航天发射场综合环境数据表示与交换方法*

陈 思，刘泽新，梁浩哲

(1.电子科技大学自动化工程学院，成都 610036;2.总装备部陆军装备科订部，北京 100000;3.西昌卫星发射中心，四川西昌 615000)

1 引言

当前，科学研究与工程实施已经进入以数据为中心的时代，高效的数据表示与交换过程是数据策略得以实现的基础。在航空航天领域，发射场的建设、使用、维护以及后续任务的实施与所在地区的自然环境信息关系密切，自然环境数据的流通保障是高效率、高可靠性的发射场所必须具备的必要条件［1－2］。因此，建立标准化的发射场综合环境数据表示与交换机制对提高自然环境数据的利用效率，同时辅助发射场设备设施管理员、航空航天任务指挥员清晰地了解其关心的环境保障数据、及时地作出科学决策具有十分重要的意义。

航天发射场工程与自然环境因素的关系已有大量相关研究［3－5］。针对种类繁多、复杂的环境数据集，其表示方法需要能够全面、准确地表示其语义结构，即方法需要针对发射场的整个综合环境;而对于环境数据交换，目前发射场的测发、指控、气象等各分系统已经可以在网络中完成数据的交互传递［6］，但子系统之间的兼容性差异却导致了较低的数据接收与处理效率，因此需要一种更加高效的数据交换策略。在战场仿真、综合电子信息系统、环境数据库等领域，综合环境数据表示与交换方法的标准化已经取得了大量研究成果［7－9］，但专门针对航天发射场环境数据表示与交换的研究仍然较少。

针对以上论述的问题与需求，本文系统地归纳了航天发射场自然环境制约要素，提出了发射场综合环境数据表示与交换过程的具体要求。通过分析综合环境数据表示与交换标准(Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS)，提出了航天发射场综合环境数据表示与交换方法。

2 航天发射场综合环境

目前，在相关研究中还没有专门对航天发射场综合环境概念的统一表述，通过与建模仿真领域中虚拟作战空间环境概念的归纳对比，本文定义航天发射场综合环境的概念如下。

概念1:航天发射场综合环境涵盖在发射场空间之下。发射场空间是影响整个发射场地面、箭上、发射轨道区域的测试发控系统、气象、海洋、大地和电磁环境的总称。而其综合环境将发射场空间中的地理信息环境、自然现象要素环境以及实体系统集成环境有机地结合起来，形成一个动态的整体。

发射场建设过程中，设计专家具体地分析了一类或多类自然要素对于发射场的影响。但系统性的环境分析的缺乏则限制了环境数据表示与交换方法的研究。因此，首先归纳并分析环境要素集是必要的。

2.1 航天发射场综合环境因素

在概念1中，广义范围的航天发射场综合环境要素包括了测试发控各分系统、气象信息、海洋信息、大地信息以及电磁信息等多个构成环节。表1归纳了部分航天发射场自然环境要素以及它们对发射场的影响举例。温度、湿度、日照、雷电、风与雾可以归属为气象信息类别。在不同的发射场区，其数值范围会有较大的差异，这也是不同类型航天发射场的建设与环境信息紧密相关的体现。与之类似，发射场与海洋、大地、电磁环境数据也具有紧密联系。

表1 航天发射场综合环境要素Table 1 The synthetic environment elements of aerospace launch site

2.2 航天发射场综合环境数据表示与交换要求

通过归纳性地阐述航天发射场环境要素集可以看出，发射场综合环境具有一个立体、多态的复杂体系结构，其数据在不同测试发控分系统之间必须具备自由流通的能力，以保障不同类型的测试与发射任务顺利完成。因此，实现异构系统间环境数据共享与环境数据复用是实现其表示与交换方法的中心要求(如图1所示)。

图1 环境数据表示与交换要求Fig.1 Requirements of environment data representation and interchange

在共享、复用这一中心要求的基础上，从数据表示一致性这一特征出发(如图1中虚线所示)，完整性、扩展性以及对数据的灵活操纵等是方法必须具备的重要特征。

(1)表示一致性

环境数据的规范化表示是发射场异构系统、系统间、用户可以灵活获取、传输、理解环境数据的基础。

(2)交换一致性

为使各异构系统间能够适应环境数据的变化，建立统一的交换机制可以极大地降低分系统特定应用程序的开发成本。

(3)描述完整性

环境数据表示一致性要求环境数据表示与交换方法必须能够适应环境数据的复杂性特征，能够描述完整的航天发射场环境要素集。

(4)描述扩展性

针对复杂多变的环境，一次性实现环境数据的描述完整性需求并不实际。因此，要求环境数据的描述手段具有良好的扩展性，以便适应新的表示需求。

(5)空间一致性

针对环境数据的空间本质，如何在不同的空间参考框架下实现环境数据的快速变换是必要的。

(6)通用分析工具

在建立好环境数据表示与交换模型后，应提供针对表示方法集、表示元数据集与交换机制集有效查询的特定工具。

(7)通用数据操纵接口

为发射场各个异构系统开发自定义的环境数据读写程序提供统一的嵌入接口。

3 基于SEDRIS的航天发射场综合环境数据模型

3.1 SEDRIS的概念及体系结构

SEDRIS规范是20世纪末由美国国防部M＆S办公室、DARPA等多个顶层立项机构联合发起的大型科研计划［10－12］。SEDRIS规范制定了一系列组织完整、功能强大的综合环境数据表示与交换标准，支持的数据类型集可以规范地建模地理信息、大自然现象以及环境中存在的实体模型等，以保障美国在与它国实施联合作战行动过程中的综合环境数据通畅交互操作。

SEDRIS已纳入国际标准化组织ISO/IEC的正式国际标准体系中。从体系结构上看，SEDRIS包括5个核心组成部件，分别是数据表示模型(Data Representation Model，DRM)、环境数据编码规范(Environment Data Coding Specification，EDCS)、空间参考模型(Spatial Reference Model，SRM)、SEDRIS 应用程序编程接口(SEDRIS Application Interface，API)，SEDRIS数据传输格式(SEDRIS Transmittal Format，STF)。其中DRM部件、EDCS部件、SRM部件为基本模型工具，而API部件、STF部件主要面向应用级的用户程序实现。各部件的主要功能如表2所示。

表2 SEDRIS组织结构Table 2 The infrastructure of SEDRIS

3.2 航天发射场综合环境数据的生产与消费

大多数战场仿真研究将综合环境模型视为一个可供不同军事应用系统共享的环境数据集及其附加属性(如图2中虚线所示复用式的环境数据模型)。在仿真过程中，综合环境模型产生环境效应与环境影响，而军事系统(如图2中虚线所示的系统模型)则不间断地使用这些数据，使得仿真研究的结果更加真实可靠。这一循环往替的过程称为环境数据的生产与消费。与之对应，航天发射场环境数据模型代表航天测试发控过程对环境数据的循环复用，可以利用战场仿真中的SEDRIS建模方法建立发射场的环境数据模型。

图2 发射场环境数据生产与消费流程Fig.2 The process of aerospace launching site environment data production and consumption

SEDRIS标准为建设底层环境数据模型提供指导。研究和使用SEDRIS，即是实现环境要素数据生产和消费的双向过程。在图2中，可根据环境的数据流向划分为两个简单清晰的子过程:环境数据生产与消费。其中环境数据生产流程为如下所述。

(1)本地环境数据需求分析

在具体进行环境数据建模时，应当根据自身需求——例如必需的环境要素以及其层次结构，制定需求文档，这对后续的数据建模以及应用程序开发起极为重要的作用。

(2)建立基于DRM的数据映射文档

对于既定的数据内容，根据SEDRIS核心部件DRM，生成环境数据表示与映射结构，这通常是一个重复的过程，最终产生合理的数据表示方式。

(3)本地应用程序的SEDRIS API函数嵌入

基于映射结构，应用程序开发者将调用API生成标准的STF格式文件。在这一过程中，用户可以根据自身需要产生关于文件的评估和校验机制，提供给中间交换媒介，以便其他系统使用。

(4)各类查询应用工具的调用

为了能够灵活、高效的建立基于SEDRIS的数据模型，在进行应用程序开发时可以嵌入SEDRIS组织提供的查询应用工具，例如EDCS Query Tool查询EDCS字典内容、Side－By－Side查询STF文件内容等，这些程序已经在网络中共享。

而环境数据消费流程与生成流程的区别主要在于第2和第3点，即基于DRM的数据逆映射文档产生。从原理上讲两者并没有严格差异，逆映射主要利用API函数将生产方的DRM数据格式解析为本地数据。

4 航天发射场数据表示与交换过程

第3.2节定义了一个连续完整的发射场综合环境数据系统的开发过程。其中，步骤1～3是各子系统对应应用程序开发过程的重点。本节将以控制分系统为背景，针对每一个步骤，从航天发射场的具体情况出发，阐述一个具体的发射场综合环境数据表示与交换过程。

4.1 综合环境数据需求分析

综合环境数据需求与各测试发控分系统所涵盖的环境空间和环境时间紧密相关。形成标准化的数据需求格式，需要测试系统工程师、专家的紧密参与。因此，综合环境数据需求分析是一个人机交互频繁的人在回路系统，而产生的环境数据需求文档将对后续开发起指导规范作用。

图3定义了控制分系统的综合环境数据需求。这一需求建立在一次具体的任务周期内，形成了环境数据的层次结构。图3将航天发射测试任务分为3个不同的状态阶段，每一状态段涵盖了不同的试验时间段(如图3中时间段所示)。在每一时间段，控制系统关心当前时间t0后n小时的气温预测。同时，为进一步提高对历史预测数据的利用，在提供气温数据时，会提供前两次的预测结果，这样可以加强试验人员对气温变化趋势的把握。因此，t0={t10，t20，t30}。

图3 控制系统综合环境数据需求(状态时间结构)Fig.3 The environment data requirement of control system(state－time structure)

根据不同的预测数据，试验人员可以及时对燃料、电缆等关键设备进行保养。这一控制分系统的环境数据需求说明详细地建立了气温预测数据的层次结构，其中顶层为不同的状态阶段，向下为并列气温预测序列。在随后的部分中，将其称为状态－时间结构。

4.2 数据映射方法

数据映射方法即是利用SEDRIS核心部件DRM对定义好的综合环境数据需求形成面向对象式的描述。这一过程可以通过DRM所提供的300多个类加以实现。DRM的类库结构是按照复杂的聚合、实现、关联等关系构成的，以完成对不同需求内容的环境数据集的完整、一致性描述。为了展示SEDRIS如何实现前文中状态－时间结构的描述，图4首先介绍了其中涉及的关键类。

图4 状态－时间结构的DRM类图Fig.4 DRM class figure related to the state － time structure

在图4中，父类Aggregate Geometry是SEDRIS提供环境数据描述结构的基类，斜段表示此类为抽象类。在当前SEDRIS版本中，它提供了大约13种不同类型的基本综合环境数据组织形式(仍在可扩充当中)，例如四叉树组织、八叉树组织、类别组织以及多分辨率组织，同时这些基本组织方式又可以在交织中形成更为复杂的环境数据组织。

针对状态－时间结构，需要使用类Time Related Geometry、类State Related Geometry、类Property Grid Hook Point 3类组织形式，其中类Property Grid Hook Point代表了一个基本环境数据块。如图4所示，类Time Related Geometry与类State Related Geometry可以继续包含一到多个几何层次 (图4中的1…*标示)，由抽象父类Geometry hierarchy类表示。同时，Geometry hierarchy又是抽象父类Aggregate Geometry与Property Grid Hook Point的抽象父类。因此，Time与State两类组织形式便可以形成循环嵌套式的环境数据格式。例如，首先，类State Related Geometry的实例可包含多个类Time Related Geometry的实例;其次，进一步讲，类Time Related Geometry的实例可包含多个类Property Grid Hook Point的实例代表的基本环境数据块，便实现了控制分系统对于气象预测数据的状态－时间结构。

图5展示了按照图4的结构具体组织的数据映射实例图，它是一个树形的层次结构。在一个具体的SEDRIS数据映射结构中，必须包含一个类Transmittal Root的实例作为根节点。类Transmittal Summary的实例可以提供关于当前环境数据映射结构中Transmittal Root信息(例如数据提供方信息等元数据)的具体描述。Transmittal Root的下级类Environment Root的实例代表了关于环境内容，相似地，Primitive Summary Item同样可以提供当前具体环境的元数据集。

图5 状态－时间结构的实例图Fig.5 Instance figure about the state－ time structure

类Environment Root的实例下的子级结构即是控制分系统关于气温预测数据的状态－时间结构。首先引入一个类State Related Geometry的实例表示当前控制分系统的测试任务状态(其包含的类State Data的实例是对总状态信息的具体描述)，在其之下引入多个类State Related Geometry的实例表示各个分状态结构(其包含的类State Data的实例是对各个分状态信息的具体描述)。进一步，每一个分状态都包含一个Time Related Geometry描述时间序列预测数据，其中，类Time Constraints Data的子类Absolute Time Point的实例表示了初始时间集t0={，，}的数值。而对于各个气温预测序列的格子形式的数据，使用多个类Property Grid Hook Point的实例所代表的基本环境数据块加以描述，而明确的气温数据则存储于其下级结构Property Grid中，相应地，Property Grid包含了其描述表格数据所必需的 Axis、Location、Description、Classification 等信息。图5中的省略号标示则代表了此层次可容纳更多的相似结构。

4.3 SEDRIS API集成

在产生基于DRM的数据映射文档后，将API函数嵌入到本地的特定应用程序称为API集成过程，这一步是关于综合环境数据交换方法的具体计算机实现。在API的使用过程中，一般需要实现3个功能:属性填充、实例图生成和STF解析。

(1)实例图中各个属性的填充

利用适合的EDCS编码填充DRM模型中每一个实例成员的字段值。类Environment Summary的实例中环境类型字段名environment_domain=ECC_ATMOSPHERE。在SEDRIS标准中，强烈推荐使用EDCS来填充各个属性值，这样可以极大地增加STF在不同系统中的可读性。

(2)实例图的STF生成

此功能的实现主要在环境数据的发送方(即数据生产方)。在属性填充完成后，为了生成最终的STF文件，关键点在于生成实例图中的各类面向对象式的建模关系。类Transmittal Root与类Environment Root的具体实例之间存在聚合关系，则可以使用SE_AddComponentRelationship()生成这种关系，并写入最后的STF文件。这一系列的函数集属于SEDRIS API的第二层次。

(3)STF解析

此功能的实现主要在环境数据的接收方(即数据消费方)，主要用于解析STF的具体内容。接收方需要读取类Transmittal Summary的实例内容，则可以使用SE_GetCompnent3()来具体实现;或者希望读取处于同一层次的多个类State_Related_Geometry的实例，则可以利用迭代式的遍历函数族SE_CreatSearchFilter()、SE_InitializeComponentIterator3()、SE_GetNextObject()加以实现。这一系列函数属于SEDRIS API的第一层次。

以上三部分关于API调用的内容实现了一个完整的基于SEDRIS标准的环境数据产生与消费过程。在属性填充时，使用标准SEDRIS编码规范，同时类的实例之间的关系生成则完成了一份标准的STF文件，最终在环境数据接收方加以解析。可以看出，这一过程实现了在航天发射场异构系统间的环境数据共享与复用。

5 结论

当前在科学的各领域，数据具备着珍贵的潜在价值这一观点已得到研究者的普遍认同［13］。相应地，数据密集型科学与工程也成为科学研究的主流手段，而数据全面、准确、有效率地得以表示和交互则是各类数据策略得以实现的基础。本文借助航天发射场综合环境数据这一应用背景，基于SEDRIS标准对环境数据的表示，以及在航天测试发控各异构系统间的交换机制进行了深入的分析，在系统地归纳了发射场环境数据的特征与要求后，设计了其表示与交换的方法。

在研究的过程中发现，数据表示与交换的标准化对其共享与复用有着极为重要的意义。在下阶段的工作中将尝试进一步将SEDRIS的基于交换的数据思想应用到航天发射通用数据利用中，相关的研究工作正在逐步深入展开。

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