基于XTCE標準的通用型航天器系統數據處理方法研究

王楠，盧逸斌，王衛楠，肖余之，2

（1.上海宇航系統工程研究所上海201109；2.上海市空間結構與機構技術國防科技重點實驗室上海201109）

基于XTCE標準的通用型航天器系統數據處理方法研究

王楠1，盧逸斌1，王衛楠1，肖余之1，2

（1.上海宇航系統工程研究所上海201109；2.上海市空間結構與機構技術國防科技重點實驗室上海201109）

基于航天器研制過程中需要對不同種類不同格式的系統數據進行統一描述的目的，采用XTCE建立通用型的航天器系統數據處理方法，通過使用某型號航天器地面系統數據管理軟件進行地面試驗，得出該系統數據處理方法的使用可以實現航天器系統數據交換格式規范性和通用性的結論。提高航天器系統數據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。

XTCE；航天器；系統數據；數據處理

近年來，隨著航天器復雜度和對可靠性要求的提升，對航天器系統數據的解析和處理要求也隨之不斷升高。如何開發出一套快速有效的航天器系統數據處理系統已成為航天器設計和研制的重要環節和組成部分。

XTCE［1］（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數據的規范。其目的是提出一種國際化的新體制與標準，為不同機構和系統在航天任務的各個階段對航天器系統數據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自身的設計需求開發出了相應的XTCE應用軟件，用于航天器設計中。本文使用XTCE進行航天器系統數據處理模型設計，并設計了XTCE航天器系統數據交換文件設計，提出了基于XTCE的航天器系統數據處理方法。

1　XTCE組織結構

1.1面向對象的分層描述

XTCE為航天器提供了一個面向對象的樹狀分層描述結構，結構的根節點是“航天器系統”節點（如圖1所示）。XTCE的執行由根節點開始并傳播到整個航天器系統的各個層次，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據結構，并在逐步成熟后進行組裝構成邏輯系統，具有良好的延展性。

圖1　XTCE層次結構描述示意圖Fig.1Layers of a XTCE system

如上所述，相比以往的描述方法，XTCE具有以下優點［2］：

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描述遙測信息在數據交換方面具有方便準確的優勢；

2）XTCE在設計之初就考慮到了對異構任務的支持，這與航天器系統數據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構，易于在不同元素層次上進行擴展和集成；

1.2遙測元數據結構

遙測元數據是對航天器遙測數據的描述，定義了參數類型、參數、容器、消息、數據流、算法等內容［3］，詳見圖2。

圖2XTCE遙測元數據的結構Fig.2Elements of telemetry metadata in XTCE

圖2中的元數據分別包括如下內容：

1）ParameterTypeSet（參數類型集）：遙測參數的元數據集合，參數類型實例化后即可以描述遙測參數。參數類型包含的信息有：數據類型、說明信息、告警閾值、輸出數據的工程單元、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（參數集）：一組遙測參數及其引用的集合。參數是實例化的參數類型，包含名稱和指向參數類型的引用（ParameterRef）。參數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中定義參數的引用。

當我們把時間、精力集中在一項有價值和意義的志業之上時，就不可能有大量的時間和精力去玩一種淺薄的游戲。我們從志業的追求中所獲得的成就感、滿足感，也非那些淺薄的游戲可比。魯迅先生沒有被他那個時代的鴉片、麻將毀掉；你也可以確信，如果生活在今天，他也一定不會沉湎于手機、外賣、抖音等。

3）SequenceContainer（序列容器）：一組有序的參數序列，可以描述數據包、數據幀、子幀或結構數據項。序列容器可以由基礎容器派生，方便數據定義。

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 r中的元素與預定值是否一致，實現對SequenceContainer的過濾。

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

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

利用遙測元數據描述遙測參數的步驟為：用Parameter Set定義遙測參數，用ParameterType定義遙測參數的數據類型，然后定義SequenceContainer（對于分包遙測，Sequence Container用于打包遙測數據并描述遙測數據包，對于時分多路遙測，SequenceContainer用于描述遙測幀及幀結構），再定義遙測數據的StreamSet（數據流集），最后定義遙測數據的AlgorithmSet（算法集）。

1.3遙控元數據結構

遙控元數據的格式與遙測元數據相似，但除了含有與遙測元數據一致的ParameterTypeSet，ParameterSet，MessageSet，StreamSet和AlgorithmSet以外，還有ArgumentType（判據類型集）和Metacommand（元指令集），如圖3所示。

ArgumentType（判據類型集）：判據類型集與參數類型集十分相似，區別是判據類型實例化后通常與特定的遙控數據綁定。該集合包含的信息包括：數據類型、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、指令間約束關系、指令序列、指令容器、指令驗證集等內容定義遙控指令。

2　XTCE數據處理模型以及XTCE文件設計

2.1Space System的設計

構造XTCE數據模型時，首先要對頂層的航天器結構進行定義，表示出XTCE所代表的航天器或子系統的框架結構。對于每個分系統或載荷，可以進行相應的工程狀態參數設定，用以表示數據信息所對應的工程周期。以樹狀結構表示了XTCE文件所代表的載荷系統及其所包含的單機。Space system以分級的形式表示出了航天器的系統結構，航天器所包含的分系統、載荷以及單機設備級的子結構都可以利用XTCE進行相應的工程描述［4］。以樹狀結構表示了XTCE文件所代表的載荷系統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遙測遙控數據處理模型設計

定義好Space System數據模型之后，就可以根據遙測遙控的數據格式來定義其數據模型。定義時，使用自上而下的設計方法，先把數據框架設計好，然后再根據載荷或分系統的命令或數據信息將數據模塊“搭建”到數據框架中［5］。根據遙測遙控包的共性和區別，設計了如圖4的測控統一XTCE數據模型。

圖4　遙測遙控統一數據模型Fig.4Data model of system data

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

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。

2.3XTCE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數據模型，針對同一XTCE數據模型可開發相關的解析軟件將模型中的信息轉化為符合XTCE schema的XTCE數據文件，此時XTCE文件中已經包含了全部的衛星數據格式信息［6］。

隨著數據文件的驗證或檢驗，XTCE文件可能需要相應的修改或調整。對于數據定義中插入，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容，如數據內容或類型等，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應用于某型號航天器的地面系統數據管理軟件中。下面舉例說明如何用XTCE定義航天器遙測數據，圖5所示為幀序號是0和1的兩個遙測數據子幀。

圖5　航天器遙測幀結構示例Fig.5An example of telemetry frame

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Bat1V，子幀1的第16-24位表示參數Beacon Status。用自然語言對子幀0的這2個參數進行描述：Bat1V表示電池1的電壓，編碼為8位無符號整形數，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，編碼為8位無符號整形數，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，沒有特定的規范，在實際處理時需要大量的人工轉換，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，則可以轉化為如圖6所示的形式。

這樣的描述可以通過優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。可以很好的解決不同航天器系統數據統一定義和描述的問題。

4　結束語

本文詳細說明了XTCE中對于航天器［7-8］系統數據的定義，分析了用XTCE描述航天器系統數據的優點，并設計了基于XTCE的通用型航天器系統數據處理模型以及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數據描述需求，能夠支持不同航天器的異構任務，為描述各類航天器系統數據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數據處理所需要的信息。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。

圖6　遙測數據描述示例Fig.6An example for TC data description

［1］XML.TELEMETRIC AND COMMAND EXCHANGE（XTCE）［S］.CCSDS 660.0，Green Book，2006.

［2］XML.TELEMETRIC AND COMMAND EXCHANGE（XTCE）［S］.CCSDS 660.0，Green Book，2007.

［3］XML.TELEMETRIC AND COMMAND EXCHANGE（XTCE）［S］.CCSDS 660.0，Green Book，2008.

［4］劉飛飛.空間太陽望遠鏡有效載荷EGSE平臺的設計與實現［D］.北京：中國科學院研究生院，2009.

［5］左江濤.基于XTCE的實時遙測數據處理方法研究［D］.北京：中國科學院研究生院，2011.

［6］CHEN Gang，LIU Yang，ZHOU Wen＇an，et al．Research on intelligent fault diagnosis based on time series analysis algorithm［J］．The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2008，15（1）：68-74．

［7］朱博，董義鵬，金鋒.載人航天器儀表系統紅外觸摸屏硬件電路設計［J］.現代電子技術，2013（18）：39-43. ZHU Bo，DONG Yi-peng，JIN Feng.Hardware circuit design of infrared touch screen on instrument system of manned spacecraft［J］.Modern Electronics Technique，2013（18）：39-43.

［8］翟西，李新洪，劉世軒，等.大型被服務航天器質量特性參數在軌辨識［J］.現代電子技術，2013（21）：103-107. ZHAI Xi，LI Xin-hong，LIU Shi-xuan，et al.On-orbit massproperty identification for large module-replaceable spacecraft［J］.Modern Electronics Technique，2013（21）：103-107.

Study on universal spacecraft system data interpretation method based on XTCE

WANG Nan1，LU Yi-bin1，WANG Wei-nan1，XIAO Yu-zhi1，2
（1.Shanghai Institute of Aerospace System Engineering，Shanghai 201109，China；2.Shanghai National Defence Technology Key Laboratory of Spacecraft Mechanism，Shanghai 201109，China）

The need for a unified description of the purpose of the different formats ofdata based on spacecraft development process，usingthedataprocessingmethodofXTCEspacecraftsystemtobuildauniversal，groundtestbyusingthedatamanagement software of a certain type of spacecraft groundsystem，the use of data processing method of the system can be realizedand general formatspecificationconclusiondataexchangespacecraftsystem.Toimprovetheefficiencyandreliabilityofspacecraftsystemdata analysisandprocessing，asthespacetaskinformationexchangeprovidesaconvenientmethodandnewideas.

XTCE；spacecraft；system data；data interpretation

TN391.9

A

1674－6236（2015）09-0119-04

2014-08-06稿件編號：201408028

王楠（1980—），男，黑龍江佳木斯人，碩士，工程師。研究方向：航天器綜合測試。