王楠，盧逸斌，王衛(wèi)楠，肖余之，2

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所上海201109；2.上海市空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海201109）

基于XTCE標(biāo)準(zhǔn)的通用型航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法研究

王楠1，盧逸斌1，王衛(wèi)楠1，肖余之1，2

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所上海201109；2.上海市空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海201109）

基于航天器研制過程中需要對(duì)不同種類不同格式的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一描述的目的，采用XTCE建立通用型的航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法，通過使用某型號(hào)航天器地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行地面試驗(yàn)，得出該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的使用可以實(shí)現(xiàn)航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換格式規(guī)范性和通用性的結(jié)論。提高航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析和處理的效率和可靠性，為航天任務(wù)中的信息交換處理提供了便利的方法和新的思路。

XTCE；航天器；系統(tǒng)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理

近年來，隨著航天器復(fù)雜度和對(duì)可靠性要求的提升，對(duì)航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的解析和處理要求也隨之不斷升高。如何開發(fā)出一套快速有效的航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已成為航天器設(shè)計(jì)和研制的重要環(huán)節(jié)和組成部分。

XTCE［1］（XML Telemetric and Command Exchange）是一套由OMG（Object Management Group）提出的，利用XML語言來描述航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)范。其目的是提出一種國(guó)際化的新體制與標(biāo)準(zhǔn)，為不同機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)在航天任務(wù)的各個(gè)階段對(duì)航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效交換提供支持。目前，XTCE已在歐美的航天器研制中得到了廣泛的應(yīng)用，一些航天器研制機(jī)構(gòu)和廠商還根據(jù)自身的設(shè)計(jì)需求開發(fā)出了相應(yīng)的XTCE應(yīng)用軟件，用于航天器設(shè)計(jì)中。本文使用XTCE進(jìn)行航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了XTCE航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換文件設(shè)計(jì)，提出了基于XTCE的航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法。

1　XTCE組織結(jié)構(gòu)

1.1面向?qū)ο蟮姆謱用枋?/p>

XTCE為航天器提供了一個(gè)面向?qū)ο蟮臉錉罘謱用枋鼋Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)是“航天器系統(tǒng)”節(jié)點(diǎn)（如圖1所示）。XTCE的執(zhí)行由根節(jié)點(diǎn)開始并傳播到整個(gè)航天器系統(tǒng)的各個(gè)層次，在每個(gè)層次，每個(gè)元素既代表自己又是整個(gè)空間系統(tǒng)的一部分（如圖1所示）。這種分層管理的方式，方便用戶自底向上的描述航天器遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在逐步成熟后進(jìn)行組裝構(gòu)成邏輯系統(tǒng)，具有良好的延展性。

圖1　XTCE層次結(jié)構(gòu)描述示意圖Fig.1Layers of a XTCE system

如上所述，相比以往的描述方法，XTCE具有以下優(yōu)點(diǎn)［2］：

1）XTCE是標(biāo)準(zhǔn)化的描述方法，CCSDS推薦在航天任務(wù)的各個(gè)階段都采用XTCE描述遙測(cè)遙控信息，因此，采用XTCE描述遙測(cè)信息在數(shù)據(jù)交換方面具有方便準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)；

2）XTCE在設(shè)計(jì)之初就考慮到了對(duì)異構(gòu)任務(wù)的支持，這與航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件支持多任務(wù)的需求是完全吻合的；

3）XTCE標(biāo)準(zhǔn)以一個(gè)XML schema文件的形式給出，可讀性好，同時(shí)也便于使用成熟的技術(shù)自動(dòng)處理XTCE文件；

4）XTCE文件具有明顯的層次化結(jié)構(gòu)，易于在不同元素層次上進(jìn)行擴(kuò)展和集成；

1.2遙測(cè)元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

遙測(cè)元數(shù)據(jù)是對(duì)航天器遙測(cè)數(shù)據(jù)的描述，定義了參數(shù)類型、參數(shù)、容器、消息、數(shù)據(jù)流、算法等內(nèi)容［3］，詳見圖2。

圖2XTCE遙測(cè)元數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)Fig.2Elements of telemetry metadata in XTCE

圖2中的元數(shù)據(jù)分別包括如下內(nèi)容：

1）ParameterTypeSet（參數(shù)類型集）：遙測(cè)參數(shù)的元數(shù)據(jù)集合，參數(shù)類型實(shí)例化后即可以描述遙測(cè)參數(shù)。參數(shù)類型包含的信息有：數(shù)據(jù)類型、說明信息、告警閾值、輸出數(shù)據(jù)的工程單元、長(zhǎng)度、位序量綱和校驗(yàn)方式以及在天地傳輸過程中的編碼方式。

2）ParameterSet（參數(shù)集）：一組遙測(cè)參數(shù)及其引用的集合。參數(shù)是實(shí)例化的參數(shù)類型，包含名稱和指向參數(shù)類型的引用（ParameterRef）。參數(shù)也可以有別名和實(shí)例化后的特殊屬性，而“引用”常值以前在其他ParameterSet中定義參數(shù)的引用。

當(dāng)我們把時(shí)間、精力集中在一項(xiàng)有價(jià)值和意義的志業(yè)之上時(shí)，就不可能有大量的時(shí)間和精力去玩一種淺薄的游戲。我們從志業(yè)的追求中所獲得的成就感、滿足感，也非那些淺薄的游戲可比。魯迅先生沒有被他那個(gè)時(shí)代的鴉片、麻將毀掉；你也可以確信，如果生活在今天，他也一定不會(huì)沉湎于手機(jī)、外賣、抖音等。

3）SequenceContainer（序列容器）：一組有序的參數(shù)序列，可以描述數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)幀、子幀或結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)項(xiàng)。序列容器可以由基礎(chǔ)容器派生，方便數(shù)據(jù)定義。

4）MessageSet（消息集）：消息是在服務(wù)過程中通過匹配方式唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)容器的替代方法，通過比較SequenceContainer r中的元素與預(yù)定值是否一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)SequenceContainer的過濾。

5）StreamSet（數(shù)據(jù)流集）：一組無序的Stream（數(shù)據(jù)流）的集合。航天器上、下行數(shù)據(jù)均是數(shù)據(jù)流，在數(shù)據(jù)流層面有很多處理和操作。StreamSet中包含所有包括組幀、解幀在內(nèi)的上、下行數(shù)據(jù)的處理方法。

6）AlgorithmSet（算法集）：對(duì)于航天器地面測(cè)試系統(tǒng)，事先構(gòu)造一些處理遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)算法，有利于重構(gòu)復(fù)雜邏輯的數(shù)據(jù)處理算法。

利用遙測(cè)元數(shù)據(jù)描述遙測(cè)參數(shù)的步驟為：用Parameter Set定義遙測(cè)參數(shù)，用ParameterType定義遙測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，然后定義SequenceContainer（對(duì)于分包遙測(cè)，Sequence Container用于打包遙測(cè)數(shù)據(jù)并描述遙測(cè)數(shù)據(jù)包，對(duì)于時(shí)分多路遙測(cè)，SequenceContainer用于描述遙測(cè)幀及幀結(jié)構(gòu)），再定義遙測(cè)數(shù)據(jù)的StreamSet（數(shù)據(jù)流集），最后定義遙測(cè)數(shù)據(jù)的AlgorithmSet（算法集）。

1.3遙控元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

遙控元數(shù)據(jù)的格式與遙測(cè)元數(shù)據(jù)相似，但除了含有與遙測(cè)元數(shù)據(jù)一致的ParameterTypeSet，ParameterSet，MessageSet，StreamSet和AlgorithmSet以外，還有ArgumentType（判據(jù)類型集）和Metacommand（元指令集），如圖3所示。

ArgumentType（判據(jù)類型集）：判據(jù)類型集與參數(shù)類型集十分相似，區(qū)別是判據(jù)類型實(shí)例化后通常與特定的遙控?cái)?shù)據(jù)綁定。該集合包含的信息包括：數(shù)據(jù)類型、文本描述、正常值范圍、工程單元等。Metacommand（元指令集）：用于描述遙控指令。通過描述指令名稱、指令參數(shù)、指令間約束關(guān)系、指令序列、指令容器、指令驗(yàn)證集等內(nèi)容定義遙控指令。

2　XTCE數(shù)據(jù)處理模型以及XTCE文件設(shè)計(jì)

2.1Space System的設(shè)計(jì)

構(gòu)造XTCE數(shù)據(jù)模型時(shí)，首先要對(duì)頂層的航天器結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，表示出XTCE所代表的航天器或子系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。對(duì)于每個(gè)分系統(tǒng)或載荷，可以進(jìn)行相應(yīng)的工程狀態(tài)參數(shù)設(shè)定，用以表示數(shù)據(jù)信息所對(duì)應(yīng)的工程周期。以樹狀結(jié)構(gòu)表示了XTCE文件所代表的載荷系統(tǒng)及其所包含的單機(jī)。Space system以分級(jí)的形式表示出了航天器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，航天器所包含的分系統(tǒng)、載荷以及單機(jī)設(shè)備級(jí)的子結(jié)構(gòu)都可以利用XTCE進(jìn)行相應(yīng)的工程描述［4］。以樹狀結(jié)構(gòu)表示了XTCE文件所代表的載荷系統(tǒng)及其所包含的載荷和單機(jī)。該模型對(duì)應(yīng)的XTCE文件代碼示例如下：

2.2遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)處理模型設(shè)計(jì)

定義好Space System數(shù)據(jù)模型之后，就可以根據(jù)遙測(cè)遙控的數(shù)據(jù)格式來定義其數(shù)據(jù)模型。定義時(shí)，使用自上而下的設(shè)計(jì)方法，先把數(shù)據(jù)框架設(shè)計(jì)好，然后再根據(jù)載荷或分系統(tǒng)的命令或數(shù)據(jù)信息將數(shù)據(jù)模塊“搭建”到數(shù)據(jù)框架中［5］。根據(jù)遙測(cè)遙控包的共性和區(qū)別，設(shè)計(jì)了如圖4的測(cè)控統(tǒng)一XTCE數(shù)據(jù)模型。

圖4　遙測(cè)遙控統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型Fig.4Data model of system data

以分包遙測(cè)的遙測(cè)數(shù)據(jù)定義為例，可以先定義一個(gè)包結(jié)構(gòu)，然后列出包頭、包數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)數(shù)據(jù)域等主要框架，再細(xì)化各部分內(nèi)容。如包頭內(nèi)的包版本號(hào)、類型、應(yīng)用過程識(shí)別符、包順序控制等，最后填入實(shí)際數(shù)據(jù)信息。下面以遙測(cè)包中APID的定義為例來說明參數(shù)各部分的設(shè)計(jì)方法。

遙控指令部分的定義包括遙控指令集和遙控封裝集的定義，與遙測(cè)部分的定義類似。

2.3XTCE文件設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)好的space system，遙測(cè)遙控模型定義好后組成一個(gè)完整的XTCE數(shù)據(jù)模型，針對(duì)同一XTCE數(shù)據(jù)模型可開發(fā)相關(guān)的解析軟件將模型中的信息轉(zhuǎn)化為符合XTCE schema的XTCE數(shù)據(jù)文件，此時(shí)XTCE文件中已經(jīng)包含了全部的衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式信息［6］。

隨著數(shù)據(jù)文件的驗(yàn)證或檢驗(yàn)，XTCE文件可能需要相應(yīng)的修改或調(diào)整。對(duì)于數(shù)據(jù)定義中插入，刪減或修改比較多的部分，可先在XTCE模型中進(jìn)行修改，再轉(zhuǎn)換成XTCE文件，避免復(fù)雜的修改工作和出錯(cuò)；如果只是極少的修改內(nèi)容，如數(shù)據(jù)內(nèi)容或類型等，也可在XML編輯工具中直接修改。

3　應(yīng)用實(shí)例

上述理論和方法已經(jīng)應(yīng)用于某型號(hào)航天器的地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理軟件中。下面舉例說明如何用XTCE定義航天器遙測(cè)數(shù)據(jù)，圖5所示為幀序號(hào)是0和1的兩個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)子幀。

圖5　航天器遙測(cè)幀結(jié)構(gòu)示例Fig.5An example of telemetry frame

ASM=fa表示幀頭為“fa”。MFCtr=0/1表示序號(hào)為0/1的子幀，子幀0的第16-24位表示參數(shù)Bat1V，子幀1的第16-24位表示參數(shù)Beacon Status。用自然語言對(duì)子幀0的這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述：Bat1V表示電池1的電壓，編碼為8位無符號(hào)整形數(shù)，高位在前，校準(zhǔn)至1個(gè)1～32 V電壓曲線，位于第1子幀第16-32Byte。Beacon Status表示照明狀態(tài)，編碼為8位無符號(hào)整形數(shù)，高位在前，只用到第1位，‘1’表示on，‘2’表示off，位于第1子幀第24-32Byte。這樣的描述不利于計(jì)算機(jī)處理，沒有特定的規(guī)范，在實(shí)際處理時(shí)需要大量的人工轉(zhuǎn)換，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且很容易出錯(cuò)，極易帶來工程風(fēng)險(xiǎn)。如果用XTCE格式的XML對(duì)其進(jìn)行描述，則可以轉(zhuǎn)化為如圖6所示的形式。

這樣的描述可以通過優(yōu)化工具的人機(jī)交互可以使定義的過程變得很容易，而且有了XTCE標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的支持，描述語法的正確性可以及時(shí)獲得驗(yàn)證?？梢院芎玫慕鉀Q不同航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一定義和描述的問題。

4　結(jié)束語

本文詳細(xì)說明了XTCE中對(duì)于航天器［7-8］系統(tǒng)數(shù)據(jù)的定義，分析了用XTCE描述航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了基于XTCE的通用型航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型以及XTCE文件。并通過在成熟航天器型號(hào)中的應(yīng)用證明，XTCE能夠滿足航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述需求，能夠支持不同航天器的異構(gòu)任務(wù)，為描述各類航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供了標(biāo)準(zhǔn)的模型文件，以XML架構(gòu)的形式清晰完整地定義了航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理所需要的信息。推廣使用XTCE標(biāo)準(zhǔn)不僅是航天科技與世界接軌的需要，更是減少任務(wù)成本和工期，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的需要。

圖6　遙測(cè)數(shù)據(jù)描述示例Fig.6An example for TC data description

［1］XML.TELEMETRIC AND COMMAND EXCHANGE（XTCE）［S］.CCSDS 660.0，Green Book，2006.

［2］XML.TELEMETRIC AND COMMAND EXCHANGE（XTCE）［S］.CCSDS 660.0，Green Book，2007.

［3］XML.TELEMETRIC AND COMMAND EXCHANGE（XTCE）［S］.CCSDS 660.0，Green Book，2008.

［4］劉飛飛.空間太陽望遠(yuǎn)鏡有效載荷EGSE平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2009.

［5］左江濤.基于XTCE的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2011.

［6］CHEN Gang，LIU Yang，ZHOU Wen＇an，et al．Research on intelligent fault diagnosis based on time series analysis algorithm［J］．The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2008，15（1）：68-74．

［7］朱博，董義鵬，金鋒.載人航天器儀表系統(tǒng)紅外觸摸屏硬件電路設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（18）：39-43. ZHU Bo，DONG Yi-peng，JIN Feng.Hardware circuit design of infrared touch screen on instrument system of manned spacecraft［J］.Modern Electronics Technique，2013（18）：39-43.

［8］翟西，李新洪，劉世軒，等.大型被服務(wù)航天器質(zhì)量特性參數(shù)在軌辨識(shí)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（21）：103-107. ZHAI Xi，LI Xin-hong，LIU Shi-xuan，et al.On-orbit massproperty identification for large module-replaceable spacecraft［J］.Modern Electronics Technique，2013（21）：103-107.

Study on universal spacecraft system data interpretation method based on XTCE

WANG Nan1，LU Yi-bin1，WANG Wei-nan1，XIAO Yu-zhi1，2
（1.Shanghai Institute of Aerospace System Engineering，Shanghai 201109，China；2.Shanghai National Defence Technology Key Laboratory of Spacecraft Mechanism，Shanghai 201109，China）

The need for a unified description of the purpose of the different formats ofdata based on spacecraft development process，usingthedataprocessingmethodofXTCEspacecraftsystemtobuildauniversal，groundtestbyusingthedatamanagement software of a certain type of spacecraft groundsystem，the use of data processing method of the system can be realizedand general formatspecificationconclusiondataexchangespacecraftsystem.Toimprovetheefficiencyandreliabilityofspacecraftsystemdata analysisandprocessing，asthespacetaskinformationexchangeprovidesaconvenientmethodandnewideas.

XTCE；spacecraft；system data；data interpretation

TN391.9

A

1674－6236（2015）09-0119-04

2014-08-06稿件編號(hào)：201408028

王楠（1980—），男，黑龍江佳木斯人，碩士，工程師。研究方向：航天器綜合測(cè)試。