基于CCSDS RASDS信息對象建模方法的數據注入工具設計

盧廣佑 呂良慶 張峻巍

(1 中國科學院國家空間科學中心 復雜航天系統電子信息技術重點實驗室,北京 100190)(2 中國科學院大學，北京 100049)

電子數據單(EDS)是為描述一個系統中某種部件實體(如設備、業務等)的信息載體，用于解決在信息傳遞過程中的部件信息匹配問題，支持即插即用。不同的部件對象會有不同的EDS描述，需要建立專業領域的EDS標準。例如電氣與電子工程師協會(IEEE)為實現將各種標準或非標準的變換器接入不同網絡，提出了變換器電子數據單(TEDS)，并廣泛用于地面物聯網[1]。出于衛星平臺快速集成和測試的需要，美國空軍研究實驗室(AFRL)在其空間即插即用架構(SPA)中提出使用XML編輯的EDS(xTEDS)來描述部件(傳感器、執行器、處理器、路由器、軟件應用等)之間的通信接口，包括元素、屬性和要描述的內容[2]。空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)提出了可擴展標記語言的遙測遙控交換標準(XTCE)，在國內外的航天工程中得到廣泛應用[3-5]。除此之外還提出了航天器接口業務領域(SOIS)的EDS(SEDS)標準[6]，以及用于開放檔案信息系統(OAIS)系統中信息對象標簽的XML格式化數據單元(XFDU)標準等[7]。

EDS工具鏈是基于某一種EDS標準，結合實際應用場景設計開發的一組支持EDS設計和使用的工具軟件。NASA、ESA以及歐洲的眾多航天領域的專家學者提出和主導了EDS在航天領域的應用[8]，已用于詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)項目、木星冰月探測器(JUICE)等任務的工程實踐中。國內對EDS標準也開展了廣泛的研究和應用，內容主要集中在對遙測、遙控數據設計的規范化和一致性方面，開發了各自不同的EDS工具[9-11]。

電子數據單描述的客觀對象的多樣性決定了會有各種不同的信息對象描述，而同樣的信息對象又會因部門不同而設計不同的工具，來達到相同的數據描述目的。因此電子數據單的作用主要是起到描述信息對象和在異構系統及其工具之間交換的目的，工具的差異性設計難以避免，數據描述在統一形式的基礎上，內容上也會存在差異。為此CCSDS的空間數據系統參考體系架構(RASDS)[12]中的信息視角提供了從抽象數據結構出發，描述信息對象和數據對象的方法。按照這一方法論，可以包容工具和數據描述的差異性，指導設計出各種不同需要的EDS工具，但同時又可以互聯互通。本文參照RASDS信息視角的信息對象建模方法，以XTCE遙控數據注入設計工具為例，設計實現了可以支持數據注入指令從模板設計到實例生成，再到可上注指令等轉換過程功能的軟件工具，以解決跨任務的的數據注入指令重用和管理的問題。

1 抽象數據架構的定義

信息對象到具體數據對象的轉化需要遵循一定的建模過程，RASDS從信息視角描述了從抽象數據架構到具體數據對象的轉換過程，即對抽象的信息對象進行實例化和個性化的過程[12-13]，如圖1所示。

圖1 信息對象的建模過程Fig.1 Modeling process of information object

數據對象是信息對象的載體。不同的專業領域會有不同的信息對象，而且信息對象會隨著系統的每一次狀態變化產生不同的數據。數據對象包含元數據和/或信息數據，元數據描述信息對象的語法和語義規則。基于圖1，后續的實例化過程將抽象的信息對象轉換成數據對象，即數據模型、模板，包含數據結構、順序邏輯、執行方式等信息，實現“語法”和“語義”上的配置。在設計和使用過程中，根據具體應用場景和不同數據流轉的需要，將數值填寫到模板中，生成具體的數據文件，供實際使用。上述過程使同一個信息對象可以設計生成各種不同的數據對象，以允許跨任務使用。

2 遙控數據對象的生成方法

結合遙控應用場景和數據注入生成指令的過程，數據注入工具鏈可分為數據注入模板設計工具、數據注入指令生成工具、數據格式轉換工具，如圖2所示。

圖2 XTCE標準遙控數據對象的生成過程Fig.2 Generation of XTCE standard remote control data object

數據注入模板設計工具用于定義模板結構，支持設計者在設計階段依據基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換標準模式定義(XTCE Schema)的語法結構[14]，將指令需求作為輸入，設計數據注入格式。XTCE Schema解決了EDS文件的描述符合XTCE標準的規范化問題，XML語言的采用有助于人機可識別。指令需求可以來自具體任務的接口控制文件(ICD)中規定的指令數據結構，也可以是設計者的按需靈活設計。

設計者使用數據注入模板設計工具自定義配置所需信息。工具通過獲取指令需求中規定的數據元素，遍歷并檢索XTCE Schema中適合的描述標簽，調用XML讀/寫操作函數將數據元素與標簽綁定，并按XTCE標準的規則和指令執行邏輯將標簽進行序列化，實現指令模板文件的生成，即XTCE模式定義(XSD)文件。

模板文件是包含了XTCE遙控元數據的描述，以及基于這些元數據定義的數據結構。數據注入模板庫存放已定義好的模板文件，模板設計工具與模板數據庫進行關聯(如采用動態鏈接庫(DLL)方式)，可對保存的模板文件進行增刪改查等管理操作。模板文件可以作為后續數據注入指令生成工具實例化指令的輸入，支持應用階段人工或自動的指令生成過程。

在應用階段，主要是航天器的在軌飛行運控階段或地面測試階段，一般不需要再設計模板，只需選擇模板和填入參數的操作。數據注入指令生成工具用于支持這一操作，生成所需要的指令，并保存到數據注入指令庫中。使用者也可以通過工具使用數據注入指令庫中已有的指令文件，進行局部的修改以生成新的指令。數據庫中保存的XML數據注入指令文件是指令包、注入包頭和注入包等文件，供數據格式轉換工具進行后續的組裝和格式轉換，生成實際可上注執行的二進制數據注入文件。由于遵循了XTCE元素的約束，數據格式轉換工具可以根據不同航天器的指令格式進行轉換，從而實現相同的數據注入模板和指令可以跨任務使用。同時也可以進一步支持批量、自動或手動配置生成指令的過程。

3 數據注入模板工具設計

指令設計者使用工具設計指令模板時不一定熟悉XTCE標準，為此工具中涉及XTCE元素的標簽應該與XTCE Schema對應，反映在用戶界面中，引導指令設計者的填寫。在ICD規定的指令數據結構基礎上，工具自動將模板內容轉化為XTCE的XSD文件，轉化過程如圖3所示。

圖3 生成數據注入模板轉化過程Fig.3 Processing flow of generating data injection template

Map集合是一種數據的存儲結構[15]，使用鍵-值相互唯一對應的方式操作數據，使得元素和值能一一對應，類似字典功能。圖3中使用鍵-值對的方式將設計者使用工具軟件設計的數據保存起來，形成Map集合。集合中的鍵和XTCE Schema中的標簽之間有嚴格的映射關系，集合中的值就是用戶填寫的內容，或留空表示僅預留數據格式，用于后續的個性化實現。

XTCE Schema中用于描述遙控元數據的是CommandMetaDataType,包含的元數據按照用途劃分：形參類型集合ParameterTypeSet用于定義指令參數的實例化過程；描述Description部分用于定義相關元數據的指令名稱、參數排列、數據形式、校驗集、指令容器等；實參類型集合ArgumentTypeSet用于將實例化后的遙控指令參數與特定的值綁定，包括具體數據類型、值、范圍等。

工具可以識別這些XTCE Schema元素標簽，通過遍歷XTCE Schema中的標簽來獲取Map集合中的鍵，找到匹配的標簽和屬性，使用文檔對象模型(Document object model，DOM)的API將集合中的值綁定到對應位置，形成模板文件的一部分。DOM API是XML文檔的編程接口，可以實現對XML文檔的樹形結構化操作，以樹節點對象為基礎添加、修改、刪除、查找XML文件中的元素[16-17]。

在XTCE的規則下，一個信息對象對應一組空間系統標簽，作為整個模板文件的根元素，內部包含目標信息實體的基本描述和相關的指令信息。按照標簽所屬功能進行劃分，定義一條指令需要格式、描述和值3種信息，每種都有對應的元素和屬性，且它們的排列順序是不確定的，例如元素與元素間存在相互包含的樹形結構。為此需要將已綁定數據的標簽按照一定規則(如邏輯先后、執行順序等)進行序列化處理排列，形成完整的模板文件。

按照圖2所述的應用場景，數據注入工具鏈軟件架構的層次劃分如圖4所示。

圖4 數據注入工具鏈軟件架構Fig.4 Software architecture of data injection tool chain

圖4中的架構從上到下分為視圖層、應用層、業務層和持久層。視圖層是用戶直接操作的軟件界面。應用層包括數據注入模板定義、指令文件配置、過程文件批量生成和管理等功能，設計者可通過視圖層直接看到并操作這些功能。業務層是實現某一功能所需的執行、計算、處理數據的中間過程，支持應用層中的4個功能。持久層是對已生成的文件進行保存和管理，可以與數據庫相連接，并提供對各種文件進行增、刪、改、查等操作。

4 模板生成實例驗證

數據注入指令的設計需要依托任務需求而定，而任務需求是多樣化的。為此需要進行任務功能的建模，并在功能模型的基礎上再進行數據注入指令的設計。在這一方面，ESA的包應用標準(PUS)作出了很好的實踐和總結，通過使用CCSDS的空間包協議，對星載功能進行了標準業務化的提煉和總結，經過近30年的實踐，形成了20項標準功能業務，明確了每項業務的數據注入指令格式模板[18]。本文的數據注入模板設計工具按照這一思路，在星載業務模型化的基礎上，可以先于任務需求進行數據注入模板的設計。以事件表指令為例(格式定義見表1)，對XTCE數據注入模板設計方法進行了使用驗證。

表1 數據注入事件表指令格式定義Table 1 Execution mode of data injection instruction

表2是ICD文件中規定的某個事件表指令序列的需求信息。

表2 事件表指令序列Table 2 Event table instruction sequence

將表2的事件表序列分解為名稱、類型等信息輸入到工具中，將數據綁定到指令標簽上。工具按照圖3的序列化過程，生成圖5所示的內部數據結構。

圖5中，標簽從左到右是包含關系，序列化的過程就是將用戶數據轉化為符合XTCE規則和指令執行邏輯的模板結構過程。例如，事件表的例子中，空間系統(SpaceSystem)用于描述一條數據注入指令的基本信息，內容由遙控元數據(TelemetryMetadata)統一管理。形參(Parameter)是設計者定義的參數類型、命名等信息，用于后續個性化過程中與實參對應。實參(Argument)是設計者定義的具體數據格式、邏輯順序、包裝等信息，用于設計者填寫所需的參數值。需要說明的是，參數集(ParameterSet)中必須參考形參類型集(ParameterTypeSet)定義好的參數類型，同理，指令包(CommandContainer)和元指令集(MetaCommandSet)中必須參考實參類型集(ArgumentTypeSet)定義好的類型。

在生成圖5的標簽結構后，工具使用DOM API文件讀寫操作生成XSD文件，保存到數據庫中。XSD文件部分結果如圖6所示。

圖6中的參數賦值元素(ArgumentAssignment)對應用戶可填寫的值，可將表2中的指令名稱和指令編碼分別填寫到參數名(argumentName)屬性和參數值(argumentValue)屬性上，以及其他的個性化填寫。數據注入指令模板設計工具模板生成界面如圖7所示。

圖7 數據注入指令模板設計工具界面Fig.7 Interface of data injection instruction template design tool

由圖7可以看出，通過數據注入指令模板設計工具，使用者無需了解XTCE標準和指令編碼方式，只需按照型號任務需要定義合適的指令模板，填寫參數格式信息，工具自動完成圖3的數據轉化過程，生成所需的XSD模板文件。隨后通過指令包生成工具、二進制轉化工具、注入包生成工具完成實際指令的生成，同時該工具軟件還將已定義的模板、指令、注入包等文件保存到數據庫中，供后續用戶增、刪、改、查。

數據注入模板設計工具通過某預研課題的研究和測試，基于歸納總結的標準業務模型，按課題要求生成了大量不同數據格式的指令模板(超過上百條)和指令(超過2000條)，并且可以繼續擴展和積累下去。

5 結束語

本文按照RASDS信息視角描述抽象數據結構及其轉化過程的方法，分析了工具應用場景及其劃分，按照XTCE標準，采用XML語言和DOM設計方法，開發了數據注入指令模板設計工具，實現了基于工具的、豐富多樣的數據注入指令模板設計和指令設計，證明從信息對象到數據模型的實例化轉化，再到個性化文件的轉化方法是可行的。與傳統的文檔編輯ICD的方式，以及基于模板填寫生成指令的方式(手工或工具)相比，基于RASDS信息對象建模方法所設計的模板設計工具可以有效提高數據注入指令設計的靈活程度，提高各層次用戶之間文件傳遞效率，簡化現有數據設計和協調的過程，方便任務期間的指令快速修改和生成，有利于跨任務的指令變更和使用。如果星載業務具有相應靈活解析指令模板的能力，則地面數據注入指令模板設計工具還可以有更大的應用自由度，以應對航天器在軌飛行過程中遇到的突發、異常和未知的情況。RASDS信息視角的描述方法可以指導對各種對象(如航天器上的設備、業務、應用等)制定針對性的建模標準(例如描述設備和業務建模的SEDS標準)，解決不同對象的數據化描述、工具設計和系統集成等問題。