基于SOIS的星載平臺軟件架構設計探索

王君 王志杰 樂浪

(中國空間技術研究院通信衛星事業部， 北京 100094)

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基于SOIS的星載平臺軟件架構設計探索

王君 王志杰 樂浪

(中國空間技術研究院通信衛星事業部， 北京 100094)

為適應星上信息處理發展需要，文章探索新的星載平臺軟件架構設計。新架構設計參考了空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)的航天器在軌接口業務(SOIS)建議書中的信息處理流程，汲取其把應用軟件和信息處理軟件分離的思想, 并結合有線和無線總線在軟件外部接口應用的選擇。此架構接口統一，可適應多目標多變量的發展需求，信息處理軟件可支持大容量數據存儲和傳輸，使應用軟件可獲取更豐富的信息，有利于提升衛星自主管理能力和在軌操作能力。

衛星信息處理；航天器在軌接口業務；軟件架構設計

1 引言

星上信息系統軟件是衛星信息系統的關鍵部分，它通過與周圍硬件的信息交互，完成衛星所有自主管理任務。軟件需求隨著衛星信息系統的發展不斷演進，從局部管理到系統級管理，不斷提升自主能力。CCSDS等國際標準一直致力于規范空間數據系統的功能，提高航天器智能化水平，增強航天器的兼容性和適應性。CCSDS針對航天器新的發展要求，例如集成化、網絡化、功能軟件化、智能化和更高自主性等，提出了CCSDS 850.0-G-2 航天器在軌接口業務(Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS)及其配套的建議書。SOIS建議書提出了空間在軌接口業務參考通信架構，可以理解為把航天器信息處理流程進行分層和定義，建議多種總線和信息鏈路接口，具有很強的兼容性和可擴展性。

目前，CCSDS建議書尚未對航天器軟件需求或設計提出建議，對軟件體系架構的建議正處于醞釀之中。我國對CCSDS具體標準的應用很多，但涉及軟件設計的研究并不多見。SOIS建議書對衛星平臺的軟件架構設計具有很好的借鑒意義。

本文首先從未來衛星的信息化、智能化需求考慮，介紹了衛星信息管理發展趨勢。在介紹空間在軌接口業務通信架構基礎上，提煉當前衛星平臺軟件設計與SOIS理念的差異。比對有線總線和無線總線優缺點，提出軟件外圍接口總線使用的建議。最后提出了可適應SOIS建議的衛星平臺軟件架構的初步設計。

2 未來衛星信息處理的新需求

未來衛星信息化、智能化水平的提升，體現在自主集中監視、控制和管理衛星能力的提升。實現這樣的目標，主要有以下突出的新需求[1]。

(1)多目標多變量：智能化衛星首先需要在衛星內部具備更多目標、更多變量的識別與控制。當前用于自主管理的參數來源，有姿態敏感器信息、執行機構狀態、能源電壓和電流信息、溫度測量量等。軟件根據這些信息進行必要的控制，同時具備一些自主故障診斷處理功能。能夠體現衛星健康狀態的遙測參數，通常包括電壓、電流、溫度、壓力等，這些參數多數都被傳輸至地面用于地面觀測，而只有少量用于衛星自主管理。需要更深入地挖掘現有遙測隱藏的信息，用于衛星運行和健康維護。未來的衛星，還將裝載更多或更先進的星上設備，包括智能化的設備，配有大量傳感器。軟件自主管理的范圍從平臺擴展到載荷。這些作為新的變量應都被融合到衛星的管理中，用于完成更多目標的任務。

(2)更高自主性：衛星應能適應各個在軌生命階段的衛星自主管理，在任何階段應能在無地面干預情況下維持運行幾年時間，包括應能具備在軌自主位置保持的能力, 應能夠自主預估衛星的壽命，在壽命末期轉換工作模式如自主離軌等。

(3)大容量數據存儲、傳輸：隨著衛星任務需求數據量的增大(例如延遲遙測下傳、星間鏈路數據轉發、星內設備增加等新需求)，大容量數據存儲、傳輸成為必然。基于ROM和RAM存儲的方式由于體積、功耗、成本等已經相對落后。基于Flash等高效可隨機存取的固態大容量存儲器已成熟，可滿足星上存儲。文件傳輸協議(CFDP)[2]，可由實時操作系統直接處理，可滿足大容量數據上傳、下載，空間網絡互傳，各空間組織(國家)交互操作，具備選擇性重發丟失和錯誤部分，可自主/人工控制傳輸事件等特點，是優選的協議。

(4)網絡化：網絡化可滿足星內、星地和星間的信息互聯交換、自主接入。網絡化既是衛星功能需求上一個重要的拓展，也是設計理念上的拓展，衛星也應為迎接空間互聯網時代的到來而做好準備。

(5)標準化：基于平臺的設計本身也是標準化的一種體現。無論從結構機構、設備、接口、軟件開發、集成測試等都因標準化而有扎實的基礎、規律和經驗可循。未來衛星應參考和兼容更多的國際標準，才能做到網絡化，適應更復雜的應用需求，滿足互聯和兼容性，CCSDS擁有公認的空間數據系統標準體系，對提升衛星研制水平有很多有益的借鑒。

3 SOIS建議信息處理流程的啟示

目前，衛星星內設計構建，尤其是姿軌控、綜合電子這些衛星平臺信息處理分系統，都是基于設備的直接訪問或總線訪問，在軟件中協調調度，驅動整星信息的流轉。這一塊的設計與衛星平臺設備的研制狀態息息相關，軟件依據具體設備接口以及任務需求設計和編程，在一種平臺內不同項目要一直進行適應性修改，不同平臺之間變化則較大。當前的設計理念并不適應設備的“即插即用”，也不適應網絡化以及星間的協議互聯。在CCSDS相關協議[3]組中探尋到一些有利于信息流標準化、網絡化的內容，值得借鑒。

在CCSDS信息報告中，推薦了一種空間在軌接口業務通信架構[3]，如圖1所示。圖1中對衛星內部信息的通信管理架構進行了分層定義，包括應用層、應用支持層、傳輸層、子網層。這個架構可以兼容衛星現有應用業務、命令和數據獲取業務、包存儲和傳輸業務。另外還包括了文件業務、消息業務、枚舉設備業務(可自主增減設備)，更重要的是融入了網絡業務。

在這個協議的配套協議中，針對指令和數據采集業務，推薦了幾種實踐標準，有設備訪問業務、設備數據池業務[4]、設備虛擬化業務[5]。從這些協議可以看到當前衛星信息流處理的影子，同樣是指令控制和信息采集請求，但是協議中建議的實踐已經把具體設備抽象化，將設備物理訪問映射到標準化的過程控制，并設計標準的原語(如ACQUIRE_FROM_DEVICE.request、COMMAND_DEVICE.request)進行訪問。枚舉設備業務同樣采用標準化的device-add/remove等語法操作實時檢測、添加、刪除訪問設備[6]。這樣的設計有利于多目標多類型設備接入信息流，同時有利于軟件的模塊化設計、繼承和拓展，可以作為提升衛星信息處理能力的出發點。

SOIS參考通信架構不僅適用于單星星內信息處理，而且適用于星地以及星間信息互聯，如圖2所示，子網層業務種類豐富，符合衛星發展趨勢。

注：CAN為控制器局域網。圖1 航天器在軌接口業務參考通信架構Fig.1 SOIS reference communications architecture

圖2 基于網絡的可互換的文件/源包存儲訪問機制Fig.2 Alternative file and packet store services architectures

應用SOIS建議的信息處理架構，需要軟件架構具備業務分層處理的能力，具備設備訪問和虛擬化以及子網通信的能力。與當前衛星常見的平臺軟件架構(如圖3所示)比較，有幾個突出的區別，這些區別是促使衛星平臺軟件架構改進的主要原因：

(1)需要多層業務處理，應用支持層、傳輸層和子網網絡層，這些處理不再與應用軟件集中于一層。在衛星自主管理中需要的應用支持信息、星地、星間和星內互聯互通的功能已與應用軟件區分開來，突出了信息處理的地位。

(2)在信息集中處理的應用支持層，兼具多種業務形式，不僅有日漸成熟的包格式的遙測遙控，還有文件、消息業務等新的信息形式，可適應大容量、長延遲的信息傳輸需求。星載信息處理軟件可應用CCSDS相關標準建議來適應這些變化。

(3)傳輸層和子網網絡層中，數據鏈路集中協議是一個突出的特點，需要軟件可配置和識別有線/無線總線通信協議。SOIS建議與目前的衛星架構不同，軟件架構的外部接口，可以包括有線總線和無線總線兩種方式。由于有線傳輸的可靠性很高，有線總線接口可用于大容量數據存儲、程序存儲、關鍵數據存儲和回放數據存儲等重要且大量的數據傳輸需要。其他星載設備、傳感器以及星間傳輸都可采用無線傳輸[7]。

注：FDIR為故障檢測、隔離與恢復。圖3 目前常用衛星平臺軟件架構Fig.3 Common software framework in satellite at present

4 星載軟件功能和架構的初步設計

以第3節SOIS建議信息處理流程的啟示為出發點，結合未來衛星信息處理的需求，提出以集中信息收集和處理為主要工作方式需求下的軟件應具備的功能和架構，例如衛星平臺自主管理應用。

4.1 當前軟件功能和架構概要

目前，衛星平臺軟件包括主管衛星各項任務的系統級軟件，以及一些單機軟件。這些單機軟件負責部分信息處理和轉發等功能。軟件架構如圖3所示。系統級軟件把信息處理、應用管理等功能在時序和存儲設計上都融為一體，軟件復雜，設計難度大，與外圍硬件狀態息息相關，不易擴展。

4.2 一種新的軟件功能和架構設計

按照前文的內容，提出一種衛星軟件架構設計，如圖4所示。這種設計的要點如下。

(1)分設應用軟件和信息處理軟件，將應用軟件和信息處理軟件功能和接口界面截然分開，使得應用和信息流處理層次清晰。這與第2節提到的SOIS的衛星自主管理中應用支持信息、星地、星間和星內互聯互通的功能應與應用軟件區分開來的啟示相呼應，應用軟件對應SOIS的應用層，信息處理軟件處理SOIS的應用支持層、傳輸層及子網層。兩者之間可用軟件直接訪問的大容量存儲設備相連，交互信息，可設置兩種存儲區域：一種是只允許應用軟件寫，信息處理軟件讀；另一個區域是只允許應用軟件讀，信息處理軟件寫，這樣可避免讀寫沖突。

(2)應用軟件提供更加智能和自主的功能，以及更多傳感器處理、長期自主運行等。

(3)信息處理軟件，具備數據采集、指令發送等應用支持層的功能，基于SOIS具備子網接入傳輸層協議，以及設備枚舉、子網同步、設備虛擬化和設備訪問等子網業務。

(4)信息處理軟件，通過網絡化協議溝通多種設備，星地、星間、星內設備(含存儲設備)。

(5)信息處理軟件，適應有線和無線兩種總線接口，建議在星地、星間、星內多數設備(來自平臺載荷的一些功能設備)以及傳感器設備都采用無線總線協議。對于存儲器訪問，考慮到極高的可靠性要求，因此采用有線總線設備。

(6)將存儲器設備從計算機外圍分開，單獨設計訪問，主要考慮到程序、數據量的增大以及維護便捷的需要。

(7)硬件設備的連接，除了必備的硬件電氣連接和遵守標準協議外(例如MIL-STD1553B和SpaceWire通信協議)，更重要的是SOIS將設備進一步網絡化和虛擬化，從而適應“即插即用”和遠程訪問的需求。SOIS建議了一種比較復雜但也很全面的拓撲結構[3]，即將航天器設備分類，各自應用SOIS協議處理成統一接口，再通過總線與核心處理單元連接。實際應用中，這里建議將有線鏈路選擇一種接口，無線鏈路選擇一種接口(例如UWB接口[8])，這樣在核心處理單元所處計算機外設中即可連接，簡化拓撲結構。

圖4 一種基于SOIS的軟件架構設計Fig.4 A software framework design based on SOIS

4.3 軟件架構的比較

基于SOIS軟件架構和當前軟件架構比較見表1。由表1可見，新架構接口統一，無線總線的應用可適應未來信息處理多目標多變量的發展需求。信息處理軟件可支持大容量數據存儲和傳輸。傳輸層和子網層SOIS建議的應用可滿足未來信息處理標準化和網絡化的需求。在信息處理軟件的支持下，應用軟件可獲取更豐富的信息，提升衛星自主管理能力和在軌操作能力。

表1 軟件架構的比較

5 結束語

CCSDS的SOIS建議書發布不久，相關軟件架構設計的建議正處于研究階段。本文基于CCSDS的SOIS建議中的信息流程建議，探索衛星未來軟件架構，設計新的軟件架構以及外圍總線接口，可更好利用SOIS的建議，適應未來衛星信息處理的需要。該方向的深入研究應考慮星內總線協議，星間通信協議標準化實施，軟件分層協議虛擬映射設計，信息傳輸容量比較評估，軟件容錯機制以及軟件實現。

References)

[1]張慶君，郭堅，董光亮. 空間數據系統[M].2版，北京：中國科學技術出版社，2016

Zhang Qingjun,Guo Jian,Dong Guangliang. Spacedata system[M].2nd.Beijing: China Science and Technology Press,2016 (in Chinese)

[2]CCSDS. 727.0-B-4 CCSDS file delivery protocol[S]. Washington D.C.: CCSDS,2007

[3]CCSDS. 850.0-G-2 Spacecraft onboard interface services[S]. Washington D.C.: CCSDS,2013

[4]CCSDS. 871.1-M-1 Spacecraft onboard interface services—device data pooling service[S]. Washington D.C.: CCSDS, 2012

[5]CCSDS. 871.2-M-1 Spacecraft onboard interface services—device virtualization service [S]. Washington D.C.: CCSDS, 2014

[6]CCSDS.871.3-M-1 Spacecraft onboard interface services—device enumeration service. [S]. Washington D.C.: CCSDS, 2014

[7]彭紹亮,彭宇行,李姍姍. 無線傳感器網絡中高效傳輸技術[M], 長沙：國防科技大學出版社,2010

Peng Shaoliang,Peng Yuxing,Li Shanshan. High efficient data transmission technology in wireless sensor networks[M].Changsha: National University of Defense Technology Press,2010 (in Chinese)

[8]朱精果，王宇，徐志明，等.基于IR-UWB的無線總線實驗研究[J].宇航學報，2009，30(5):2116-2121

Zhu Jingguo,Wang Yu,Xu Zhiming,et al. The experimental research of wireless bus based on IR-UWB[J].Journal of Astronautics,2009，30(5):2116-2121 (in Chinese)

(編輯：李多)

Exploration for On-board Platform Software Framework Design Based on SOIS

WANG Jun WANG Zhijie LE Lang

(Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

To meet the need for development of information processing in satellite, explore the new on-board platform software framework is explored. SOIS in CCSDS is referenced. The illumination of separation of application software and information processing software are obtained, integrating with the choice of wired and wireless bus around software, then the software functions and framework are provided. The framework offers the united interfaces to meet the need of multiple objects, the information processing software supports large-scale data storage and transportation to make the application software get more information and enhance the autonomous and on-board operation ability.

information processing in satellite；SOIS；software framework design

2016-10-31；

2017-02-03

王君，女，博士，高級工程師，從事航天器總體設計工作。Email:bitwj@163.com。

TP274

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.013