張曉清，潘　清，龔　波（裝備學院信息裝備系，北京101416）

歐洲航天地面軟件系統(tǒng)發(fā)展研究

張曉清，潘清，龔波
（裝備學院信息裝備系，北京101416）

近年來世界各國都在大力發(fā)展新一代航天地面軟件系統(tǒng)，以應對日益復雜和繁重的航天任務。詳細分析了國內外航天地面軟件系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)技術發(fā)展的狀況，重點研究了歐空局近幾年開展的航天地面系統(tǒng)公共核心以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設的基本情況，介紹了歐空局地面站自動控制和地面站網(wǎng)絡系統(tǒng)技術，并探討了面向服務的體系結構、云計算等技術在航天地面系統(tǒng)中的應用。

航天地面軟件系統(tǒng)；開放系統(tǒng)；公共核心；數(shù)據(jù)系統(tǒng)；地面站網(wǎng)絡

航天地面軟件系統(tǒng)是支撐航天器全生命周期所有地面軟件系統(tǒng)的集合，是一個復雜大系統(tǒng)。隨著航天器種類和數(shù)量越來越多，航天地面軟件系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性也在大幅度增加。航天器生命期中有2個重要的階段，即地面研制階段和運行控制階段。傳統(tǒng)的方法是為每一個航天器研制一套地面測試系統(tǒng)，一套地面運行控制中心，這種方法在早期航天器數(shù)量很少的情況是很正常的。但是，隨著每年發(fā)射的航天器數(shù)量大幅度增加，且需要管理的在軌航天器數(shù)量越來越多時，這種情況就無法滿足任務的需求。

1　基于開放平臺的航天地面軟件系統(tǒng)發(fā)展

航天地面軟件系統(tǒng)第一次大的變革是20世紀90年代，隨著計算機體系結構從基于主機的系統(tǒng)，向基于網(wǎng)絡的系統(tǒng)發(fā)展，1993年美國航空航天局開始采用開放標準，如Unix操作系統(tǒng)平臺、TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)絡作為控制中心的基礎平臺，研制國際空間站地面控制中心軟件系統(tǒng)。國際空間站地面控制中心和航天飛機地面控制中心相鄰，但物理上不連接，2個中心的前端處理部分相同，其他部分不同，控制員可以很容易地在2個任務之間進行切換，整個系統(tǒng)的設備量比原來控制中心減少了一半，節(jié)省了大量經(jīng)費。

歐空局在航天地面軟件系統(tǒng)采用開放平臺的時間基本上和上面相似，比較典型的系統(tǒng)是歐空局一直使用的航天器控制操作系統(tǒng)（Spacecraft Control Operation System，SCOS）軟件，這套軟件就是建立在開放系統(tǒng)上的。該軟件從20世紀90年代初的SCOS I、II，發(fā)展到SCOS 2000，計劃2016年推出SCOS 3000。這套軟件在歐空局航天系統(tǒng)項目中應用的非常廣泛，該軟件最大的應用是歐洲伽利略導航衛(wèi)星項目，可以支持多達50顆衛(wèi)星，運行平臺是SuSE Linux Enterprise 9和SUN Solaris 10。

國內航天地面軟件系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)平臺是從航天器地面測試系統(tǒng)開始的。“地面測試系統(tǒng)”，歐空局稱為地面電氣支持設備（Electric Ground Support Equipment，EGSE），早先國內通過從法國引進的一套地面測試系統(tǒng)建立起比較系統(tǒng)的航天器地面測試體系，用于“東方紅三號”衛(wèi)星的測試。該系統(tǒng)硬件采用Micro VAX II，操作系統(tǒng)是Micro VMS，采用字符終端，測試設備采用串口連接。1996年3月，裝備學院承擔了國內第一套基于開放平臺的衛(wèi)星綜合測試軟件系統(tǒng)——“XX型號衛(wèi)星”地面測試總控軟件系統(tǒng)的設計和開發(fā)工作。該系統(tǒng)采用Solaris操作系統(tǒng)、TCP/IP和以太網(wǎng)絡作為測試系統(tǒng)平臺，1996年7月該系統(tǒng)參加了“XX型號衛(wèi)星”地面測試工作。通過改進該系統(tǒng)參加了從1996年10月開始的“神舟一號”飛船地面測試的全過程，以及后續(xù)神舟飛船系列型號地面測試。改進后的系統(tǒng)采用的是HP-UX操作系統(tǒng)，除了系統(tǒng)的規(guī)模更大一些，還增加了一些飛船特有的功能，如工程遙測處理等，其他內容基本相同。隨后該成果又推廣到“海洋星”等一系列衛(wèi)星型號項目的研制中。

航天器控制中心任務控制軟件和航天器地面測試系統(tǒng)所采用的軟件系統(tǒng)，在功能上有一定的相似性，因此，歐空局從TEAM和YES衛(wèi)星項目開始，嘗試研制低成本的、可移植的、通用的MCS/EGSE系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了1997年2月推出的SCOS-II，系統(tǒng)在實施過程中取得了很多有益的經(jīng)驗。隨后在Herschel/Planck衛(wèi)星項目中，又進行了進一步的嘗試，該項目采用了SCOS 2000作為系統(tǒng)核心。從實驗的結果看，確實可以縮短項目研制周期，降低費用。國內在一些衛(wèi)星項目上也進行過相似的嘗試，即將地面測試軟件系統(tǒng)作為地面站軟件使用。

由于歐洲航天器研制、運行控制往往都是多國、多機構同時參與，而不同國家、機構在航天器生命周期的不同階段使用的軟件系統(tǒng)都不相同，給合作帶來了很大的問題，研制統(tǒng)一的歐洲航天地面操作軟件（European Ground Operation Software，EGOS）勢在必行。因此，歐空局提出了建立統(tǒng)一的航天地面軟件系統(tǒng)建設的計劃。EGOS包括航天任務控制系統(tǒng)（Mission Control System，MCS）、任務規(guī)劃系統(tǒng)（Mission Planning System，MPS）、飛行動力學系統(tǒng)（Flight Dynamic System，F(xiàn)DS）、航天器電氣地面支持設備軟件系統(tǒng)，地面站軟件系統(tǒng)、各種航天仿真軟件系統(tǒng)、航天地面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。前3項是航天地面控制中心的核心組成部分。這一計劃的主要內容包括：栙子系統(tǒng)和層次之間的接口定義；②地面操作軟件的參考模型；③核心體系結構；④部件間的接口標準；⑤采用統(tǒng)一的平臺和操作系統(tǒng)、語言和標準；⑥采用統(tǒng)一的開發(fā)模型和工具；⑦統(tǒng)一的配置管理。2002年成立了委員會，進行系統(tǒng)間接口定義，主要定義了MCS、MPS、FDS 3個子系統(tǒng)之間的接口關系。隨著研究工作的深入，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一的航天地面軟件系統(tǒng)設想太大，很難辦到。而且，隨著各種新技術的不斷出現(xiàn)，如面向服務的體系結構、云計算、虛擬化等，如何將這些技術應用到航天地面軟件中，還有很多需要探討的問題。因此，從2009年開始，歐空局將這方面的工作重點轉到歐洲地面系統(tǒng)公共核心（European Ground Systems-Common Core，EGS-CC）和航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)基礎設施上。

2　航天地面軟件系統(tǒng)公共平臺

歐洲地面系統(tǒng)公共核心（EGS-CC）項目［1］的目標是開發(fā)一種通用的歐洲航天任務監(jiān)視控制基礎設施，能夠無縫覆蓋從航天器組裝、集成和測試到任務控制的所有階段，通過共享開發(fā)、維護和保障來減低全系統(tǒng)費用，降低航天項目的風險，實現(xiàn)EGSE和MCS系統(tǒng)的現(xiàn)代化，在整個組織之內共享先進的軟件技術。

EGS-CC的主要功能是支持所有航天任務類型和階段，采用開放的、基于組件的和面向服務的體系結構，具有通用性、可擴充性、高性能和可擴展性，采用層次實現(xiàn)方式，系統(tǒng)監(jiān)視控制內核的通用功能和專用功能的分離，支持二進制兼容、標準接口，盡量隱藏技術細節(jié)，適應航天器的長期管理。EGS-CC的體系結構如圖1所示。

圖1　EGS-CC體系結構

其中，斜紋底方框部分代表測試程序參考實現(xiàn)，灰色方框部分代表核心功能，網(wǎng)狀底紋方框為核心擴展功能和接口的參考實現(xiàn)。

核心的基本功能包括兩方面：應用支撐層及監(jiān)視與控制組件。應用支撐層包括運行時支持框架、系統(tǒng)管理和執(zhí)行、訪問控制、時間同步和數(shù)據(jù)歸檔等。監(jiān)視與控制組件包括監(jiān)視和控制模型、控制活動有效性驗證、調度執(zhí)行和確認、命令（TC功能）、過程執(zhí)行、報告參數(shù)處理情況、時間處理、支持在線、回放、檢索和重放等處理模式。

核心擴展功能和接口的參考實現(xiàn)包括4個方面：適配層、用戶應用、離線工具和外部接口。適配層包括：遙測遙控數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視和控制適配器，如遙測遙控接收和發(fā)送，專用控制操作設備接口等，建立監(jiān)視和控制服務模型、空間和地面時間校對。用戶應用包括：用戶桌面系統(tǒng)、用戶自定義的顯示、監(jiān)視和控制應用、系統(tǒng)管理顯示、監(jiān)視控制模型瀏覽。離線工具包括：初始化準備工具、事后處理和報告工具。外部接口包括：剪裁、配置、歸檔數(shù)據(jù)導入導出、監(jiān)視和控制服務等。

目前項目已經(jīng)完成了階段A的所有工作，產(chǎn)生了一系列規(guī)范和文檔，包括領域分析、用戶用例、用戶需求、名詞收集、系統(tǒng)概念、概念體系結構、外部接口確定、主要技術評估。階段B剛剛開始，正在進行軟件需求工程和體系結構設計，概念演示驗證。階段C/D采用基于增量和迭代方式進行開發(fā)，在目標環(huán)境中不斷地集成和驗證相關技術和產(chǎn)品，最初的應用預計在2015—2016年。理想的目標是將歐空局地面軟件的所有內容都放在一起，包括航天器、運載器、地面站、任務控制系統(tǒng)、飛行動力學系統(tǒng)、任務規(guī)劃系統(tǒng)、調度執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)等，形成一個類似蘋果公司的航天應用商店，可為不同的任務選取合適的應用。

3　航天任務數(shù)據(jù)系統(tǒng)

航天任務數(shù)據(jù)系統(tǒng)基礎設施［2］是從傳統(tǒng)的任務數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)展來的，最初主要支持遙測遙控數(shù)據(jù)的歸檔和分發(fā)等基本功能。隨著航天任務的擴展，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的支持功能不斷增長，如歐空局的伽利略項目，不僅具有導航功能，同時，還具備空間態(tài)勢感知（Space Situation Awareness，SSA）功能，包括空間目標監(jiān)視和跟蹤（Space Surveillance Tracking，SST）、空間氣象環(huán)境（Space Weather Environment，SWE）、近地目標監(jiān)視（Near Earth Object，NEO）3大功能。為此，歐空局專門采用面向服務的體系結構設計了一個數(shù)據(jù)中心。

3.1面向服務體系結構的航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)

如果采用傳統(tǒng)的方法來設計航天地面應用系統(tǒng)，每個地面系統(tǒng)都是獨立的，但是，結構又很相似，而且，有很多相同的功能。圖2表示采用傳統(tǒng)的方法設計的空間氣象環(huán)境（SWE）和近地目標監(jiān)視（NEO）應用系統(tǒng)。而采用面向服務的體系結構設計方式，可以將這些相似的功能，如安全、用戶管理、數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)發(fā)布等，可以用服務的方式提供出來，圖3所示。

圖2　子系統(tǒng)功能結構

圖3　面向服務的體系結構

采用新技術，包括可視化、云計算等技術［3-6］，以及開源軟件開發(fā)，可以提升歐洲工業(yè)在全球市場的競爭力，降低經(jīng)費、風險和開發(fā)時間。這些新技術如何在航天地面系統(tǒng)中應用，往往選取數(shù)據(jù)系統(tǒng)作為實驗的突破口，因為數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能比較適合面向服務的體系結構。任務控制系統(tǒng)由于有比較嚴格的實時性和安全性方面的要求，需要進行更深入的研究。

3.2航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

隨著空間軍事應用的進一步發(fā)展，對航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)基礎設施的要求又進一步深入，以美軍聯(lián)合作戰(zhàn)任務系統(tǒng)（Joint Mission System，JMS）項目為例，該項目以面向聯(lián)合作戰(zhàn)形成集成的、網(wǎng)絡中心化的空間態(tài)勢感知和指揮控制能力為目的，能夠快速檢測、跟蹤和識別相關目標，提供及時的聯(lián)合作戰(zhàn)空間效果時間顯示，支持傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的目標識別和發(fā)現(xiàn)，支持用戶自定義的作戰(zhàn)圖像和空間作戰(zhàn)命令，提供空間威脅分析等。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)只是聯(lián)合作戰(zhàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的一個方面，但這個系統(tǒng)又是各軍兵種都感興趣的，因此，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建立必須統(tǒng)籌考慮作戰(zhàn)部隊的需求，需要在指揮控制態(tài)勢感知公共框架（C2SSACOI）下進行研究，在國防部元數(shù)據(jù)注冊名字空間結構框架（DOD MDR NAMESPACE）下，建立相應的產(chǎn)品。JMSEnterprise Data Modelv1.0企業(yè)數(shù)據(jù)模型就是這種產(chǎn)品。JMS Data Modelv1.0是從已經(jīng)批準的美國空軍JMS需求模型中導出的，JMS需求模型是基于國防SSA任務主線，經(jīng)過5年的努力從概念模型開始建立的。JMS需求模型中的所有能力都能映射到JMS CDD項目需求中，JMS需求概念模型用于建立數(shù)據(jù)條目、屬性和關系的邏輯UML模型。邏輯UML模型用于產(chǎn)生JMS數(shù)據(jù)模型的物理模型（XML方案）。

實現(xiàn)公共數(shù)據(jù)模型的好處是能夠使數(shù)據(jù)元素規(guī)范化，減少了冗余，提供了一致性的元數(shù)據(jù)結構來支持可靠的決策支持；消除了數(shù)據(jù)結構的不一致性，消除了數(shù)據(jù)轉換，支持分布式數(shù)據(jù)存儲和更有效的虛擬機分配；基于公共數(shù)據(jù)的Web服務能夠利用程序結構的高效性，獲得更好的系統(tǒng)性能；一種公共的企業(yè)數(shù)據(jù)框架能夠支持數(shù)據(jù)的精確性和系統(tǒng)能力的擴展。

實現(xiàn)公共數(shù)據(jù)模型的關鍵是必須鼓勵采用開放和合作的方法，必須定期召開面對面的會議進行溝通，需要建立一支高水平的隊伍，成員包括國防部、政府部門、民間和商業(yè)領域、國土安全部門、地方政府、大學、聯(lián)邦成員。從任務需求開始，提供一個全面的解決方案，將主要精力放在證明模型的可實現(xiàn)性上，支持實際地面應用，提供最基本的產(chǎn)品集，提供能夠管理大量信息的工具。

4　航天器自動管理和地面測控站網(wǎng)絡

隨著在軌航天器的日益增多，航天器地面管理的工作也越來越復雜，地面控制站網(wǎng)絡的優(yōu)化管理面臨著很多挑戰(zhàn)［7］。歐洲航天局跟蹤地面站核心網(wǎng)絡（European Space Tracking Station Network，ESTRACK）［8］，是分布在全球的地面站網(wǎng)絡，如圖4所示。

圖4　歐洲地面站網(wǎng)絡

早期的EMS（ESTRACK Management System），每個地面站基本上都是為歐洲航天局的一個固定任務服務，地面站獨立運行，采用人工進行地面站規(guī)劃（有少量工具支持）。目前的情況是整個地面站網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)有相當規(guī)模，功能比較強，也很復雜。這些地面站同時支持多個任務，同時，還能支持歐空局以外的任務。整個網(wǎng)絡有一個統(tǒng)一的調度表。未來的發(fā)展是提高不同任務交叉支持的程度，充分利用網(wǎng)絡以及地面站的能力，提高系統(tǒng)的可擴充性。

EMS是歐空局地面站網(wǎng)絡自動化規(guī)劃和協(xié)調中央控制系統(tǒng)，由3部分組成：規(guī)劃子系統(tǒng)、調度子系統(tǒng)、協(xié)調子系統(tǒng)，規(guī)劃和調度子系統(tǒng)已經(jīng)投入運行4年，在線協(xié)調系統(tǒng)正在開發(fā)。

ESTRACK規(guī)劃和調度系統(tǒng)在2005年就能夠支持10個用戶，規(guī)劃系統(tǒng)能在3h之內完成2周的全部規(guī)劃工作。全部規(guī)劃要求所有的任務要求都能夠滿足，所有的限制條件都經(jīng)過了檢驗。到了2008年，系統(tǒng)能夠支持20個用戶，規(guī)劃工具能夠支持10顆衛(wèi)星在3周限制滑動窗口下，在6h內完成6個月的規(guī)劃工作，在36h之內完成一年的規(guī)劃工作。2011年的情況是在6h之內完成15顆星6個月的規(guī)劃任務。

ESTRACK協(xié)調子系統(tǒng)（ESTRACK Coordination System，ECS）是一個在線控制模塊，由一個操作員來監(jiān)視所有的地面站和網(wǎng)絡健康情況，監(jiān)視調度的執(zhí)行情況。將所有監(jiān)控信息歸檔在中央存儲系統(tǒng)中，將地面站監(jiān)視參數(shù)發(fā)送給任務控制系統(tǒng)。

ESTRACK功能組成如圖5所示。

圖5　ESTRACK功能組成

ESTRACK軟件的實現(xiàn)采用重用策略，主要利用歐洲地面操作軟件EGOS中已有的部件，如自動化任務系統(tǒng)、數(shù)據(jù)歸檔工具、文件歸檔工具、監(jiān)視引擎，采用面向服務的體系結構與任務控制系統(tǒng)接口。

EMS已經(jīng)作為歐空局地面站網(wǎng)絡的規(guī)劃和調度系統(tǒng)成功地運行，地面站自動分配目標已經(jīng)實現(xiàn)，但是，還需要協(xié)調來確保各個任務能夠重新更新計劃。協(xié)調系統(tǒng)將進一步增強當前系統(tǒng)的能力，期望未來能夠有更好的互操作性和更高的自動化水平。

5　結束語

航天地面軟件系統(tǒng)在航天任務中的作用越來越重要，同時航天地面軟件系統(tǒng)的復雜性也越來越高，除了大量采用面向服務的體系結構、云計算技術以外，國外已經(jīng)開始采用體系結構DoDAF方法來設計航天地面軟件系統(tǒng)。國內航天地面軟件系統(tǒng)發(fā)展情況和歐洲前幾年的情況很相似，也是多個部門分別開發(fā)各種功能相似、互不通用的軟件系統(tǒng)，自動化程度還比較低，對航天地面軟件系統(tǒng)的研究不夠深入全面，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理。歐空局的做法可以為我們提供管理和技術方面的借鑒，特別是目前國內正在采用國產(chǎn)軟硬件系統(tǒng)來設計和實現(xiàn)新的航天地面軟件系統(tǒng)，歐空局采用的統(tǒng)一的信息基礎設施、面向服務的數(shù)據(jù)系統(tǒng)、航天數(shù)據(jù)模型、地面站自動控制等技術，可以為我們設計新一代航天地面軟件系統(tǒng)提供參考。

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（編輯：李江濤）

Research on the Development of European Space Mission Ground Software System

ZHANG Xiaoqing，PAN Qing，GONG Bo
（Department of Information Equipment，Equipment Academy，Beijing 101416，China）

Recently，many countries are working on the development of new generation of space mission ground software to perform more complex and more onerous space mission.This paper analyzes the development of space mission ground software systems using open system technology around the world in detail，gives prominence to European Space Agency's（ESA's）efforts in construction of common core and data system of ground system these years，introduces the technologies of ESA ground system automatic control and the ESA ground network and discusses the applications of the new technologies，such as service oriented architecture and cloud computing in ground system.

space mission ground software system；open system；common core；data system；ground station network

TP338

2095-3828（2015）02-0088-06

ADOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2015.02.020

2014-12-18

部委級資助項目

張曉清（1963-），女，副教授，主要研究方向為計算機應用。