基于XTCE標準的通用型航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法研究

摘要：基于航天器研制過程中需要對不同種類不同格式的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一描述的目的，采用XTCE建立通用型的航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法，通過使用某型號航天器地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理軟件進行地面試驗，得出該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的使用可以實現(xiàn)航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換格式規(guī)范性和通用性的結(jié)論。提高航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析和處理的效率和可靠性，為航天任務中的信息交換處理提供了便利的方法和新的思路。

關鍵詞：XTCE;航天器;系統(tǒng)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理

近年來，隨著航天器復雜度和對可靠性要求的提升，對航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的解析和處理要求也隨之不斷升高。如何開發(fā)出一套快速有效的航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已成為航天器設計和研制的重要環(huán)節(jié)和組成部分。

XTCE(XML Telemetric and Command Exchange)是一套由OMG(Object Management Group)提出的，利用XML語言來描述航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)范。其目的是提出一種國際化的

新體制與標準，為不同機構和系統(tǒng)在航天任務的各個階段對航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效交換提供支持。目前，XTCE已在歐美的航天器研制中得到了廣泛的應用，一些航天器研制機構和廠商還根據(jù)自身的設計需求開發(fā)出了相應的XTCE應用軟件，用于航天器設計中。本文使用XTCE進行航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型設計，并設計了XTCE航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換文件設計，提出了基于XTCE的航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法。

1 XTCE組織結(jié)構

1.1 面向?qū)ο蟮姆謱用枋?/p>

XTCE為航天器提供了一個面向?qū)ο蟮臉錉罘謱用枋鼋Y(jié)構，結(jié)構的根節(jié)點是“航天器系統(tǒng)”節(jié)點(如圖1所示)。XTCE的執(zhí)行由根節(jié)點開始并傳播到整個航天器系統(tǒng)的各個層次，在每個層次，每個元素既代表自己又是整個空間系統(tǒng)的一部分(如圖1所示)。這種分層管理的方式，方便用戶自底向上的描述航天器遙測遙控數(shù)據(jù)結(jié)構，并在逐步成熟后進行組裝構成邏輯系統(tǒng)，具有良好的延展性。

如上所述，相比以往的描述方法，XTCE具有以下優(yōu)點：

1)XTCE是標準化的描述方法，CCSDS推薦在航天任務的各個階段都采用XTCE描述遙測遙控信息，因此，采用XTCE描述遙測信息在數(shù)據(jù)交換方面具有方便準確的優(yōu)勢;

2)XTCE在設計之初就考慮到了對異構任務的支持，這與航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件支持多任務的需求是完全吻合的;

3)XTCE標準以一個XML schema文件的形式給出，可讀性好，同時也便于使用成熟的技術自動處理XTCE文件;

4)XTCE文件具有明顯的層次化結(jié)構，易于在不同元素層次上進行擴展和集成;

1.2 遙測元數(shù)據(jù)結(jié)構

遙測元數(shù)據(jù)是對航天器遙測數(shù)據(jù)的描述，定義了參數(shù)類型、參數(shù)、容器、消息、數(shù)據(jù)流、算法等內(nèi)容，詳見圖2。

1)ParameterTypeSet(參數(shù)類型集)：遙測參數(shù)的元數(shù)據(jù)集合，參數(shù)類型實例化后即可以描述遙測參數(shù)。參數(shù)類型包含的信息有：數(shù)據(jù)類型、說明信息、告警閾值、輸出數(shù)據(jù)的工程單元、長度、位序量綱和校驗方式以及在天地傳輸過程中的編碼方式。

2)ParameterSet(參數(shù)集)：一組遙測參數(shù)及其引用的集合。

參數(shù)是實例化的參數(shù)類型，包含名稱和指向參數(shù)類型的引用(ParameterRef)。參數(shù)也可以有別名和實例化后的特殊屬性，而“引用”常值以前在其他ParameterSet中定義參數(shù)的引用。

3)SequenceContainer(序列容器)：一組有序的參數(shù)序列，可以描述數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)幀、子幀或結(jié)構數(shù)據(jù)項。序列容器可以由基礎容器派生，方便數(shù)據(jù)定義。

4)MessageSet(消息集)：消息是在服務過程中通過匹配方式唯一標識一個容器的替代方法，通過比較SequenceContainer中的元素與預定值是否一致，實現(xiàn)對Sequence Conta iner的過濾。

5)StreamSet(數(shù)據(jù)流集)：一組無序的Stream(數(shù)據(jù)流)的集合。航天器上、下行數(shù)據(jù)均是數(shù)據(jù)流，在數(shù)據(jù)流層面有很多處理和操作。StreamSet中包含所有包括組幀、解幀在內(nèi)的上、下行數(shù)據(jù)的處理方法。

6)AlgorithmSet(算法集)：對于航天器地面測試系統(tǒng)，事先構造一些處理遙測、遙控數(shù)據(jù)的基礎算法，有利于重構復雜邏輯的數(shù)據(jù)處理算法。

利用遙測元數(shù)據(jù)描述遙測參數(shù)的步驟為：用Parameter Set定義遙測參數(shù)，用ParameterType定義遙測參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，然后定義SequenceContainer(對于分包遙測，Sequen ce Container用于打包遙測數(shù)據(jù)并描述遙測數(shù)據(jù)包，對于時分多路遙測，SequenceContainer用于描述遙測幀及幀結(jié)構)，再定義遙測數(shù)據(jù)的StreamSet(數(shù)據(jù)流集)，最后定義遙測數(shù)據(jù)的AlgorithmSet(算法集)。

1.3 遙控元數(shù)據(jù)結(jié)構

遙控元數(shù)據(jù)的格式與遙測元數(shù)據(jù)相似，但除了含有與遙測元數(shù)據(jù)一致的ParameterTypeSet，ParameterSet，MessageSet，StreamSet和AlgorithmSet以外，還有Argument Ty pe(判據(jù)類型集)和Metacommand(元指令集)，如圖3所示。

ArgumentType(判據(jù)類型集)：判據(jù)類型集與參數(shù)類型集十分相似，區(qū)別是判據(jù)類型實例化后通常與特定的遙控數(shù)據(jù)綁定。該集合包含的信息包括：數(shù)據(jù)類型、文本描述、正常值范圍、工程單元等。Metacommand(元指令集)：用于描述遙控指令。通過描述指令名稱、指令參數(shù)、指令間約束關系、指令序列、指令容器、指令驗證集等內(nèi)容定義遙控指令。

2 XTCE數(shù)據(jù)處理模型以及XTCE文件設計

2.1 Space System的設計

構造XTCE數(shù)據(jù)模型時，首先要對頂層的航天器結(jié)構進行定義，表示出XTCE所代表的航天器或子系統(tǒng)的框架結(jié)構。對于每個分系統(tǒng)或載荷，可以進行相應的工程狀態(tài)參數(shù)設定，用以表示數(shù)據(jù)信息所對應的工程周期。以樹狀結(jié)構表示了XTCE文件所代表的載荷系統(tǒng)及其所包含的單機。Space system以分級的形式表示出了航天器的系統(tǒng)結(jié)構，航天器所包含的分系統(tǒng)、載荷以及單機設備級的子結(jié)構都可以利用XTCE進行相應的工程描述。以樹狀結(jié)構表示了XTCE文件所代表的載荷系統(tǒng)及其所包含的載荷和單機。該模型對應的XTCE文件代碼示例如下：

2.2 遙測遙控數(shù)據(jù)處理模型設計

定義好Space System數(shù)據(jù)模型之后，就可以根據(jù)遙測遙控的數(shù)據(jù)格式來定義其數(shù)據(jù)模型。定義時，使用自上而下的設計方法，先把數(shù)據(jù)框架設計好，然后再根據(jù)載荷或分系統(tǒng)的命令或數(shù)據(jù)信息將數(shù)據(jù)模塊“搭建”到數(shù)據(jù)框架中。根據(jù)遙測遙控包的共性和區(qū)別，設計了如圖4的測控統(tǒng)一XTCE數(shù)據(jù)模型。

以分包遙測的遙測數(shù)據(jù)定義為例，可以先定義一個包結(jié)構，然后列出包頭、包數(shù)據(jù)域、校驗數(shù)據(jù)域等主要框架，再細化各部分內(nèi)容。如包頭內(nèi)的包版本號、類型、應用過程識別符、包順序控制等，最后填入實際數(shù)據(jù)信息。下面以遙測包中APID的定義為例來說明參數(shù)各部分的設計方法。

遙控指令部分的定義包括遙控指令集和遙控封裝集的定義，與遙測部分的定義類似。

2.3 XTCE文件設計

將設計好的space system，遙測遙控模型定義好后組成一個完整的XTCE數(shù)據(jù)模型，針對同一XTCE數(shù)據(jù)模型可開發(fā)相關的解析軟件將模型中的信息轉(zhuǎn)化為符合XTCEschema的XTCE數(shù)據(jù)文件，此時XTCE文件中已經(jīng)包含了全部的衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式信息。

隨著數(shù)據(jù)文件的驗證或檢驗，XTCE文件可能需要相應的修改或調(diào)整。對于數(shù)據(jù)定義中插入，刪減或修改比較多的部分，可先在XTCE模型中進行修改，再轉(zhuǎn)換成XTCE文件，避免復雜的修改工作和出錯;如果只是極少的修改內(nèi)容，如數(shù)據(jù)內(nèi)容或類型等，也可在XML編輯工具中直接修改。

3 應用實例

上述理論和方法已經(jīng)應用于某型號航天器的地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理軟件中。下面舉例說明如何用XTCE定義航天器遙測數(shù)據(jù)，圖5所示為幀序號是0和1的兩個遙測數(shù)據(jù)子幀。

ASM=fa表示幀頭為“fa”。MFCtr=0/1表示序號為0/1的子幀，子幀0的第16—24位表示參數(shù)Bat1V，子幀1的第16—24位表示參數(shù)Beacon Status。用自然語言對子幀0的這2個參數(shù)進行描述：Bat1V表示電池1的電壓，編碼為8位無符號整形數(shù)，高位在前，校準至1個1～32 V電壓曲線，位于第1子幀第16—32Byte。Beacon Status表示照明狀態(tài)，編碼為8位無符號整形數(shù)，高位在前，只用到第1位，‘1’表示on，‘2’表示off，位于第1子幀第24-32Byte。這樣的描述不利于計算機處理，沒有特定的規(guī)范，在實際處理時需要大量的人工轉(zhuǎn)換，不但費時費力，且很容易出錯，極易帶來工程風險。如果用XTCE格式的 XML對其進行描述，則可以轉(zhuǎn)化為如圖6所示的形式。

這樣的描述可以通過優(yōu)化工具的人機交互可以使定義的過程變得很容易，而且有了XTCE標準架構的支持，描述語法的正確性可以及時獲得驗證?？梢院芎玫慕鉀Q不同航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一定義和描述的問題。

4 結(jié)束語

本文詳細說明了XTCE中對于航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的定義，分析了用XTCE描述航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的優(yōu)點，并設計了基于XTCE的通用型航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型以及XTCE文件。并通過在成熟航天器型號中的應用證明，XTCE能夠滿足航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述需求，能夠支持不同航天器的異構任務，為描述各類航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供了標準的模型文件，以XML架構的形式清晰完整地定義了航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理所需要的信息。推廣使用XTCE標準不僅是航天科技與世界接軌的需要，更是減少任務成本和工期，降低任務風險的需要。