航天器地面綜測系統軟件間通信協議的現狀與改進

李勤毅，彭 欣，陳靜靜

(1.上海利正衛星應用技術有限公司，上海 201108； 2.上海衛星工程研究所，上海 200240；3.上海交通大學海洋研究院，上海 200240)

航天器地面綜測系統軟件間通信協議的現狀與改進

李勤毅1,2，彭 欣1，陳靜靜3

(1.上海利正衛星應用技術有限公司，上海 201108； 2.上海衛星工程研究所，上海 200240；3.上海交通大學海洋研究院，上海 200240)

傳統的航天器地面綜測系統軟件間通信協議一般是根據不同航天器的測試任務和測試特點而制定的，沒有形成統一規范，各航天器綜測系統軟件協議和接口的差別甚大，導致綜測系統軟件可移植性差；針對現有航天器地面綜測系統軟件間通信協議可擴展性能差的現狀，以新型小衛星地面綜測系統的設計研發為依托，探索并設計了一套基于XML描述與傳輸的通信協議，開發了地面綜測系統軟件，并對該通信協議進行了實現和試驗；經試驗證明，利用XML描述與傳輸的綜測系統軟件協議和XML串行化反串行化技術，該通信協議具備良好的操作性和可擴展性，較大的簡化了航天器地面綜測系統軟件間的接口設計，增強了綜測系統軟件的可移植性。

航天器綜測系統；通信協議；XML；串行化；反串行化

0 引言

航天器地面綜合測試系統(以下簡稱為：綜測系統)是航天器各分系統接口設計匹配性與正確性、航天器整器的功能性能和航天器各項總體指標的檢驗系統，完成航天器內測控分系統、電源分系統、姿軌控分系統、熱控分系統、載荷分系統等各分系統單機的總裝測試、航天器有線及無線測試、測控對接測試和應用對接測試等。對于新研航天器，綜測系統需要配合完成航天器關鍵技術驗證和關鍵單機研制測試等工作。綜測系統在航天器總體設計、總裝和總測中占據著非常重要的地位，其產生的數據和結論，直接關系到航天器是否具備出廠發射的條件。同時，綜測系統接收、解析的各種航天器遙測數據、遙控數據、載荷應用數據、地面系統狀態數據、研制過程環境數據、環境模擬試驗數據等數據，可直接作為航天器在軌狀態分析、演算和趨勢分析的依據。

隨著航天器功能的日益強大和航天器種類型號的日益龐大，航天器下行的遙測數據量日趨增大和復雜，如何高效、準確的接收、解析、傳輸航天器遙測數據，并盡可能適應不同種類、型號的航天器地面綜合測試，是現今航天器地面綜測系統設計和運行亟需解決的難題。

傳統的綜測系統軟件協議一般是由航天器總體研制單位根據本單位航天器的測試任務和測試特點而制定的，并沒有形成統一的規范，各航天器綜測系統軟件協議和接口的差別甚大，即使同單位內部，綜測系統軟件協議和接口也存在著不同航天器型號間定制的特點。這導致了綜測系統軟件協議需要根據不同的航天器進行修改和訂制，再根據協議對綜測系統軟件進行修改、調試和再驗證。

本文以新型小衛星地面綜測系統的設計研發為依托，探索具有靈活性和可擴展性的綜測系統軟件協議，設計了一套基于XML描述與傳輸[1-2]的綜測系統軟件協議，開發了綜測系統軟件，并對該綜測系統軟件協議進行了實現和試驗。經試驗證明，利用XML描述與傳輸的綜測系統軟件協議及XML串行化、反串行化技術，本文設計的航天器綜測系統軟件協議具備良好的操作性和可擴展性，較大的簡化綜測系統軟件接口設計，可靈活運用于不同種類型號的航天器地面綜合測試系統。

1 傳統綜測系統軟件間協議概述

傳統的綜測系統軟件間協議版本較多，概括而言，預留較多的備用字段，以便后續擴展。軟件間協議樣板如表1所示。

表1 傳統綜測系統軟件協議

數據區內的數據格式會根據數據類別的不同分別進行制訂。數據區內格式案例如表2所示。

表2 數據區格式案例

對于不同型號的航天器，如果航天器的測試特征差別較大，對于同一數據類別下的數據區格式定義差別也是比較大的。這便造成了綜測系統軟件移植性較差，如果該型號的航天器綜測系統需用于其他型號，綜測軟件修改量非常大。因為在協議中增加一個或多個字節，其余數據項在解析時便會有字節序號的偏移，直接關系到軟件協議解析模塊的解析錯誤。

航天器研制過程質量控制非常嚴格，如果綜測系統軟件修改量較大，那么綜測系統需要重新進行長時間的自測試進行驗證，驗證正確后方可用于航天器的綜合測試，這勢必造成航天器研制周期的延長，增加了航天器研制的風險。

2 基于XML描述的綜測系統軟件協議設計

可擴展標記語言(XML)能夠精確地聲明和描述航天器遙測數據項、遙控數據項及地面系統狀態項的各種內容，再利用XML的串行化和反串行化技術進行數據傳輸和解析，可以較好的解決不同種類航天器間綜測系統軟件的網絡數據接口的匹配難題。XML提供的這種描述結構數據的格式，可大大簡化網絡中數據交換和表示，使得代碼、數據和表示分離[3-4]。

2.1 協議設計

基于XML描述與傳輸的系統軟件協議如表3所示。系統內所有類型數據信息在網絡上傳輸時，統一采用該協議格式。

表3 基于XML描述的綜測系統軟件間通信協議

2.2 包頭設計

包頭由同步頭、版本號、信息類別、包體長度和校驗位組成。直接傳輸XML包體也是可以的，但本協議在制訂時增加了包頭部分，目的如下：(1)信息類別可用于區分不同XML數據，如0x01表示衛星遙測或地面設備狀態遙測；0x02表示遙控指令或地面設備控制指令；等。(2)同步頭、包體長度、校驗位的設置可增強協議傳輸的健壯性，在一定程度上對網絡傳輸幀進行了同步和校驗。

2.3 包體設計

包體采用XML文件進行定義。對于航天器研制、測試過程中產生的不同類型信息數據采用不同的XML格式。信息量比較大的遙測類型數據、地面設備狀態數據等信息采用四級節點的XML進行描述，遙控類型數據采用二級節點的XML進行描述。

(1)遙測類型數據XML包格式設計。

遙測源碼和采用解析規則對源碼解析后的物理工程量的包體設計樣本如下。節點表示本包傳輸的是遙測數據，同理，節點可表示傳輸的數據為發送至航天器的遙控數據。地面設備狀態信息、地面設備控制指令、環境數據等各種航天器測試數據類型可依次定義。

......

3

1

AAAAAA

......

1

......

其中，子節點對傳輸的數據進行全局說明，如：

航天器型號

航天器代號節點

采集通道名稱

通道類別

通道描述節點

網絡發送的包計數節點

本包數據地面接收時間節點

源碼節點等。

為遙測數據的根節點，此節點內有多個組成，表示經解析規則解析后的工程物理量。如：

波道名稱節點

物理量源碼節點

解析后物理量節點

顯示信息節點

物理單位節點

是否報警節點等。

由于采用XML格式對數據進行了組織，根節點下子節點的順序及不同型號航天器特定的子節點定義對軟件接收端解析沒有影響，這從根本上解決了傳統軟件協議難擴展的難題。

(2)遙控類型數據XML包格式設計

航天器遙控組織發送執行過程所需信息的包體設計樣本如下。

0x15

S頻段遙控

其中，為遙控類型數據的根節點，由于航天器的遙控不是連續的，是偶發的上行數據注入，信息量較小，采用二級節點可以完整的表述。具體子節點含義如下：

遙控發送時間子節點

遙控代號子節點

遙控通道子節點

遙控通道描述子節點

遙控狀態子節點

遙控數據子節點

遙控包計數子節點

(3)其他類型數據XML包格式設計

其他類型數據的XML包設計可參照遙測類型數據、遙控類型數據進行設計，由于使用XML串行化和反串行化技術對XML文件進行傳輸，軟件收端可以完整地發端組織的XML文件及其內容，這也是包體采用XML文件的巨大優勢之一。

2.4 XML串行化與反串行化

為了方便存儲或傳輸，采用串行化技術將打包的XML文件格式化至數據緩沖區，放入包體內，然后對包頭進行處理，再通過TCP/IP或者UDP方式進行數據發布。

軟件接收端通過網絡將接收的數據放入數據緩沖區，首先進行包體解析，包括包的同步、信息類別的識別、數據檢驗等。包頭判別正確后再將XML包體通過反串行化技術進行數據還原，即利用串行的狀態信息將對象從串行XML狀態還原成原始狀態，最后獲得打包時的XML文件。串行化與反串行化的目的是進行數據存儲和數據轉換。

為了滿足這一機制的需求，.NET Framework實現了一種基于XML的串行化機制，.NET框架中包含了命名空間System.Runtime.Serialization和System.Xml.Serialization以提供串行化功能，其中，System.Xml.Serialization命名空間提供了將一個對象串行化為XML格式的基本方法。這樣便可以將一個對象串行化為XML格式，從而它的所有公共域和屬性都將以XML寫入，然后可以將這個XML發送到任何地方，接收方則可以并行化該XML 數據，從而在內存中重建該對象。

System.Xml.Serialization命名空間中的關鍵類XmlSerializer提供了把對象串行化為XML文件及把XML文檔反串行化為對象的方法。實際的串行化過程在XmlSerializer類的Serialize方法中實現。該方法允許在串行化過程中調用TextWriter、Stream和XmlWriter對象。

XML文件串行化具體實現過程如下：

byte[] xmlDocBuffer;

MemoryStream xmlStream

= new MemoryStream();

XmlSerializer xmlSerial

= new XmlSerializer (typeof (XmlDocument));

xmlSerial.Serialize(xmlStream, xmlDocument);

//串行化XML文檔

xmlDocBuffer = xmlStream.ToArray();

//將內存流寫入字節數組緩存中

XML文件串行化具體實現過程如下：

byte[] buf = udpRecvSocket.Receive(ref multicastUdpRecv);

MemoryStream xmlStream

= new MemoryStream(buf);

//將緩存中的信息寫入內存流

XmlSerializer xmlSerial = new XmlSerializer (typeof (XmlDocument));

XmlDocument udpRecv = (XmlDocument) xmlSerial. Deserialize(xmlStream );

//反串行化XML文檔

xmlStream.Flush();

xmlStream.Close();

//關閉內存流

xmlStream.Dispose();

3 基于XML描述與傳輸的軟件協議驗證

綜測系統軟件是航天器地面綜合測試系統的信息核心，主要由總控臺軟件、服務器軟件、監視臺軟件、太陽模擬陣軟件、基帶前端軟件及其他各設備前端軟件組成[5-8]。綜測軟件系統的設計圖如圖1所示。

圖1 航天器地面綜測系統的設計圖

綜測系統內各功能軟件間通信均采用上述基于XML描述和傳輸的軟件協議。服務器軟件與監視臺軟件運行截圖如圖2所示。從軟件中設備連接狀態、接收數據計數、UDP組播發送計數及數據接收文本和曲線顯示可以看出，本文設計的基于XML描述與傳輸的通信協議在綜測系統軟件中應用良好。

航天器在空間通過天線利用微波信號將自身數據傳送至地面，經地面站微波通道接收后送基帶前端設備進行解調還原成源碼。服務器軟件可接收多個通道的源碼，并按照解析規則進行解析，而后按照上述協議進行組織打包，通過網絡分發出去。

監視臺軟件為測試人員提供對航天器狀態的監視界面，如圖2所示。從圖2的曲線和文本數據與發送的數據一致，證明本文設計的基于XML描述與傳輸的通信協議具有可行性和良好的操作性。

圖2 監視臺軟件運行截圖

4 基于XML描述與傳輸的軟件協議可擴展性分析

傳統的綜測系統軟件協議通過預留較多的備用字段，以便后續擴展。當備用字段重新定義或者在協議中增加一個或多個字節后，數據接收端在解析時需要準確把握字段定義及字節序號的偏移，否則會造成到軟件協議解析模塊的解析錯誤。

而本文設計的綜測系統軟件協議充分發揮了XML文件的靈活性，即使軟件接收端對部分節點定義不明確，也可通過反串行化技術直接獲得發端的XML文件和文件內各節點的信息。同時，子節點的前后順序對數據接收解析沒有影響。對于不同種類型號的航天器綜測軟件，保證根節點及全局節點的名稱一致，子節點可根據航天器不同的測試特征進行刪減，這可極大地提高綜測系統軟件的可移植性。

5 結論

本文針對現行航天器地面綜合測試系統軟件協議可擴展性能差的現狀，以新型小衛星地面綜測系統的設計研發為依托，探索并設計了一套基于XML描述與傳輸的通信協議，開發了綜測系統軟件，并對該通信協議進行了實現和試驗。經試驗證明，利用XML描述與傳輸的綜測系統軟件協議和XML串行化反串行化技術，該通信協議具備良好的操作性和可擴展性，較大的簡化了綜測系統軟件接口設計，可靈活運用于不同種類型號的航天器地面綜合測試系統。

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[8] 上海衛星工程研究所. 星地測試數據顯示終端框架軟件:中國, 2014SR002551[P]. 2014-01-08.

Current Situation and Improvement of Software Communication Protocol for Spacecraft Testing System

Li Qinyi1,2, Peng Xin1, Chen Jingjing3

(1.Shanghai Lizheng Satellite Application Technology Co., Ltd., Shanghai 201108,China； 2.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240 ,China； 3.Institute of Oceanology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

There is no unified software protocol for traditional spacecraft testing system and the difference between software protocols for each spacecraft testing system is very large, resulting in portability of spacecraft testing system software very poor. In light of this issue, we design a software communication protocol based on XML description and transmission, and develope the software for spacecraft testing system. The result proves that the use of XML description protocol and XML serialization and deserialization technology simplifies the design of system software and enhances the portability of system software.

spacecraft testing system; software protocol; XML; serialization; deserialization

2016-12-08；

2017-01-05。

李勤毅(1985-)，男，主任設計師，工程師，主要從事衛星地面綜合測試系統設計、測試系統軟件開發，電磁兼容設計與試驗，天線設計與仿真等方向的研究。

1671-4598(2017)05-0132-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.037

TP3

A