航天器遙控指令單元生成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常紅，談寅，王衛(wèi)楠，毛嘉偉，廖明瑞

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展和航天規(guī)模的日益擴(kuò)大，航天器對測試質(zhì)量和效率的要求也越來越高[1]。航天器各分系統(tǒng)遙控指令單元參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入方式、設(shè)計(jì)格式以及接口定義多種多樣，導(dǎo)致由測試者人為計(jì)算、轉(zhuǎn)換、編輯遙控指令單元的傳統(tǒng)方式出現(xiàn)用工成本高、工作效率低、誤差率高等問題[2-4]，難以滿足現(xiàn)階段航天器對遙控指令快速上行的需求，因此搭建一套智能化的遙控指令單元生成系統(tǒng)對航天領(lǐng)域的探索具有重要的意義[5-7]。通過對該系統(tǒng)的有效利用，多臺計(jì)算機(jī)可以協(xié)同工作，實(shí)時(shí)存儲及自動(dòng)下載最新版本遙控指令單元，為后續(xù)依次組成遙控包、遙控傳送幀、遙控指令奠定基礎(chǔ)[8-11]。文中依托于多個(gè)型號的研發(fā)需求，進(jìn)行了系統(tǒng)集成與軟件測試，驗(yàn)證了多層次架構(gòu)設(shè)計(jì)模式的通用化和可行性，給出了一套能夠在航天器平臺上應(yīng)用的遙控指令單元生成系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)需求分析

航天器遙控指令單元生成系統(tǒng)需要滿足現(xiàn)階段多型號任務(wù)的研發(fā)需求，能夠最大程度降低人工生成遙控指令所帶來的弊端風(fēng)險(xiǎn)，以及提高工作效率[12]。系統(tǒng)需要具有較強(qiáng)的可操作性，支持指令單元參數(shù)多種輸入方式，方便經(jīng)驗(yàn)較少的測試人員使用。同時(shí)系統(tǒng)能夠存儲生成的遙控指令單元，以便后續(xù)對其進(jìn)行修改。航天器遙控指令單元生成系統(tǒng)需要滿足以下三個(gè)設(shè)計(jì)需求：

1）采用通用化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的規(guī)則配置文件和操作界面需要適應(yīng)多型號多領(lǐng)域，采用系統(tǒng)名稱、設(shè)備名稱、指令單元類型、指令子類型碼作為遙控指令單元生成的四個(gè)層級，每個(gè)層級具有可擴(kuò)展性和兼容性，滿足各航天器型號的普遍需求和定制化需求[13]。

2）支持多種參數(shù)輸入格式

系統(tǒng)參數(shù)支持固定鍵值、枚舉型參數(shù)數(shù)值、自動(dòng)生成參數(shù)數(shù)值和輸入二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制和多種時(shí)間格式的參數(shù)數(shù)值，后臺會(huì)將各種輸入格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，并合成為字符串格式的指令單元內(nèi)容。

3）存儲生成的遙控指令單元

生成的遙控指令單元可以存儲在后臺XML 文件中，同時(shí)也會(huì)顯示在系統(tǒng)界面的存儲模塊中，以便后續(xù)進(jìn)行增加、刪除、修改等操作，同時(shí)其他計(jì)算機(jī)也能夠從數(shù)據(jù)庫上下載最新版本的遙控指令單元數(shù)據(jù)[14-16]。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航天器遙控指令單元生成系統(tǒng)由航天器各分系統(tǒng)、航天器設(shè)備、指令單元類型、指令子類型碼四個(gè)層級組成，系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 航天器遙控指令單元系統(tǒng)模型圖

1）航天器各分系統(tǒng)

航天器各分系統(tǒng)主要分為專用系統(tǒng)和保障系統(tǒng)兩大類。專用分系統(tǒng)具有特定的目標(biāo)需求和功能模塊，用于完成指定的型號任務(wù)。保障系統(tǒng)在各型號航天器之間大致相同，是航天器在軌飛行、返回著陸的必要保障，一般包括推進(jìn)分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等。

2）航天器設(shè)備

航天器設(shè)備由一臺臺單機(jī)構(gòu)成，是航天器的控制中樞和重要組成部分。單機(jī)之間存在數(shù)據(jù)傳輸和信息交互，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響到航天器各分系統(tǒng)的功能，因此發(fā)射前需要進(jìn)行充分完整的測試，以確保其在軌運(yùn)行壽命。

3）指令單元類型

指令單元類型取決于航天器設(shè)備所具有的功能。指令單元是由多個(gè)參數(shù)組成的不固定長度的字符串，其第一個(gè)參數(shù)指令類型碼長度為一個(gè)字節(jié)，決定了指令單元的類型。

4）指令子類型碼

指令子類型碼是指令單元能否二次解析的標(biāo)志位。當(dāng)指令單元能夠二次解析時(shí)，指令子類型碼決定了指令單元數(shù)據(jù)內(nèi)容參數(shù)解析的基本構(gòu)成。當(dāng)指令單元不能夠進(jìn)行二次解析時(shí)，指令子類型碼將直接顯示指令單元類型名稱。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.2.1 操作模塊

操作模塊主要實(shí)現(xiàn)配置遙控指令單元規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的系統(tǒng)名稱、設(shè)備名稱、指令單元類型和指令子類型碼。

遙控指令單元規(guī)則配置過程如圖2 所示。配置規(guī)則中的解析格式分為參數(shù)解析和類型解析兩種類型。參數(shù)解析是將指令單元的內(nèi)容按照設(shè)定的參數(shù)名稱和位寬進(jìn)行具體展開；類型解析是將指令單元和指令單元數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分類處理，建立遙控指令單元的層級關(guān)系。

圖2 遙控指令單元規(guī)則配置流程圖

遙控指令單元生成系統(tǒng)的層級架構(gòu)如圖3 所示。依次選擇規(guī)則配置中事先設(shè)定好的層級內(nèi)容，可以得到遙控指令單元參數(shù)構(gòu)成的基本框架。

圖3 遙控指令單元生成系統(tǒng)層級架構(gòu)

2.2.2 編輯模塊

軟件程序通過調(diào)用規(guī)則配置中的指令單元格式來動(dòng)態(tài)生成指令單元參數(shù)的編輯模塊。該模塊由參數(shù)名稱、參數(shù)編輯控件、參數(shù)配置信息和校驗(yàn)方式組成，實(shí)現(xiàn)遙控指令單元生成系統(tǒng)參數(shù)的編輯和設(shè)置。參數(shù)的編輯形式分為固定鍵值、枚舉值、自動(dòng)生成數(shù)值以及手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)。固定鍵值的參數(shù)是在規(guī)則配置中事先設(shè)定的，其數(shù)值無法在編輯模塊中進(jìn)行修改。枚舉值包含參數(shù)數(shù)值和參數(shù)含義兩部分，有多種定義可供選擇。自動(dòng)生成數(shù)值的參數(shù)主要為有效字節(jié)數(shù)和設(shè)備號，有效字節(jié)數(shù)通過計(jì)算指令單元各參數(shù)的位寬而自動(dòng)生成，并將結(jié)果顯示在編輯模塊中；設(shè)備號根據(jù)事先配置的航天器設(shè)備應(yīng)用過程標(biāo)識而自動(dòng)生成。手動(dòng)輸入的參數(shù)格式支持二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制和多種時(shí)間格式，并且輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)長度需要在限制的位寬范圍內(nèi)，否則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出警示框，進(jìn)行異常輸入信息提示。輸入?yún)?shù)數(shù)值的流程圖如圖4 所示。遙控指令單元的校驗(yàn)方式分為無校驗(yàn)、和校驗(yàn)、CRC16 校驗(yàn)、CRC32 校驗(yàn)四種方式，滿足多型號項(xiàng)目的要求。

圖4 手動(dòng)輸入?yún)?shù)數(shù)值流程圖

2.2.3 存儲模塊

存儲模塊通過調(diào)用底層的XML 文件，以樹狀結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)名稱、設(shè)備名稱、指令單元名稱和指令單元內(nèi)容。在界面中勾選生成的遙控指令單元，可以進(jìn)行刪除、編輯、生成遙控指令表以及添加到遙控指令生成界面等操作。點(diǎn)擊刪除按鈕時(shí)，不僅可以刪除界面中選中的遙控指令單元，同時(shí)能夠刪除XML文件中此條遙控指令單元的相關(guān)內(nèi)容。雙擊遙控指令單元可以在編輯模塊中顯示各參數(shù)的名稱和數(shù)值，以便對其進(jìn)行修改。點(diǎn)擊添加按鈕時(shí)，可以將勾選的遙控指令單元添加到生成遙控指令的界面中，以便后續(xù)執(zhí)行組遙控包、遙控傳送幀、遙控指令等操作。生成的遙控指令單元XML 文件也可以上傳到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)其他計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)下載最新版本的遙控指令單元。

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊主要用于顯示生成的遙控指令單元名稱和指令單元內(nèi)容以及設(shè)置的基準(zhǔn)時(shí)間。基準(zhǔn)時(shí)間可以和輸入的時(shí)間格式參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算、轉(zhuǎn)換，進(jìn)而生成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

通過將遙控指令單元生成系統(tǒng)在多個(gè)航天器型號中進(jìn)行應(yīng)用，可以看出該系統(tǒng)執(zhí)行正常，滿足工程項(xiàng)目需求，各項(xiàng)工作指標(biāo)均高于或等于傳統(tǒng)人為制作模式，且在運(yùn)行效率、通用化范圍和操作便捷度上都具有非常高的優(yōu)越性。

首先，在測試之前需要配置好測試用例和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。測試用例主要包括配置指令單元類型、參數(shù)名稱、參數(shù)輸入形式、參數(shù)計(jì)算公式和指令單元校驗(yàn)方式。實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要設(shè)置計(jì)算機(jī)的IP 和端口號，使其能夠連接數(shù)據(jù)庫，以便實(shí)現(xiàn)多臺計(jì)算機(jī)聯(lián)合工作，完成遙控指令單元數(shù)據(jù)的存儲和自動(dòng)下載更新。

然后，應(yīng)用程序通過調(diào)用配置文件來自動(dòng)生成系統(tǒng)的首頁面，遙控指令單元系統(tǒng)界面如圖5 所示。界面中最右側(cè)的存儲模塊可以顯示出之前保存的遙控指令單元所屬分系統(tǒng)、所屬設(shè)備、遙控指令單元名稱和遙控指令單元內(nèi)容。測試人員在系統(tǒng)操作模塊中依次選取事先配置好的系統(tǒng)名稱、設(shè)備名稱、指令單元類型和指令子類型碼，便可在編輯模塊中動(dòng)態(tài)彈出指令單元各參數(shù)名稱和部分參數(shù)固定鍵值，根據(jù)航天器遙控指令單元使用準(zhǔn)則，輸入相應(yīng)格式的參數(shù)數(shù)值并生成遙控指令單元字符串，在顯示模塊中進(jìn)行展示。

圖5 航天器遙控指令單元生成系統(tǒng)界面

最后，測試人員對生成的遙控指令單元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理方式為：

1）測試人員可以直接將生成的指令單元添加到遙控指令編輯界面中，以便后續(xù)進(jìn)行組遙控包、組遙控幀和生成遙控指令的操作。

2）測試人員可以將生成的指令單元保存到系統(tǒng)界面存儲模塊中，為后面修改、編輯指令單元提供便利。保存下來的遙控指令單元可以上傳到Oracle 數(shù)據(jù)庫中，以便其他計(jì)算機(jī)從數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)下載最新版本的遙控指令單元數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)針對航天器現(xiàn)階段的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在未來可能的變化元素上留下了可擴(kuò)展接口，能夠較好地應(yīng)用于多型號多領(lǐng)域的航天器研發(fā)，具有很強(qiáng)的通用性和兼容性，相比于傳統(tǒng)的人為轉(zhuǎn)換生成遙控指令單元的方式具有更高的效率。遙控指令單元生成系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式使用效果對比如表1 所示。

表1 遙控指令單元生成系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式使用效果對比

4 結(jié)論

文中針對航天器研發(fā)的任務(wù)需求和特點(diǎn)，提出了一套規(guī)范化的航天器遙控指令單元生成系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的可操作性、可擴(kuò)展性和本地適用性，改變了傳統(tǒng)的人為生成遙控指令單元的模式，在地面測試軟件的應(yīng)用過程中發(fā)揮了重要的作用，旨在盡可能提高航天器各型號之間的繼承性、通用性和復(fù)用性，提高測試過程的集成度和可信度，有效降低人力和時(shí)間成本，避免人為不確定因素。整個(gè)遙控指令單元生成系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)航天器研發(fā)過程中使用，運(yùn)行效果穩(wěn)定，具有精度高、界面操作友好等特點(diǎn)，隨著型號任務(wù)的不斷應(yīng)用，必將會(huì)給未來航天領(lǐng)域的發(fā)展帶來積極的促進(jìn)作用。