DDS體系在飛行器地面測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

王楠，王衛(wèi)楠，肖余之

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海市空間結(jié)構(gòu)與機構(gòu)技術(shù)國防科技重點實驗室，上海 201109）

地面測試是飛行器研發(fā)過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，伴隨著飛行器研發(fā)的全生命周期，地面測試系統(tǒng)始終承擔(dān)著非常重要的責(zé)任。傳統(tǒng)的飛行器地面測試系統(tǒng)多采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有數(shù)據(jù)吞度量小、數(shù)據(jù)實時性不高、不同測試設(shè)備之間數(shù)據(jù)延遲大等缺點，嚴重影響了飛行器地面測試的有效性，大大降低了飛行器地面測試的效率。

DDS（Data Distribution Service 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）[1]體系是對象管理組織OMG發(fā)布的有關(guān)分布式實時系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)規(guī)范。DDS體系是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱通信模型，針對強實時系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提供低數(shù)據(jù)延遲、高數(shù)據(jù)吞吐量、高數(shù)據(jù)實時性。DDS體系提供統(tǒng)一的應(yīng)用編程接口，規(guī)范了實時分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為標準化，提供了一個與平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言，使得實時分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)能夠高效、可靠地發(fā)布。

1 DDS體系的關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)點

1.1 DDS體系的通信模型

為滿足實時應(yīng)用的需要，DDS體系使用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱通信模型DcPs[2]。該通信模型建立“全局數(shù)據(jù)空間”的概念，該空間中將用戶對資源的需求情況和資源的可用情況都轉(zhuǎn)化為服務(wù)

質(zhì)量參數(shù)的設(shè)定。數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者在全局數(shù)據(jù)空間中發(fā)送和訂閱自己需要的數(shù)據(jù)類型，由數(shù)據(jù)發(fā)布者將數(shù)據(jù)寫入全局數(shù)據(jù)空間；由數(shù)據(jù)訂閱者從全局數(shù)據(jù)空間中獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)布者發(fā)布數(shù)據(jù)時會為不同類型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)不同的發(fā)布主題，數(shù)據(jù)訂閱者接收數(shù)據(jù)時會按照預(yù)先設(shè)置好的接收主題進行接收，主題相同時進行數(shù)據(jù)的傳輸。圖1顯示了DDS體系的DcPs數(shù)據(jù)通信模型。

DcPs數(shù)據(jù)通信模型是DDS體系的核心概念，該模型中數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者是松耦合的，雙方不需要知道對方的物理地址和端口，通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)異步傳輸，使系統(tǒng)更加靈活，更易于擴展與維護。同時，由于數(shù)據(jù)主題存儲在全局數(shù)據(jù)空間，即使一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信出現(xiàn)問題，其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點仍然能正常工作，應(yīng)用程序可以通過其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點繼續(xù)通信，使得系統(tǒng)性能更優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)中同時進行多點傳送，把單個數(shù)據(jù)流分組同時發(fā)送給多個分布式獨立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，極大地增加了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低了系統(tǒng)的時延和抖動性。

圖1 DcPs數(shù)據(jù)通信模型Fig.1 DcPs data communication model

1.2 DDS體系的QoS策略

DDS體系定義了大量的數(shù)據(jù)傳輸策略（QoS）[3]，用來保證多種數(shù)據(jù)傳輸時所具有的不同的要求。通過定義QoS策略中的一系列關(guān)鍵指標，時間管理、資源利用、傳輸層配置、數(shù)據(jù)一致性、持久性等，保證數(shù)據(jù)實時性、傳輸完整性等數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。針對多數(shù)據(jù)流劃分出不同的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級，為不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)提供不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)，保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膬?yōu)先性和可靠性。

在DDS體系中引入排隊特性來保證網(wǎng)絡(luò)的QoS策略。為了處理不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流，可以在每個數(shù)據(jù)輸入時采用多個緩沖隊列，在數(shù)據(jù)輸出時只有單個緩沖隊列，所有的數(shù)據(jù)流都必須在同一個隊列里排隊進行等待服務(wù)，保證能夠按照數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級給予優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)流以更好的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)以及響應(yīng)時間，排隊特性的原理如圖2所示。

圖2 QoS排隊策略Fig.2 QoSqueue strategy

1.3 DDS體系的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的TCP/IP和UDP通信體系相比，DDS體系優(yōu)點如表1所示。

TCP/IP體系采用面向連接的傳輸模式，數(shù)據(jù)傳輸時采用點對點的方式，其應(yīng)答性的傳輸特點導(dǎo)致其傳輸性能較差，不同的數(shù)據(jù)接收終端接收數(shù)據(jù)時存在一定的時間差，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)的不斷增大，數(shù)據(jù)接收終端之間的時間差會逐漸變大。因此采用TCP/IP構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)實時性較低，不易于擴展，且不是應(yīng)用層協(xié)議，易用性較差[4]。UDP體系采用非面向連接的方式，數(shù)據(jù)傳輸時采用組播或者廣播的方式。但UDP體系是不可靠性傳輸，在傳輸過程中數(shù)據(jù)完整性較差，因此采用UDP體系構(gòu)建的可靠度較低，網(wǎng)絡(luò)擴展性較差，且不是應(yīng)用層協(xié)議，易用性較差[5]。DDS體系采用訂閱-發(fā)布的數(shù)據(jù)傳輸模式，類似于組播或廣播的傳輸模式保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝剩瑫r通過QoS的配置，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴２捎冒l(fā)布-訂閱的傳輸方式能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間一致性，且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的不斷增加，系統(tǒng)性能也不會下降。兼具了TCP/IP體系和UDP體系的優(yōu)點，且DDS體系是應(yīng)用層協(xié)議的特點也使得應(yīng)用DDS體系的網(wǎng)絡(luò)易用性非常好[6]。

表1 不同網(wǎng)絡(luò)通信體系比對表Tab.1 Comparison of different network system

2 飛行器地面測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

按照飛行器測試相關(guān)方面的規(guī)定和對地面測試系統(tǒng)的需求，構(gòu)建了基于DDS體系的某型號飛行器（sj15）地面測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)以DDS體系為中心建立全局數(shù)據(jù)空間，上層設(shè)備直接和飛行器連接并進行數(shù)據(jù)交互，統(tǒng)稱為地面設(shè)備。下層設(shè)備主要完成試驗數(shù)據(jù)處理和顯示、測試指令輸入等人機交互處理，統(tǒng)稱為測試設(shè)備。系統(tǒng)組成如圖3所示。

地面設(shè)備主要負責(zé)對飛行器提供模擬激勵數(shù)據(jù)和接收來自飛行器的測試數(shù)據(jù)。地面設(shè)備作為數(shù)據(jù)發(fā)布者將來自飛行器的測試數(shù)據(jù)發(fā)布到DDS網(wǎng)絡(luò)上，同時對不同類型的測試數(shù)據(jù)標識不同的主題，供不同的設(shè)備進行訂閱。地面設(shè)備作為數(shù)據(jù)訂閱者按照設(shè)置好的主題從DDS網(wǎng)絡(luò)上訂閱來自測試設(shè)備的配置指令數(shù)據(jù)。測試設(shè)備主要負責(zé)對地面設(shè)備和飛行器提供配置指令數(shù)據(jù)，同時接收和處理來自地面設(shè)備的測試數(shù)據(jù)。測試設(shè)備作為數(shù)據(jù)發(fā)布者將對地面設(shè)備和飛行器的配置指令數(shù)據(jù)發(fā)布到DDS網(wǎng)絡(luò)上，同時對不同類型的數(shù)據(jù)標識不同的主題。測試設(shè)備作為數(shù)據(jù)訂閱者按照設(shè)置好的主題從DDS網(wǎng)絡(luò)上訂閱來自地面設(shè)備的測試數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流

2.2.1 配置指令數(shù)據(jù)

圖3 DDS體系飛行器測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 DDSspacecraft detection system

配置指令數(shù)據(jù)由測試設(shè)備中的主測試計算機發(fā)起，主要包括對飛行器的遙控數(shù)據(jù)、對電源地面設(shè)備的輸出伏安特性配置數(shù)據(jù)、對測控地面設(shè)備的射頻參數(shù)配置數(shù)據(jù)、對數(shù)管地面設(shè)備的總線監(jiān)控配置數(shù)據(jù)、對控制系統(tǒng)地面設(shè)備的閉環(huán)控制數(shù)據(jù)、對熱控地面設(shè)備的工作模式配置數(shù)據(jù)。配置指令數(shù)據(jù)信息流如圖4所示。

主測試計算機序利用DcPs通信模型技術(shù)，針對不同類型的配置指令數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)不同的主題，如圖4所示，包括電源配置主題、遙控配置主題、測控配置主題、數(shù)管配置主題、控制配置主題和熱控配置主題。不同的主題分別關(guān)聯(lián)不同類型的配置指令數(shù)據(jù)，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

各地面設(shè)備作為數(shù)據(jù)訂閱者，接收配置指令數(shù)據(jù)時按照設(shè)置好的主題進行接收，接收配置指令數(shù)據(jù)時首先比對主題，主題符合即接收該類型配置指令數(shù)據(jù)，否則不接收。根據(jù)測試中的需要，各地面設(shè)備和測試設(shè)備接收配置指令主題為：

1）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接收所有類型主題的配置指令；

2）顯示終端接收所有類型主題的配置指令；

3）電源地面設(shè)備接收電源配置主題的配置指令；

4）測控地面設(shè)備接收測控配置主題的配置指令；

5）數(shù)管地面設(shè)備接收數(shù)管配置主題的配置指令；

6）控制地面設(shè)備接收控制配置主題的配置指令；

7）熱控地面設(shè)備接收熱控配置主題的配置指令。

圖4 配置指令數(shù)據(jù)信息流圖Fig.4 Configuration directives information

表2 主題與配置指令數(shù)據(jù)對應(yīng)表Tab.2 Corresponding of topic and configuration directives

按照DDS體系中QoS策略，對配置指令數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級設(shè)置。根據(jù)測試過程中對不同類型配置指令數(shù)據(jù)的處理要求，優(yōu)先級從高到低依次為遙控數(shù)據(jù)、輸出伏安特性配置數(shù)據(jù)、閉環(huán)控制數(shù)據(jù)、射頻參數(shù)配置數(shù)據(jù)、總線監(jiān)控配置數(shù)據(jù)、工作模式配置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸時，隊列中排序順序設(shè)置為先高后低，按照從高到低的優(yōu)先級順序進行數(shù)據(jù)交互。

2.2.2 測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)主要指來自地面設(shè)備的測試狀態(tài)數(shù)據(jù)，由各地面設(shè)備將自身的各類試驗數(shù)據(jù)以及飛行器的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集打包發(fā)送，主要包括飛行器的狀態(tài)數(shù)據(jù)、電源地面設(shè)備的供電采樣數(shù)據(jù)、測控地面設(shè)備的無線鏈路數(shù)據(jù)、數(shù)管地面設(shè)備的總線數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)地面設(shè)備的模擬激勵數(shù)據(jù)、熱控地面設(shè)備的熱控數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)信息流如圖5所示。

圖5 測試數(shù)據(jù)信息流圖Fig.5 Detection data information

地面設(shè)備作為各類測試數(shù)據(jù)的發(fā)布者，針對不同的測試數(shù)據(jù)建立不同的主題，如圖5所示，包括電源狀態(tài)主題、飛行器狀態(tài)主題、測控狀態(tài)主題、數(shù)管狀態(tài)主題、控制狀態(tài)主題、熱控狀態(tài)主題。不同的主題分別關(guān)聯(lián)不同類型的測試數(shù)據(jù)，對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 主題與測試數(shù)據(jù)對應(yīng)表Tab.3 Corresponding of topic and test data

測試設(shè)備作為各類測試數(shù)據(jù)訂閱者，接收測試數(shù)據(jù)時按照設(shè)置好的主題進行接收，接收測試數(shù)據(jù)時首先比對主題，主題符合即接收該類型測試數(shù)據(jù)，否則不接收。根據(jù)飛行器測試過程中的需求，測試設(shè)備接收主題設(shè)置為接收所有類型測試數(shù)據(jù)的主題。

按照DDS體系中QoS策略，對測試數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級設(shè)置。根據(jù)測試過程中對不同類型測試數(shù)據(jù)的處理要求，優(yōu)先級從高到低依次為飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)、供電采樣數(shù)據(jù)、總線數(shù)據(jù)、模擬激勵數(shù)據(jù)、熱控數(shù)據(jù)、無線鏈路數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸時，隊列中排序順序設(shè)置為先高后低，按照從高到低的優(yōu)先級順序進行數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

為了驗證系統(tǒng)的功能以及可靠性，將系統(tǒng)應(yīng)用于某型號飛行器（sj15）的地面測試過程中，利用測試設(shè)備中的主測試計算機實現(xiàn)人機交互，將各類配置指令數(shù)據(jù)編輯并發(fā)送到DDS全局數(shù)據(jù)空間中，各地面設(shè)備按照需要在全局數(shù)據(jù)空間中訂閱不同的配置指令數(shù)據(jù)，完成各自的功能配置，通過各地面設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)可以判斷出，利用訂閱不同的配置指令數(shù)據(jù)可以很好的實現(xiàn)對不同地面設(shè)備的狀態(tài)配置。

各地面設(shè)備接收飛行器的各類狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與地面設(shè)備自身的各類試驗數(shù)據(jù)一起打包形成測試數(shù)據(jù)，發(fā)布到DDS全局數(shù)據(jù)空間中。各測試設(shè)備根據(jù)不同的需要訂閱不同的測試數(shù)據(jù)進行解析處理，通過分析測試數(shù)據(jù)，可以很好的得到整個測試系統(tǒng)以及飛行器的狀態(tài)信息，從而判斷飛行器的健康狀態(tài)。

從系統(tǒng)實際運行情況可以得出，以DDS體系為中心構(gòu)建的測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸完整性好、實時性高，能夠按照數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級準確的處理各種復(fù)雜數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)資源利用充分，完全可以滿足飛行器地面測試過程中的各類測試需求。

4 結(jié)束語

DDS體系作為一種新興的數(shù)據(jù)交互體系具有十分突出的優(yōu)點，為構(gòu)建高性能、高可靠、可擴展、可配置的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)提供了標準規(guī)范，為構(gòu)建以數(shù)據(jù)為中心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)服務(wù)平臺。將DDS體系應(yīng)用于飛行器地面測試系統(tǒng)的構(gòu)建，使得飛行器地面測試系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的實時性低、不易于擴展、靈活性差等缺點，大大提升了飛行器測試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)訂閱、數(shù)據(jù)傳輸實時性、系統(tǒng)升級擴展等諸多方面的性能。隨著DDS體系的不斷發(fā)展，DDS體系將為飛行器地面測試提供更完善的服務(wù)質(zhì)量保障，飛行器地面測試系統(tǒng)將會變得更自動化、模塊化智能化程度更高，更好的滿足日益增加的飛行器測試需求。

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