劉云杰，王　彬，劉友永

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

在航天測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)模式上，我國的傳統(tǒng)做法是按“型號(hào)”研制、按“套”部署。在這種建設(shè)模式下，同一測(cè)控站內(nèi)隸屬不同系統(tǒng)但具有相同功能的分系統(tǒng)不能靈活互換，不同的測(cè)控系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)了相同功能的配套設(shè)備(例如時(shí)頻、測(cè)試標(biāo)校等)，這就使得測(cè)控站內(nèi)有限的測(cè)控資源不能夠得到最大程度的利用。

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，日益增多的航天發(fā)射任務(wù)和大量在軌運(yùn)行的偵察、測(cè)繪、氣象、通信、導(dǎo)航和遙感衛(wèi)星對(duì)航天測(cè)控系統(tǒng)提出了越來越高的要求，有限的航天測(cè)控資源與日益增加的航天測(cè)控需求的矛盾逐漸突出[1]。為了解決上述問題，一些學(xué)者從算法層面對(duì)測(cè)控資源調(diào)度問題進(jìn)行了研究，提出了采用遺傳算法、啟發(fā)式算法和基于沖突的回跳算法等算法進(jìn)行測(cè)控資源調(diào)度，優(yōu)化資源調(diào)度效能，提高測(cè)控資源利用率[2-8]。

除了采用優(yōu)化算法提高資源利用率之外，通過對(duì)測(cè)控站內(nèi)的測(cè)控資源的優(yōu)化組合和靈活配置，最大限度地挖掘和提高測(cè)控站自身測(cè)控能力已經(jīng)成為業(yè)界的共識(shí)。原北京跟蹤與通信技術(shù)研究所郭琦、劉敏等提出了測(cè)控設(shè)備資源重組的概念和優(yōu)點(diǎn)，分析了我國測(cè)控設(shè)備的現(xiàn)狀，提出了我國未來測(cè)控設(shè)備資源重組系統(tǒng)建設(shè)的一種構(gòu)想。西安衛(wèi)星測(cè)控中心洪宇等人設(shè)計(jì)了適應(yīng)資源動(dòng)態(tài)重組需求的測(cè)控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)及其監(jiān)控管理方式，提出了集中監(jiān)控管理平臺(tái)的概念，分析了其功能需求，討論了需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)[9]。本文在上兩篇文章研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)資源調(diào)度方法、支持資源重組的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)進(jìn)行研究，從具體實(shí)現(xiàn)層面豐富和完善航天測(cè)控設(shè)備資源動(dòng)態(tài)重組知識(shí)體系，為航天測(cè)控資源動(dòng)態(tài)重組的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1　基于資源池的測(cè)控設(shè)備體系架構(gòu)

在傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)模式上，一個(gè)測(cè)站內(nèi)通常部署不相關(guān)的多套測(cè)控系統(tǒng)，各自獨(dú)立執(zhí)行測(cè)控任務(wù)，多套測(cè)控系統(tǒng)之間不存在設(shè)備共享機(jī)制，系統(tǒng)監(jiān)控只對(duì)本系統(tǒng)內(nèi)的測(cè)控設(shè)備進(jìn)行配置管理，測(cè)控站內(nèi)的測(cè)控資源得不到充分利用。傳統(tǒng)的航天測(cè)控系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)測(cè)控設(shè)備體系架構(gòu)

為了適應(yīng)測(cè)控資源動(dòng)態(tài)重組需求，為全站建立集中監(jiān)控管理平臺(tái)，以集中監(jiān)控管理平臺(tái)為運(yùn)行核心完成站內(nèi)測(cè)控設(shè)備的資源重組和任務(wù)調(diào)度。集中監(jiān)控管理平臺(tái)把整站內(nèi)的測(cè)控資源(包含多套前端系統(tǒng)(含信道設(shè)備、跟蹤接收機(jī)等)、多套終端設(shè)備及公共設(shè)備)組成測(cè)控資源池，把以單套設(shè)備為對(duì)象的資源調(diào)配模式擴(kuò)大為以全站測(cè)控設(shè)備為對(duì)象的資源調(diào)配模式。集中監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)跟蹤任務(wù)計(jì)劃和設(shè)備健康狀態(tài)自動(dòng)對(duì)測(cè)控資源池內(nèi)設(shè)備進(jìn)行配置，完成設(shè)備組合、參數(shù)配置和自動(dòng)化運(yùn)行等工作?；谫Y源池的測(cè)控設(shè)備體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于資源池的測(cè)控設(shè)備體系架構(gòu)

集中監(jiān)控平臺(tái)與傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)控的主要區(qū)別是管理對(duì)象由單套測(cè)控系統(tǒng)變化為全站測(cè)控設(shè)備，增加了測(cè)控設(shè)備資源重組與調(diào)度功能，由單任務(wù)調(diào)度變?yōu)槎嗳蝿?wù)調(diào)度，由單目標(biāo)測(cè)控變?yōu)槎嗄繕?biāo)測(cè)控，增強(qiáng)了測(cè)控系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，充分利用有限的測(cè)控資源更好地完成多目標(biāo)測(cè)控任務(wù)。

2　基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度方法

在面向資源重組的測(cè)控設(shè)備體系結(jié)構(gòu)下，前端系統(tǒng)與后端的基帶設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交互等分系統(tǒng)并不是固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的組合配置，是在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)資源重組。

2.1　任務(wù)規(guī)劃調(diào)度

任務(wù)規(guī)劃調(diào)度的目的是接收中心的工作計(jì)劃，進(jìn)行沖突性檢查后，形成按時(shí)間排列的測(cè)控任務(wù)序列，同時(shí)按照時(shí)間符合機(jī)制調(diào)動(dòng)相關(guān)設(shè)備執(zhí)行測(cè)控任務(wù)。

任務(wù)規(guī)劃調(diào)度功能包括任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)調(diào)度功能。

① 任務(wù)規(guī)劃主要是依據(jù)工作計(jì)劃合理性判決策略將接收到的工作計(jì)劃按時(shí)間順序生成測(cè)控任務(wù)隊(duì)列。計(jì)劃合理性判決策略通過判斷待執(zhí)行任務(wù)數(shù)量、工作計(jì)劃任務(wù)時(shí)段、測(cè)控設(shè)備可用數(shù)量和測(cè)控設(shè)備類型等條件判決該工作計(jì)劃是否為合理工作計(jì)劃，合理的工作計(jì)劃最終生成測(cè)控任務(wù)隊(duì)列，依據(jù)時(shí)間先后關(guān)系存儲(chǔ)到測(cè)控任務(wù)隊(duì)列中，等待調(diào)用執(zhí)行。

② 任務(wù)調(diào)度模塊向資源調(diào)度模塊發(fā)送測(cè)控資源申請(qǐng)。資源調(diào)度模塊根據(jù)任務(wù)需求、資源分配策略、冗余資源數(shù)量和資源健康狀態(tài)在測(cè)控資源池中進(jìn)行資源分配，將資源分配結(jié)果上報(bào)任務(wù)調(diào)度模塊。

③ 任務(wù)調(diào)度實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)控任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)開始時(shí)間，以時(shí)間符合原則調(diào)度測(cè)控任務(wù)。任務(wù)調(diào)度模塊啟動(dòng)由測(cè)控資源分配表中包含的設(shè)備，同時(shí)將測(cè)控任務(wù)相關(guān)信息發(fā)送相關(guān)設(shè)備，開始自動(dòng)化進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)校、執(zhí)行測(cè)控任務(wù)。

2.2　動(dòng)態(tài)資源分配

在測(cè)控任務(wù)執(zhí)行前一段時(shí)間(默認(rèn)5 min)，任務(wù)調(diào)度模塊進(jìn)行測(cè)控資源確認(rèn)，檢查分配給該任務(wù)的測(cè)控設(shè)備的狀態(tài)，如果出現(xiàn)資源沖突或資源故障情況，需要對(duì)后續(xù)工作計(jì)劃重新進(jìn)行資源分配。

測(cè)控資源確認(rèn)成功后，資源調(diào)度模塊生成測(cè)控資源鏈表，并將資源分配結(jié)果上報(bào)任務(wù)調(diào)度模塊。測(cè)控任務(wù)結(jié)束后，任務(wù)調(diào)度模塊釋放占用的測(cè)控資源，資源調(diào)度模塊進(jìn)行資源回收，維護(hù)更新測(cè)控資源狀態(tài)表，等待下一次的測(cè)控資源分配申請(qǐng)。

在任務(wù)執(zhí)行過程中，如果出現(xiàn)設(shè)備故障，一般情況下由備份設(shè)備進(jìn)行替代，如果備份設(shè)備也出現(xiàn)故障，需要任務(wù)調(diào)度模塊向資源調(diào)度模塊申請(qǐng)新的資源，資源調(diào)度模塊需要根據(jù)設(shè)備空閑情況和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行重新分配，此時(shí)后續(xù)工作計(jì)劃的資源分配也應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，保證資源不出現(xiàn)沖突情況。如果存在突發(fā)緊急任務(wù)需要執(zhí)行，需為突發(fā)任務(wù)進(jìn)行資源分配，如果無空閑資源應(yīng)請(qǐng)示中心由其指定停止那一項(xiàng)正在執(zhí)行的任務(wù)，并將相應(yīng)資源分配給指定任務(wù)。

3　面向快速重構(gòu)的系統(tǒng)監(jiān)控軟件體系架構(gòu)

監(jiān)控分系統(tǒng)用于完成測(cè)控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備控制、資源分配、任務(wù)調(diào)度，負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備執(zhí)行自動(dòng)測(cè)試、系統(tǒng)標(biāo)校以及測(cè)控任務(wù)的執(zhí)行，是測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分。在集中監(jiān)控平臺(tái)下，需要靈活應(yīng)對(duì)測(cè)控設(shè)備的增減、監(jiān)控接口和功能的增刪等，為此在軟件體系架構(gòu)和監(jiān)控運(yùn)行體制上需要進(jìn)行創(chuàng)新，有效應(yīng)對(duì)資源動(dòng)態(tài)重組的需求。

傳統(tǒng)模式開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，具體應(yīng)用與設(shè)備通常是緊密耦合關(guān)系，得到的往往是一個(gè)定制系統(tǒng)，可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性非常差，這類系統(tǒng)雖然可以較好地完成系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)任務(wù)，但難以進(jìn)行擴(kuò)展或重構(gòu)以適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的變化，很難適應(yīng)當(dāng)前的資源重組需求。為了解決上述問題，我們?cè)诒O(jiān)控業(yè)務(wù)體系框架上采用了設(shè)備管理與任務(wù)調(diào)度相分離的體制，在監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)上采用了基于軟總線的集中監(jiān)控軟件體系框架，在監(jiān)控體制上采用了集中監(jiān)控與虛擬測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控相結(jié)合的分級(jí)監(jiān)控體制。

3.1　系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)行管理業(yè)務(wù)體系框架

系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)行管理業(yè)務(wù)體系框架如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)行管理業(yè)務(wù)體系框架

系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)行管理業(yè)務(wù)體系框架由應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層、設(shè)備管理層和設(shè)備層組成。設(shè)備管理功能是系統(tǒng)監(jiān)控管理的基礎(chǔ)，完成系統(tǒng)監(jiān)控與運(yùn)行管理軟件與所有外部設(shè)備的信息交換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，屏蔽與硬件、外部設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)接口，為上層軟件提供數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)管理與分發(fā)層統(tǒng)一管理上層服務(wù)(業(yè)務(wù)或者任務(wù))所需的數(shù)據(jù)，為上層服務(wù)的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持和信息交換，確保上層服務(wù)的獨(dú)立性、擴(kuò)展性和統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

在這種業(yè)務(wù)體系框架下，應(yīng)用層(或任務(wù)層)與設(shè)備層是分離的，具體應(yīng)用是由設(shè)備管理層分配相關(guān)設(shè)備完成，應(yīng)用本身無需關(guān)心是哪些設(shè)備參與完成測(cè)控任務(wù)。通過任務(wù)與設(shè)備的隔離，保證了應(yīng)用和設(shè)備的獨(dú)立性，任務(wù)模式的增加并不影響設(shè)備的管理，同樣設(shè)備的增加也不影響具體任務(wù)的執(zhí)行。

3.2　基于軟總線的集中監(jiān)控平臺(tái)體系框架

軟總線是組件集成的基礎(chǔ)設(shè)施，是硬件總線的虛擬和映射，它通過為組件服務(wù)之間提供虛擬的數(shù)據(jù)傳輸公共通道實(shí)現(xiàn)組件與操作系統(tǒng)、組件與組件之間的數(shù)據(jù)通信，起到的是數(shù)據(jù)通信中間件的作用，目前主流的軟總線機(jī)制包括CORBA、COM/DCOM及EJB等?；谲浛偩€的體系結(jié)構(gòu)具有可維護(hù)性好、可重用度高、擴(kuò)展能力強(qiáng)及較強(qiáng)的通用性，并支持軟件構(gòu)件的“即插即用”和服務(wù)接口的動(dòng)態(tài)配置，使得軟件系統(tǒng)具有良好的靈活性，在業(yè)務(wù)需求變化時(shí)，軟件系統(tǒng)可快速重構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)[10-11]。

基于軟總線的集中監(jiān)控平臺(tái)體系框架如圖4所示。

圖4　基于“軟總線”的集中監(jiān)控平臺(tái)體系框架

集中監(jiān)控軟件體系框架由應(yīng)用層、服務(wù)層、基礎(chǔ)層和系統(tǒng)平臺(tái)層組成，各層的功能及運(yùn)行關(guān)系如下：

① 系統(tǒng)平臺(tái)層提供操作系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境及軟件運(yùn)行所需的系統(tǒng)服務(wù)；

② 基礎(chǔ)層為外部接口設(shè)備和軟件運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件等支持環(huán)境；

③服務(wù)層是該軟件架構(gòu)的核心，為應(yīng)用層和其它服務(wù)提供運(yùn)行服務(wù)。服務(wù)分為四級(jí)或更多，由同級(jí)或更低級(jí)別服務(wù)經(jīng)集成、加工后經(jīng)服務(wù)發(fā)布模塊向外發(fā)布。各級(jí)服務(wù)之間不直接耦合，由服務(wù)層提供的軟總線進(jìn)行服務(wù)交互。服務(wù)管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外服務(wù)的訂閱、發(fā)布和管理。

④ 應(yīng)用層提供UI界面，是各級(jí)服務(wù)對(duì)外的直接展示平臺(tái)，可以通過軟總線或服務(wù)管理模塊直接使用各級(jí)服務(wù)；

⑤ 各個(gè)服務(wù)可采用動(dòng)態(tài)鏈接庫、進(jìn)程和遠(yuǎn)程調(diào)用(RPC)的形式提供服務(wù)，各服務(wù)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的接口實(shí)現(xiàn)各服務(wù)之間的交互。

采用基于軟總線軟件體系框架，各服務(wù)之間是松散耦合的，通過軟總線實(shí)現(xiàn)它們之間的信息交互，對(duì)新增功能、新增接口或新增設(shè)備來說，只需增加對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)或增加設(shè)備服務(wù)類，通過修改以XML文件形式表示的服務(wù)配置文件[12]，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的在線維護(hù)擴(kuò)展。采用松耦合架構(gòu)設(shè)計(jì)集中監(jiān)控管理平臺(tái)，在測(cè)控資源接入或退出全系統(tǒng)時(shí)，無需進(jìn)行程序開發(fā)，只要通過簡(jiǎn)單配置就能夠完成界面和功能重構(gòu)[13]。采用基于軟總線的軟件體系框架進(jìn)行集中監(jiān)控管理平臺(tái)開發(fā)可以方便的通過測(cè)控設(shè)備運(yùn)行流程的遠(yuǎn)程定制[14]，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控管理平臺(tái)的遠(yuǎn)程升級(jí)[15]。

3.3　基于分級(jí)監(jiān)控的測(cè)站監(jiān)控體制

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)控站內(nèi)測(cè)控資源的動(dòng)態(tài)重組，利用面向整個(gè)測(cè)控站的集中監(jiān)控管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)站內(nèi)所有測(cè)控資源的管理和測(cè)控任務(wù)調(diào)度，好處是利于測(cè)控資源重組；缺點(diǎn)是所有設(shè)備的監(jiān)視和控制都在一個(gè)軟件內(nèi)去實(shí)現(xiàn)，混亂且不太方便，同時(shí)在進(jìn)行軟件維護(hù)時(shí)需要停止所有測(cè)控任務(wù)，靈活性不足。

為了解決這個(gè)問題，我們采用集中監(jiān)控與虛擬測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控相結(jié)合的分級(jí)監(jiān)控體制。集中監(jiān)控管理平臺(tái)根據(jù)任務(wù)需求，從測(cè)控資源池中把測(cè)控資源動(dòng)態(tài)組合出若干套虛擬測(cè)控系統(tǒng)，這些虛擬測(cè)控系統(tǒng)共用公共設(shè)備，每套虛擬測(cè)控系統(tǒng)均可作為一套功能完整的、可獨(dú)立執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的測(cè)控系統(tǒng)來使用。虛擬測(cè)控系統(tǒng)組成示意圖如圖5所示。

圖5　虛擬測(cè)控系統(tǒng)組成示意圖

集中監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)整站測(cè)控資源的分配管理和任務(wù)調(diào)度，監(jiān)視每個(gè)虛擬測(cè)控系統(tǒng)的重要狀態(tài)信息；虛擬測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控是一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)控軟件，完成虛擬測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的監(jiān)視控制，它由集中監(jiān)控平臺(tái)任務(wù)調(diào)度模塊在啟動(dòng)虛擬測(cè)控系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)控任務(wù)時(shí)啟動(dòng)，完成測(cè)控任務(wù)釋放測(cè)控資源時(shí)銷毀，是一個(gè)與任務(wù)相伴的虛擬監(jiān)控系統(tǒng)。

虛擬測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控接受集中監(jiān)控平臺(tái)的監(jiān)視與控制，負(fù)責(zé)向集中監(jiān)控平臺(tái)上報(bào)主要的設(shè)備狀態(tài)信息，同時(shí)負(fù)責(zé)完成與中心和分機(jī)設(shè)備的信息交換，起到的是傳統(tǒng)按型號(hào)部署的系統(tǒng)監(jiān)控的作用。虛擬測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控是伴隨任務(wù)生命周期而存在的，可以脫離集中監(jiān)控獨(dú)立運(yùn)行，這樣在增加測(cè)控資源時(shí)，無需停止正在執(zhí)行的測(cè)控任務(wù)，只對(duì)集中監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行停機(jī)維護(hù)即可，而基于軟總線的軟件體系架構(gòu)保證了在新增功能、新增接口或新增設(shè)備時(shí)通過修改配置文件可以快速實(shí)現(xiàn)的目的，能夠做到新增功能、新增接口或新增設(shè)備時(shí)幾乎不影響任務(wù)的正常執(zhí)行。在實(shí)際部署時(shí)，可以按測(cè)控模式事先生成不同的虛擬測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控軟件，在虛擬測(cè)控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載對(duì)應(yīng)模式的虛擬測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

4　結(jié)束語

當(dāng)前，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的衛(wèi)星發(fā)射上天，對(duì)地面測(cè)控設(shè)備的需求越來越大。資源重組作為解決測(cè)控設(shè)備資源不足的重要技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)控資源有效和充分的利用，一定程度上解決測(cè)控資源緊張的問題[16]。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)測(cè)控設(shè)備資源重組所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述，該技術(shù)成果已經(jīng)被應(yīng)用于當(dāng)前我部測(cè)控系統(tǒng)研制中資源重組實(shí)施的理論基礎(chǔ)，后續(xù)研究重點(diǎn)是資源重組的實(shí)施步驟與策略，為全面實(shí)施測(cè)控設(shè)備資源重組奠定基礎(chǔ)。