基于資源池的航天測控資源動態重組實現技術

劉云杰，王　彬，劉友永

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

在航天測控系統建設模式上，我國的傳統做法是按“型號”研制、按“套”部署。在這種建設模式下，同一測控站內隸屬不同系統但具有相同功能的分系統不能靈活互換，不同的測控系統重復建設了相同功能的配套設備(例如時頻、測試標校等)，這就使得測控站內有限的測控資源不能夠得到最大程度的利用。

隨著我國航天事業的發展，日益增多的航天發射任務和大量在軌運行的偵察、測繪、氣象、通信、導航和遙感衛星對航天測控系統提出了越來越高的要求，有限的航天測控資源與日益增加的航天測控需求的矛盾逐漸突出[1]。為了解決上述問題，一些學者從算法層面對測控資源調度問題進行了研究，提出了采用遺傳算法、啟發式算法和基于沖突的回跳算法等算法進行測控資源調度，優化資源調度效能，提高測控資源利用率[2-8]。

除了采用優化算法提高資源利用率之外，通過對測控站內的測控資源的優化組合和靈活配置，最大限度地挖掘和提高測控站自身測控能力已經成為業界的共識。原北京跟蹤與通信技術研究所郭琦、劉敏等提出了測控設備資源重組的概念和優點，分析了我國測控設備的現狀，提出了我國未來測控設備資源重組系統建設的一種構想。西安衛星測控中心洪宇等人設計了適應資源動態重組需求的測控設備的體系結構及其監控管理方式，提出了集中監控管理平臺的概念，分析了其功能需求，討論了需要重點關注的關鍵技術[9]。本文在上兩篇文章研究基礎上，重點對動態資源調度方法、支持資源重組的監控軟件實現架構進行研究，從具體實現層面豐富和完善航天測控設備資源動態重組知識體系，為航天測控資源動態重組的設計與實現奠定基礎。

1　基于資源池的測控設備體系架構

在傳統測控系統建設模式上，一個測站內通常部署不相關的多套測控系統，各自獨立執行測控任務，多套測控系統之間不存在設備共享機制，系統監控只對本系統內的測控設備進行配置管理，測控站內的測控資源得不到充分利用。傳統的航天測控系統體系架構如圖1所示。

圖1　傳統測控設備體系架構

為了適應測控資源動態重組需求，為全站建立集中監控管理平臺，以集中監控管理平臺為運行核心完成站內測控設備的資源重組和任務調度。集中監控管理平臺把整站內的測控資源(包含多套前端系統(含信道設備、跟蹤接收機等)、多套終端設備及公共設備)組成測控資源池，把以單套設備為對象的資源調配模式擴大為以全站測控設備為對象的資源調配模式。集中監控平臺根據跟蹤任務計劃和設備健康狀態自動對測控資源池內設備進行配置，完成設備組合、參數配置和自動化運行等工作?；谫Y源池的測控設備體系架構如圖2所示。

圖2　基于資源池的測控設備體系架構

集中監控平臺與傳統系統監控的主要區別是管理對象由單套測控系統變化為全站測控設備，增加了測控設備資源重組與調度功能，由單任務調度變為多任務調度，由單目標測控變為多目標測控，增強了測控系統的自適應能力，充分利用有限的測控資源更好地完成多目標測控任務。

2　基于任務驅動的動態資源調度方法

在面向資源重組的測控設備體系結構下，前端系統與后端的基帶設備、數據存儲與交互等分系統并不是固定的對應關系，而是根據任務需要進行動態的組合配置，是在任務驅動下的動態資源重組。

2.1　任務規劃調度

任務規劃調度的目的是接收中心的工作計劃，進行沖突性檢查后，形成按時間排列的測控任務序列，同時按照時間符合機制調動相關設備執行測控任務。

任務規劃調度功能包括任務規劃和任務調度功能。

① 任務規劃主要是依據工作計劃合理性判決策略將接收到的工作計劃按時間順序生成測控任務隊列。計劃合理性判決策略通過判斷待執行任務數量、工作計劃任務時段、測控設備可用數量和測控設備類型等條件判決該工作計劃是否為合理工作計劃，合理的工作計劃最終生成測控任務隊列，依據時間先后關系存儲到測控任務隊列中，等待調用執行。

② 任務調度模塊向資源調度模塊發送測控資源申請。資源調度模塊根據任務需求、資源分配策略、冗余資源數量和資源健康狀態在測控資源池中進行資源分配，將資源分配結果上報任務調度模塊。

③ 任務調度實時檢測測控任務隊列中的任務開始時間，以時間符合原則調度測控任務。任務調度模塊啟動由測控資源分配表中包含的設備，同時將測控任務相關信息發送相關設備，開始自動化進行系統標校、執行測控任務。

2.2　動態資源分配

在測控任務執行前一段時間(默認5 min)，任務調度模塊進行測控資源確認，檢查分配給該任務的測控設備的狀態，如果出現資源沖突或資源故障情況，需要對后續工作計劃重新進行資源分配。

測控資源確認成功后，資源調度模塊生成測控資源鏈表，并將資源分配結果上報任務調度模塊。測控任務結束后，任務調度模塊釋放占用的測控資源，資源調度模塊進行資源回收，維護更新測控資源狀態表，等待下一次的測控資源分配申請。

在任務執行過程中，如果出現設備故障，一般情況下由備份設備進行替代，如果備份設備也出現故障，需要任務調度模塊向資源調度模塊申請新的資源，資源調度模塊需要根據設備空閑情況和設備狀態進行重新分配，此時后續工作計劃的資源分配也應同時進行，保證資源不出現沖突情況。如果存在突發緊急任務需要執行，需為突發任務進行資源分配，如果無空閑資源應請示中心由其指定停止那一項正在執行的任務，并將相應資源分配給指定任務。

3　面向快速重構的系統監控軟件體系架構

監控分系統用于完成測控系統的狀態監視、設備控制、資源分配、任務調度，負責調度系統內所有設備執行自動測試、系統標校以及測控任務的執行，是測控系統的重要組成部分。在集中監控平臺下，需要靈活應對測控設備的增減、監控接口和功能的增刪等，為此在軟件體系架構和監控運行體制上需要進行創新，有效應對資源動態重組的需求。

傳統模式開發的監控系統，具體應用與設備通常是緊密耦合關系，得到的往往是一個定制系統，可擴展性和可重構性非常差，這類系統雖然可以較好地完成系統最初設計任務，但難以進行擴展或重構以適應業務需求的變化，很難適應當前的資源重組需求。為了解決上述問題，我們在監控業務體系框架上采用了設備管理與任務調度相分離的體制，在監控軟件實現架構上采用了基于軟總線的集中監控軟件體系框架，在監控體制上采用了集中監控與虛擬測控系統監控相結合的分級監控體制。

3.1　系統監控及運行管理業務體系框架

系統監控及運行管理業務體系框架如圖3所示。

圖3　系統監控及運行管理業務體系框架

系統監控及運行管理業務體系框架由應用層、數據管理層、設備管理層和設備層組成。設備管理功能是系統監控管理的基礎，完成系統監控與運行管理軟件與所有外部設備的信息交換、數據格式轉換，屏蔽與硬件、外部設備相關的數據接口，為上層軟件提供數據支持。

數據管理與分發層統一管理上層服務(業務或者任務)所需的數據，為上層服務的運行提供數據支持和信息交換，確保上層服務的獨立性、擴展性和統一設計。

在這種業務體系框架下，應用層(或任務層)與設備層是分離的，具體應用是由設備管理層分配相關設備完成，應用本身無需關心是哪些設備參與完成測控任務。通過任務與設備的隔離，保證了應用和設備的獨立性，任務模式的增加并不影響設備的管理，同樣設備的增加也不影響具體任務的執行。

3.2　基于軟總線的集中監控平臺體系框架

軟總線是組件集成的基礎設施，是硬件總線的虛擬和映射，它通過為組件服務之間提供虛擬的數據傳輸公共通道實現組件與操作系統、組件與組件之間的數據通信，起到的是數據通信中間件的作用，目前主流的軟總線機制包括CORBA、COM/DCOM及EJB等?；谲浛偩€的體系結構具有可維護性好、可重用度高、擴展能力強及較強的通用性，并支持軟件構件的“即插即用”和服務接口的動態配置，使得軟件系統具有良好的靈活性，在業務需求變化時，軟件系統可快速重構進行適應[10-11]。

基于軟總線的集中監控平臺體系框架如圖4所示。

圖4　基于“軟總線”的集中監控平臺體系框架

集中監控軟件體系框架由應用層、服務層、基礎層和系統平臺層組成，各層的功能及運行關系如下：

① 系統平臺層提供操作系統、運行環境及軟件運行所需的系統服務；

② 基礎層為外部接口設備和軟件運行所需的數據庫、數據文件等支持環境；

③服務層是該軟件架構的核心，為應用層和其它服務提供運行服務。服務分為四級或更多，由同級或更低級別服務經集成、加工后經服務發布模塊向外發布。各級服務之間不直接耦合，由服務層提供的軟總線進行服務交互。服務管理模塊實現對外服務的訂閱、發布和管理。

④ 應用層提供UI界面，是各級服務對外的直接展示平臺，可以通過軟總線或服務管理模塊直接使用各級服務；

⑤ 各個服務可采用動態鏈接庫、進程和遠程調用(RPC)的形式提供服務，各服務之間采用標準的接口實現各服務之間的交互。

采用基于軟總線軟件體系框架，各服務之間是松散耦合的，通過軟總線實現它們之間的信息交互，對新增功能、新增接口或新增設備來說，只需增加對應的業務服務或增加設備服務類，通過修改以XML文件形式表示的服務配置文件[12]，即可實現監控軟件的在線維護擴展。采用松耦合架構設計集中監控管理平臺，在測控資源接入或退出全系統時，無需進行程序開發，只要通過簡單配置就能夠完成界面和功能重構[13]。采用基于軟總線的軟件體系框架進行集中監控管理平臺開發可以方便的通過測控設備運行流程的遠程定制[14]，實現集中監控管理平臺的遠程升級[15]。

3.3　基于分級監控的測站監控體制

為了實現測控站內測控資源的動態重組，利用面向整個測控站的集中監控管理平臺實現對測站內所有測控資源的管理和測控任務調度，好處是利于測控資源重組；缺點是所有設備的監視和控制都在一個軟件內去實現，混亂且不太方便，同時在進行軟件維護時需要停止所有測控任務，靈活性不足。

為了解決這個問題，我們采用集中監控與虛擬測控系統監控相結合的分級監控體制。集中監控管理平臺根據任務需求，從測控資源池中把測控資源動態組合出若干套虛擬測控系統，這些虛擬測控系統共用公共設備，每套虛擬測控系統均可作為一套功能完整的、可獨立執行測控任務的測控系統來使用。虛擬測控系統組成示意圖如圖5所示。

圖5　虛擬測控系統組成示意圖

集中監控平臺負責整站測控資源的分配管理和任務調度，監視每個虛擬測控系統的重要狀態信息；虛擬測控系統監控是一個獨立的監控軟件，完成虛擬測控系統內設備的監視控制，它由集中監控平臺任務調度模塊在啟動虛擬測控系統執行測控任務時啟動，完成測控任務釋放測控資源時銷毀，是一個與任務相伴的虛擬監控系統。

虛擬測控系統監控接受集中監控平臺的監視與控制，負責向集中監控平臺上報主要的設備狀態信息，同時負責完成與中心和分機設備的信息交換，起到的是傳統按型號部署的系統監控的作用。虛擬測控系統監控是伴隨任務生命周期而存在的，可以脫離集中監控獨立運行，這樣在增加測控資源時，無需停止正在執行的測控任務，只對集中監控平臺進行停機維護即可，而基于軟總線的軟件體系架構保證了在新增功能、新增接口或新增設備時通過修改配置文件可以快速實現的目的，能夠做到新增功能、新增接口或新增設備時幾乎不影響任務的正常執行。在實際部署時，可以按測控模式事先生成不同的虛擬測控系統監控軟件，在虛擬測控系統啟動時加載對應模式的虛擬測控系統監控軟件。

4　結束語

當前，隨著航天事業的快速發展，越來越多的衛星發射上天，對地面測控設備的需求越來越大。資源重組作為解決測控設備資源不足的重要技術手段，能夠實現對測控資源有效和充分的利用，一定程度上解決測控資源緊張的問題[16]。本文對實現測控設備資源重組所要解決的關鍵技術問題進行了詳細闡述，該技術成果已經被應用于當前我部測控系統研制中資源重組實施的理論基礎，后續研究重點是資源重組的實施步驟與策略，為全面實施測控設備資源重組奠定基礎。