用可滿足未來(lái)信息處理標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的需求。在信息處理軟件的支持下，應(yīng)用軟件可獲取更豐富的信息，提升衛(wèi)星自主管理能力和在軌操作能力。

表1 軟件架構(gòu)的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

CCSDS的SOIS建議書發(fā)布不久，相關(guān)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的建議正處于研究階段。本文基于CCSDS的SOIS建議中的信息流程建議，探索衛(wèi)星未來(lái)軟件架構(gòu)，設(shè)計(jì)新的軟件架構(gòu)以及外圍總線接口，可更好利用SOIS的建議，適應(yīng)未來(lái)衛(wèi)星信息處理的需要。該方向的深入研究應(yīng)考慮星內(nèi)總線協(xié)議，星間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施，軟件分層協(xié)議虛擬映射設(shè)計(jì)，信息傳輸容量比較評(píng)估，軟件容錯(cuò)機(jī)制以及軟件實(shí)現(xiàn)。

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(編輯：李多)

Exploration for On-board Platform Software Framework Design Based on SOIS

WANG Jun WANG Zhijie LE Lang

(Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

To meet the need for development of information processing in satellite, explore the new on-board platform software framework is explored. SOIS in CCSDS is referenced. The illumination of separation of application software and information processing software are obtained, integrating with the choice of wired and wireless bus around software, then the software functions and framework are provided. The framework offers the united interfaces to meet the need of multiple objects, the information processing software supports large-scale data storage and transportation to make the application software get more information and enhance the autonomous and on-board operation ability.

information processing in satellite；SOIS；software framework design

2016-10-31；

2017-02-03

王君，女，博士，高級(jí)工程師，從事航天器總體設(shè)計(jì)工作。Email:bitwj@163.com。

TP274

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.013