多通道-協(xié)議模型的設計和應用

施 斌，王 華，鮑俊雷，李 陽，李 磊

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

0 引言

航天器遙測［1］（簡稱星遙）數(shù)據(jù)處理是航天試驗任務數(shù)據(jù)處理領域中復雜程度最高的問題。星遙數(shù)據(jù)格式復雜多樣，不同航天器和衛(wèi)星平臺的數(shù)據(jù)格式定義均不相同，大致包括主副幀格式、分包格式、混合幀格式、循環(huán)計數(shù)格式等類別，且隨著新平臺的出現(xiàn)不斷增加，經(jīng)常出現(xiàn)需要跨幀處理的各種層次嵌套子格式，參數(shù)間存在復雜的依賴關系。現(xiàn)有任務軟件的星遙數(shù)據(jù)處理模型是基于“幀-字段”組織的，幀格式通過設計不同的星遙幀處理方法進行描述，其下的每個字段對應描述具體參數(shù)格式。這種模型，存在以下問題：

1）單一星遙幀處理方法［2-4］的描述能力有限，無法適應星遙格式中需要跨幀處理的各種層次嵌套子格式；

2）無法有效描述參數(shù)間的復雜依賴關系；

3）模型的通用性、擴展性較差，新的數(shù)據(jù)格式變化（即使很小的變化）也需要重新設計幀處理方法，導致軟件代碼頻繁更動。

因此，現(xiàn)有基于“幀-字段”組織結構的星遙數(shù)據(jù)處理模型難以適應高密度試驗任務下星遙數(shù)據(jù)格式頻繁變化的實際情況，急需設計一種描述能力更強、通用性更好的星遙數(shù)據(jù)處理模型，解決需跨幀處理的層次嵌套子格式描述和參數(shù)依賴問題。

1 模型設計

1.1 參數(shù)依賴處理設計

星遙參數(shù)間依賴關系錯綜復雜，大致可以分為兩類：關鍵字依賴和方法依賴。關鍵字依賴，是指某些參數(shù)的有效性需要以某個參數(shù)（即關鍵字參數(shù)）的處理結果為前提。方法依賴，是指某個參數(shù)的計算處理方法需要某些參數(shù)的處理結果。實際的星遙參數(shù)依賴關系可能是這樣的：某個參數(shù)依賴其他參數(shù)，而其自身也被其他參數(shù)依賴，依賴關系可能是其中一種或兩種兼而有之。

顯然，被依賴參數(shù)應該優(yōu)先處理出來，其他參數(shù)才能處理成功。因此，星遙參數(shù)的處理并不是順序的或隨機的，應該根據(jù)實際參數(shù)間依賴關系調整形成一種優(yōu)先級順序。

1.2 數(shù)據(jù)通道設計

一些復雜星遙格式中存在需跨幀處理的層次嵌套子格式，這些子格式的特點是需要根據(jù)某種格式定義解復用還原為完整數(shù)據(jù)格式字節(jié)流。因此，定義了數(shù)據(jù)通道（Channel）和數(shù)據(jù)協(xié)議（Protocol）的概念。數(shù)據(jù)通道描述了一段待處理的字節(jié)流，數(shù)據(jù)協(xié)議描述了所屬數(shù)據(jù)通道的格式定義，通道依據(jù)協(xié)議對待處理字節(jié)流完成解復用處理，還原出完整格式字節(jié)流（源包或子幀）。

1.3 MCP模型設計

多通道-協(xié)議（Multi-Channel-Protocol，簡稱MCP）模型是基于多通道協(xié)議的數(shù)據(jù)模型，其針對星遙數(shù)據(jù)格式的以下特點：格式中包含若干對象；每個對象可能是星遙參數(shù)，也可能是待處理的子格式（即數(shù)據(jù)通道），這樣的劃分可以遞歸嵌套下去。因此，本文基于Composite模式［5-6］定義了XYItem結構描述星遙數(shù)據(jù)格式的靜態(tài)結構，符合層次定義、逐層派生的特點。

最頂層的是作為基類的XYItem抽象類，具體類包括 XYParameter和 XYChannel，XYParameter是星遙參數(shù)，XYChannel是星遙數(shù)據(jù)通道。XYChannel既可以包含XYChannel，也可以包含XYParameter，XYParameter是基本單元，不可再分。XYItem類層次結構如圖1所示。

圖1 XYItem類圖

運行時構建的動態(tài)結構是樹形結構，頂層是一個描述整體字節(jié)流的XYChannel，其下包括了多個子XYItem對象。如果子XYItem對象是XYParameter，則不可再分，屬于“樹葉”節(jié)點；如果子XYItem對象是XYChannel，則進一步遞歸分解，屬于“樹枝”節(jié)點，最終分解到XYParameter為止。

描述一種星遙格式時，只需構建所有的XYChannel對象和XYParameter對象描述需跨幀處理的子格式字節(jié)流和星遙參數(shù)，每個XYChannel對象“掛載”描述子格式協(xié)議邏輯的XYProtocol（即數(shù)據(jù)協(xié)議）對象，每個XYChannel對象下“掛載”需處理的XYParameter對象或者XYChannel對象，由于遞歸性，自然形成XYItem樹。當新的星遙格式出現(xiàn)后，僅需要實現(xiàn)其中新的子格式協(xié)議邏輯就可以完成擴展。

2 MCP模型在航天任務數(shù)據(jù)處理軟件中的應用

在航天任務數(shù)據(jù)處理軟件的實現(xiàn)過程中，關鍵難點即星遙數(shù)據(jù)處理。實際上，星遙數(shù)據(jù)處理并不是簡單的順序處理，而是復雜的狀態(tài)機，為確保星遙處理的準確和高效，采用以下機制：首先，星遙數(shù)據(jù)格式由通用的XYItem樹進行描述；然后，靜態(tài)處理，根據(jù)星遙參數(shù)間的依賴關系優(yōu)先級；最后動態(tài)處理，完成通道處理和參數(shù)循環(huán)掃描處理。通過以上機制可以適應各種類型的星遙數(shù)據(jù)格式處理，徹底解決需跨幀處理的各種層次嵌套子格式描述和星遙參數(shù)依賴問題，模型的通用性、擴展性很強。

本節(jié)以具有廣泛研究和應用［7-8］的基于AOS體制［9-10］的分包遙測格式［11］為例，說明 MCP 模型在航天任務數(shù)據(jù)處理軟件中是如何具體應用的。

2.1 數(shù)據(jù)格式定義

某型號航天器的星遙數(shù)據(jù)格式屬于典型的分包遙測格式，存在復雜的多路數(shù)據(jù)復用，其數(shù)據(jù)域的格式定義如表1所示。

表1 分包遙測格式定義

表1中，VID標識多路復用的虛擬信道（VC1、VC2…），0x01表示 VC1，0x02表示 VC2…，插入域中均是固定狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)域的定義根據(jù)虛擬信道不同分為兩種：VC1情況下，長度為m字節(jié)的固定數(shù)據(jù)和n字節(jié)的變化數(shù)據(jù)，變化數(shù)據(jù)根據(jù)多路復用協(xié)議（各種PK源包字節(jié)流首尾拼接連續(xù)置入，未傳完可在同一虛擬信道跨幀傳送）解復用，源包種類為PK10、PK11和PK12；非VC1情況下，長度為m+n字節(jié)的變化數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)多路復用協(xié)議解復用，源包種類為除PK10、PK11和PK12以外的其他源包。

表2中，定義了需挑點處理的星遙參數(shù)，其中P3、P4、P5、P6和P7是需要解復用后處理的源包參數(shù)，參數(shù) P2、P3、P4、P5、P6 和 P7 均依賴 VID 判斷所屬虛擬信道（關鍵字依賴），P2、P3、P6和P7的處理方法均依賴P4和P5的值（方法依賴）。

2.2 數(shù)據(jù)的XYItem樹結構

根據(jù)2.1節(jié)的定義，可以構建出XYItem樹結構，如圖2所示：

表2 遙測挑點參數(shù)表

圖2 數(shù)據(jù)的XYItem樹結構圖

頂層的XYChannel表示整個星遙數(shù)據(jù)，第2層的 3 個 XYParameter分別對應參數(shù) VID、P1、P2，2個XYChannel分別對應VC1和VC2的多路復用數(shù)據(jù)域，第3層分別對應VC1中的參數(shù)P3以及VC2中參數(shù)P4、P5、P6和P7。為方便起見，以下直接用參數(shù)代號指代對應的XYParameter對象。其中，VID配置關鍵字標識，P2、P3、P4、P5、P6 和 P7 均配置關鍵字依賴VID，P2、P3、P6和P7均在處理方法中配置P4和P5。頂層的XYChannel配置為空協(xié)議，VC1和VC2的復用數(shù)據(jù)域的XYChannel分別配置多路復用協(xié)議。

2.3 數(shù)據(jù)的靜態(tài)處理

在預處理時，需要根據(jù)星遙參數(shù)間的依賴關系優(yōu)先級進行靜態(tài)處理調序，遵循被依賴參數(shù)在前、依賴其他參數(shù)的參數(shù)在后的原則，形成一個優(yōu)化的參數(shù)處理順序，以提升后續(xù)動態(tài)處理的效率。

遍歷整個XYItem樹，提取所有的XYParameter形成列表，對XYParameter列表先按關鍵字依賴排序，然后再按方法外部依賴排序，最后輸出排序后的XYParameter列表，具體過程如圖3所示。

構建XYItem樹的同時，根據(jù)XYChannel在XYItem樹中的層次關系可構建出XYChannel樹，方便后續(xù)動態(tài)處理。

圖3 靜態(tài)處理流程圖

2.4 數(shù)據(jù)的動態(tài)處理

雖然理論上通過靜態(tài)處理完成了參數(shù)的全局排序，一般情況下參數(shù)的依賴關系已經(jīng)調整好，但運行時處理過程中可能存在部分參數(shù)因未滿足約束條件而暫未處理出來的情況，實際的參數(shù)處理順序還需根據(jù)參數(shù)狀態(tài)進行動態(tài)修正，因此，采用通道處理和參數(shù)循環(huán)掃描處理相結合的思路進行動態(tài)處理。在運行時，分兩步完成處理。

第1步，通道處理。根據(jù)XYChannel樹對一幀星遙數(shù)據(jù)進行分層處理，每個通道均依據(jù)協(xié)議解復用處理并還原出完整格式字節(jié)流，保存在對應的XYChannel對象中，處理過程如下頁圖4所示。

圖4 通道處理過程圖

實時星遙數(shù)據(jù)的不同導致的通道處理結果也不同，大致可以分為以下4類：

1）如果VID值為0x01，僅VC1通道有效且源包拼裝完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B無輸出，通道C輸出PK10和PK11源包字節(jié)流；

2）如果VID值為0x01，僅VC1通道有效且源包拼裝不完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B和C無輸出；

3）如果VID值為0x02，僅VC2通道有效且源包拼裝完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B輸出PK1、PK2和PK4源包字節(jié)流，通道C無輸出；

4）如果VID值為0x02，僅VC2通道有效且源包拼裝不完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B和C無輸出。

第2步，參數(shù)循環(huán)掃描處理。對靜態(tài)處理后的參數(shù)列表進行循環(huán)掃描，對于處理成功的參數(shù)，將處理結果加入XYContext（全局結構）中記錄，對于處理失敗的參數(shù)等待下次掃描處理，直到參數(shù)列表為空或達到循環(huán)次數(shù)閾值，循環(huán)掃描停止。

實時星遙參數(shù)的處理結果大致可以分為兩種情況：

1）參數(shù)是非源包參數(shù)。首先判斷是否滿足關鍵字依賴條件，如不滿足則處理失敗，否則繼續(xù)檢查是否滿足方法依賴條件，依賴不滿足則處理失敗，如滿足則處理成功。

2）參數(shù)是源包參數(shù)。首先判斷是否滿足關鍵字依賴條件，如不滿足則處理失敗，否則繼續(xù)檢查所屬源包拼裝是否完整，如不完整則處理失敗，如完整再檢查是否滿足方法依賴條件，如不滿足則處理失敗，如滿足則處理成功。

整體處理流程如圖5所示，圖5中的參數(shù)處理具體流程如下頁圖6所示。

圖5 循環(huán)掃描處理流程圖

3 結論

針對任務星遙數(shù)據(jù)格式存在需跨幀處理的層次嵌套子格式、復雜參數(shù)依賴和變化頻繁的特點，本文設計了多通道-協(xié)議（MCP）模型，具有描述能力強、通用性和擴展性好的優(yōu)點。該模型在航天任務數(shù)據(jù)處理軟件中得到了應用。通過應用該模型，有效描述了各類任務星遙數(shù)據(jù)格式，通過靜態(tài)處理和動態(tài)處理相結合的機制充分利用了參數(shù)間依賴關系，高效實現(xiàn)了星遙數(shù)據(jù)處理，解決了需跨幀處理的層次嵌套子格式描述和星遙參數(shù)依賴問題。

圖6 參數(shù)處理流程圖

［1］譚維熾，顧瑩琦.空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)［M］.北京：中國科學技術出版社，2004.

［2］楊仁寶，祝轉民，孟憲貴，等.組件化遙測處理方法的設計與實現(xiàn)［J］.測試技術學報，2010，24（4）：299-303.

［3］杜國明，陳逢田.CCSDS遙測包處理分析［J］.航天器工程，2007，16（5）：110-114.

［4］杜冬梅.航天器CCSDS遙測數(shù)據(jù)包處理方法研究［J］.電訊技術，2007，47（2）：176-180.

［5］GAMMA E，HELM R，JOHNSON R，et al.設計模式：可復用面向對象軟件的基礎（雙語版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［6］閻宏.Java與模式［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002：409-419.

［7］范穎婷，朱振華，王軍旗.CCSDS分包遙測在某衛(wèi)星型號中的應用［J］.飛行器測控學報，2012，31（S1）：77-80.

［8］王琦，汪勃，吳斌.CCSDS建議在某新型航天器測控中的應用［J］.飛行器測控學報，2011，30（S1）：77-80.

［9］CCSDS.Advanced orbiting system，networks and data links：architectural specification，CCSDS 701.0-B-3［S］.Reston，VA：CCSDS，Blue Book，2001.

［10］CCSDS.AOS space data link protocol，CCSDS 732.0-B-1［S］.Reston，VA：CCSDS，Blue Book，2003.

［11］CCSDS.Packet Telemetry，CCSDS 102.0-B-5［S］.Boulder，Colorado：CCSDS，Blue Book.Issue 5，2000.