月球探測器遙操作系統(tǒng)國產(chǎn)化研究

趙正旭，徐博賢，梅成芳，鐘謙

（石家莊鐵道大學復雜網(wǎng)絡可視化研究所，石家莊 050043）

0 引言

隨著我國深空探測領域不斷向前發(fā)展，我國的航天工程已經(jīng)進入到地外天體探測的遙操作時代。月球探測器遙操作系統(tǒng)對探測器的整個生命周期進行監(jiān)測、控制、管理與支持，是保障探測任務能圓滿完成的重要組成部分[1]。然而，近年來，信息安全事件頻繁發(fā)生，依賴國外品牌技術研發(fā)、執(zhí)行任務的遙操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)安全得不到保障，嚴重威脅我國航天任務信息安全。

本文首先分析了國內(nèi)信息安全現(xiàn)狀，介紹了月球探測器遙操作系統(tǒng)的功能和特點，以此說明遙操作系統(tǒng)國產(chǎn)化的必要性。然后，利用中標麒麟系統(tǒng)、搭建Code：Blocks集成開發(fā)環(huán)境，完成月球探測器遙操作系統(tǒng)的國產(chǎn)化，這為國產(chǎn)操作系統(tǒng)推廣以及航天領域知識產(chǎn)權(quán)保護提供了現(xiàn)實依據(jù)。

1 國內(nèi)信息安全現(xiàn)狀

隨著信息化建設和IT技術的快速發(fā)展，各種網(wǎng)絡技術的應用更加廣泛深入，然而，近年來國內(nèi)外網(wǎng)絡安全問題層出不窮，致使網(wǎng)絡信息安全的重要性與日俱增[2]。2017年 5月，名為“WannaCry”勒索病毒肆虐全球，不法分子通過改造之前泄露的NSA黑客武器庫中“永恒之藍”攻擊程序發(fā)起網(wǎng)絡攻擊，給超過150個國家的金融、能源、醫(yī)療等眾多行業(yè)造成影響，讓全世界Windows操作系統(tǒng)使用者遭受巨大損失[3]。緊接11月，Intel承認近兩年出售的英特爾處理器存在很多安全漏洞，易被黑客加載、運行程序，破壞或冒充系統(tǒng)進行安全檢查[4]。經(jīng)歷過這些之后，各方不得不思考，病毒肆虐，依賴的國外品牌漏洞頻出，嚴重威脅著國家信息安全，究竟該如何應對。

計算機操作系統(tǒng)作為中國信息安全“三大黑洞”和我國進行現(xiàn)代化建設的核心戰(zhàn)略科技之一，時刻影響著國家安全[5]。2013年12月，習近平總書記曾在中國工程院一份建議上批示：“計算機操作系統(tǒng)等信息化核心技術和信息基礎設施的重要性顯而易見，我們在一些關鍵技術和設備上受制于人的問題必須及早解決”[6]。2015年，中共中央政治局明確信息安全是國家安全的重要組成部分[7]。特別是進入2018年，政策扶持力度空前：三月份公布的《深化黨和國家機構(gòu)改革方案》把中央網(wǎng)絡安全和信息化領導小組改為中央網(wǎng)絡安全和信息化委員會，強化了重視信息安全的國家意志[8]。國產(chǎn)化（自主可控）及網(wǎng)絡安全領域政策頻出，助力網(wǎng)絡安全和自主可控領域集中度提升，國產(chǎn)操作系統(tǒng)迎來最好時代。

2 月球探測器遙操作系統(tǒng)概述

遙操作系統(tǒng)是指在人的控制和參與下，在遠離操作對象的環(huán)境中控制遠程設備完成復雜操作的系統(tǒng)[9]。遙操作系統(tǒng)主要有兩大功能，其一是仿真功能，把只有專業(yè)人士才能看懂的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成普通人都能看明白的直觀圖像，一則便于監(jiān)控人員隨時操控指揮探測器運行狀態(tài)，二則讓所有人一起分享探測器在月球的移動軌跡。除了仿真功能外，最重要的功能就是實時監(jiān)控。數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)判斷都需要時間，通過直觀的畫面快速顯示，監(jiān)測人員可以隨時了解探測器以及周圍環(huán)境狀況，通過這一平臺調(diào)整探測器狀態(tài)。不僅如此，通過遙操作系統(tǒng)還可以進行前期仿真模擬實驗，以此檢驗理論設計，優(yōu)化操作，達到最佳狀態(tài)[9]。

由于月面環(huán)境下的遙操作任務具有非重復性和不可提前預知性，持續(xù)時間長，要在任務執(zhí)行過程中根據(jù)實際需要步步規(guī)劃，這要求遙操作系統(tǒng)具有較高的可靠性[10]。遙操作系統(tǒng)是月球探測器任務完成不可或缺的組成部分，解決了人對復雜、危險環(huán)境下的監(jiān)督、控制問題，為各方的工作人員提供一個集成的工作環(huán)境，一方面極大地提高了操作者的工作效率，減少資源損耗，另一方面在出現(xiàn)故障時，通過地面驗證，控制策略可以提高對執(zhí)行效果估計的可信度[11]。

3 案例分析

根據(jù)以上對信息安全現(xiàn)狀的分析，以及月球探測器遙操作系統(tǒng)的概念、特點和功能的介紹，可以發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)操作系統(tǒng)在國家政策推動以及需求快速提升的作用下，其最好時代漸行漸近，在此背景下，加快航天領域軟件國產(chǎn)化勢在必行。本文以某探月工程遙操作系統(tǒng)為例，分析并完成其移植。

某遙操作系統(tǒng)基于Windows+Visual Studio 2008+Qt 4.7.4所開發(fā)。結(jié)合此軟件開發(fā)環(huán)境，對IDE、代碼、開源庫、編譯問題進行分析和定位，并對移植軟件進行測試，給出運行界面效果圖。移植的實現(xiàn)主要分為四步，首先用能夠跨平臺的Code：Blocks替代Windows開發(fā)環(huán)境的IDE；將項目代碼導入開發(fā)環(huán)境；完成OSG庫的編譯移植；構(gòu)建、運行代碼，進行糾錯。

3.1 軟件選擇及初步配置

本次實驗使用的軟件有 Qt 4.7.4、Code：Blocks。Qt是跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，其支持Linux系統(tǒng)，不需要再用其他的開發(fā)框架進行替代。由于VS不可以跨平臺，這里選擇被廣泛使用的Code：：Blocks進行替代。Code：Blocks是一種跨平臺的集成開發(fā)環(huán)境編輯器，可以編寫C程序、C++程序，其支持Windows、Linux和Mac等多種操作系統(tǒng)，內(nèi)部嵌有Mi?crosoft C、GUN C和Intel C等諸多編譯器。這里簡單介紹一下Qt、Code：Blocks在中標麒麟操作系統(tǒng)下的安裝過程。Qt的安裝采用源碼編譯方式，具體步驟為：安裝依賴庫（yum install lib*）、終端源碼編譯（./configure、gmake、gmake install）、設置環(huán)境變量。本文采用中標麒麟系統(tǒng)，在官網(wǎng)上下載 code：blocks-13.12-1.el20.x86_64.tar安裝文件，解壓縮后執(zhí)行“rpm–ivh文件名”命令依次安裝其中的四個.rpm文件。安裝完成之后，需要打開圖形化界面，在“設置”-＞“編譯器和調(diào)試器”下，檢查選擇的編譯器是否為GUN C以及編譯器安裝的位置是否正確。Code：Blocks中運行程序控制臺界面默認使用XTREM，在麒麟系統(tǒng)中默認沒有安裝，選擇“菜單”-＞“環(huán)境”進入環(huán)境設置，將Terminal to launch console program的選項改為gnome-terminal–t$TI?TLE –x。

3.2 項目環(huán)境配置

在 Code：Blocks 中新建 QT4 project的項目，其中需要選擇Qt的安裝路徑，保證編譯器為GUN C。將項目源碼中.cpp文件都拷貝到新建的項目目錄中，然后把它們都添加進項目。編譯.ui文件，在終端切換到ui文件所在的目錄，執(zhí)行 qmake–project、qmake、make命令，將所生成的ui_*.h文件添加進項目。

Qt程序在交由標準編譯器編譯之前，先要使用moc分析C++源文件。如果一個頭文件中包含了Q_OBJECT宏，則會生成另外一個包含Q_OBJECT宏實現(xiàn)代碼的C++源文件（moc_*.cpp文件）。新生成的會與原文件一起編譯。由于程序源碼中包含Q_OB?JECT宏，因此要通過moc命令將所有的頭文件生成對應的moc_*.cpp文件，本文通過腳本文件實現(xiàn)此步驟。腳本的關鍵代碼如下：

for file in./*.h;do//循環(huán)當前目錄所有的頭文件

if[-e"$file"];then//如果文件存在

fileWithoutPath=$(basename$file)//取文件名

nameWithoutExtension=${fileWithoutPath%.*}

mocName=moc_$nameWithoutExtension.cpp//組成moc_*.cpp格式的文件名

moc"$file"-o"$mocName"http://利用moc命令將原文件解析為moc_*.cpp文件

fi//if語句結(jié)束

done//do語句結(jié)束

3.3 OOSSGG中標麒麟系統(tǒng)的移植

OSG（OpenSceneGraph），采用 OpenGL 技術開發(fā)，為應用軟件提供了各種高級渲染特性。OSG在中標麒麟系統(tǒng)上的移植和運行主要包括幾個步驟：①安裝所需軟件、庫；②OSG源碼編譯并安裝；③將編譯好的庫文件導入 Code：Blocks中，其中的主要技術流程見圖1。

圖1 OSG中標麒麟系統(tǒng)移植過程圖

安裝Cmake，為編譯OSG源碼做準備。OSG使用到的第三方庫有：png、jpeg、tiff、freetype、curl等，這些第三方庫都是采用yum源的安裝方式進行安裝。

接下來打開命令行，進入到OSG源碼目錄，依次執(zhí)行./configure、make、make install命令，為了驗證 OSG是否安裝成功，這里首先設置環(huán)境變量，利用osgver?sion或者osgviewer cow.osg驗證。

最后一步將編譯好的OSG庫添加到Code：Blocks中。打開 Code：Blocks 平臺，打開“項目”-＞“構(gòu)建選項”，在“鏈接器設置”中加入.so文件，在“搜索路徑”-＞“編譯器”中加入include路徑，“鏈接器”處加入lib文件。

3.4 項目構(gòu)建

在完成以上軟件安裝、環(huán)境配置后，接下來就要構(gòu)建項目。構(gòu)建完成后，會發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了很多錯誤，大部分是由于兩個系統(tǒng)C++編程存在差異造成的。例如文件路徑問題：Windows支持兩種方式，./sys/MOON.jpeg和.sysMOON.jpeg，而中標麒麟只支持前者。頭文件的大小寫問題：Windows不區(qū)分大小寫，而中標麒麟對大小寫敏感，即include關鍵字所包括的文件名要與文件的命名一致；Linux系統(tǒng)中沒有windows.h文件，要將用到的文件中的方法全部進行替代或重新定義。將這些問題進行更改之后，執(zhí)行運行命令，項目成功運行。

4 系統(tǒng)運行與結(jié)果分析

移植后的遙操作系統(tǒng)“機械臂控制參數(shù)設置”界面如圖2所示，主要功能是對探測器的活動機構(gòu)進行規(guī)劃，主要包括太陽翼、桅桿、機械臂等，并支持三維顯示和手動規(guī)劃功能，界面清晰直觀，見圖2：

圖2 機械臂控制參數(shù)設置

通過對比遙操作系統(tǒng)在兩種操作系統(tǒng)上的運行效果及數(shù)據(jù)測試，二者無區(qū)別。中標麒麟系統(tǒng)與Win?dows操作系統(tǒng)在性能方面還有以下幾點優(yōu)勢：

（1）中標麒麟是開源免費系統(tǒng)，這是與Windows的本質(zhì)區(qū)別；

（2）中標麒麟系統(tǒng)采用了類Windows操作系統(tǒng)的桌面，以用戶實際使用為目標進行桌面設計；

（3）本次實驗使用 Code：Blocks 作為集成開發(fā)環(huán)境，雖然其安裝方式仍然是源碼編譯安裝，這是因為國產(chǎn)操作系統(tǒng)還沒的到普及，國內(nèi)的軟件生態(tài)鏈還沒完善，但相對于國產(chǎn)操作系統(tǒng)所帶來的安全性，這是可以接受的。

從以上的移植過程來看，就中標麒麟系統(tǒng)來說，完善的開發(fā)工具，良好的開發(fā)環(huán)境，已經(jīng)全面滿足項目開發(fā)需要，極大地方便了用戶在中標麒麟開發(fā)平臺下進行應用移植和開發(fā)，很好地支撐著客戶的項目開發(fā)工作。除此之外，更重要的是，在項目開發(fā)的起始就應該考慮到項目的移植問題，這可以減少后續(xù)的很多工作。

5 結(jié)語

本文將某遙操作系統(tǒng)借助 Qt、Code：Blocks，移植到中標麒麟系統(tǒng)中，總結(jié)和概括了移植過程及步驟的關鍵點。該移植過程證實了我國建立自主可控操作系統(tǒng)在航天領域的可行性，并且為航天領域自主可控組件及其知識產(chǎn)權(quán)的國際化保護提供現(xiàn)實依據(jù)。