運(yùn)載火箭飛行控制軟件可重用架構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

霍 宏 劉俊陽(yáng) 李蘭蘭 劉學(xué)士

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

在型號(hào)任務(wù)高速增長(zhǎng)、發(fā)射任務(wù)密集的形勢(shì)下，運(yùn)載火箭飛行控制軟件研制周期越來(lái)越短、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜且規(guī)模越來(lái)越大，由軟件問(wèn)題造成的事件呈上升趨勢(shì)。當(dāng)前，傳統(tǒng)的軟件研制模式已不能適應(yīng)航天運(yùn)載火箭軟件研制的任務(wù)要求，亟需運(yùn)用新的設(shè)計(jì)手段提高軟件研制效率和降低軟件維護(hù)成本[1]。研究發(fā)現(xiàn)將可重用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用在運(yùn)載火箭領(lǐng)域飛行控制軟件研制過(guò)程中，可以提高軟件開(kāi)發(fā)效率、縮短設(shè)計(jì)周期。

提出一種運(yùn)載火箭飛行控制軟件可重用架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合具體實(shí)例闡述了在軟件需求分析、概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段可重用軟件的開(kāi)發(fā)技術(shù)，對(duì)縮短運(yùn)載火箭飛行控制軟件研制周期、提高飛行控制軟件質(zhì)量具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 概述

1.1 可重用軟件開(kāi)發(fā)

可重用軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)在于領(lǐng)域分析：根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的特征和相似性，分析軟件構(gòu)件的可重用性，從而界定并構(gòu)建可重用資產(chǎn)。可重用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)該按照軟件工程化大綱的要求開(kāi)展工作，包括需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、測(cè)試等過(guò)程和階段[2]。本文重點(diǎn)闡述需求分析、概要設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的內(nèi)容。

可重用軟件開(kāi)發(fā)需求分析階段的主要目標(biāo)是分析相關(guān)領(lǐng)域可重用軟件的需求，分析可重用軟件的通用性和可變性，最終建立可變性模型。

可重用軟件開(kāi)發(fā)概要設(shè)計(jì)階段的主要目標(biāo)是將需求階段分析的通用性和可變性分解到高層設(shè)計(jì)框架，并形成可重用架構(gòu)、可復(fù)用構(gòu)件及接口。

可重用軟件開(kāi)發(fā)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的主要目標(biāo)是根據(jù)可重用架構(gòu)，完成可變構(gòu)件、接口和配置參數(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1.2 飛行控制軟件

飛行控制軟件作為強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式軟件，其主要功能是完成航天運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中的導(dǎo)航、制導(dǎo)和姿態(tài)控制等周期性控制任務(wù)，控制航天運(yùn)載火箭按預(yù)定軌道穩(wěn)定飛行[3]。由于不同火箭型號(hào)之間的系統(tǒng)架構(gòu)、任務(wù)要求以及研制人員不同，導(dǎo)致飛行控制軟件在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)及功能模塊設(shè)計(jì)等方面的風(fēng)格不同，增加后期維護(hù)成本。通過(guò)對(duì)目前各型號(hào)航天運(yùn)載火箭飛行控制軟件的分析，可知該類軟件在運(yùn)行調(diào)度、轉(zhuǎn)級(jí)轉(zhuǎn)段、制導(dǎo)姿控算法和輸入輸出控制等多方面的重要需求均有很大的相似性，完全可以通過(guò)開(kāi)發(fā)運(yùn)載火箭飛行控制軟件可重用架構(gòu)提高設(shè)計(jì)效率，降低維護(hù)成本，為型號(hào)飛行控制軟件研制服務(wù)。

2 飛行控制軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 需求分析階段

按照領(lǐng)域分析方法，需求可以分成3個(gè)部分，即通用性需求、可變性需求及特異性需求[4]。可重用軟件的需求分析的核心是分析通用性需求和可變性需求。本文將對(duì)它們進(jìn)行精確的描述。

通用性需求是指所有型號(hào)飛行控制軟件共同的需求；可變性需求是指不同型號(hào)飛行控制軟件中部分需求描述不同，但這些需求可以通過(guò)預(yù)先定義的可復(fù)用構(gòu)件組合實(shí)現(xiàn)，它又分為內(nèi)部可變性和外部可變性需求，內(nèi)部可變性需求對(duì)用戶不可見(jiàn)，由軟件開(kāi)發(fā)人員針對(duì)功能、性能選擇滿足要求的內(nèi)部可變性需求，外部可變性需求對(duì)用戶可見(jiàn)，用戶可根據(jù)任務(wù)要求通過(guò)配置選擇特定的外部可變性需求；而特異性需求則是面向各個(gè)飛行控制軟件的特定任務(wù)需求，無(wú)需為飛行控制軟件的特異性需求建立構(gòu)件。可重用飛行控制軟件需求分析過(guò)程主要是獲取飛行控制軟件的通用性需求和可變性需求的過(guò)程，同時(shí)要建立可變性模型，分析可變性模型與需求階段模型(如用例圖、數(shù)據(jù)流圖等)之間的關(guān)系。

2.1.1 通用性分析

采用基于優(yōu)先級(jí)的分析方法進(jìn)行通用性需求分析，由用戶和軟件設(shè)計(jì)方對(duì)所有需求的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行評(píng)定，確定通用性需求[5]。表1為飛行控制軟件的通用性需求分析結(jié)果。

表1 飛行控制軟件通用性需求分析結(jié)果

從表1的分析結(jié)果看出，第1類為飛行控制軟件的重要組成部分，若去掉這些基本需求就不能表現(xiàn)領(lǐng)域的特點(diǎn)，因此這類需求作為飛行控制軟件的通用性需求。第2類和第3類不是飛行控制軟件的強(qiáng)制需求，這2類需求定義為飛行控制軟件的可變性需求。

2.1.2 可變性分析

按照“變化內(nèi)容、變化原因、變化模式和變化主體”的思路對(duì)表1中的第2類和第3類作進(jìn)一步分析，表2為飛行控制軟件可變性需求分析過(guò)程。

表2 飛行控制軟件可變性需求分析過(guò)程

從表2的分析過(guò)程確定4個(gè)可變點(diǎn)：硬件通訊、姿態(tài)控制、制導(dǎo)控制和輔助修正，對(duì)應(yīng)4個(gè)外部可變性需求。其中，硬件通訊對(duì)應(yīng)的3個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例為：1553B總線通訊、串口通訊和I/O端口通訊；姿態(tài)控制對(duì)應(yīng)的2個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例為：伺服機(jī)構(gòu)輸出指令計(jì)算和噴管輸出指令計(jì)算；制導(dǎo)控制對(duì)應(yīng)的3個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例為：攝動(dòng)制導(dǎo)控制、迭代制導(dǎo)控制和推力矢量控制計(jì)算；輔助修正對(duì)應(yīng)的2個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例為：姿態(tài)修正和導(dǎo)航修正。其中，“制導(dǎo)控制”可通過(guò)不同的程序角計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)，選擇“迭代制導(dǎo)控制”和“推力矢量控制”方式時(shí)，須考慮增加程序角濾波功能；“導(dǎo)航修正”可通過(guò)不同的濾波算法實(shí)現(xiàn)。因此，“程序角算法”和“濾波算法”被識(shí)別為新的可變性需求，不同的程序角計(jì)算和濾波算法有各自的可變點(diǎn)實(shí)例。但用戶可以不關(guān)心軟件具體采用“程序角算法”和“濾波算法”2個(gè)可變性需求中的哪個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例，“程序角算法”和“濾波算法”為內(nèi)部可變性需求。這2個(gè)可變點(diǎn)分別與“制導(dǎo)控制”和“輔助修正”形成了可變點(diǎn)實(shí)例之間的需要約束。

2.1.3 可變性建模

采用正交變化模型的圖形化描述對(duì)“硬件通訊”、“姿態(tài)控制”、“制導(dǎo)控制”和“輔助修正”4個(gè)外部可變性需求進(jìn)行建模，如圖1所示；“程序角算法”和“濾波算法”2個(gè)內(nèi)部可變性需求的依賴關(guān)系如圖2所示。

2.2 概要設(shè)計(jì)階段

概要設(shè)計(jì)過(guò)程的核心內(nèi)容是根據(jù)飛行控制軟件需求分析階段的通用性和可變性分析結(jié)果設(shè)計(jì)可重用的飛行控制軟件架構(gòu)，劃分飛行控制軟件獨(dú)立構(gòu)件，制定設(shè)計(jì)規(guī)則，確定各部件之間的接口約束規(guī)范[6]。

2.2.1 通用性和可變性設(shè)計(jì)

將需求分析結(jié)果按照功能類劃分情況如表3所示，將通用性需求和可變性需求按照功能類進(jìn)行劃分，架構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件實(shí)現(xiàn)通用性需求和可變性需求的調(diào)度，通用性需求對(duì)應(yīng)相應(yīng)的通用性需求構(gòu)件，可變點(diǎn)實(shí)例對(duì)應(yīng)相應(yīng)的可變性需求構(gòu)件，概要設(shè)計(jì)階段的架構(gòu)具有一定的通用性和可擴(kuò)展性，可以提高軟件架構(gòu)的靈活性。

圖1 外部可變性需求的變化模型和用例圖的映射關(guān)系

2.2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)需求分析和概要設(shè)計(jì)過(guò)程的通用性和可變性分析結(jié)果，可重用飛行控制軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包括通用性需求和可變性需求，通過(guò)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)通用性需求構(gòu)件和可變性需求構(gòu)件的控制邏輯和調(diào)用關(guān)系，可變性需求可變構(gòu)件向用戶提供用于配置外部可變性需求的外部接口，用戶根據(jù)提供的外部接口選擇具體需要的外部可變性需求構(gòu)件組合。內(nèi)部可變性需求構(gòu)件在滿足外部可變性需求功能、性能要求的前提下，同樣具有可選擇性和可替換性。

圖2 內(nèi)部可變性需求的約束關(guān)系

表3 飛行控制軟件通用性需求和可變性需求的歸類表

下面以典型的運(yùn)載火箭飛行控制軟件的運(yùn)行控制流程為主線，創(chuàng)建可重用飛行控制軟件架構(gòu)的運(yùn)行模型，并說(shuō)明飛行控制軟件可重用架構(gòu)與可變性模型之間的映射關(guān)系。圖3為飛行控制軟件在每個(gè)控制周期內(nèi)的運(yùn)行流程，“?”為構(gòu)件接口，通過(guò)可重用架構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足不同型號(hào)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的要求，圖3中的實(shí)線所經(jīng)歷的流程是滿足“1553B硬件通訊+伺服機(jī)構(gòu)輸出控制+迭代制導(dǎo)控制+姿態(tài)修正+導(dǎo)航修正”的飛行控制軟件任務(wù)要求的軟件運(yùn)行流程實(shí)例，圖4以迭代制導(dǎo)控制構(gòu)件為例，內(nèi)部可變性需求由軟件開(kāi)發(fā)人員根據(jù)迭代制導(dǎo)控制功能構(gòu)件的功能、性能等要求，選擇相應(yīng)的“程序角算法”和“濾波算法”中提供的具體的內(nèi)部可變性需求構(gòu)件。實(shí)線描述了迭代制導(dǎo)控制構(gòu)件內(nèi)部選擇 “迭代制導(dǎo)計(jì)算算法”，計(jì)算出迭代制導(dǎo)控制的程序角，并通過(guò)“程序角濾波網(wǎng)絡(luò)計(jì)算算法”對(duì)計(jì)算出的程序角進(jìn)行濾波處理的運(yùn)行實(shí)例。

圖3 飛行控制軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)行流程實(shí)例

圖4 迭代制導(dǎo)控制功能構(gòu)件約束關(guān)系示意圖

2.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

軟件架構(gòu)的可重用軟件資產(chǎn)包括：可重用構(gòu)件、接口和配置規(guī)則等。如何設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)的接口和構(gòu)件是軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的主要工作。可重用的飛行控制軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足靈活性、可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性是詳細(xì)設(shè)計(jì)的重要工作。

2.3.1 通用性需求構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.3.1.1 控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件

控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件是根據(jù)飛行控制軟件制導(dǎo)、姿控和綜合等核心功能抽象出來(lái)的調(diào)度構(gòu)件，完成通用性需求構(gòu)件和可變性需求構(gòu)件的調(diào)度。通過(guò)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)可變性需求構(gòu)件的創(chuàng)建、運(yùn)行和結(jié)束，進(jìn)行可變性需求構(gòu)件的生命周期管理；控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件不關(guān)注具體的可變性需求構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)統(tǒng)一接口調(diào)用，有效地解決各型號(hào)任務(wù)之間的差異性，實(shí)現(xiàn)對(duì)可變性需求構(gòu)件的統(tǒng)一管理，具有很強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性。

控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件提供的可變性需求構(gòu)件的接口包括創(chuàng)建構(gòu)件和控制運(yùn)行過(guò)程2部分。通過(guò)定義統(tǒng)一的接口信息，實(shí)現(xiàn)可變性需求構(gòu)件的調(diào)度。

1)創(chuàng)建構(gòu)件：構(gòu)件的基本信息包括：唯一標(biāo)識(shí)名稱、屬性、依賴關(guān)系和過(guò)程調(diào)用接口，如表4所示。過(guò)程調(diào)用接口是控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件和可變性需求構(gòu)件的連接器，形參是可變性需求構(gòu)件的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，可變性需求構(gòu)件根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)完成相應(yīng)的功能；

2)控制運(yùn)行過(guò)程：按照可變性需求構(gòu)件的屬性和依賴關(guān)系，依次實(shí)現(xiàn)從“開(kāi)始”到“結(jié)束”的狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制，“結(jié)束”表示該可變性需求構(gòu)件完成任務(wù)，以后不再調(diào)用該可變性需求構(gòu)件。用戶根據(jù)表4功能構(gòu)件的接口約定和配置規(guī)則、編碼實(shí)現(xiàn)具體的可變性需求構(gòu)件。

表4 可變性需求構(gòu)件的注冊(cè)信息表

2.3.1.2 其他通用需求構(gòu)件

除了控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件以外的通用性需求構(gòu)件滿足一定的通用性，為規(guī)模較小、功能較為簡(jiǎn)單的獨(dú)立構(gòu)件，不隨具體的任務(wù)要求變化。架構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)封裝實(shí)現(xiàn)具體的通用性需求功能，對(duì)用戶隱藏了內(nèi)部具體實(shí)現(xiàn)，一個(gè)通用性需求構(gòu)件通過(guò)一個(gè)或多個(gè)接口與其他構(gòu)件交互。供給接口定義了構(gòu)件必須實(shí)現(xiàn)的操作，請(qǐng)求接口定義了在特定環(huán)境下其他構(gòu)件需為本構(gòu)件提供的操作。接口的定義有多種形式，可以定義結(jié)構(gòu)體、數(shù)組等類似函數(shù)間的形參傳遞，也可以向其他構(gòu)件提供功能對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)。

3.3.2 可變性需求構(gòu)件設(shè)計(jì)

內(nèi)部可變性需求和外部可變性需求的每一個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)可變性需求構(gòu)件，由于各個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例之間的差異性較大，各個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例應(yīng)當(dāng)按照控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件設(shè)計(jì)中定義的接口要求進(jìn)行注冊(cè)，如表4所示，注冊(cè)后形成可變性需求的配置參數(shù)。實(shí)例化具體的可變性需求構(gòu)件，進(jìn)而控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件才能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度可變性需求構(gòu)件。當(dāng)需要根據(jù)任務(wù)要求增加其他可變點(diǎn)實(shí)例時(shí)，通過(guò)注冊(cè)信息表進(jìn)行動(dòng)態(tài)注冊(cè)，可在不改變控制周期任務(wù)調(diào)度構(gòu)件的前提下，增加新的獨(dú)立的可變性需求構(gòu)件。

架構(gòu)中通過(guò)使用條件編譯的方式?jīng)Q定各個(gè)外部可變性需求中可變點(diǎn)實(shí)例的組合情況，使應(yīng)用架構(gòu)中不存在多余功能構(gòu)件，提高了外部可變性需求構(gòu)件的可維護(hù)性，使外部可變性需求構(gòu)件具有可替換性和可選擇性。以“輔助修正”可變點(diǎn)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)2個(gè)宏定義分別表征“姿態(tài)修正”和“導(dǎo)航修正”2個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例的相關(guān)操作，當(dāng)任務(wù)要求中只包括“姿態(tài)修正”這個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例時(shí)，僅定義“姿態(tài)修正”這個(gè)外部可變性需求構(gòu)件的宏定義，源碼編譯過(guò)程中不包括“導(dǎo)航修正”這個(gè)外部可變性需求構(gòu)件，同理，可實(shí)現(xiàn)“導(dǎo)航修正”這個(gè)可變點(diǎn)實(shí)例，體現(xiàn)外部可變性需求構(gòu)件的可替換性；當(dāng)任務(wù)要求中沒(méi)有“輔助修正”這個(gè)外部可變性需求時(shí)，不定義“姿態(tài)修正”和“導(dǎo)航修正”這2個(gè)外部可變性需求構(gòu)件的宏定義，源碼編譯過(guò)程中不包括“姿態(tài)修正”和“導(dǎo)航修正”這2個(gè)外部可變性需求構(gòu)件的任何操作，體現(xiàn)外部可變性需求構(gòu)件的可選擇性。

通過(guò)外部需求構(gòu)件的選擇，在滿足外部需求構(gòu)件功能、性能要求的前提下，由軟件開(kāi)發(fā)人員通過(guò)使用條件編譯的方式選擇具體的內(nèi)部可變性需求構(gòu)件，內(nèi)部可變性需求對(duì)用戶不可見(jiàn)。以迭代制導(dǎo)控制功能構(gòu)件為例，當(dāng)用戶選擇“迭代制導(dǎo)控制”這個(gè)外部可變點(diǎn)實(shí)例時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)人員通過(guò)之前宏定義的設(shè)定和參數(shù)配置，架構(gòu)中自動(dòng)選擇了“迭代制導(dǎo)計(jì)算算法”和“程序角濾波網(wǎng)絡(luò)計(jì)算算法”2個(gè)內(nèi)部可變性需求構(gòu)件,如圖5所示。

圖5 迭代制導(dǎo)控制功能構(gòu)件配置參數(shù)

3 實(shí)例分析

某運(yùn)載器1的飛行控制軟件采用了可重用架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在需求分析階段提出了通用性和可變性需求，在概要設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出軟件架構(gòu)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出具體的通用需求構(gòu)件和可變性需求構(gòu)件，運(yùn)載器1飛行控制軟件代碼總計(jì)20000余行，運(yùn)載器2的飛行控制軟件為某型號(hào)新研軟件，通過(guò)重用分析，運(yùn)載器2飛行控制軟件在運(yùn)載器1飛行控制軟件的基礎(chǔ)上，只需針對(duì)特異性需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，代碼修改量總計(jì)1000行左右，重用情況分析如表5所示，大大減少了軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證成本，提高了軟件研制效率。

表5 運(yùn)載器1與運(yùn)載器2飛行控制軟件重用分析

4 總結(jié)

詳細(xì)闡述了基于可重用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的飛行控

制軟件架構(gòu)，及其在需求分析、概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)理論和實(shí)踐證明，該架構(gòu)在運(yùn)載火箭飛行控制軟件的應(yīng)用不僅能夠提高軟件研制效率，降低研制成本，而且能夠降低設(shè)計(jì)人員主觀因素的影響造成的各種缺陷，不斷提升軟件產(chǎn)品質(zhì)量，提高軟件的可維護(hù)性。運(yùn)載火箭飛行控制軟件可重用架構(gòu)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)模式為運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)軟件傳統(tǒng)研制模式提供了新的思路，具有一定的借鑒意義和實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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