桂嚴(yán) 趙慧 伏玉明 陳瑞

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所 上海市 201808 2.蘭州工業(yè)學(xué)院 甘肅省蘭州市 730050）

隨著我國航天技術(shù)的不斷發(fā)展以及對航天產(chǎn)品的需求不斷增加，衛(wèi)星系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對衛(wèi)星地面測試的要求也更苛刻，測試需求日趨多樣化和復(fù)雜化。衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)（簡稱“地測系統(tǒng)”）能實現(xiàn)實時操控、實時數(shù)據(jù)整理、計算機(jī)通訊、事后分析等多種功能，主要用來測試接口與儀器、衛(wèi)星功能的檢測與預(yù)期性能完備程度的匹配等功能，從而對系統(tǒng)軟硬件的可靠性和兼容性進(jìn)行判斷。傳統(tǒng)的地測系統(tǒng)一般是由研制總體單位根據(jù)本單位地測設(shè)備的測試任務(wù)和測試特點定制開發(fā)，并沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，不同廠商和不同型號設(shè)備的接口和通信協(xié)議差別較大，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)通用性不強(qiáng)，且開發(fā)成本較高。因此，構(gòu)建自動化程度高、通用性和擴(kuò)展性強(qiáng)、集中監(jiān)控管理的衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)是非常必要的。

地測系統(tǒng)通過地測服務(wù)器對綜測前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理，響應(yīng)終端電腦發(fā)送的測試指令，其工作流程如圖1 所示。用戶通過人機(jī)交互界面進(jìn)行配置，將指令信息按照指定的報文格式進(jìn)行封裝，通過地測前端將遙控指令發(fā)送給搭載綜合電子單機(jī)。搭載綜合電子單機(jī)通過地測前端將遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到地測服務(wù)器，地測系統(tǒng)按相應(yīng)的報文格式進(jìn)行解析、處理、存儲和顯示。

圖1： 地測系統(tǒng)工作流程

本文從地測系統(tǒng)的通用性需求分析出發(fā)，提出了支持動態(tài)配置的技術(shù)途徑，并圍繞需求設(shè)計一種通信接口動態(tài)配置、軟件協(xié)議動態(tài)更新和算法動態(tài)自定義的技術(shù)架構(gòu)，用戶通過修改配置文件，使得地測系統(tǒng)兼容不同型號的地測設(shè)備，為地測系統(tǒng)的遙控注數(shù)、遙測解析、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢等功能提供支撐。

1 系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)地測系統(tǒng)僅針對單一型號地測設(shè)備進(jìn)行定制化設(shè)計，底層通信接口和軟件協(xié)議是固定不變的，協(xié)議中字段采用的算法也不能改變，因此無法對不同地測設(shè)備做到通用。為了摒棄傳統(tǒng)地測系統(tǒng)存在的缺陷，本文設(shè)計的地測系統(tǒng)盡可能采用配置的方式，實現(xiàn)遙控注數(shù)、遙測接收解析、數(shù)傳數(shù)據(jù)接收解析等功能，且使地測系統(tǒng)兼容不同通信接口和不同軟件協(xié)議的地測設(shè)備。地測系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

1.1 支持遙控注數(shù)功能

地測系統(tǒng)根據(jù)遙控協(xié)議，計算校驗和、包長、幀CRC、幀長等信息，生成完整的遙控幀，通過底層通信接口向綜合電子單機(jī)上注。

1.2 支持遙測接收、解析功能

地測系統(tǒng)通過底層通信接口接收綜合電子單機(jī)輸出的遙測數(shù)據(jù)，根據(jù)遙測協(xié)議解幀和拼包，將完整的包數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與存儲，且支持導(dǎo)出及查詢功能。

1.3 支持?jǐn)?shù)傳數(shù)據(jù)接收、解析功能

數(shù)傳數(shù)據(jù)作為遙測數(shù)據(jù)的一種特例，它的每一幀就是一包完整的數(shù)據(jù)，不需要按包內(nèi)容解析，只需識別包頭進(jìn)行統(tǒng)計、存儲與查詢。

1.4 支持遙控協(xié)議和遙測協(xié)議動態(tài)更新

將遙控協(xié)議和遙測協(xié)議分別定義成表格文件，用戶通過新增、修改、刪除表格中的記錄來更新協(xié)議內(nèi)容，地測系統(tǒng)導(dǎo)入?yún)f(xié)議的Excel 文件，獲取遙控協(xié)議和遙測協(xié)議的幀格式，從而動態(tài)更新系統(tǒng)的軟件協(xié)議。

1.5 支持遙測字段處理算法用戶自定義

遙測數(shù)據(jù)解析后的字段源碼需要進(jìn)行一些算法處理，用戶可以自行設(shè)置采用某種算法，地測系統(tǒng)解析遙測數(shù)據(jù)后，自動識別用戶的自定義算法，對字段采用相應(yīng)算法進(jìn)行計算并顯示。

1.6 支持基于角色的遙控指令限制和遙測字段限制

針對遙控指令集合，一個角色擁有其中一部分遙控指令的權(quán)限，系統(tǒng)只開放當(dāng)前角色擁有權(quán)限的遙控注數(shù)功能；同樣，針對遙測幀，一個角色擁有其中一部分字段的查看權(quán)限，系統(tǒng)只開放當(dāng)前角色擁有權(quán)限的遙測字段顯示功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計采用一種可擴(kuò)展、可配置、可裁剪、開放式的系統(tǒng)性解決方案，整個搭載綜合電子單機(jī)地測系統(tǒng)均采用動態(tài)可配置的設(shè)計，包括底層通信接口可配置、軟件協(xié)議可配置、算法可配置、用戶權(quán)限可配置、存儲路徑可配置等，通過配置文件進(jìn)行統(tǒng)一管理。在保證功能性和實用性的同時，考慮到傳統(tǒng)文本存取存在讀取繁瑣、可靠性低、完整性差等問題，本系統(tǒng)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖2 所示。

圖2： 地測系統(tǒng)體系架構(gòu)

配置文件提供用戶對地測系統(tǒng)中涉及的協(xié)議、接口、權(quán)限等做出一些規(guī)定和約束，包括數(shù)據(jù)庫配置、通信接口配置、存儲路徑配置、遙控表配置和遙測表配置。其中數(shù)據(jù)庫配置文件用來設(shè)置數(shù)據(jù)庫的IP、用戶名和密碼，以便地測系統(tǒng)能夠正確訪問數(shù)據(jù)庫；通信接口配置文件使用戶能夠根據(jù)當(dāng)前地測設(shè)備的底層接口配置情況，靈活選擇特定接口進(jìn)行遙控注數(shù)和遙測接收，并對接口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；存儲路徑配置文件用來設(shè)置遙控注數(shù)信息、遙測數(shù)據(jù)和數(shù)傳數(shù)據(jù)的存儲位置；遙控協(xié)議配置文件用來定義遙控指令格式和控制權(quán)限；遙測協(xié)議配置文件用來定義遙測幀和遙測包格式，并對不同角色訪問字段進(jìn)行限制。地測系統(tǒng)無需修改程序源碼，通過配置文件即可實現(xiàn)兼容不同型號的地測設(shè)備。

通過設(shè)計數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)和表關(guān)系，將地測系統(tǒng)運行過程中所產(chǎn)生和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，記錄到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行維護(hù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和擴(kuò)充，包括日志表、登錄表、角色表、用戶表、遙控表、遙測表、遙測詳細(xì)表等。其中，日志表記錄遙控指令、遙測數(shù)據(jù)和數(shù)傳數(shù)據(jù)的歷史相關(guān)信息；登錄表記錄上一次系統(tǒng)登錄的用戶名、密碼以及是否保存密碼的信息；角色表記錄遙控協(xié)議和遙測協(xié)議中規(guī)定的遙控角色和遙測角色的相關(guān)信息；用戶表記錄地測系統(tǒng)中所有用戶的信息，包含用戶名、密碼、遙控角色、遙測角色和描述信息；遙控表記錄所有遙控指令格式和控制權(quán)限的信息；遙測表記錄所有遙測源包的信息；遙測詳細(xì)表是一系列遙測包協(xié)議表的集合，每一種遙測包對應(yīng)一個遙測包協(xié)議表，記錄遙測包格式和字段訪問權(quán)限的詳細(xì)信息。

地測系統(tǒng)主要分為遙控注數(shù)、遙測解析、數(shù)傳數(shù)據(jù)、協(xié)議管理、用戶管理和日志管理六大功能模塊，通過讀取配置文件實現(xiàn)通信接口、算法、協(xié)議的動態(tài)配置，利用數(shù)據(jù)庫與各功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其中，遙控注數(shù)模塊實現(xiàn)遙控K指令組包、遙控D 指令組包和指令信息存儲的功能，按照遙控包格式對指令進(jìn)行封裝，通過指定的接口發(fā)送出去；遙測解析模塊監(jiān)聽指定的通信接口，對收到的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照遙測包格式進(jìn)行遙測包的拼接，將完整的遙測包存儲到數(shù)據(jù)庫中；數(shù)傳數(shù)據(jù)模塊根據(jù)幀頭統(tǒng)計數(shù)傳數(shù)據(jù)的個數(shù)，并將數(shù)傳數(shù)據(jù)源碼保存到數(shù)據(jù)庫中，提供按時間段檢索的功能；協(xié)議管理模塊實現(xiàn)遙控協(xié)議和遙測協(xié)議的更新，用戶通過選擇協(xié)議的Excel 文件，手動更新數(shù)據(jù)庫中的軟件協(xié)議；用戶管理模塊提供新增用戶、編輯用戶、刪除用戶和檢索用戶的功能，對地測系統(tǒng)中的所有用戶進(jìn)行管理；日志管理模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，提供日志檢索功能，并支持歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

3 功能設(shè)計與實現(xiàn)

搭載綜合電子單機(jī)地測系統(tǒng)基于C/S 架構(gòu)設(shè)計，采用Qt 作為開發(fā)工具，運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、多線程技術(shù)等，實現(xiàn)遙控注數(shù)、遙測解析、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢等功能，且提供協(xié)議動態(tài)配置、算法動態(tài)配置和通信接口動態(tài)配置，解決了不同類型地測設(shè)備的兼容性問題。從模塊設(shè)計角度出發(fā)，地測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計、配置文件結(jié)構(gòu)設(shè)計、遙控注數(shù)設(shè)計、遙測解析設(shè)計、數(shù)傳數(shù)據(jù)設(shè)計、協(xié)議管理設(shè)計、用戶管理設(shè)計和日志管理設(shè)計，如圖3 所示。

圖3： 地測系統(tǒng)模塊組成

3.1 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

地測系統(tǒng)使用多張數(shù)據(jù)庫表存儲交互數(shù)據(jù)信息和歷史數(shù)據(jù)記錄。登錄表結(jié)構(gòu)采用用戶名、密碼和是否保存密碼三個字段進(jìn)行設(shè)計，記錄上一次用戶登錄信息，當(dāng)用戶登錄成功后，及時更新登錄表中的內(nèi)容。角色表結(jié)構(gòu)采用遙控協(xié)議和遙測協(xié)議中的角色名稱、數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的角色名稱和角色類型三個字段進(jìn)行設(shè)計，為系統(tǒng)按角色檢索數(shù)據(jù)提供依據(jù)。用戶表結(jié)構(gòu)采用用戶名、密碼、遙控角色、遙測角色和描述信息五個字段進(jìn)行設(shè)計，存儲地測系統(tǒng)中所有用戶的信息，為系統(tǒng)的用戶管理提供支撐。遙控表結(jié)構(gòu)根據(jù)遙控協(xié)議的表頭信息動態(tài)生成字段進(jìn)行設(shè)計，在遙控協(xié)議發(fā)生變化時同步更新遙控表。遙測表結(jié)構(gòu)根據(jù)遙測協(xié)議文件中的“源包信息表”動態(tài)生成字段進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)遙測幀中的標(biāo)識符檢索出遙測包名稱，從而提供遙測詳細(xì)表的名稱。遙測詳細(xì)表結(jié)構(gòu)是根據(jù)每個遙測協(xié)議詳細(xì)表的表頭動態(tài)生成字段進(jìn)行設(shè)計，為遙測數(shù)據(jù)解析提供依據(jù)。日志表結(jié)構(gòu)采用遙測或遙控名稱、時間、通信接口、數(shù)據(jù)類型、指令碼或標(biāo)識符、數(shù)據(jù)存儲位置六個字段進(jìn)行設(shè)計，存儲歷史遙控指令和遙測數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

3.2 配置文件結(jié)構(gòu)

為了兼容不同地測設(shè)備的通信接口和軟件協(xié)議，地測系統(tǒng)采用配置文件實現(xiàn)系統(tǒng)的通用性。數(shù)據(jù)庫配置文件包含數(shù)據(jù)庫的IP、用戶名和密碼，采用文本格式進(jìn)行設(shè)計，各信息之間使用英文逗號進(jìn)行分隔。通信接口具有多種類型，比如同步串口、異步串口、LVDS 接口、SPACEWIRE 接口等，采用通信接口配置文件設(shè)置遙控注數(shù)和遙測接收的通信接口，由于接口參數(shù)較為復(fù)雜，普通文本文件不易解析，因此通信接口配置采用xml 文件進(jìn)行設(shè)計。存儲路徑配置文件包含遙控包存儲路徑、遙測包存儲路徑和數(shù)傳數(shù)據(jù)包存儲路徑的設(shè)置，采用文本格式進(jìn)行設(shè)計，每一行字符串代表一個路徑。遙控協(xié)議和遙測協(xié)議具有固定的幀格式結(jié)構(gòu)，只是每個字段的取值不同，從而生成不同類型的遙控指令和遙測信息，本系統(tǒng)采用Excel 表格保存遙控協(xié)議和遙測數(shù)據(jù)的字段信息，表頭定義軟件協(xié)議的所有字段，表格中的每一條記錄代表了每一種遙控指令或遙測信息的協(xié)議。

3.3 遙控注數(shù)

遙控注數(shù)通過人機(jī)交互界面提供用戶選擇遙控指令，分為遙控K 指令和遙控D 指令。界面設(shè)計采用單選框選擇通信接口，根據(jù)用戶權(quán)限檢索當(dāng)前用戶具有的控制指令，以下拉框提供用戶選擇，發(fā)送時間選擇本地時間或輸入衛(wèi)星時間，手動輸入?yún)?shù)或?qū)雲(yún)?shù)文件。根據(jù)用戶選擇的指令，在數(shù)據(jù)庫中檢索出對應(yīng)的遙控幀格式，通過界面控件獲取遙控字段的值，快速構(gòu)建指令的遙控幀，采用按鈕將指令從指定接口實現(xiàn)“一鍵發(fā)送”。同時，將遙控包源碼寫入文件，指令名稱、指令碼、發(fā)送時間、遙控包路徑等信息存入數(shù)據(jù)庫。

3.4 遙測解析

遙測解析分為實時數(shù)據(jù)解析和歷史數(shù)據(jù)解析。采用單選框選擇解析類型，若選擇實時數(shù)據(jù)解析，則對指定端口收到的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時解析，及時更新遙測字段的顯示內(nèi)容，并將遙測包源碼寫入文件，遙測包名稱、標(biāo)識符、接收時間、遙測包路徑等信息存入數(shù)據(jù)庫；當(dāng)對某個遙測源碼包進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)解析時，歷史數(shù)據(jù)解析單選框自動被選中。采用多選框選擇遙測數(shù)據(jù)的接收接口，每個接口的接收程序?qū)?yīng)一個線程，實現(xiàn)多個接口同時接收遙測數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶權(quán)限檢索當(dāng)前用戶具有權(quán)限查看的所有遙測字段，以表格顯示字段對應(yīng)的遙測編號、名稱、字段源碼和算法處理后的數(shù)值。

3.5 數(shù)傳數(shù)據(jù)

數(shù)傳數(shù)據(jù)作為遙測數(shù)據(jù)的一種特例，用戶不關(guān)心數(shù)據(jù)包實時解析字段的內(nèi)容，只需識別包頭對數(shù)傳數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和查詢。采用多選框選擇數(shù)傳數(shù)據(jù)的接收接口，每個接口的接收程序?qū)?yīng)一個線程，實現(xiàn)多個接口同時接收數(shù)傳數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)庫檢索數(shù)傳數(shù)據(jù)的字段結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的識別符實時統(tǒng)計不同類型數(shù)據(jù)包的個數(shù)，以表格顯示包應(yīng)用過程標(biāo)識符及其對應(yīng)的個數(shù)，并將數(shù)傳數(shù)據(jù)包源碼寫入文件，數(shù)傳數(shù)據(jù)包名稱、標(biāo)識符、接收時間、數(shù)傳數(shù)據(jù)包路徑等信息存入數(shù)據(jù)庫。此外，提供按應(yīng)用過程標(biāo)識符、起始日期時間、結(jié)束日期時間的條件對數(shù)傳數(shù)據(jù)的檢索功能，并顯示檢索記錄的個數(shù)。

3.6 協(xié)議管理

協(xié)議管理功能是實現(xiàn)遙控協(xié)議和遙測協(xié)議的動態(tài)更新，當(dāng)用戶協(xié)議發(fā)生變化時，通過文件對話框提供用戶選擇相應(yīng)的Excel 協(xié)議文件，讀取并解析Excel 表格內(nèi)容，并將數(shù)據(jù)庫中的協(xié)議表同步更新。同時，在界面上顯示所有指令和遙測數(shù)據(jù)的字段信息。

3.7 用戶管理

用戶管理是對地測系統(tǒng)的所有用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理，根據(jù)不同的用戶做出不同的權(quán)限限制，是管理員才具有的權(quán)限。系統(tǒng)提供按用戶名、遙控角色和遙測角色的檢索功能，將符合條件的所有用戶記錄以表格進(jìn)行顯示。新增用戶提供一個對話框，給新用戶設(shè)置用戶名、密碼、權(quán)限和用戶相關(guān)描述信息，其中權(quán)限選項來自于遙控協(xié)議和遙測協(xié)議中的角色；編輯用戶不可更改用戶名，可以修改密碼、權(quán)限和用戶相關(guān)描述信息；刪除用戶可以通過選擇某個用戶進(jìn)行刪除，或者通過選中多個用戶進(jìn)行批量刪除。

3.8 日志管理

日志記錄地測系統(tǒng)的操作信息，包括遙控注數(shù)和遙測數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。當(dāng)遙控指令發(fā)送完成后，遙控指令相關(guān)信息會自動寫入數(shù)據(jù)庫；當(dāng)遙測數(shù)據(jù)和數(shù)傳數(shù)據(jù)接收完成后，數(shù)據(jù)包相關(guān)信息也會自動寫入數(shù)據(jù)庫。日志管理還提供按接口、數(shù)據(jù)類型、起始日期、結(jié)束日期、指令碼或標(biāo)識符等條件檢索的功能，以表格顯示檢索記錄，同時支持將檢索結(jié)果導(dǎo)出Excel 文件。

4 實現(xiàn)效果

地測系統(tǒng)部署在地測服務(wù)器上，由用戶輸入用戶名和密碼登錄進(jìn)入系統(tǒng)，登錄界面和主界面實現(xiàn)效果分別如圖4 和圖5 所示。

圖4： 登錄界面實現(xiàn)效果

圖5： 主界面實現(xiàn)效果

5 結(jié)束語

鑒于衛(wèi)星地面測試需求日趨多樣化和復(fù)雜化，針對傳統(tǒng)地測系統(tǒng)功能單一、通用性差等問題，本文提出并實現(xiàn)了一種搭載綜合電子單機(jī)地測系統(tǒng)，提供了遙控注數(shù)、遙測解析、數(shù)傳數(shù)據(jù)、協(xié)議管理、用戶管理和日志管理等功能，并實現(xiàn)了通信接口、算法和軟件協(xié)議的動態(tài)配置。本系統(tǒng)作為新一代的地測系統(tǒng)，兼容不同型號地測設(shè)備的接口和軟件協(xié)議，具備良好的可擴(kuò)展性、靈活性和易用性，為衛(wèi)星軟硬件測試提供支撐。