基于NoSQL技術的衛星配載數據管理系統設計

【摘要】為解決傳統星載計算機系統中衛星數據儲存速度慢、數據備份不足和綜合管理能力弱等問題，設計了基于NoSQL處理技術的衛星配載數據管理系統。系統數據查詢模塊通過探測幀操作命令，實現了數據的快速檢索和快速回傳;數據庫綜合管理模塊實現了地對空數據傳輸、傳感器采集模塊的數據儲存、操作命令的執行和實時通信。為加快數據傳輸，傳輸層采用UDP協議，詳細進行了儲存幀、數據檢索幀和數據傳輸幀的設計。模擬系統實驗測試證實該系統能夠實現多源數據的快速存取、復雜查詢和傳輸通信。

【關鍵詞】衛星配載;多源分布;傳感采集;數據處理

〔中圖分類號〕TP391.1（文獻標識碼]A[文章編號]1674-3229（2021）04-0034-04

1 系統總體設計

隨著衛星飛行器技術的快速進步，衛星配載的計算機系統中海量飛行數據的儲存、快速回放和數據檢索等需求迅猛提升，而傳統數據的處理方式難以滿足新一代飛行器的存儲檢索等功能[1]。傳統衛星數據存儲管理通過操控存儲介質實現空間數據的采集、儲存、實時處理和數據之間的互相訪問，在地面與衛星之間通訊時數據回放過程會產生間斷、丟失等問題[2]。

基于NoSQL處理技術的衛星配載數據管理系統能夠實現分布式數據管理、存儲和檢索等功能，可以大大提高衛星數據存儲、檢索和回傳的速度和準確性[3-5]。

衛星配載計算機系統多元數據的特點是品類多和形式各異，數據整體管理不易[6]。為了滿足衛星數據管理系統的多元融合、存儲靈敏和實時檢索的需求，本文設計了全新的高效率數據管理系統框架，數據管理系統總體架構如圖1所示。

圖1中，數據源1、2、3代表的是多源傳感設備收集的各類數據，包括衛星飛行角度狀態、位置信息、速率、溫度和科學儀器等。綜合管理主要負責地對空的數據交互外部通信和衛星數據的內部交互通信、數據檢索、通信接口設計和數據的儲存管理等。

數據管理功能主要包括數據的查詢搜索和快速儲存，數據庫技術NoSQL能夠滿足靈活多變、存儲邏輯快捷和檢索高效的系統需求，分布式框架實現了數據隔離和容易擴展的數據特征。綜合管理模塊使用Sqlite技術，提高了衛星配載數據的統一管理與組織，實現了地面數據接收系統與衛星之間的實時數據傳輸對接[7]。

2 數據查詢模塊設計

2.1 數據查詢功能設計

數據查詢功能主要是通過綜合管理的數據查詢命令實現傳感器采集數據的接收與處理，并根據查詢命令在NoSQL數據庫中搜索相應數據并傳輸至地面。系統數據查詢模塊流程如圖2所示。

數據查詢功能模塊主要包括[8]：（1）數據連接探測子模塊主要功能為探測命令發出后，完成傳感器數據傳輸通道連接異常檢測并進行數據傳輸通道重啟，保障傳輸信道不會影響數據的采集與接收;（2）控制命令執行子模塊主要功能為當地對空命令發出后，數據系統做出相應的操作執行;（3）數據檢索與查詢子模塊主要功能為實時進行數據的查詢、檢索與傳輸;（4）NoSQL數據庫子模塊主要功能為實時完成采集數據的接收與儲存。

2.2 數據查詢工作流程設計

數據查詢的工作流程主要包括[9]：（1）系統初始化實現數據接收端的偵聽;（2）當接收到探測命令后，打開客戶端接收狀態;（3）根據檢索命令，實現衛星對應的溫度數據、功率數據和飛行姿態的查詢存儲，并實現存儲數據的封裝和傳送。數據查詢模塊的工作流程如圖3所示。

3 綜合管理模塊

數據綜合管理模塊主要可以實現傳感采集數據的存儲管理、數據接收和查詢檢索，并通過內部通信和外部通信實現數據的空中對地面的數據回傳功能。整體設計結構如圖4所示。

圖4 綜合管理模塊設計結構

消息展示子模塊主要負責空中對地面的數據傳送與界面顯示;數據組織管理子模塊主要負責衛星采集數據的儲存、分析和查詢檢索;通信子模塊主要負責實現衛星內部數據傳輸信道和衛星外部數據傳輸信道的控制，完成相應操作命令的執行;控制子模塊主要負責數據的組織管理、傳輸、分析等功能。地對空命令包括了探測命令、簡單查詢、復雜查詢和數據庫操作等。具體如表1所示。

4 分布式通信協議

為了提高數據傳輸效率，數據管理系統的通信協議使用了基于UDP傳輸的技術，數據幀大小為64字節。幀格式類型主要設計了三種類型：

（1）數據通用格式主要包括1字節的frame type和63字節的數據長度。

（2）查詢命令格式主要包括1字節的frametype、1字節的catetyte、22字節的時間戳、22字節的長度檢測和18字節的數據校驗。

（3）儲存數據幀格式主要包括1字節的frametype、1字節的date tyte、1字節的dataSIQ、21字節長的保留未用和40字節的data。三種幀模式可以滿足數據的存儲、校驗和檢索等[10]。通信幀結構設計如圖5所示。

5 系統模擬測試

為了驗證系統設計的可行性，本文編碼實現了原型系統并進行了測試。測試所使用的驗證開發板為Power837x，其余測試的軟硬件配置情況如表2所示。

測試環境搭建中，數據交換設備使用交換機模擬搭建了地對空網絡傳輸環境，業務開發板1、2和3模擬了衛星傳感器數據采集。數據庫使用了NoSQL技術實現了數據的存儲、檢索和查詢等功能。測試系統環境搭建如圖6所示。

測試系統模擬了衛星配載數據儲存在NoSQL中，并通過UDP協議傳送到開發板。數據庫的上傳與下載速率如圖7所示。從圖7可知，傳感器采集數據的數目越多，網絡傳輸效率越低，上傳與下載速率維持在1.5M/S。

為了驗證系統的速率，測試了在緩存技術與不啟動緩存的條件下，100條、500條、1000條、2000條、3000條和4000條數據的傳送時間。緩存與否傳送時間對比如表3所示。從表3可以看出，緩存機制大大提高了數據傳送的效率。

如圖8所示，衛星配載數據管理系統的測試運行中，通過系統操作命令的測試，能夠準確實現數據的查詢、檢索和傳送。結果表明，該系統可以實現衛星配載數據的存儲、檢索和空對地的傳輸。

6 結語

基于NoSQL技術的衛星配載數據管理系統設計了數據查詢、綜合管理、分布式通信協議和數據幀等模塊，實現了多傳感器數據的快速采集、檢索和地對空數據傳輸等功能。NoSQL處理技術通過探測幀操作命令，實現了數據的快速檢索和回傳。數據庫綜合管理系統實現了地對空數據的傳輸、傳感器采集模塊的數據儲存、操作命令的執行和實時通信等。通過模擬系統的實驗測試，證實該系統能夠準確實現數據的查詢、檢索和傳送。

參考文獻：

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[收稿日期]2021-05-22

[作者簡介]劉慧慧（1994-），女，碩士，鄭州工業應用技術學院信工學院助教，研究方向：嵌入式系統、無線通信等。