王鈞慧,李 婷

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

0 引 言

近年來,我國航天事業(yè)的發(fā)展突飛猛進,在軌航天器數(shù)量不斷增多,需要建設與之匹配的航天測控地面系統(tǒng),以滿足快速增長的航天器測控和遙感數(shù)據(jù)接收任務需求[1]。

地面站監(jiān)控系統(tǒng)是航天器測運控地面系統(tǒng)的調(diào)度和管理核心,主要完成對系統(tǒng)內(nèi)所有可監(jiān)控設備的統(tǒng)一管理,在任務計劃的驅(qū)動下,分配設備資源,自動組織相關設備完成過境衛(wèi)星的捕獲、跟蹤,按要求執(zhí)行航天器測控、數(shù)據(jù)接收任務。穩(wěn)定、可靠的站控系統(tǒng)是發(fā)揮地面系統(tǒng)效能,提升地面系統(tǒng)任務成功率的必要保障。目前,由于航天測運控領域技術快速發(fā)展,不同系統(tǒng)的組成、運行流程和接口等內(nèi)容存在很大的差異,從而導致軟件交付周期長、軟件可靠性低等問題。

加拿大CALIAN公司系統(tǒng)工程部針對衛(wèi)星地面站開發(fā)了Mon-A-CoTM,主要用于對地面站設備的工作狀態(tài)進行集中監(jiān)視和控制,主要用戶包括Inmarsat、Hughes、Boeing、Sirux-XM、Intelsat、EchoStar、Telenor,KDDI等。Mon-A-CoTM監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控服務器(Mon-A-CoTM Server)、監(jiān)控客戶端(Mon-A-CoTM GUI)存檔服務器(Mon-A-CoTM Archive Server)、可視化框圖編輯工具(Mon-A-CoTM System Builder)組成。

MBSE通過形式化的系統(tǒng)建模語言(Systems Modeling Language,SysML)對系統(tǒng)進行描述,采用不同的視圖描述系統(tǒng)不同視角,將不同的方面分解為不同的視圖,建立復雜系統(tǒng)分布在各個視圖的模型,并保證這些信息的一致,綜合描述系統(tǒng)[2-4]。

“低代碼”一詞是由Forrester咨詢公司在2014 年提出的,低代碼平臺通過最少的手工編碼和在配置、培訓、部署等方面的最低初期投入來實現(xiàn)業(yè)務應用的快速交付。可見,構(gòu)建低代碼平臺的目的是降低開發(fā)成本并快速交付應用。低代碼軟件平臺可簡化軟件開發(fā)過程,提高成長率,縮短軟件交付周期,并且系統(tǒng)穩(wěn)定性好,只要經(jīng)過簡單測試即可交付使用,最終降低軟件開發(fā)成本[5-6]。

低代碼平臺的核心基礎是對業(yè)務系統(tǒng)進行建模?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程(Model-based Systems Engineering,MBSE)方法通過模型的不斷演化、迭代遞增而實現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)設計,通過模型的結(jié)構(gòu)化定義可以清晰地表達產(chǎn)品設計初期各方面的需求,在設計初期就能通過仿真發(fā)現(xiàn)大量不合理的設計方案。航天地面系統(tǒng)是高度專業(yè)化的系統(tǒng),低代碼平臺有助于促進業(yè)務領域和IT技術的深度融合。領域?qū)＜遗cIT技術人員使用同一套標準化、結(jié)構(gòu)化的語言進行業(yè)務模型設計和IT系統(tǒng)開發(fā),可實現(xiàn)業(yè)務和IT之間的無障礙溝通,大幅提升組織的協(xié)作效率和開發(fā)過程。

本文的實現(xiàn)方案包括基于MBSE的航天地面系統(tǒng)模型設計、軟件架構(gòu)設計及實現(xiàn)路徑。

1 基于MBSE的航天地面系統(tǒng)模型設計

航天地面站控系統(tǒng)本質(zhì)上是對地面系統(tǒng)開展建模,同時通過接口來實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視或者控制,類似于航天地面的“平行系統(tǒng)”。本文不對MBSE的建模過程進行描述,主要描述如何利用航天地面系統(tǒng)MBSE的建模結(jié)果來指導站控系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1.1 SysML介紹

SysML中包括結(jié)構(gòu)、行為、需求和參數(shù)4種類型的建模語言。

1) 結(jié)構(gòu)圖：包括模塊定義圖(Block Definition Diagram,BDD)、包圖(Package Diagram,PD)和內(nèi)部模塊圖(Internal Block Diagram,IBD)3類。模塊定義圖用于表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成元素即模塊(block)的特性,以及元素之間組成關系。包圖從文件夾(package)角度展示系統(tǒng)模型的多級組織方式,幫助閱讀模型的人更好理解模型結(jié)構(gòu),起到“導航”的作用。內(nèi)部模塊圖展示block的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、所包含的part之間的接口和交互關系。

2) 行為圖：包括用例圖(Use Case Diagram,UCD)、活動圖(Activity Diagram,AD)、狀態(tài)機圖(State Machine Diagram,SMD)和序列圖(Sequence Diagram,SD)。用例圖主要用于展示外部人員/系統(tǒng)如何使用系統(tǒng)功能來完成某個目標?；顒訄D用于展示活動/功能執(zhí)行的流程順序、控制邏輯、輸入輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、職責劃分等內(nèi)容。狀態(tài)機圖表示某個block的狀態(tài)類型,以及不同狀態(tài)之間的切換條件。序列圖主要是基于系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)之間信號傳遞的交互活動圖。

3) 需求圖：需求是指系統(tǒng)必須滿足的能力或條件,一個需求能夠分解成多個子需求。需求圖能夠描述系統(tǒng)的詳細需求以及分系統(tǒng)的需求、各需求之間以及需求和其他建模元素之間的關系。

4) 參數(shù)圖：定義和展示參數(shù)之間約束/計算關系,用于支撐SysML系統(tǒng)模型的計算分析,如執(zhí)行約束、驗證需求、定義數(shù)據(jù)計算關系等。

1.2 航天地面系統(tǒng)模型

航天地面系統(tǒng)的需求圖可直接借用標準的SysML,同時利用MBSE對航天地面系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、行為和參數(shù)等內(nèi)容進行建模。

1.2.1 結(jié)構(gòu)圖

主要用來描述航天地面系統(tǒng)的組成、各個組成部分的關系以及設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1) 航天地面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：描述了系統(tǒng)的組成、設備屬性等。典型的航天地面系統(tǒng)包括天伺饋、變頻器、功放、場放、基帶等設備。

2) 組成部分的關系：描述了設備連接關系、連接屬性、信號流向、信息流向等內(nèi)容。

3) 設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)：描述了設備內(nèi)部的結(jié)構(gòu),比如基帶由背板、信號處理板卡、信息處理板卡、調(diào)制解調(diào)功能、捕獲功能等內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)。

1.2.2 行為圖

航天地面系統(tǒng)的行為主要包括任務運行控制、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)標校、系統(tǒng)故障診斷及自動處置等內(nèi)容。

1) 任務運行控制：目標是使系統(tǒng)能夠在工作計劃的驅(qū)動下,站控系統(tǒng)組織各分系統(tǒng)自動完成工作計劃所規(guī)定的測量、傳輸?shù)雀黜椚蝿铡?/p>

2) 系統(tǒng)測試：系統(tǒng)自動測試的主要目的是檢查系統(tǒng)的工作性能,由站控系統(tǒng)組織,各分系統(tǒng)配合完成系統(tǒng)的自動測試。

3) 系統(tǒng)標校：包括距離、相位等內(nèi)容的標校,主要目的是通過嚴密的標定和校準來減少或消除系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)標校也是由站控系統(tǒng)組織,各分系統(tǒng)配合完成。

4) 故障診斷及處置：主要用于在任務中完成故障巡檢和故障分析定位并根據(jù)預設的規(guī)則開展自動處置。

1.2.3 參數(shù)圖

典型的衛(wèi)星測運控地面站控系統(tǒng)涉及的參數(shù)主要包括衛(wèi)星參數(shù)(衛(wèi)星軌道、遙測參數(shù)、遙控參數(shù)、數(shù)傳參數(shù)等)、任務參數(shù)(任務計劃參數(shù))、地面站參數(shù)(G/T、EIRP等地面設備參數(shù))。

2 軟件架構(gòu)設計及實現(xiàn)

2.1 軟件架構(gòu)設計

低代碼平臺是一系列工具的合集,可通過視覺方式開發(fā)和交付完整的應用程序。拖放界面是低代碼平臺的核心。無須使用成千上萬行復雜的代碼和語法,可以使用低代碼來快速、直觀地構(gòu)建包含用戶界面、集成、數(shù)據(jù)和邏輯的完整應用程序。應用程序交付速度更快,手工編碼更少。

典型的低代碼開發(fā)平臺主要包括如下內(nèi)容：

1) 可視化IDE：一種用于可視化定義應用程序的UI、工作流和數(shù)據(jù)模型,并在必要時添加手寫代碼的環(huán)境。

2) 各種后端或服務的連接器：自動處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲和檢索。

3) 應用程序生命周期管理器：用于在測試、生產(chǎn)中構(gòu)建、調(diào)試、部署和維護應用程序的自動化工具。

面向航天地面站控系統(tǒng)的低代碼開發(fā)平臺架構(gòu)如圖1所示,主要包括模型橋接軟件、可視化IDE和站控產(chǎn)品平臺三部分。

圖1 低代碼開發(fā)平臺架構(gòu)Fig.1 Framework of low-code development platform

2.1.1 模型橋接軟件

模型橋接軟件主要是將利用MagicDraw、Raphsody等商用建模工具生成的MBSE模型轉(zhuǎn)換為站控產(chǎn)品平臺所需要的初步模型。

1) 結(jié)構(gòu)圖橋接插件：將MBSE的結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為航天地面站的組成圖、接口關系圖。

2) 行為圖橋接插件：將MBSE的行為圖轉(zhuǎn)換為航天地面站的運行控制流程、自動測試流程和自動標校流程等。

3) 參數(shù)圖橋接插件：將MBSE的參數(shù)圖轉(zhuǎn)換為航天地面站的任務參數(shù)、計劃、配置等內(nèi)容。

2.1.2 可視化IDE

可視化IDE用于給設計人員編輯模型。設計人員可以將橋接軟件生成的模型作為初始模型進行模型的細化生成最終模型,也可利用該工具直接生成最終模型。

1) 航天地面站結(jié)構(gòu)編輯工具：用于生成航天地面站的結(jié)構(gòu)圖,描述了航天地面站的組成、連接關系等內(nèi)容。

2) 航天地面站流程編輯工具：用于生成航天地面站的行為圖,描述了航天地面站與衛(wèi)星等設備的運行控制流程以及自身的測試、標校等流程。

3) 航天地面站參數(shù)管理編輯工具：用于生成航天地面站的參數(shù)圖,描述了航天地面站的任務參數(shù)、運行計劃、軌道參數(shù)等內(nèi)容。

2.1.3 站控產(chǎn)品平臺

站控產(chǎn)品平臺將可視化IDE生成的最終模型作為平臺輸入,自動適應不同航天地面系統(tǒng)的差異。同時,針對站控系統(tǒng)面臨的業(yè)務功能復雜、需求變化快、可靠性要求高、研制周期短等問題,采用容器構(gòu)建的基礎運行平臺、基于微服務的軟件架構(gòu)等方法,進行站控系統(tǒng)總體架構(gòu)的設計,使得站控系統(tǒng)具有良好的適應性和較強的水平擴展能力[7-9]。

1)基礎設施層：主要為站控系統(tǒng)各類服務的運行提供基礎的計算、存儲和網(wǎng)絡資源,是系統(tǒng)的服務承載平臺。容器是云原生應用的基礎運行環(huán)境,是指將軟件打包成標準化單元,以用于開發(fā)、交付和部署,打包后的標準化單元被稱為容器鏡像,包含軟件運行所需的代碼、運行時環(huán)境、系統(tǒng)工具、系統(tǒng)庫和設置等所有內(nèi)容。軟件采用基于Spring Cloud的微服務體系架構(gòu),該架構(gòu)具有松耦合、靈活性好、擴展性強、可用性高等特點,能夠適應各類航天地面裝備的要求,并且具備擴展能力。在開發(fā)環(huán)境中,通過DevOps流水線開發(fā)的云原生業(yè)務應用最終以鏡像包的形式交付。業(yè)務應用鏡像需要上傳到生產(chǎn)環(huán)境的容器平臺中,在私有鏡像庫中進行統(tǒng)一管理,通過簡單的資源配置即可一鍵式部署上線。

2) 數(shù)據(jù)交互服務層：負責將具體的硬件設備接入到站控系統(tǒng),包括各類通信服務和協(xié)議轉(zhuǎn)換服務。數(shù)據(jù)交互服務層還負責與各式各樣的硬件設備進行信息交互,按照與設備之間的接口協(xié)議,進行通信數(shù)據(jù)幀的解析和編碼。設備的接口協(xié)議通過設備元數(shù)據(jù)文件進行描述。

3) 設備管理層：是站控系統(tǒng)的設備管理核心,主要包括元數(shù)據(jù)管理服務、設備注冊服務、設備配置服務、設備固件升級服務、狀態(tài)采集服務、參數(shù)控制服務以及虛擬設備服務。

4) 系統(tǒng)支持服務層：系統(tǒng)支持服務包括規(guī)則引擎、計劃調(diào)度、告警通知、數(shù)據(jù)管理、消息分發(fā)等通用服務,主要用于進行各類監(jiān)控數(shù)據(jù)的初步處理,進行服務的調(diào)度,對出現(xiàn)的告警進行提示或通知等。

5) 業(yè)務應用層：是站控系統(tǒng)的核心功能層,主要功能是根據(jù)上級系統(tǒng)下達的或本地創(chuàng)建的任務計劃,按照時間符合的原則,自動控制相關設備的工作參數(shù),執(zhí)行衛(wèi)星測控、數(shù)據(jù)接收等任務。

2.2 軟件實現(xiàn)

MBSE開發(fā)工具CatiaMagic(原名MagicDraw)支持OMG XMI標準和自定義格式兩種方式,將功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)等設計信息導出生成XML文件。

除了研發(fā)站控產(chǎn)品平臺之外,還需要開發(fā)模型橋接軟件,實現(xiàn)研發(fā)平臺到產(chǎn)品平臺的模型轉(zhuǎn)換和橋接,減少人工錄入帶來的風險。具體來說,可通過CatiaMagic提供的OpenApi將MBSE結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)模型導出自定義格式的XML文件,讀取導出的XML文件,解析相關參數(shù)并自動生成航天地面站控系統(tǒng)模型文件,從而實現(xiàn)MBSE解決域與軟件實現(xiàn)域的橋接。模型轉(zhuǎn)換軟件根據(jù)航天地面系統(tǒng)的技術規(guī)范進行建模。不同型號的地面系統(tǒng)可以通過橋接的配置管理工具,方便快捷地復用相關的設計,并自動化地進行語法語義檢查。

CatiaMagic生成的XML模型文件格式如圖2所示。

圖2 SysML模型文件格式Fig.2 File format of SysML model

2.2.1 結(jié)構(gòu)圖

航天地面站控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖借鑒SysML中的模塊定義圖(BDD)。將航天地面系統(tǒng)的BDD通過橋接工具進行抽取,并轉(zhuǎn)換為站控系統(tǒng)可以識別的結(jié)構(gòu)圖。同時,站控軟件平臺還提供工具支持對結(jié)構(gòu)圖的深度開發(fā),如圖3所示。

圖3 航天地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of satellite ground station

站控系統(tǒng)在運行過程中,實時獲取航天地面系統(tǒng)的運行狀態(tài),包括設備健康狀態(tài)、設備之間的連接狀態(tài)等信息,并直觀地在結(jié)構(gòu)圖中進行顯示,為操作人員提供直觀的設備運行狀態(tài)展示。

2.2.2 行為圖

航天地面站控系統(tǒng)的行為圖包括行為模型和流程引擎兩個部分。航天地面系統(tǒng)的行為圖的一個具體實現(xiàn)參見圖4。

圖4 航天地面系統(tǒng)行為圖Fig.4 Behavior diagram of satellite ground station

行為模型借鑒SysML中的活動圖,將航天地面系統(tǒng)的活動圖通過橋接工具進行抽取,并轉(zhuǎn)換為站控系統(tǒng)可以識別的結(jié)構(gòu)圖。同時,站控軟件平臺還提供工具支持對行為圖的深度開發(fā)。系統(tǒng)將各任務控制流程分解為若干個業(yè)務節(jié)點,每個業(yè)務節(jié)點完成一項或多項具體的設備操作,各業(yè)務節(jié)點可以順序、并發(fā)或條件執(zhí)行。針對不同的任務將業(yè)務節(jié)點分為必備和可選兩類,系統(tǒng)通過對可選業(yè)務節(jié)點和所有業(yè)務節(jié)點參數(shù)的編輯實現(xiàn)系統(tǒng)任務流程的可定制。系統(tǒng)按任務類型提供可視化的任務流程編輯功能,針對不同的任務類型,通過對各業(yè)務節(jié)點的拖拽,實現(xiàn)各類業(yè)務流程的可視化編輯。

流程引擎通過解析行為模型,驅(qū)動任務流程的執(zhí)行。流程引擎讀取行為模型,并執(zhí)行初始狀態(tài)(對應于開始節(jié)點)。流程引擎在初始事件中,根據(jù)流程類型,初始化任務上下文參數(shù)。流程引擎按照活動執(zhí)行的成功、失敗分別跳轉(zhuǎn)到不同的活動,每個活動對應一個原子任務的接口實現(xiàn)(對應于業(yè)務節(jié)點、條件節(jié)點)。當流程引擎執(zhí)行到最終狀態(tài),完成整個任務流程的執(zhí)行(對應于結(jié)束節(jié)點)。

2.2.3 參數(shù)圖

航天地面站控系統(tǒng)的參數(shù)圖借鑒SysML中的參數(shù)圖。將航天地面系統(tǒng)的參數(shù)圖通過橋接工具進行抽取,并轉(zhuǎn)換為站控系統(tǒng)可以識別的參數(shù)圖。同時,站控軟件平臺還提供工具對支持行為圖的深度開發(fā)。

站控系統(tǒng)在運行過程中,可根據(jù)參數(shù)的模型自動生成參數(shù)管理規(guī)范和要求,并可按照參數(shù)特征分別生成配置中心或者數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容,無需人員進行數(shù)據(jù)庫的建表、增、刪、查、改等操作。

2.3 應用情況

某測控數(shù)傳一體化系統(tǒng)應用本開發(fā)平臺在2.5月之內(nèi)即完成項目的研制、測試和交付,且系統(tǒng)運行穩(wěn)定,較常規(guī)開發(fā)模式縮短了近45%。本文所述方法提升了MBSE的應用效能,為航天地面系統(tǒng)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的擴展應用提出了一個思路。利用本文中方法可將MBSE模型直接應用到交付軟件中,無須針對各型裝備重復編碼測試,極大地提高了交付效率。

同時,探索了一種MBSE與現(xiàn)有業(yè)務研制過程的結(jié)合點并形成了新的研發(fā)模式。在新的研發(fā)模式下,由軟件人員根據(jù)系統(tǒng)要求完成低代碼開發(fā)平臺的研發(fā),由業(yè)務人員進行模型設計及軟件交付,極大提升了系統(tǒng)研發(fā)效率,促進了業(yè)務領域?qū)＜液虸T人員的深度融合。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于低代碼軟件平臺的航天地面站軟件平臺,闡述了總體架構(gòu)以及關鍵功能實現(xiàn)路徑,同時論述了基于MBSE的低代碼平臺實現(xiàn)的可行性,對于后續(xù)工程化應用具有較強的指導意義。

低代碼開發(fā)是一種新的軟件研發(fā)模式,便于系統(tǒng)設計人員積極參與到軟件設計中,也避免軟件需求不準確造成軟件不可控。云原生是軟件后續(xù)發(fā)展的重大技術,是微服務技術的重要演進,利用相關技術可進一步提高國產(chǎn)化信息系統(tǒng)的開發(fā)運維效率。