基于XTCE的衛星狀態監視平臺設計與實現

邢瑩 師本慧 陳金勇

（中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊 050081）

基于XTCE的衛星狀態監視平臺設計與實現

邢瑩 師本慧 陳金勇

（中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊 050081）

針對衛星狀態監視任務不斷增加的多樣性和復雜性，衛星狀態監視平臺的設計越來越復雜，介紹基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換（XTCE）標準，提出分層的衛星狀態監視平臺架構。該平臺將XTCE作為衛星遙測數據交換的統一格式，采用“平臺+插件”的思想對基于XTCE的衛星狀態監視平臺進行體系架構設計，以降低各個模塊之間的耦合度，簡化了衛星數據交換格式轉換流程，提升整個平臺的可擴展性和通用性，減少項目的研發周期和成本。

XTCE 衛星數據 “平臺/插件” 狀態監視

1 引言

隨著航天事業蓬勃發展，衛星和有效載荷的種類和數量都在不斷的增長，衛星狀態監視任務也越來越復雜，研發周期和成本也在不斷增長，對衛星狀態監視平臺的處理效率、通用性和易擴展性的要求也越來越高。傳統衛星狀態監視對衛星遙測數據格式的描述均是根據不同的衛星和有效載荷定制的，不同衛星采用了大量不同的工具和技術，導致每個衛星狀態監視平臺在數據處理和軟件研制等方面的工作量很大，不利于衛星系統與地面系統研制過程中不同組織或部門之間的遙測數據交換。

XTCE(XML Telemetric and Command Exchange)[1,2]是對象組織管理最初于2003年制訂了一套國際化的空間遙測和遙控數據交換標準，保證了空間遙測和遙控數據交換的一致性。因而XTCE在衛星狀態監視平臺中的應用，是航天地面系統、航天器設計和研制的重要環節[3]。

根據某系列衛星的狀態監視需求，設計了一種通用可擴展的衛星狀態監視平臺，該平臺采用XTCE標準規范作為遙測數據的統一格式，構建了“平臺+插件”的體系架構，并針對不同的衛星狀態顯示需求設計實現了功能插件，給出了具體示例。

2 XTCE對遙測數據的描述

XTCE是以XML技術為基礎，定義空間任務遙控和遙測數據格式的交換標準，規定了遙測和遙控的元數據邏輯存儲結構，可以應用在航天器、有效載荷和地面支持系統生命期（系統設計、開發、測試、驗證和任務實施）的各個階段[4,5]，實現遙測遙控信息在航天任務各系統間無縫對接。

XTCE是以SpaceSystem為根元素，樹狀層次化的結構。XTCE的應用體系結構又被稱為XTCE Schema。XTCE Schema的實例,即遙測和遙控數據配置文件,都是以根元素SpaceSystem開始，每個SpaceSystem元素有6個部分。在以XTCE定義的Schema為根據設計衛星數據結構時，需要涉及以下方面的內容：對空間系統的層次結構設計、對遙測數據的設計、對遙控指令的設計以及對遙測遙控規則的服務集的設計[7]。

在使用XTCE標準定義遙測遙控數據時，需要先規定參數集的結構，依次按各個參數屬性對數據類型、長度以及編碼等進行細化。在配置遙測文件時，需按照測控數據標準大綱編寫數據傳輸幀和數據包的格式，在XTCE中定義數據流結構，設置其名稱、長度、遙測類型和應用通道標示符等，并于容器元素（xtce:SequenceContainer）分別定義幀、包的結構，如主導頭、數據區、運行控制區和幀差錯控制區等。

在配置遙測數據時，需要設置參數類型集（xtce：ParameterTypeSet）、參數集（xtce：ParameterSet）以及封裝各參數的容器集（xtce：ContainerSet）的內容。在參數集中描述了遙測參數名稱、類型以及關聯參數和物理地址等屬性，容器作為對遙測參數的封裝定義了其包含參數的結構關系和排列順序。

XTCE中使用xtce：DefaultAlarm元素來描述參數的報警范圍屬性，共定義了WatchWarningDistressCriticalSevere五種報警級別。XTCE還提供xtce：AlarmConditions元素來描述各個報警級別的成立條件，成立條件可以和一或多個參數關聯，也可以使用布爾表達式、逆波蘭表達式以及自定義算法進行描述。

在衛星數據格式中，存在大量需要對遙測參數關聯關系描述的情況。XTCE中定義了xtce：InclusionCondition元素來描述這種參數處理方法，常見關聯關系的包含條件描述方法有布爾表達式判斷、單一條件判斷以及列表條件判斷。

3 基于代理的WBM系統架構設計

根據基于代理的WBM方案模型，系統主要實現3個部分的功能，分別是Web服務器、WBM應用和網絡管理平臺，為保證系統結構靈活，Web服務器采用MVC設計模式，WBM應用和網絡管理平臺組合到一起，單獨實現，整個系統的框架如圖2所示。

圖2 XTCE在測數據處理顯示流程中應用示意圖

一般遙測數據處理流程為包含接收存儲、解析處理和顯示3個階段。在接收存儲階段，從測控系統或地面站接收遙測數據流，解密并將原文件本地保存并入庫，判斷幀同步碼并將數據流解析處理，XTCE文件提供幀同步信息，以獲取幀標識，將數據發送至處理顯示。在解析處理過程中，需要對接收數據進行糾錯、信道分錄、載荷分包和源包重構，然后根據XTCE提供的遙測數據格式規范解析源包中的參數數據[8]，使其具有物理意義。顯示部分通過XTCE中遙測參數結構的定義和處理方法的描述，對遙測參數進行列表、曲線和圖形等方法的顯示展示。

XTCE作為一種交換遙控和遙測數據格式的方法，從空間任務的研發到運行階段的過程中，用在衛星、載荷研制部門以及地面不同系統之間。將XTCE用于衛星狀態監視平臺中來描述遙測數據信息格式，可以減少各系統間數據格式的轉換工作，提升系統工作效率，縮短任務研制周期。

4 衛星狀態監視平臺架構設計

按照建立可重組重構的柔性系統結構設計原則，將衛星狀態監視平臺進行分層建模，構建監視平體系架構，分為交互層、應用層、數據資源層和支撐層。從總體概念角度看，為逐層向上提供服務與支撐的機制。交互層向用戶展示遙測數據信息，進行人機交互，業務層與測控系統、地面接收系統和數據處理與管理系統進行信息交互。衛星狀態監視平臺的體系架構設計如圖3所示。

圖3 衛星狀態監視平臺的體系架構設計

根據衛星任務運行系統的統一設計要求，在分析衛星狀態監視平臺業務需求的基礎上，根據“平臺+插件”思想設計平臺功能，為各衛星有效載荷狀態等監視顯示提供統一的平臺框架[9-12]和公共功能，如圖4所示。

圖4 衛星狀態監視平臺框架

衛星狀態監視平臺集成插件管理功能，為某衛星狀態監視和參數統計分析等業務層插件提供數據文件處理、插件通信和插件接口規范等支持。平臺是整個系統運行的基礎[13]，負責實現衛星狀態監視的通用功能，擴展性處理及顯示功能則以插件的方式來實現。各個擴展功能插件之間，以及平臺與插件之間集成與協調工作則由平臺管理支持實現。平臺最基本的功能和服務[14]由平臺內核、插件管理、插件加載及插件公用服務4部分實現，負責提供插件注冊和加載等功能。

5 衛星狀態監視平臺的實現

衛星狀態監視平臺被應用于某空間科學專項任務運行系統中，將實時遙測數據或科學數據的處理結果用于監視各個衛星平臺和有效載荷在軌運行狀態、通過衛星參數信息對衛星狀態進行綜合判讀及提供對參數的統計分析，其主要由衛星數據支撐和衛星專用顯示2部分組成。衛星狀態監視平臺界面如圖5所示。

圖5 衛星狀態監視平臺界面

數據處理插件通過讀取參數處理結果和科學數據處理結果，根據XTCE中參數處理方法和判讀規則，將處理結果數據返回給衛星狀態監視平臺。

衛星顯示插件獲取衛星數據支撐模塊的處理結果，用列表或曲線圖等方式對衛星平臺狀態和有效載荷狀態等進行展示。衛星專用顯示軟件提供參數頁面的定制功能，根據配置信息獲取數據處理插件的數據支撐，該過程通過通信插件實現，多參數統計分析的界面如圖6所示。

6 結束語

目前在航天地面支持系統中，衛星狀態監視平臺一般都是根據衛星和有效載荷定制設計的，存在著系統自動化、智能化程度低與系統通用性差等問題。提出了用XTCE作為遙測數據交換的統一格式，基于“平臺+插件”思想設計的衛星狀態監視平臺，搭建衛星狀態監視平臺體系架構，為遙測數據的顯示功能以插件的形式提供擴展，有效地提升了系統平臺的健壯性和可復用性，大大減少了新任務的開發成本，實現衛星狀態監視平臺的快速開發和高效運行。

[1]CCSDS Secretariat,CCSDS 660.0-R-2-2005 XML Telemetric and Command Exchange[S].

[2]CCSDS Secretariat,CCSDS 660.0-G-2-2012 XMLTelemetric and Command Exchange[S].

[3]BRAUN A,MASLIN S,SCHMIDHUBER M,et al.XTCE at GSOC—First Experiences Adopting a New Standard[C] //SpaceOps,AIAA-2006-5582,Italy:Rome,2006.

[4]SIMON G,SHAYA E,et al.XTCE:A Standard XML Schema for Describing Mission Operations Databases,2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings[C].America:USA,2004(l5): 3313-3325.

[5]JENNIFER M,MARIO M.The XTCE Standardization Approach of Telemetry and Telecommand Databases:The ESA Example.SpaceOps 2006 Conference[EB/OL].http://www. aiaa.org/spaceOPS2006/presentapions/55862.ppt.

[6]左江濤.基于XTCE的實時遙測數據處理方法研究[D].北京:中國科學院光電研究院,2011.

[7]劉洋,劉勇,張永合,陳雯.基于數據模型的衛星XTCE文件設計及應用[J].計算機測量與控制,2012,20(6): 1643-1645.

[8]KOLLER M,SCHURIG C.Cost Reduction-Buzzwords and Their Real Use:Mission Families,Mission Planning,Mission Automation and Standardization,Space Mission Challenges for Information Technology:SMC-IT 2009:Third IEEE International Conference on[C].2009:305-312.

[9]李俊娥,周洞汝.“平臺/插件”軟件體系結構風格[J].小型微型計算機系統,2007(5):876-881.

[10]張進軍,張維勇,薛來文.一種基于插件的軟件體系結構[J].合肥工業大學學報:自然科學版,2005,28(4).

[11]馮新揚,崔凱,沈建京.面向插件的應用框架研究與實現[J].計算機工程與應用,2009,45(10).

[12]陳托,姚國清.插件技術在航天數據處理中的應用[J].電腦知識與技術,2011,(1).

[13]石雪.電力巡檢系統中基于插件的移動應用框架的研究和設計[D].華南理工大學:華南理工大學,2010.

[14]Yi-Hsuan Hung,Chien-Hsun Wu,Shih-Ming Lo,et al. Development of a Hardware in-the-Loop Platform for Plug-in Hybrid Electric Vehicles:Computer Communication Control and Automation(3CA)2010 International Symposium on[C].Taiwan 2010(1):45-48.

Design and Implementation of Satellite Status Monitoring Platform Based on XTCE

XING Ying,SHI Ben-hui,CHEN Jin-yong
(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

With the continuous increasing of diversity and complexity of satellite status monitoring tasks,the design on satellite status monitoring platform becomes more and more complex.This paper introduces the XML Telemetric and Command Exchange(XTCE) standard and proposes the hierarchical architecture of satellite status monitoring platform.This platform takes the XTCE as the unified form of satellite telemetry data exchange,and uses the idea of platform and plug-in to design the system architecture of satellite status monitoring platform based on XTCE,in order to reduce the coupling degree among components,simplify the format conversion process of satellite data exchange,improve the extendibility and universality of whole platform and decrease the development cycle and cost of project.

XTCE;satellite data;platform and plug-in;status monitoring

TP319

A

1008-1739（2014）24-55-4

定稿日期：2014-11-26