一種面向用戶的衛星狀態監視系統設計

王崇羽 劉鋒

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

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一種面向用戶的衛星狀態監視系統設計

王崇羽 劉鋒

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

針對衛星研制過程中，如何在實現衛星性能指標及功能的基礎上，進一步提高衛星用戶體驗，實現衛星的“易用”和“好用”，文章提出了一種面向用戶的衛星狀態監視系統，通過視聽一體化的方式直觀地展示衛星狀態，形成自頂向下、從宏觀到微觀的衛星狀態監視模式，從而實現從用戶角度觀察衛星狀態，幫助了解用戶使用需求，更好地把握衛星改進方向。

面向用戶；衛星測試；衛星狀態監視

1 引言

滿足用戶需求是衛星總體設計的基本原則[1]。一次成功的衛星任務，不但要達成設計的功能和性能指標，同時也必須具備良好的用戶體驗，即衛星不但“能用”，還要“好用”、“易用”。要想達到“好用”、“易用”的目的，應該從用戶的關注點來設計和檢驗衛星，從而發現衛星使用上的不足，以達到完善衛星設計、滿足用戶需求的目的。

目前研制的衛星是通過衛星狀態監視系統來觀察、監視衛星發射前和在軌運行狀態的。衛星測試人員需要通過狀態監視系統觀察衛星系統、分系統以及各部件的工作狀態，判斷衛星指令的執行及響應的正確性，驗證衛星功能與設計的符合性，確保最終將一顆符合需求的衛星交付用戶使用。但該系統是以衛星測試人員為使用者，以衛星測試人員的關注點為出發點來進行設計、實現的，無法體現出衛星用戶的關注點和著眼點。

因此，本文設計了一種面向用戶的衛星狀態監視系統，可以從用戶角度觀察衛星狀態，幫助了解用戶的使用需求，從而把握好衛星改進的方向。

2 面向用戶的衛星狀態監視系統的功能和特點

2.1 監視系統的功能

衛星狀態監視系統實現對衛星遙測的接收、處理及顯示，對衛星的各種參數按一定時間間隔周期地進行背景監視，并按判據檢出狀態變化的狀態量參數和越限的模擬量參數[2]。

傳統的狀態監視系統對遙測顯示的要求，是全面、清晰地展示衛星的所有細節狀態，衛星研制人員通過觀察所有的參數值來掌握衛星狀態。

面向用戶的衛星狀態監視系統是一種具有面向用戶特點的軟件系統。所謂用戶，指的是衛星的最終使用者，面向用戶，則是以一種衛星最終使用者的角度，來觀察、監視衛星狀態。衛星研制人員監視衛星的目的在于檢測故障、分析薄弱環節，需要關注衛星各個層面的細節狀態；而衛星用戶監視衛星的目的在于衛星的使用，所以更關注衛星整體的健康狀態及有效載荷的工作狀態，需要一種直觀的表現手段，可以直觀地觀察星上事件、衛星重要部件等狀態[3]。

本文提出的面向用戶的衛星狀態監視系統，通過實現兩大功能來達到面向用戶的效果：全景式監視功能和視聽一體化功能。

(1)全景式監視功能，指的是系統能夠以一種總攬、概括的方式展示衛星狀態，衛星用戶可以一眼看到衛星狀態的全貌和“健康”情況。面向用戶的狀態監視系統將遙測細節的判讀交由軟件來做，并在軟件內部完成判讀結果的邏輯分析工作，最終呈獻給衛星用戶的是整星的一個宏觀狀態結論，這樣就實現了從宏觀全景視野上觀測衛星狀態的目標。

(2)視聽一體化功能，是指系統可以通過聲、光、色、影的方式來展示衛星狀態判讀結論，即通過圖形來展示衛星設備之間的邏輯關系，通過色彩變化來展示設備當前的狀態，通過動畫來表示當前的星上動作，以及通過聲音來給出狀態變化的報警、提示等。通過這幾種方式，使得衛星遙測判讀以一種更形象、更直觀的方式進行。

2.2 監視系統的特點

傳統的衛星狀態監視系統針對工程技術人員的目的和關注點，以“遙測幀-遙測包-參數”這樣的樹狀結構來呈現衛星狀態，主要有以下特點：

(1)可以覆蓋衛星所有分包、所有參數的監視；

(2)便于遙測監視軟件的通用化，適用于所有分包遙測衛星的狀態監視；

(3)可以實現重要參數的自定義編排，便于瀏覽和監視。

面向用戶的衛星狀態監視系統因其不同的視角，決定了其與傳統監視系統在功能及呈現上的不同，具有以下特點：

(1)能夠屏蔽衛星遙測數據的邏輯細節，直接展示出遙測參數所表征的結果信息；

(2)能夠可視化地觀測出某個分系統的工作狀態，而不需要把該分系統所屬的遙測參數工程值閱讀一遍之后，才能掌握分系統的功能是否正常；

(3)能夠對衛星狀態、有效載荷狀態進行宏觀呈現，使得用戶能夠“見一葉而知秋”，可以便捷地獲取衛星實時狀態。

從以上特點可以看出，面向用戶的衛星狀態監視系統能夠與傳統監視系統形成一種互補關系，能夠引導衛星研制人員以用戶的眼光來觀察衛星，來發現衛星“不好用”、“不易用”的地方，從而明確衛星功能的改進方向。

3 面向用戶的衛星狀態監視系統設計與實現

3.1 系統設計

傳統衛星狀態監視系統從實時數據庫獲取衛星遙測參數數據，從基礎數據庫獲取參數及指令信息，對遙測數據進行分包、解析，以樹狀結構的列表形式顯示參數和指令。

面向用戶的衛星狀態監視系統在傳統系統的基礎上，增加了衛星遙測參數的邏輯運算功能，增加了語音處理功能，同時以衛星狀態全景視圖替代了原來的列表顯示，實現了全景式監視功能及視聽一體化功能。系統組成如圖1所示。

由圖1可知，系統中主要模塊包括衛星狀態全景視圖模塊、視圖驅動及衛星狀態監視模塊、邏輯運算管理模塊。衛星狀態全景視圖模塊包括整星狀態顯示模塊、能源狀態圖形化顯示模塊、姿軌控分系統圖形化顯示模塊、載荷工作狀態圖形化顯示模塊、指令發送信息顯示模塊，以及衛星其它狀態圖形化顯示模塊。其中，整星狀態顯示模塊顯示當前衛星的健康狀態、工作狀態；能源狀態圖形化顯示模塊用來表示衛星的能源狀態；姿軌控分系統圖形化顯示模塊用來表示衛星姿軌控分系統的狀態；載荷工作狀態圖形化顯示模塊用來顯示衛星當前載荷的工作狀態；同時可以根據不同衛星的特點擴展當前的圖形化模塊。視圖驅動及衛星狀態監視模塊從邏輯運算管理模塊獲取全部邏輯規則的邏輯運算結果，根據邏輯運算結果設置衛星狀態全景視圖模塊中不同圖形化顯示模塊的狀態，同時對這些運算結果進行分析，判斷結果值是否在正常范圍內，若運算結果值異常，則將有關異常的文本信息送往衛星狀態語音提示模塊進行語音輸出。邏輯運算管理模塊對衛星的所有邏輯規則集進行管理和運算，每個邏輯規則集包括N條邏輯規則，每一條邏輯規則定義了有邏輯關聯的M個衛星遙測參數之間的邏輯運算方法，N條邏輯規則的運算結果值總合在一起，確定了衛星狀態全景視圖模塊的一個圖形化顯示模塊的一種顯示狀態。邏輯運算管理模塊收到衛星參數訂閱管理模塊發送的訂閱數據后，按照每一條邏輯規則的定義逐一進行計算，并將邏輯運算結果送往視圖驅動及衛星狀態監視模塊進一步處理。

圖1 功能模塊的系統框架Fig.1 System structure of functional modules

例如，姿軌控狀態邏輯規則集模塊中的一條規則命名為“衛星軌控狀態監視判讀規則”，該規則定義了4個遙測參數之間的邏輯運算：姿控速變包中的姿控星時參數、姿控工作模式參數和姿控緩變包中的軌控開機時間參數，以及軌控開機長度參數。系統運行時，衛星參數訂閱管理模塊從實時數據庫中訂閱這4個遙測參數，將工程值發送給姿軌控狀態邏輯規則集模塊，然后“衛星軌控狀態監視判讀規則”對這4個遙測參數工程值依次進行有效性判讀、正確性判讀、軌控倒計時計算，將運算后的數據傳送給視圖驅動及衛星狀態監視模塊，該模塊根據運算的結果數據驅動姿軌控分系統圖形化顯示模塊，對結果進行顯示，包括的顯示事件有：顯示當前姿軌控工作狀態、顯示軌控倒計時信息、在衛星軌控動作開始后顯示軌控示意圖的同時以秒表形式累計軌控開機長度。這樣用戶只通過系統界面就可以獲得所關注的衛星姿軌控狀態信息。

3.2 系統實現

3.2.1 圖形化顯示模塊的實現

系統提供模塊化、圖形化的顯示機制，可以按照功能劃分顯示的模塊，同時可以較為靈活地添加新的顯示模塊。每一個圖形化顯示模塊為一個圖形控件，包含多個子控件，每個子控件表示一個星上設備或一種數據流向通道，具有本身的屬性，如子控件的顏色、文字等，不同的顏色和文字組合標識了該子控件所代表設備的不同狀態。例如一個載荷分系統可能包含A、B、C等3個設備，工作狀態顯示如圖2所示。

圖2 一個載荷工作狀態圖形化顯示示意圖Fig.2 A graphical module of some payload’s working status display

例如設備A子控件有2個屬性，屬性1為設備名稱，屬性2為子控件背景色，背景色有3種，根據設備相關遙測參數邏輯運算結果，表示斷電狀態的為灰色、表示設備加電并工作正常的為綠色、表示設備加電但是工作異常的為紅色。屬性2的可能的狀態變化如圖3所示。

圖3 背景色屬性的變化示意圖Fig.3 Sketch map of background color property’s change

通過對屬性的改變從而表征設備的不同狀態，多個設備的狀態有機地聯合在一起則可視化地展示出某個分系統的狀態，多個視圖模塊組合在一起，就得到了整個衛星的全景視圖。

圖形化的顯示模塊采用視窗呈現基礎(Windows Presentation Foundation，WPF)技術，它是一種基于Microsoft.Net框架的軟件編程技術，在文字設計、色彩設計、矢量圖形、二維、三維圖形呈現方面具有很強的優勢[4]。

3.2.2 視圖驅動及衛星狀態監視模塊的實現

視圖驅動及衛星狀態監視模塊負責規則集動態鏈接庫(Dynamic Link Library，DLL)所需參數的訂閱、分發并獲取邏輯運算結果，根據邏輯運算結果設置對應子控件的不同狀態，同時再對邏輯運算結果進行分析，當結果值異常時，通過語音提示模塊進行語音輸出，以達到警示、提醒的目的。

圖4為視圖驅動及衛星狀態監視模塊的執行流程。

圖4 視圖驅動及衛星狀態監視模塊執行流程Fig.4 Procedure of view-driven and satellite status monitor module

3.2.3 邏輯運算管理模塊的實現

邏輯運算管理模塊對衛星的所有邏輯規則集進行管理和運算，每個邏輯規則集包括N條(N為自然數)邏輯規則。所謂規則，即是一條衛星遙測的處理和判讀邏輯，規則的輸入是一個或多個衛星實時遙測參數，規則的輸出則是一個判讀結論或重要的數值，如設備工作正常與否、指令執行成功與否、距離衛星軌控還有多少秒等。

每個規則集采用DLL技術進行封裝和實現。邏輯規則集DLL具有統一的對外接口，可以對外提供鏈接庫所需的全部參數清單，可以接收衛星遙測參數值，輸出全部規則的運算結果，具體的接口定義如下(其中IN和OUT表示參數類型，IN代表輸入參數，OUT代表輸出參數，IN和OUT后面為參數名)。

GetAllParasOfRules(OUT paras)：所需參數清單接口，匯總動態鏈接庫中全部邏輯規則所涉及的衛星遙測參數，以便于進行參數訂閱。

SetAllParaValues(IN values)：接收衛星遙測參數值接口，設置全部邏輯規則所需的遙測參數值。

GetRulesResult(OUT result)：輸出全部規則的邏輯運算結果接口，根據接收的一次參數值，輸出全部規則的一次邏輯運算結果。

3.3 關鍵技術

面向用戶的衛星狀態監視系統，為實現系統需求及面向用戶的特點，采用了多種軟件編程技術。在軟件表現層采用了WPF技術以實現文字、圖形等的多樣呈現；在軟件業務邏輯層采用動態鏈接庫技術，以實現規則集的靈活動態封裝；同時系統采用語音合成技術，以達到軟件狀態、提示、報警信息的語音智能提示。

3.3.1 WPF技術

軟件系統在設計階段，一般構建為多層結構，包括數據層、業務邏輯層和表示層，WPF提供了一種表示層技術，可以把業務邏輯層的數據通過多種方式進行豐富展現。Microsoft的Visual Studio[5]軟件開發平臺提供了強大的WPF開發環境，可以提供文字、色彩、矢量圖形、音視頻等的多種多樣的表示和呈現。在使用Visual Studio進行WPF設計的同時，還可以與Microsoft 的Exprsion Blend[6]開發環境進行有機結合，進行三維圖形及內置動畫的呈現設計。

3.3.2 DLL技術

DLL技術[7]是在Windows操作系統中實現共享函數庫概念的一種方式，它通過把軟件系統中相對獨立的資源或代碼封裝成DLL文件，并在軟件運行過程中動態地加載該DLL文件，實現對一些軟件模塊的動態加載功能，使得這些軟件模塊的更新和修改不會影響軟件的其它部分。DLL技術主要用于邏輯運算管理模塊中規則集的封裝和實現。通過DLL技術實現規則集，在規則集中的某個規則變更時，只需要更改相應的DLL文件即可，從而實現了規則集的靈活加載。

3.3.3 語音合成技術

語音合成(Text To Speech，TTS)技術[8]，是可以將計算機產生的文字信息轉變為可以聽得懂的、流利的漢語口語輸出的技術。語音合成的原理一般是先將文字信息進行語言學處理，包括文本規整、詞的切分、語法分析和語義分析等；然后進行韻律處理，規劃出音高、音長和音強等，使合成語音聽起來更自然；最后根據前兩部分的處理結果進行語音的輸出。本軟件系統通過采用成熟的語音合成處理引擎，能夠自然、流暢地進行文字信息的語音輸出，向用戶發出語音提醒、警示信息，形成良好的用戶界面。

4 應用與驗證

面向用戶的衛星狀態監視系統已在多個型號上得到應用。通過該系統的應用，能夠屏蔽衛星底層細節、呈現衛星頂層狀態，從而滿足衛星最終使用者觀察、監視衛星的需求。系統提供了能夠將整星狀態、能源狀態、姿軌控狀態、載荷狀態等多種狀態進行有機結合、進而進行視聽一體化呈現的方案，能夠快捷地得到衛星宏觀、全景的狀態信息。圖5是一個載荷實傳模式的顯示視圖，通過色彩變化表示設備工作是否正常，通過箭頭流向表示載荷工作數據流，同時即時語音播報來提示關鍵的載荷工作節點。再結合整星狀態視圖、能源狀態視圖等，能夠讓用戶一目了然地得到所關注的衛星狀態。

注：圖中綠色表示設備開機正常工作，灰色表示設備未開機，箭頭表示數據流向(綠色表示有數據，灰色表示無數據，虛線表示該數據通道未使用)。圖5 一個載荷實傳模式的圖形化顯示效果Fig.5 Display effect of a playload’s real time transmission

通過系統的應用，衛星研制人員得以發現衛星使用上的缺點，并作出改進。例如某衛星的研制，在編寫規則集的過程中，發現星上分系統的宏觀健康狀態的判斷規則很復雜和繁瑣，于是對相關分系統提出了改進要求，修改了設備控制軟件，增加了健康狀態標識字，使得監視系統可以快捷地得出判讀結論，從而完善了衛星設計，方便了最終用戶對衛星狀態的監控。

5 結束語

面向用戶的衛星狀態監視系統為衛星研制人員提供了一種全新的視角，能夠讓衛星研制人員在研制階段就以用戶使用為出發點去監測衛星，能夠提前發現衛星功能的不足，完善衛星設計，增強用戶體驗。以用戶體驗、用戶需求為出發點，是隨著衛星研制逐漸進入商業化生產，開始市場化競爭后，衛星研制人員需要主動適應和遵循的原則。

References)

[1]徐福祥．衛星工程概論[M]．北京：中國宇航出版社，2009:62

Xu Fuxiang．Introduction of satellite engineering[M]．Beijing：China Astronautics Press，2009：62 (in Chinese)

[2]王慶成．航天器電測技術[M]．北京：中國科學技術出版社，2007:236

Wang Qingcheng．Electrical test technology of spacecraft[M]．Beijing：China Science and Technology Press，2007：236(in Chinese)

[3]羅毓芳，李強.一種在軌衛星星上事件狀態展示的實現途徑[J].飛行器測控學報,2010，29(3)：39-42

Luo Yufang，Li Qiang．A method of visualized event display of satellite on-orbit status [J]．Journal of Spacecraft TT&C Technology，2010，29(3)：39-42 (in Chinese)

[4]劉鐵猛．深入淺出WPF[M]．北京：中國水利水電出版社，2010:244

Liu Tiemeng．Dissecting WPF[M]．Beijing：China Water and Power Press，2010：244 (in Chinese)

[5]Nick Randolph,David Gardner. Professional visual studio 2008[M]．Indianapolis:Wiley Publishing Inc,2008：4-8

[6]Brennon Williams. Microsoft Expression Blend 4 unleashed[M]．Indianapolis：Sams Publishing Inc，2011：5-7

[7]李偉．C#調用VC++動態鏈接庫的研究[J]．測控技術，2013，32(5)：105-108

Li Wei．Study on C# invoking the dynamic link library developed by VC++ [J]．Measurement & Control Technology，2013，32(5)：105-108(in Chinese)

[8]井曉陽，羅飛，王亞棋．漢語語音合成技術綜述[J]．計算機科學，2012，39(z3)：386-390

Jing Xiaoyang,Luo Fei,Wang Yaqi．Overview of the Chinese voice synthesis technique[J]．Computer Science，2012，39(z3)：386-390(in Chinese)

(編輯：李多)

Design of User-oriented Satellite’s Status Monitor System

WANG Chongyu LIU Feng

(DFH Satellite Co.,Ltd.，Beijing 100094，China)

During satellite development,after implementing functions and performance index,how to improve user’s experience and make the satellete “easy to use” and “convenient to use” is a important subject. To solve this problem,a scheme design of user-oriented satellite’s status monitor system is proposed. The satellite’s status is shown by a way of combined auralization and visualization,and a top-down satellite monitoring model is built,making the satellite can be watched from macro to micro. All this functions make the satellite researchers getting a user’s perspective,and capturing the user’s requirements,and finally get the satellite’s improvement direction.

user-oriented；satellite test；satellite’s status monitor

2016-06-15；

2017-03-13

王崇羽，男，工程師，從事衛星總體設計工作。Email：xywzaaa@sina.com。

V557

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.017