基于XTCE改進模型的遙控指令生成系統設計

李瑞軍 范延芳

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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基于XTCE改進模型的遙控指令生成系統設計

李瑞軍 范延芳

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

提出了一套改進的基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換(XTCE)遙控元數據模型，重構了空間任務遙測遙控信息描述模型，引入了指令集合元素，使其能夠支持更廣義的指令，具有更高的擴展性；以該模型為基礎，文章設計了一種通用化遙控指令生成系統，采用了自動化軟件技術和數據庫技術，使遙控數據定義更加便捷、高效。實踐證明本系統達到了增強數據處理軟件通用性、減少開發成本、降低開發風險的效果。

基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換；遙控元數據模型；通用化；遙控指令

1 引言

隨著航天器復雜度和可靠性要求的提升，對航天器系統數據的解析和處理要求也隨之不斷升高[1]。然而航天器的研制、管控系統和仿真系統等描述遙控數據的方式和格式卻千差萬別，不同的航天器的應用子系統、地面任務操作系統等，往往使用自己特有的數據接口定義，導致大量的數據轉換、人工核對工作，增加系統開發維護費用，耗費了任務完成時間，增加大了任務風險[2]。

解決上述問題的一個有效途徑是遙測、遙控數據定義的標準化。目前，國內的遙控數據定義多采取自定義的方式，還沒有形成標準化的方式。有些型號采取了自定義的XML格式的遙控指令生成工具，但在通用化程度、擴展性和易用性上仍然存在較多問題；國際上，各航天大國和國際組織都在開展工程標準化的研究[3]。其中，空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)推出的基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換(XTCE)標準得到了較為廣泛的認可，并已在歐美的航天器研制中得到廣泛的應用[4]。

XTCE是一套遙測和遙控數據交換的解決方案，應用在任務開發和操作的各個階段[5-8]。XTCE定義了遙測、遙控數據的格式，具有很高的通用性和擴展性。但為了具有更大的覆蓋性，這個標準的數據定義中有些信息冗余、導致整個文件體積龐大，部分元素層次較深，描述結構復雜，造成XTCE定義和解析過程中仍需要做較多的處理[3]。同時該標準只是從數據交換的角度定義了遙測、遙控的標準化描述方式，并沒有給出其在工程實踐中具體的管理方式和實現技術。因此，有必要在實際中對其進行本地化改進，同時需要在工程實踐中為其選擇具體的實現技術。

本文根據具體的項目需求，首先對XTCE模型進行了裁剪和改造，形成了一套本地化的遙控數據定義模型；系統采用了數據庫技術和自動化技術，減少了學習XTCE標簽語法的過程和編輯過程，大大地提高了效率。

2 基于XTCE的遙控元數據模型設計

2.1 XTCE的遙控元數據模型

XTCE中定義了遙測元數據、遙控元數據和服務元素等概念。其中遙控元數據模型如圖1所示[7-9]。模型分了兩級，第一級下定義了七個元素：參數類型、參數集合、數據段類型、元指令、指令容器、數據流和算法集合。元指令是具體的遙控指令對應的元素，其下第二級定義，列出了所有的子元素：系統名稱、基本元指令、數據段、判讀準則、發送限制、重要等級、單指令容器、互鎖、校驗集合。

圖1 XTCE遙控元數據模型Fig.1 XTCE command meta data model

2.2 基于XTCE改進的遙控元數據模型

如圖2所示，為本文改進后的遙控元數據模型，保留了XTCE遙控元數據模型中的七個元素。元指令中只保留判讀準則，并將其重構到遙控數據下，新增加了指令集合元素。

圖2 基于XTCE改進的遙控元數據模型Fig.2 Improved command metadata model based on XTCE

2.2.1 遙控元數據模型的裁剪

XTCE的遙控元數據模型中比較完備地給出了從基本類型(參數類型、數據段類型)到基本元素(元指令、參數集合)，最后到復雜的包裝單元(容器、數據流)的定義，同時支持類型算法集合。對于元指令中的元素，改進模型保留了判讀準則，其他的只保留了接口。

2.2.2 遙控元數據模型的重構

在XTCE的遙控元數據模型中，元指令主要包含了兩大方面的內容：指令的格式和指令的其他管理屬性。指令的格式主要指該指令由哪些數據段組成，包括基本元指令、數據段列表、指令容器等。管理屬性表示指令的分類、發送限制、發送后的判讀準則等，包括發送限制、判讀準則、指令等級等。

XTCE標準的初衷，就是要解決數據交換過程中的格式匹配和兼容問題。核心問題是定義圍繞數據流的格式，并沒有把指令本身的管理放到和數據流對等的地位。

在實際的任務中，指令的屬性很多，包括指令名稱、指令意義、指令執行效果及指令格式等。指令的格式可能有不同的表現，如發送到航天器上的硬件指令是一條數據流，這條數據流在發往航天器上后會對應某臺設備的一個脈沖輸出，從廣義上講這個脈沖輸出也是一條指令，而遙控指令數據流與脈沖輸出是同屬于一條指令的兩個表現形式。所以在XTCE中，將指令的其他屬性放到二級的元指令中。

其次，在實際的工作中將指令的不同表現通過指令聯系起來，對于測試驗證等工作具有重要意義。例如，上面提到硬件指令數據流與輸出脈沖，將它們聯系起來更有助于判斷指令的效果，而不只是單單從判讀準則中規定的參數期望值來判斷其效果。

將遙控指令數據流與脈沖輸出通過指令建立起聯系，這對于地面測試驗證等工作具有意義。

基于以上原因，本系統對模型進行了重構：

(1)增加單獨的指令集合元素，和元指令處于同一級，二者通過指令ID進行引用關聯；

(2)將原來屬于元指令的管理類元素放到遙控元數據下。

2.2.3 遙控元數據元素定義

模型中各個元素類圖及其關系如圖3所示。

圖3 通用遙控元數據模型元素類圖Fig.3 Element class diagram of generic command metadata model

1)參數類型

參數類型用于定義任務中遙測參數的類型，定義了整型、浮點型等基本類型。在此基礎上，可以通過自定義枚舉等方式擴充。

2)參數集合

參數集合定義了任務中參數的集合。系統中定義了參數ID、參數名稱、參數類型、參數單位等屬性域，用戶還可以根據需求擴展這些屬性域。參數的處理會用到算法集合中的算法。參數由參數ID唯一標識，外部對其引用通過該標識實現。系統中元指令和判讀準則中會引用到參數。

3)算法集合

算法集合定義運算算法。系統中預定義一套標準算法，包括正則表達式運算、數學運算、校驗和運算等算法。此外通過標準接口可以擴展，包括動態庫算法加載、腳本調用接口等。

4)數據段類型

數據段類型用于定義元指令中數據段的類型，數據段類型決定了數據段內容的生成方式。系統中預定義有固定值、枚舉值、校驗和、長度、即時輸入值、引用值、算法計算等類型。其中，算法計算通過引用算法集合中的算法計算得到；引用值可以引用參數集合中的參數，從而根據參數內容動態生成。對于復雜及無法通過上述算法得到的，則通過擴展接口實現。

5)元指令

元指令定義了遙控指令的格式及內容，每條元指令對應任務中的一條遙控指令。元指令由若干數據段組成，數據段由數據段類型決定了內容生成方式。

此外，還有條件屬性，是否為分類等屬性。條件屬性用于定義該屬性成立的條件，一般會依賴于其他數據段或者所在容器的數據段。分類屬性用于形成指令的分類，不同類型的指令據此存儲在不同的指令容器中，便于指令的管理。這兩種方式都會造成底層的元指令、子容器對父級容器的依賴，本系統中的數據定義采用自頂向下的定義方式。

元指令中定義的遙控指令通過指令ID與指令集合中的指令關聯。

6)指令容器

指令容器定義了一類具有邏輯相關性的指令集合，這種相關性可能是其具有相同的屬性段、相同的指令類型等，也可能是由人為定義在一起的一類指令集合。在系統中，通過指令容器對指令進行分類管理。指令容器自身還可以有自己的屬性，通過這些屬性可以對其中的指令加些特殊處理，比如參數對齊、自動填充等，也可以在此基礎上，針對特殊情況進行擴展。

7)數據流

數據流定義了發往目標的一條數據流的格式。其中包括元指令、指令容器及組織它們的控制字段，例如同步字、校驗和、長度域等。

8)判讀準則

判讀準則定義了遙控指令發出后參數的期望值。一個參數準則對應一組參數期望值列表。

9)指令集合

指令集合中的指令有指令ID、指令名稱等屬性信息，此外，一條指令還引用了判讀準則。

3 基于XTCE改進模型的遙控指令生成系統軟件架構設計

基于XTCE改進模型的遙控指令生成系統是改進模型的工程化實踐系統，用戶可以方便地編輯、存儲、生成、共享指令規則，快速地生成指令。本系統軟件采用了三層的軟件架構，如圖4所示。

圖4 基于XTCE改進模型的遙控指令生成系統軟件架構Fig.4 Architecture of command generation system based on improved XTCE Model

3.1 用戶界面接口

XTCE利用XML方式表述，提供了結構化且功能強大的描述方式。但XML編輯工作量大，人工管理繁雜且易出錯。為此，本系統中通過軟件建模，將繁雜的XML操作轉換為表格化操作。

用戶界面接口提供了友好的界面，用戶不必編輯大量的XML文件，而是通過表格化的編輯，即可完成指令規則生成和指令參數的管理。

3.2 業務處理層

參數管理、指令管理、判讀準則管理分別完成型號中參數、指令、判讀準則的編輯和管理；指令規則管理模塊完成指令規則的編輯；XTCE的標準中推薦自底向上的方式對規則進行描述[7]，即先定義好基礎的元素，如參數類型、指令類型后，再定義元指令，然后由元指令再定義容器和數據流等。在本系統的實踐中兼容了這種方式，但更推薦采用自頂向下的方式(原因見2.2.3節說明)。同時用戶也不必先定義這些類型，再定義參數，軟件實現上提供了需要類型時再定義的按需定義方式。

指令生成模塊用于根據預定義規則生成指令內容；而指令反演模塊則將現有指令塊的內容反演出其含義；可以根據實際需要將發令功能集成在該軟件中。

3.3 數據庫抽象層

XML表述的文件易讀性強，但是文本數據量大，純文本的管理比較復雜，不便于管理和共享。本系統中，將XML結構轉換為關系型數據庫表存儲。

數據庫抽象層，將數據庫表封裝為實例化的對象，上層模塊只需要調用對象即可；該層屏蔽了底層異構的數據庫形式，為用戶在多種數據庫形式的轉換提供便利。

4 基于XTCE改進模型的遙控指令生成系統應用效果

目前航天任務中有三類用于遙控數據生成的工具，分別是針對具體型號定制開發的工具、基于自定義XML格式的遙控指令生成工具和本文的基于XTCE改進模型的遙控指令生成軟件。

定制開發的工具通用性最差，指令生成規則嵌入在代碼中實現，需要較長的開發時間，通常需要數周時間，且要求使用者先編程。由于開發者的設計水平、實現水平和已經投入時間的不同，定制軟件的功能性也參差不齊，但通常都是圍繞規則制定軟件的功能。一旦工具完成后，用戶就不再需要考慮更多的指令規則等情況。

基于自定義的XML格式的遙控指令生成工具，對現有指令生成規則進行了抽象，用戶不再需要編程，只需要按照定制的XML格式對指令規則進行配置，因此規則制作時間大大縮短。該工具通用性較之前有很大提高，實現了多領域多型號的通用。但由于制作規則的抽象覆蓋面有限，對于部分型號的特殊需求等還存在無法覆蓋的情況，且擴展性有限，如不支持動態數據段、新的校驗和生成算法擴展等。此外，該工具對于XML編輯沒有更多的封裝支持，在軟件自動化支持方面不夠豐富。因此規則制作和指令生成效率有限。

本文的系統工具基于XTCE遙控元數據模型，并針對現有航天器情況作本地化改造，且在可能的變化元素上留下了擴展接口，通用性更強。同時系統軟件在架構設計時，借鑒了定制軟件指令生成上的優勢，對自定義格式遙控指令中XML編輯、指令生成時的不便利情況，運用軟件的強大的編輯和自動化技術，使得用戶不需要再學習XML規范，在規則編輯和生成上更加便捷高效。

目前，基于XTCE改進模型的遙控指令生成系統在深空、通信和遙感等領域的多顆衛星上進行了應用，指令包括星上軟件指令、離散指令等。表1列舉了3種不同的遙控指令生成工具的使用效果。從中可以看出，本系統的工具的各項指標均高于或等于現有的工具，且在提高效率、適用范圍和易用性上具有非常高的優越性。

表1 不同遙控指令生成工具使用效果對比

注：指令生成時間是指用戶使用軟件時的選擇和配置時間。

5 結束語

XTCE遙控元數據模型是CCSDS中定義遙控指令格式的模型，本文以該模型為基礎，針對航天任務的現狀和特點，對其進行了本地化的改進，在保留原有基本元素的基礎上進行了模型的重構，使得其具有更好的開放性和本地適用性。在實現上，針對現有軟件的不足，引用軟件自動化技術，降低了任務學習和使用負擔，提高了生成效率。

References)

[1]XML Telemetric and Command Exchange (XTCE) supporting material[EB/OL].[2015-06-06].http://www.ccsds.org/

[2]邢瑩，師本慧，陳金勇.基于XTCE的衛星狀態監視平臺設計與實現[J].計算機與網絡，2014(24)：55-58

Xing Ying，Shi Benhui，Chen Jinyong.Design and implementation of satellite status monitoring platform based on XTCE[J].Computer & Network，2014(24)：55-58 (in Chinese)

[3]曲藝，劉玉榮，左江濤，等.基于XTCE標準的遙測數據處理軟件架構研究[J].飛行器測控學報，2012，31(1)：60-64

Qu Yi，Liu Yurong，Zuo Jiangtao，et al.Study on the architecture of telemetry processing software based on XTCE[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology，2012，31(1)：60-64 (in Chinese)

[4]王軍，曹玉娟，周倜，等.CCSDS XTCE在航天任務中的應用研究[J].飛行器測控學報，2012，31(z1)：43-45

Wang Jun，Cao Yujuan，Zhou Ti，et al.Application of CCSDS XTCE in aerospace missions[J].Journal of Spacecraft TT & C Technology，2012，31(z1)：43-45 (in Chinese)

[5]王楠，盧逸斌，王衛楠，等.基于XTCE 標準的通用型航天器系統數據處理方法研究[J].電子設計工程，2015，23(9)：119-122

WANG Nan，LU Yibin，WANG Weinan，et al.Study on universal spacecraft system data interpretation method based on XTCE[J].Electronic Design Engineering，2015，23(9)：119-122 (in Chinese)

[6]劉洋，相里斌，朱振才，等.基于PUS協議的通用遙控指令設計及其XTCE描述[J].飛行器測控學報，2015，34(1)：22-25

Liu Yang，Xiang Libin，Zhu Zhencai，et al.A generic satellite command design method based on PUS and its XTCE description[J].Journal of Spacecraft TT & C Technology，2015，34(1)：22-25 (in Chinese)

[7]CCSDS.CCSDS 660.0-G-1.1 Xml telemetry and command exchange[S].Green Book.Washington D.C.：CCSDS，2006

[8]CCSDS.CCSDS 660.0-B-1.1 Xml telemetry and command exchange[S].Blue Book.Washington D.C.：CCSDS，2007

[9]CCSDS.CCSDS 660.0 Xml telemetric and command exchange(XTCE)[S].Green Book.Washington D.C.：CCSDS，2008

[10]何熊文，張猛.遙控和遙測包應用標準在航天器中的應用方法[J].航天器工程，2012，21(3):54-60

He Xiongwen，Zhang Meng.Application method of telecommand and telemetry packet utilization standard in spacecraft[J].Spacecraft Engineering，，2012，21(3):54-60 (in Chinese)

[11]張亞航，趙思陽，何熊文.基于傳統遙控體制的分包遙控方案設計[J].飛行器測控學報，2012，31(z1)：81-85

Zhang Yahang，Zhao Siyang，He Xiongwen.A multila-yer telecommand design based on the traditional telecommand system[J].Journal of Spacecraft TT & C Technology，2012，31(z1)：81-85 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Design of Command Genaration System Based on Improved XTCE Model

LI Ruijun FAN Yanfang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

This paper presents a set of improved XTCE command metadata model that reconstructs the original model and introduces the instruction set elements.The new model can support more generalized commands and has higher extensibility.Based on the model，the paper introduced a generic command generation system.With the help of the automation technology and database，the newly presented description language of the telecontrol data can be applied easily and effectively.It has been proven that the new system is more practical，efficient and generic than the similar products.

XTCE；command metadata model；generic；telecontrol command

2015-09-06；

2015-11-11

李瑞軍，男，工程師，從事星載軟件研究。Email:npulrj@163.com。

TP319；V446

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.011