關(guān) 寧，雙小川，彭 娜，胡 浩，田文波

（1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海航天智能計算技術(shù)重點實驗室，上海 201109）

0 引言

在軌任務(wù)規(guī)劃是未來航天器智能化的發(fā)展方向。實現(xiàn)在軌任務(wù)規(guī)劃是一項涉及多個領(lǐng)域知識的復(fù)雜軟件工程問題，需要將恒星、行星、矮行星、小行星、航天器自身，以及其他天體的星歷、航天器姿態(tài)和各部分相對位置關(guān)系、各種儀器的工作特征和指向、地面目標、地形、地貌及其他輔助信息、各類規(guī)劃、優(yōu)化算法集成在統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)中。從地面上開發(fā)同等規(guī)模的跨領(lǐng)域信息系統(tǒng)的經(jīng)驗來看，采用先進的開發(fā)方法，即使用動態(tài)語言集成和使用開源庫是實現(xiàn)靈活、多樣在軌任務(wù)規(guī)劃的必由之路。

顧名思義，開源庫是可以在公開途徑獲得源代碼的軟件函數(shù)庫，一般由開發(fā)者社區(qū)進行設(shè)計、開發(fā)和維護，其用戶既包括相關(guān)領(lǐng)域的研究和開發(fā)人員廣泛使用的開源應(yīng)用軟件，也包括閉源商用軟件。開源庫一般由最熟悉該領(lǐng)域的開發(fā)人員完成，并通過社區(qū)得到大量應(yīng)用反饋和測試，因此在完成特定領(lǐng)域功能時，成熟的開源庫質(zhì)量往往比同類閉源商用軟件高。但使用開源庫往往需要具備較強的軟件開發(fā)能力，同時要有較為完善的運行平臺。

在桌面環(huán)境下工作的進行任務(wù)規(guī)劃算法設(shè)計的開發(fā)者，往往首先使用Matlab、Python 這樣的動態(tài)語言進行流程開發(fā)。只要各種運行平臺上都提供了核心算法庫（中間件），則使用動態(tài)語言開發(fā)的在軌任務(wù)規(guī)劃算法可以無視底層運行平臺的差異，在桌面環(huán)境和嵌入式環(huán)境中無縫移植。作為星載計算機系統(tǒng)的研制者，首先需要將核心算法庫凝練成中間件，提供給算法開發(fā)者。

目前，星載計算機的高性能抗輻射處理器性能已經(jīng)達到了200 MHz 以上，如果使用經(jīng)過地面篩選的工業(yè)級處理器，可以進一步將主頻提升到1 GHz。以這樣的處理性能，結(jié)合較大容量的內(nèi)存（32 MB及以上）和外存（1 GB 以上），已經(jīng)可以運行提供POSIX 接口和完整文件系統(tǒng)的大型嵌入式操作系統(tǒng)，許多開源庫都可以不經(jīng)修改或僅修改接口代碼就在星載計算機上運行。

本文基于在軌任務(wù)規(guī)劃的開發(fā)需求，提出了使用動態(tài)語言和大型嵌入式操作系統(tǒng)進行在軌任務(wù)規(guī)劃的開發(fā)方法，調(diào)研并移植了適用于在軌任務(wù)規(guī)劃的開源庫，形成了可復(fù)用的中間件，對典型功能進行了測試。

1 自主任務(wù)規(guī)劃的典型應(yīng)用場景

目前，對任務(wù)規(guī)劃的研究大多以地面離線規(guī)劃為主。比如針對對地觀測衛(wèi)星，可在地面采用較為復(fù)雜的智能算法對多個對地觀測目標、多個衛(wèi)星和地面站資源進行聯(lián)合調(diào)度［1-5］；也可針對深空探測任務(wù)［6-7］，用于在軌服務(wù)或攔截的交會對接任務(wù)［8］，或中繼衛(wèi)星的通信調(diào)度［9］。在軌運行的自主任務(wù)規(guī)劃［10］剛剛起步，主要應(yīng)用于觀測目標由本星其他載荷產(chǎn)生或由其他衛(wèi)星產(chǎn)生的場景［11］，或受到外部條件影響對地面規(guī)劃的任務(wù)進行局部修正［12-13］。

從體系化應(yīng)用看，衛(wèi)星的自主任務(wù)規(guī)劃是資源管理（Resource Management）的一部分，是一個與數(shù)據(jù)融合（Data Fusion）對偶的概念。數(shù)據(jù)融合模型最早由美國Joint Directors of Laboratories（JDL）、Data Fusion Group 在1985 年提出，并經(jīng)過了幾次修正，公開報道的最新一版（2004 年）如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)融合的JDL 模型（2004 版）［14］Fig.1 JDL model of data fusion（2004 edition）［14］

數(shù)據(jù)融合模型較好地解決了多種傳感器和情報來源如何服務(wù)于指揮控制的總目標，但在對傳感器的資源管理未能細化。相關(guān)從業(yè)人員在實踐中發(fā)現(xiàn)，資源管理與數(shù)據(jù)融合具有很強的對偶性，其主要功能的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 數(shù)據(jù)融合與資源管理的分級與對應(yīng)關(guān)系［14］Tab.1 Hierarchy and correspondence of data fusion and resource management［14］

在衛(wèi)星領(lǐng)域，由于天地交互帶寬窄、延時大，星上處理能力有限，只有較低層級的數(shù)據(jù)融合任務(wù)在星上運行。而資源管理任務(wù)對處理能力的需求較低，因此，已經(jīng)較多地出現(xiàn)在星上，其典型場景舉例如下：

1）0 級資源管理。相控陣天線或合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）波位角的計算，給定波束指向，需要計算相控陣每個單元的相位延時參數(shù)，各個波位疊加實現(xiàn)指定方向的指向。

2）1 級資源管理。給定待成像目標坐標，計算SAR 雷達正側(cè)視的開機、關(guān)機時間，或者控制光學載荷轉(zhuǎn)向成像目標。

3）2 級資源管理。在衛(wèi)星組網(wǎng)應(yīng)用中，同時控制多個天線維持星間或星地鏈路。

4）3 級資源管理?；谀繕撕瘮?shù)和多種約束條件，綜合選擇和規(guī)劃多個對地觀測任務(wù)。

在這些應(yīng)用場景中，0 級資源管理往往涉及特定載荷的特性，所能用到的開源庫主要是基礎(chǔ)數(shù)學庫，一般由特定平臺提供，本文暫不涉及，感興趣的讀者可以閱讀文獻［15］或其他相關(guān)著作。1、2、3 級的資源管理涉及的開源庫包括航天器的任務(wù)規(guī)劃庫，用于地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫，進行地圖投影和坐標轉(zhuǎn)換的庫，計算點、線、面幾何拓撲關(guān)系的庫，以及優(yōu)化目標函數(shù)的線性規(guī)劃庫。以下內(nèi)容將對這幾類庫做出詳細介紹。

2 自主任務(wù)規(guī)劃的新型開發(fā)模式

傳統(tǒng)星上軟件以數(shù)管軟件和姿控軟件為代表，兩者都需要與星上環(huán)境相同的目標機和模擬星上連接關(guān)系的地測設(shè)備才能開發(fā)。而自主任務(wù)規(guī)劃軟件涉及更多的算法和業(yè)務(wù)流程，更適合在有操作系統(tǒng)的高性能星載計算機上運行，對應(yīng)的開發(fā)模式也可以發(fā)生變化，這種新型開發(fā)模式如圖2 所示。

圖2 基于動態(tài)語言和嵌入式操作系統(tǒng)的新型開發(fā)模式Fig.2 New development models based on dynamic languages and embedded operating systems

變化可大致分為3 步：

1）這類需要調(diào)用較多算法庫的軟件可以用如Python 或Matlab 之類的動態(tài)語言進行開發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)者可以利用高級語言中豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，調(diào)用各種算法庫，完成業(yè)務(wù)邏輯的梳理與初步實現(xiàn)，并搭建與高級語言實現(xiàn)對應(yīng)的仿真測試系統(tǒng)。軟件和測試系統(tǒng)可以運行在PC 機和任意操作系統(tǒng)上，Windows、Linux 均可。

2）開發(fā)者可以將高級語言實現(xiàn)轉(zhuǎn)換到C/C++語言實現(xiàn)，或采用嵌入式動態(tài)語言（如Lua）進行流程調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，并在性能關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理功能上用C 實現(xiàn)。如果應(yīng)用需要多線程、文件系統(tǒng)、驅(qū)動程序或通信協(xié)議棧的支持，應(yīng)使用Linux 操作系統(tǒng)和POSIX API 進行開發(fā)，這時應(yīng)用仍運行在PC 機上，但已經(jīng)可以遷移到高性能嵌入式平臺上。

3）將用C/C++或嵌入式動態(tài)語言實現(xiàn)的應(yīng)用程序移植到目標機上，如果目標機上的操作系統(tǒng)也提供業(yè)務(wù)程序用到的算法庫，這時只需要解決目標機和PC 機、目標機和其他設(shè)備的接口方面的差異，并處理一些只有在目標機上才能發(fā)生的異常情況即可。應(yīng)用程序的實現(xiàn)邏輯已經(jīng)經(jīng)過高級語言和嵌入式語言兩級實現(xiàn)的梳理，并經(jīng)過與仿真測試系統(tǒng)的對接，基本不用在目標機上調(diào)試業(yè)務(wù)邏輯。

風云翼輝操作系統(tǒng)（AIC-OS）是由上海航天電子技術(shù)研究所基于SylixOS 開發(fā)的大型嵌入式實時操作系統(tǒng)（如圖3 所示），具有全自主、強實時、高可靠、高性能等特點，主要面向宇航領(lǐng)域的應(yīng)用需求，重點支持各種高性能星載計算機和信息處理平臺。AIC-OS 對于POSIX 操作系統(tǒng)接口的支持非常完善，因此，移植各類開源軟件非常方便，可以大幅降低人力成本和開發(fā)成本，縮短軟件和最終產(chǎn)品的研制周期。

圖3 AIC-OS 的主要組成部分Fig.3 Main components of AIC-OS

雖然目前高性能星載計算機的運算能力和存貯資源已經(jīng)逐漸接近地面計算機系統(tǒng)，但在選擇動態(tài)語言引擎時我們?nèi)詢A向于選擇面向嵌入式環(huán)境設(shè)計的動態(tài)語言。目前，從語言特性、資源開銷、生態(tài)環(huán)境等角度看，Lua 仍然是面向嵌入式動態(tài)語言引擎的首選，其他選項如Python、JavaScript 或其他小眾語言都有或多或少的不足。Lua 由標準C 編寫而成，幾乎在所有操作系統(tǒng)和平臺上都可以編譯和運行。Lua 有意避免提供龐大的運行時庫，這樣應(yīng)用程序可以用C/C++針對特定場景提供算法支持。完全功能的Lua 引擎編譯后只有200 KiB，非常適合在嵌入式環(huán)境中使用。

除了人工編碼之外，動態(tài)語言和C/C++算法庫之間的接口代碼可以由簡化的封裝和接口生成程 序（Simplified Wrapper and Interface Generator，SWIG）自動生成。SWIG 可以自動掃描C/C++頭文件中結(jié)構(gòu)體、函數(shù)、類的聲明，并面向動態(tài)語言如Python、Lua 等生成接口代碼。當需要面向多種語言生成接口代碼時，開發(fā)者只需要向SWIG 提供一份接口描述文件即可。

綜上所述，在支持以在軌任務(wù)規(guī)劃為代表的智能航天器軟件時，需要使用更加復(fù)雜的基礎(chǔ)軟件支持算法和業(yè)務(wù)流程的開發(fā)，并且可以支持同一套應(yīng)用軟件在不同開發(fā)平臺上運行，避免了針對嵌入式平臺重新開發(fā)應(yīng)用軟件或大規(guī)模調(diào)整接口。這一開發(fā)方式已經(jīng)在微納衛(wèi)星和新型航天企業(yè)的實踐中得到驗證，如Linux 在航天軟件中的使用［16］，并用于智能算法的開發(fā)［17］。

3 適用于自主任務(wù)規(guī)劃的開源庫

3.1 任務(wù)規(guī)劃庫：CSPICE

NASA SPICE 是美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）下屬導航與附屬信息研究室（Navigation and Ancillary Information Facility，NAIF）提供的程序集［18］，主要用于處理NASA 提供的星歷文件、各種深空探測器的位置、速度、姿態(tài)，以及科學儀器的安裝位置等信息，其名稱是Spacecraft、Planet、Instrument、Cameramatrix 和Events 的首字母縮寫。NASA SPICE面向的是規(guī)劃深空探測器科學實驗任務(wù)和載荷數(shù)據(jù)處理的科學工作者，但其中提供了較為完善的軌道、姿態(tài)以及儀器和成像目標相對位置關(guān)系的處理功能，也可用于人造地球衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃，如圖4 所示。SPICE 軟件原最早用Fortran 77 寫成，后來用f2c 軟件轉(zhuǎn)成了C 版本，NASA NAIF 用CSPICE 的名稱維護C 版本，并提供Matlab 版本。隨著Python 的流行，SPICE 軟件也提供Python 綁定Spiceypy。

圖4 SPICE 任務(wù)規(guī)劃庫的主要功能Fig.4 Main functions of the SPICE task planning library

3.2 空間數(shù)據(jù)庫：Spatialite

空間數(shù)據(jù)庫（Spatial Database）是用于存儲、處理和分析幾何圖形和圖形圖像的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在地面應(yīng)用中，空間數(shù)據(jù)庫主要用于處理遙感數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。在任務(wù)規(guī)劃應(yīng)用中，運行在星載計算機上的空間數(shù)據(jù)可以儲存目標信息、數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DTM）以及遙感數(shù)據(jù)［19-20］。

使用空間數(shù)據(jù)庫儲存的信息主要是為了后續(xù)多次查找和再利用?？臻g數(shù)據(jù)庫針對二維（x，y）或三維（x，y，z）位置信息提供了R-Tree 索引功能，如圖5 所示。對于位置信息，R-Tree 索引將位置信息檢索的計算復(fù)雜度從O（N）降低到O（logN）。當任務(wù)規(guī)劃應(yīng)用需要從大量待觀測目標或DTM 數(shù)據(jù)中查找滿足一定幾何關(guān)系的點時，帶有R-Tree 索引的空間數(shù)據(jù)庫可以更快地提供備選項。之后可以再使用SPICE 或其他任務(wù)規(guī)劃庫計算具體成像時間點。

圖5 用于空間信息檢索的R-Tree 索引算法［21］Fig.5 R-Tree index algorithm for spatial information retrieval［21］

3.3 地圖投影和坐標轉(zhuǎn)換：PROJ

眾所周知，地球是一個兩極稍扁、赤道略鼓的橢球，大地坐標系（經(jīng)緯度）依照地球橢球模型定義。而世界各國在進行本國的大地測量時，所使用的橢球模型各不相同，使用錯誤的橢球模型會造成測量數(shù)據(jù)和實際位置產(chǎn)生誤差。在計算測地線Geodetic問題，即計算地球上兩點之間的距離時，也需要考慮用橢球模型和托球面上的距離公式來計算［22］。

目前，公認用于計算地圖投影的開源軟件是PROJ，該軟件早在1983 年就開始開發(fā)，使用如圖6所示投影，到20 世紀90 年代，第4 版軟件PROJ.4 就已經(jīng)相當成熟，得到了廣泛的使用。目前，該軟件開始用C++等現(xiàn)代軟件開發(fā)方法升級，目前的最新版本是7.1.1。因此，如果需要使用成熟版本，或者嵌入式環(huán)境的編譯器對C++的支持比較差，可以使用純C 的PROJ.4。反之，如果操作系統(tǒng)和C++語言支持較好，也可以使用最新版本。

圖6 UTM（通用墨卡托投影）地圖［23］Fig.6 UTM（universal Mercato projection）map［23］

3.4 幾何拓撲關(guān)系：geos

geos 都是處理幾何圖形拓撲關(guān)系的開源庫，實現(xiàn)的是ISO/IEC 13249-3 SQL/MM 中規(guī)定的各種幾何關(guān)系。該標準中定義了幾何圖形與幾何圖形的空間操作：

空間操作：相等（ST_Equals）、斷開（ST_Disjoint）、接觸（ST_Touches）、包含（ST_Within）等。

幾何圖形：點（ST_Point）、線（ST_Curve）、面（ST_Surfice）和集合類型（ST_GeomCollection）等，如圖7 所示。

圖7 空間數(shù)據(jù)中規(guī)定的幾何圖形Fig.7 Geometry specified in spatial data

3.5 線性規(guī)劃：GLPK

GNU 線性規(guī)劃庫（GNU Linear Programming Kit，GLPK）是一款成熟的開源庫，支持線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃以及其他相關(guān)問題的建模和求解。在求解方法上，GLPK 支持單純形法（Simplex Method）、內(nèi)點法（Interior-point Method）和分支定界法（Branch-and-cut Method）。在編程語言上，GLPK 使用C 語言編寫，提供了可以嵌入其他程序的編程接口。GLPK 還支持面向規(guī)劃問題的建模語言MathProg，可以直接以聲明的形式描述線性規(guī)劃問題，在需要改變策略時降低了在軌編程的開銷。

4 動態(tài)語言和中間件移植

4.1 運行平臺簡介

本文選取了4 種典型星載計算機或者數(shù)據(jù)處理器測試開源庫的運行，其中，BM3823 和FT6672V都是200 MHz 主頻的抗輻射處理器，而P1022 和C6678 都是1 GHz 主頻的高性能工業(yè)級處理器，具體參數(shù)見表2。

表2 移植開源庫的平臺Tab.2 Platform for porting open source libraries

4.2 移植測試情況

作為一種嵌入式軟件，自主任務(wù)規(guī)劃軟件一般是獨立軟件產(chǎn)品，所有代碼都屬于單個應(yīng)用程序，因此，本文作者以靜態(tài)鏈接庫的形式對幾種自主任務(wù)規(guī)劃軟件中可能用到的開源庫進行了編譯，并將編譯結(jié)果（目標文件）打包成靜態(tài)鏈接庫。AIC-OS對動態(tài)鏈接庫的支持也很完善，當有多個應(yīng)用都需要這些庫時，也可以按照動態(tài)鏈接庫的形式編譯，并由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

目 前，AIC-OS 使用基于Eclipse 開發(fā)環(huán)境，并基于工程文件生成Android 風格的Makefile 完成應(yīng)用程序編譯。而開源庫一般使用GNU autotools 進行編譯，目前尚不支持AIC-OS。因此本文選用了使用python 腳本生成Makefile 的方案，其主要流程包括：1）基于命令行輸入工具鏈參數(shù)設(shè)置編譯選項；2）調(diào)用gcc 生成依賴關(guān)系；3）使用Jinja2 模板生成Makefile；4）調(diào) 用make 編譯庫。

完成交叉編譯后，將生成目標平臺的靜態(tài)庫加入AIC-OS 的APP 工程，編寫測試程序?qū)斓墓δ苓M行測試。移植和測試結(jié)果見表3。

表3 移植和測試結(jié)果Tab.3 Results of porting and testing

在表3 中，Sqlite 為微型嵌入式數(shù)據(jù)庫，Spatialite 就是在Sqlite 基礎(chǔ)上開發(fā)的，Proj 在存儲不同坐標系的信息時也使用Sqlite，因此獨立計算。

5 結(jié)束語

在高性能星載計算機和大型嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，先進的在軌任務(wù)規(guī)劃軟件已經(jīng)可以使用動態(tài)語言和開源庫進行系統(tǒng)設(shè)計和迭代實現(xiàn)。這種開發(fā)方法是快速實現(xiàn)在軌任務(wù)規(guī)劃和航天器智能化的必由之路。本文調(diào)研并移植的任務(wù)規(guī)劃庫、空間數(shù)據(jù)庫等中間件，已經(jīng)可以在星載計算機上運行，可支持后續(xù)在軌任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。希望本文的工作能給從業(yè)者帶來啟發(fā)，也歡迎與本文作者洽談合作。