基于XTCE標準的通用型航天器系統數據處理方法研究

摘要：基于航天器研制過(guò)程中需要對不同種類(lèi)不同格式的系統數據進(jìn)行統一描述的目的，采用XTCE建立通用型的航天器系統數據處理方法，通過(guò)使用某型號航天器地面系統數據管理軟件進(jìn)行地面試驗，得出該系統數據處理方法的使用可以實(shí)現航天器系統數據交換格式規范性和通用性的結論。提高航天器系統數據解析和處理的效率和可靠性，為航天任務(wù)中的信息交換處理提供了便利的方法和新的思路。

關(guān)鍵詞：XTCE;航天器;系統數據;數據處理

近年來(lái)，隨著(zhù)航天器復雜度和對可靠性要求的提升，對航天器系統數據的解析和處理要求也隨之不斷升高。如何開(kāi)發(fā)出一套快速有效的航天器系統數據處理系統已成為航天器設計和研制的重要環(huán)節和組成部分。

XTCE(XML Telemetric and Command Exchange)是一套由OMG(Object Management Group)提出的，利用XML語(yǔ)言來(lái)描述航天器系統數據的規范。其目的是提出一種國際化的

新體制與標準，為不同機構和系統在航天任務(wù)的各個(gè)階段對航天器系統數據的有效交換提供支持。目前，XTCE已在歐美的航天器研制中得到了廣泛的應用，一些航天器研制機構和廠(chǎng)商還根據自身的設計需求開(kāi)發(fā)出了相應的XTCE應用軟件，用于航天器設計中。本文使用XTCE進(jìn)行航天器系統數據處理模型設計，并設計了XTCE航天器系統數據交換文件設計，提出了基于XTCE的航天器系統數據處理方法。

1 XTCE組織結構

1.1 面向對象的分層描述

XTCE為航天器提供了一個(gè)面向對象的樹(shù)狀分層描述結構，結構的根節點(diǎn)是“航天器系統”節點(diǎn)(如圖1所示)。XTCE的執行由根節點(diǎn)開(kāi)始并傳播到整個(gè)航天器系統的各個(gè)層次，在每個(gè)層次，每個(gè)元素既代表自己又是整個(gè)空間系統的一部分(如圖1所示)。這種分層管理的方式，方便用戶(hù)自底向上的描述航天器遙測遙控數據結構，并在逐步成熟后進(jìn)行組裝構成邏輯系統，具有良好的延展性。

如上所述，相比以往的描述方法，XTCE具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)XTCE是標準化的描述方法，CCSDS推薦在航天任務(wù)的各個(gè)階段都采用XTCE描述遙測遙控信息，因此，采用XTCE描述遙測信息在數據交換方面具有方便準確的優(yōu)勢;

2)XTCE在設計之初就考慮到了對異構任務(wù)的支持，這與航天器系統數據處理軟件支持多任務(wù)的需求是完全吻合的;

3)XTCE標準以一個(gè)XML schema文件的形式給出，可讀性好，同時(shí)也便于使用成熟的技術(shù)自動(dòng)處理XTCE文件;

4)XTCE文件具有明顯的層次化結構，易于在不同元素層次上進(jìn)行擴展和集成;

1.2 遙測元數據結構

遙測元數據是對航天器遙測數據的描述，定義了參數類(lèi)型、參數、容器、消息、數據流、算法等內容，詳見(jiàn)圖2。

1)ParameterTypeSet(參數類(lèi)型集)：遙測參數的元數據集合，參數類(lèi)型實(shí)例化后即可以描述遙測參數。參數類(lèi)型包含的信息有：數據類(lèi)型、說(shuō)明信息、告警閾值、輸出數據的工程單元、長(cháng)度、位序量綱和校驗方式以及在天地傳輸過(guò)程中的編碼方式。

2)ParameterSet(參數集)：一組遙測參數及其引用的集合。

參數是實(shí)例化的參數類(lèi)型，包含名稱(chēng)和指向參數類(lèi)型的引用(ParameterRef)。參數也可以有別名和實(shí)例化后的特殊屬性，而“引用”常值以前在其他ParameterSet中定義參數的引用。

3)SequenceContainer(序列容器)：一組有序的參數序列，可以描述數據包、數據幀、子幀或結構數據項。序列容器可以由基礎容器派生，方便數據定義。

4)MessageSet(消息集)：消息是在服務(wù)過(guò)程中通過(guò)匹配方式唯一標識一個(gè)容器的替代方法，通過(guò)比較SequenceContainer中的元素與預定值是否一致，實(shí)現對Sequence Conta iner的過(guò)濾。

5)StreamSet(數據流集)：一組無(wú)序的Stream(數據流)的集合。航天器上、下行數據均是數據流，在數據流層面有很多處理和操作。StreamSet中包含所有包括組幀、解幀在內的上、下行數據的處理方法。

6)AlgorithmSet(算法集)：對于航天器地面測試系統，事先構造一些處理遙測、遙控數據的基礎算法，有利于重構復雜邏輯的數據處理算法。

利用遙測元數據描述遙測參數的步驟為：用Parameter Set定義遙測參數，用ParameterType定義遙測參數的數據類(lèi)型，然后定義SequenceContainer(對于分包遙測，Sequen ce Container用于打包遙測數據并描述遙測數據包，對于時(shí)分多路遙測，SequenceContainer用于描述遙測幀及幀結構)，再定義遙測數據的StreamSet(數據流集)，最后定義遙測數據的AlgorithmSet(算法集)。

1.3 遙控元數據結構

遙控元數據的格式與遙測元數據相似，但除了含有與遙測元數據一致的ParameterTypeSet，ParameterSet，MessageSet，StreamSet和AlgorithmSet以外，還有Argument Ty pe(判據類(lèi)型集)和Metacommand(元指令集)，如圖3所示。

ArgumentType(判據類(lèi)型集)：判據類(lèi)型集與參數類(lèi)型集十分相似，區別是判據類(lèi)型實(shí)例化后通常與特定的遙控數據綁定。該集合包含的信息包括：數據類(lèi)型、文本描述、正常值范圍、工程單元等。Metacommand(元指令集)：用于描述遙控指令。通過(guò)描述指令名稱(chēng)、指令參數、指令間約束關(guān)系、指令序列、指令容器、指令驗證集等內容定義遙控指令。

2 XTCE數據處理模型以及XTCE文件設計

2.1 Space System的設計

構造XTCE數據模型時(shí)，首先要對頂層的航天器結構進(jìn)行定義，表示出XTCE所代表的航天器或子系統的框架結構。對于每個(gè)分系統或載荷，可以進(jìn)行相應的工程狀態(tài)參數設定，用以表示數據信息所對應的工程周期。以樹(shù)狀結構表示了XTCE文件所代表的載荷系統及其所包含的單機。Space system以分級的形式表示出了航天器的系統結構，航天器所包含的分系統、載荷以及單機設備級的子結構都可以利用XTCE進(jìn)行相應的工程描述。以樹(shù)狀結構表示了XTCE文件所代表的載荷系統及其所包含的載荷和單機。該模型對應的XTCE文件代碼示例如下：

2.2 遙測遙控數據處理模型設計

定義好Space System數據模型之后，就可以根據遙測遙控的數據格式來(lái)定義其數據模型。定義時(shí)，使用自上而下的設計方法，先把數據框架設計好，然后再根據載荷或分系統的命令或數據信息將數據模塊“搭建”到數據框架中。根據遙測遙控包的共性和區別，設計了如圖4的測控統一XTCE數據模型。

以分包遙測的遙測數據定義為例，可以先定義一個(gè)包結構，然后列出包頭、包數據域、校驗數據域等主要框架，再細化各部分內容。如包頭內的包版本號、類(lèi)型、應用過(guò)程識別符、包順序控制等，最后填入實(shí)際數據信息。下面以遙測包中APID的定義為例來(lái)說(shuō)明參數各部分的設計方法。

遙控指令部分的定義包括遙控指令集和遙控封裝集的定義，與遙測部分的定義類(lèi)似。

2.3 XTCE文件設計

將設計好的space system，遙測遙控模型定義好后組成一個(gè)完整的XTCE數據模型，針對同一XTCE數據模型可開(kāi)發(fā)相關(guān)的解析軟件將模型中的信息轉化為符合XTCEschema的XTCE數據文件，此時(shí)XTCE文件中已經(jīng)包含了全部的衛星數據格式信息。

隨著(zhù)數據文件的驗證或檢驗，XTCE文件可能需要相應的修改或調整。對于數據定義中插入，刪減或修改比較多的部分，可先在XTCE模型中進(jìn)行修改，再轉換成XTCE文件，避免復雜的修改工作和出錯;如果只是極少的修改內容，如數據內容或類(lèi)型等，也可在XML編輯工具中直接修改。

3 應用實(shí)例

上述理論和方法已經(jīng)應用于某型號航天器的地面系統數據管理軟件中。下面舉例說(shuō)明如何用XTCE定義航天器遙測數據，圖5所示為幀序號是0和1的兩個(gè)遙測數據子幀。

ASM=fa表示幀頭為“fa”。MFCtr=0/1表示序號為0/1的子幀，子幀0的第16—24位表示參數Bat1V，子幀1的第16—24位表示參數Beacon Status。用自然語(yǔ)言對子幀0的這2個(gè)參數進(jìn)行描述：Bat1V表示電池1的電壓，編碼為8位無(wú)符號整形數，高位在前，校準至1個(gè)1～32 V電壓曲線(xiàn)，位于第1子幀第16—32Byte。Beacon Status表示照明狀態(tài)，編碼為8位無(wú)符號整形數，高位在前，只用到第1位，‘1’表示on，‘2’表示off，位于第1子幀第24-32Byte。這樣的描述不利于計算機處理，沒(méi)有特定的規范，在實(shí)際處理時(shí)需要大量的人工轉換，不但費時(shí)費力，且很容易出錯，極易帶來(lái)工程風(fēng)險。如果用XTCE格式的 XML對其進(jìn)行描述，則可以轉化為如圖6所示的形式。

這樣的描述可以通過(guò)優(yōu)化工具的人機交互可以使定義的過(guò)程變得很容易，而且有了XTCE標準架構的支持，描述語(yǔ)法的正確性可以及時(shí)獲得驗證?？梢院芎玫慕鉀Q不同航天器系統數據統一定義和描述的問(wèn)題。

4 結束語(yǔ)

本文詳細說(shuō)明了XTCE中對于航天器系統數據的定義，分析了用XTCE描述航天器系統數據的優(yōu)點(diǎn)，并設計了基于XTCE的通用型航天器系統數據處理模型以及XTCE文件。并通過(guò)在成熟航天器型號中的應用證明，XTCE能夠滿(mǎn)足航天器系統數據描述需求，能夠支持不同航天器的異構任務(wù)，為描述各類(lèi)航天器系統數據提供了標準的模型文件，以XML架構的形式清晰完整地定義了航天器系統數據處理所需要的信息。推廣使用XTCE標準不僅是航天科技與世界接軌的需要，更是減少任務(wù)成本和工期，降低任務(wù)風(fēng)險的需要。