衛星運行控制系統混合模式架構研究

王士成

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

為滿足遙感影像在數字測繪、資源調查、災害監測、城市規劃、土地利用、環境保護和旅游導航[1]等方面日益增多的應用需求，隨著航天事業及衛星技術的飛速發展，我國在軌衛星數量已逐漸形成規模并仍在持續增加。傳統的衛星運行控制系統采用C/S架構，在衛星數量不多、衛星種類比較單一的情況下具有運行效率高、交互性強和網絡負擔小等一系列優點，但隨著衛星種類、衛星數量的大量增加，傳統衛星運行控制系統的弊端逐漸顯現出來，即系統部署難度大、人員消耗多、系統內部接口復雜等?；诨旌夏Ｊ降男l星運行控制系統可有效解決這些問題。

1 C/S模式與B/S模式的比較分析

C/S是 Client/Server的縮寫[2]，服務器通常采用高性能的微機服務器或小型機，并采用大型數據庫系統如Oracle、Sybase或 SQL Server等，客戶端需要安裝專用的客戶端軟件，主要業務邏輯在客戶端實現;B/S是 Brower/Server的縮寫[2]，客戶機上只要安裝一個通用的瀏覽器軟件，用戶界面完全通過WWW瀏覽器實現，主要業務邏輯在服務器端實現。

1.1 B/S模式的優勢

B/S模式具有以下優勢:

①簡化了客戶端。無需像C/S模式那樣在不同的客戶機上安裝專用的客戶應用程序[3]，只需安裝通用的瀏覽器軟件，這樣不但可以節省客戶機的硬盤空間與內存，而且使安裝過程更加簡便、網絡結構更加靈活。

②簡化了系統的開發和維護過程。系統的開發者無需再為不同級別的用戶設計開發不同的客戶應用程序，只需把所有的功能都實現在Web服務器上，并就不同的功能為不同用戶分別設置權限即可。

③B/S模式特別適用于網上信息發布，而網上信息發布功能恰是地面應用系統各分系統之間實現信息共享所必須的，這使得系統運行過程中大部分書面文件可以被電子文件取代，提高工作效率、節省工作成本[4]。

1.2 B/S模式的不足

首先，由于瀏覽器只是為了進行WEB瀏覽而設計的[5]，且大部分業務邏輯都需要經由WEB服務器實現，當其應用于WEB應用系統時許多功能不能實現或實現起來比較困難，如大量的數據輸入、業務報表輸出等。其次，WEB服務器成為對數據庫唯一的客戶端，所有對數據庫的連接都通過該服務器實現，由于WEB服務器同時要處理客戶請求以及與數據庫的連接，當系統訪問量大時服務器端會出現負載過重的情況。

1.3 C/S模式相對于B/S模式的優勢

C/S模式相對于B/S模式的優勢如下:

① 交互性強是 C/S固有的一個優點[6]。在C/S模式中，客戶端有一套完整的應用程序，在出錯提示和在線幫助等方面都有強大的功能;B/S模式雖然也可提供了一定的交互能力，但遠不及C/S模式下的完整客戶應用。

②采用C/S模式將降低網絡通信量。B/S模式采用了邏輯上的3層結構，而在物理上的網絡結構仍然是以太網或環形網，3層結構之間的通信都需占用一定的網絡帶寬;而C/S模式下的網絡通信量只包括Client與Server之間的通信量。

③由于C/S在邏輯結構上比B/S少一層，對于相同的業務應用，C/S完成的速度總要優于 B/S，使得C/S模式更利于處理大量數據。

2 功能模型

衛星運行控制系統是控制衛星執行觀測任務，并使整個衛星地面應用系統協調、高效運行的關鍵，具體由用戶服務、任務規劃、計劃制定、載荷控制、業務調度、狀態監視和星地資源管理7個部分組成，如圖1所示。主要任務是根據上級指令和觀測任務要求，完成觀測任務規劃、觀測計劃制定、衛星有效載荷控制、數據接收規劃調度和星地系統工作狀態監視等功能，以充分發揮衛星資源和地面資源的綜合利用效益。

用戶服務:對衛星用戶進行管理、維護，受理用戶提出的應用需求，對應用需求進行分析，包括目標區域的可見性分析、應用需求的滿足度分析和多應用需求的沖突分析等，并依據分析結果生成觀測任務單。

圖1 衛星運行控制系統功能模型

任務規劃:以觀測任務單為依據，綜合考慮所有星地資源及使用約束，進行統一的資源分配[7]，生成綜合任務規劃方案;對綜合任務規劃方案進一步分類、分解，形成對地成像任務規劃方案、電磁監測任務規劃方案和數據接收任務規劃方案。

計劃制定:根據對地成像規劃方案和電磁監測規劃方案，結合衛星載荷類型，分別制定可見光成像計劃、紅外成像計劃、高光譜成像計劃、微波成像計劃以及電磁監測計劃，并制定對應的衛星載荷控制計劃;此外，可根據已經制定的觀測計劃，結合數據接收任務規劃方案，制定數據接收計劃和數據中繼傳輸計劃。

載荷控制:負責制定各類、各型、各顆衛星的指令模板，對所有衛星和航天器的有效載荷進行管理和控制，按照可見光成像衛星、紅外成像衛星、高光譜成像衛星、微波成像衛星和電磁監測衛星分別實現各顆衛星的有效載荷控制指令編制、密鑰管理、指令發控、遙測數據的接收、處理與顯示等。

業務調度:為衛星地面系統的運行管理提供平臺，確保衛星運行控制業務的有序、高效運行;此外，可實現全面的業務信息管理，提供靈活的業務信息查詢和統計能力。

狀態監視:完成衛星運行狀態、載荷工作狀態、地面站運行狀態、數據處理系統運行狀態以及整個地面應用系統運行狀態的監視。

星地資源管理:對屬于公共信息的部分進行統一存儲，包括星地資源庫、對地觀測業務數據庫以及監控信息業務數據庫。業務類型包括需求管理業務、衛星載荷控制業務、數據接收業務等。

綜合任務管理控制功能模型的7個層次協調運作，共同完成多類多型衛星的管理控制功能，響應用戶的應用需求，協調航天器和地面系統的運行，并實現與測控系統和氣象保障系統的信息交互。

3 業務流程

衛星運行控制系統業務流程如圖2所示。首先用戶提出觀測需求并由衛星運行控制系統進行需求分析、提出觀測任務單;然后由衛星運行控制系統進行綜合任務規劃、提出規劃方案，并制定觀測計劃和接收計劃;隨后編制并發送衛星測控指令，同時下達數據接收計劃和中繼傳輸計劃;最后，由測控系統向衛星上注指令，由數據接收系統接收衛星下傳的觀測數據;此外，在業務流轉過程中，衛星運行控制系統需要對遙測數據、地面站狀態和數據處理系統狀態進行監視。

圖2 衛星運行控制系統業務流程

4 體系結構

傳統的衛星運行控制系統體系結構多采用單一的C/S模式，把一個大型的計算機應用系統變為多個功能相互獨立的子系統，而服務器便是整個應用系統資源的存儲與管理中心，多臺客戶機則各自處理相應的功能，共同實現完整的應用。隨著系統規模的不斷擴大和能力的持續擴充，這些傳統模式已經逐漸顯露出其弊端，如運管人員占用多、內部接口復雜、系統靈活度不高等。因此，亟需設計新的衛星運行控制系統體系結構，以滿足日益增多的衛星運行管理需求?；诨旌夏Ｊ降男l星運行控制系統可有效屏蔽原有各客戶機間接口，并實現靈活的部署與操作，其體系結構如圖3所示。

圖3 基于混合模式的衛星運行控制系統體系結構

采用多層混合模式衛星運行控制系統體系結構具有重用性好、擴充性好和可維護性強等優點，同時，根據業務類型又將業務邏輯層分為應用服務和公共服務2個子層，使任何一層邏輯的修改都不會影響其他層，從而最大限度地降低系統內部的耦合性，提高系統靈活性。

表示層:主要是實現與管理控制業務相關的各個功能客戶應用程序的人機交互界面和操作控制，滿足用戶可見的使用需求，其中B/S模式表示層用于實現沒有實時性要求的各項功能，C/S模式表示層實現需要實時監視或實時控制的各項功能。

流程邏輯層[8]:主要是將典型的管理控制業務流程抽象分離出來，定義管理控制業務流程中各個節點業務單元的數據流和控制流，并將針對節點業務單元的操作映射到調用業務邏輯層中的相應功能應用模型。

業務邏輯(應用服務)層:基于業務邏輯(公共服務)層提供的各項服務，實現與管理控制流程無關的系統應用業務模型，提供給表示層相應的客戶應用程序調用。

業務邏輯(公共服務)層:實現與管理控制流程無關的系統公共業務模型和底層公共應用，支持業務邏輯(應用服務)層中的應用業務模型，提供給表示層相應的客戶應用程序調用。

數據層[9]:數據層負責存儲、維護和管理與管理控制業務相關的數據信息，同時支持持久化數據訪問服務，管理業務對象到數據庫表的映射，把業務模型表示的對象映射到基于SQL的關系模型結構中，并提供數據查詢和獲取數據的方法。

另外，利用XML和規定格式的文本文件作為調度協調業務結構化信息交換的表示方法，基于此實現管理控制業務流程各節點業務單元之間的業務數據交換，支持管理控制一體化的統一調度協調和系統業務監控。

5 結束語

針對衛星運行控制系統現狀及發展趨勢，對C/S模式和B/S模式系統架構進行了對比分析，確定了衛星運行控制系統功能模型和業務流程，并綜合考慮C/S模式、B/S模式系統架構的優缺點，提出了基于B/S和C/S混合模式的衛星運行控制系統體系結構，希望可以對未來衛星運行控制系統的建設發揮積極作用。

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