卫星运行控制系统混合模式架构研究

2013-06-14王士成

无线电工程 2013年3期

王士成

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

为满足遥感影像在数字测绘、资源调查、灾害监测、城市规划、土地利用、环境保护和旅游导航[1]等方面日益增多的应用需求，随着航天事业及卫星技术的飞速发展，我国在轨卫星数量已逐渐形成规模并仍在持续增加。传统的卫星运行控制系统采用C/S架构，在卫星数量不多、卫星种类比较单一的情况下具有运行效率高、交互性强和网络负担小等一系列优点，但随着卫星种类、卫星数量的大量增加，传统卫星运行控制系统的弊端逐渐显现出来，即系统部署难度大、人员消耗多、系统内部接口复杂等。基于混合模式的卫星运行控制系统可有效解决这些问题。

1 C/S模式与B/S模式的比较分析

C/S是 Client/Server的缩写[2]，服务器通常采用高性能的微机服务器或小型机，并采用大型数据库系统如Oracle、Sybase或 SQL Server等，客户端需要安装专用的客户端软件，主要业务逻辑在客户端实现;B/S是 Brower/Server的缩写[2]，客户机上只要安装一个通用的浏览器软件，用户界面完全通过WWW浏览器实现，主要业务逻辑在服务器端实现。

1.1 B/S模式的优势

B/S模式具有以下优势:

①简化了客户端。无需像C/S模式那样在不同的客户机上安装专用的客户应用程序[3]，只需安装通用的浏览器软件，这样不但可以节省客户机的硬盘空间与内存，而且使安装过程更加简便、网络结构更加灵活。

②简化了系统的开发和维护过程。系统的开发者无需再为不同级别的用户设计开发不同的客户应用程序，只需把所有的功能都实现在Web服务器上，并就不同的功能为不同用户分别设置权限即可。

③B/S模式特别适用于网上信息发布，而网上信息发布功能恰是地面应用系统各分系统之间实现信息共享所必须的，这使得系统运行过程中大部分书面文件可以被电子文件取代，提高工作效率、节省工作成本[4]。

1.2 B/S模式的不足

首先，由于浏览器只是为了进行WEB浏览而设计的[5]，且大部分业务逻辑都需要经由WEB服务器实现，当其应用于WEB应用系统时许多功能不能实现或实现起来比较困难，如大量的数据输入、业务报表输出等。其次，WEB服务器成为对数据库唯一的客户端，所有对数据库的连接都通过该服务器实现，由于WEB服务器同时要处理客户请求以及与数据库的连接，当系统访问量大时服务器端会出现负载过重的情况。

1.3 C/S模式相对于B/S模式的优势

C/S模式相对于B/S模式的优势如下:

① 交互性强是 C/S固有的一个优点[6]。在C/S模式中，客户端有一套完整的应用程序，在出错提示和在线帮助等方面都有强大的功能;B/S模式虽然也可提供了一定的交互能力，但远不及C/S模式下的完整客户应用。

②采用C/S模式将降低网络通信量。B/S模式采用了逻辑上的3层结构，而在物理上的网络结构仍然是以太网或环形网，3层结构之间的通信都需占用一定的网络带宽;而C/S模式下的网络通信量只包括Client与Server之间的通信量。

③由于C/S在逻辑结构上比B/S少一层，对于相同的业务应用，C/S完成的速度总要优于 B/S，使得C/S模式更利于处理大量数据。

2 功能模型

卫星运行控制系统是控制卫星执行观测任务，并使整个卫星地面应用系统协调、高效运行的关键，具体由用户服务、任务规划、计划制定、载荷控制、业务调度、状态监视和星地资源管理7个部分组成，如图1所示。主要任务是根据上级指令和观测任务要求，完成观测任务规划、观测计划制定、卫星有效载荷控制、数据接收规划调度和星地系统工作状态监视等功能，以充分发挥卫星资源和地面资源的综合利用效益。

用户服务:对卫星用户进行管理、维护，受理用户提出的应用需求，对应用需求进行分析，包括目标区域的可见性分析、应用需求的满足度分析和多应用需求的冲突分析等，并依据分析结果生成观测任务单。

图1 卫星运行控制系统功能模型

任务规划:以观测任务单为依据，综合考虑所有星地资源及使用约束，进行统一的资源分配[7]，生成综合任务规划方案;对综合任务规划方案进一步分类、分解，形成对地成像任务规划方案、电磁监测任务规划方案和数据接收任务规划方案。

计划制定:根据对地成像规划方案和电磁监测规划方案，结合卫星载荷类型，分别制定可见光成像计划、红外成像计划、高光谱成像计划、微波成像计划以及电磁监测计划，并制定对应的卫星载荷控制计划;此外，可根据已经制定的观测计划，结合数据接收任务规划方案，制定数据接收计划和数据中继传输计划。

载荷控制:负责制定各类、各型、各颗卫星的指令模板，对所有卫星和航天器的有效载荷进行管理和控制，按照可见光成像卫星、红外成像卫星、高光谱成像卫星、微波成像卫星和电磁监测卫星分别实现各颗卫星的有效载荷控制指令编制、密钥管理、指令发控、遥测数据的接收、处理与显示等。

业务调度:为卫星地面系统的运行管理提供平台，确保卫星运行控制业务的有序、高效运行;此外，可实现全面的业务信息管理，提供灵活的业务信息查询和统计能力。

状态监视:完成卫星运行状态、载荷工作状态、地面站运行状态、数据处理系统运行状态以及整个地面应用系统运行状态的监视。

星地资源管理:对属于公共信息的部分进行统一存储，包括星地资源库、对地观测业务数据库以及监控信息业务数据库。业务类型包括需求管理业务、卫星载荷控制业务、数据接收业务等。

综合任务管理控制功能模型的7个层次协调运作，共同完成多类多型卫星的管理控制功能，响应用户的应用需求，协调航天器和地面系统的运行，并实现与测控系统和气象保障系统的信息交互。

3 业务流程

卫星运行控制系统业务流程如图2所示。首先用户提出观测需求并由卫星运行控制系统进行需求分析、提出观测任务单;然后由卫星运行控制系统进行综合任务规划、提出规划方案，并制定观测计划和接收计划;随后编制并发送卫星测控指令，同时下达数据接收计划和中继传输计划;最后，由测控系统向卫星上注指令，由数据接收系统接收卫星下传的观测数据;此外，在业务流转过程中，卫星运行控制系统需要对遥测数据、地面站状态和数据处理系统状态进行监视。

图2 卫星运行控制系统业务流程

4 体系结构

传统的卫星运行控制系统体系结构多采用单一的C/S模式，把一个大型的计算机应用系统变为多个功能相互独立的子系统，而服务器便是整个应用系统资源的存储与管理中心，多台客户机则各自处理相应的功能，共同实现完整的应用。随着系统规模的不断扩大和能力的持续扩充，这些传统模式已经逐渐显露出其弊端，如运管人员占用多、内部接口复杂、系统灵活度不高等。因此，亟需设计新的卫星运行控制系统体系结构，以满足日益增多的卫星运行管理需求。基于混合模式的卫星运行控制系统可有效屏蔽原有各客户机间接口，并实现灵活的部署与操作，其体系结构如图3所示。