DDS体系在飞行器地面测试系统中的应用

王楠，王卫楠，肖余之

（上海宇航系统工程研究所 上海市空间结构与机构技术国防科技重点实验室，上海 201109）

地面测试是飞行器研发过程中不可缺少的重要环节，伴随着飞行器研发的全生命周期，地面测试系统始终承担着非常重要的责任。传统的飞行器地面测试系统多采用TCP/IP网络协议，具有数据吞度量小、数据实时性不高、不同测试设备之间数据延迟大等缺点，严重影响了飞行器地面测试的有效性，大大降低了飞行器地面测试的效率。

DDS（Data Distribution Service 数据分发服务）[1]体系是对象管理组织OMG发布的有关分布式实时系统中的数据规范。DDS体系是以数据为中心的发布-订阅通信模型，针对强实时系统进行了优化，提供低数据延迟、高数据吞吐量、高数据实时性。DDS体系提供统一的应用编程接口，规范了实时分布式系统中数据发布、传递和接收的接口和行为标准化，提供了一个与平台无关的数据模型，该模型能够映射到各种具体的平台和编程语言，使得实时分布式系统中数据能够高效、可靠地发布。

1 DDS体系的关键技术及优点

1.1 DDS体系的通信模型

为满足实时应用的需要，DDS体系使用以数据为中心的发布-订阅通信模型DcPs[2]。该通信模型建立“全局数据空间”的概念，该空间中将用户对资源的需求情况和资源的可用情况都转化为服务

质量参数的设定。数据发布者和数据订阅者在全局数据空间中发送和订阅自己需要的数据类型，由数据发布者将数据写入全局数据空间；由数据订阅者从全局数据空间中获取数据。数据发布者发布数据时会为不同类型的数据关联不同的发布主题，数据订阅者接收数据时会按照预先设置好的接收主题进行接收，主题相同时进行数据的传输。图1显示了DDS体系的DcPs数据通信模型。

DcPs数据通信模型是DDS体系的核心概念，该模型中数据发布者和数据订阅者是松耦合的，双方不需要知道对方的物理地址和端口，通过存储转发实现异步传输，使系统更加灵活，更易于扩展与维护。同时，由于数据主题存储在全局数据空间，即使一个网络节点通信出现问题，其他网络节点仍然能正常工作，应用程序可以通过其它网络节点继续通信，使得系统性能更优化。网络中同时进行多点传送，把单个数据流分组同时发送给多个分布式独立网络节点，极大地增加了大规模网络的吞吐量，降低了系统的时延和抖动性。

图1 DcPs数据通信模型Fig.1 DcPs data communication model

1.2 DDS体系的QoS策略

DDS体系定义了大量的数据传输策略（QoS）[3]，用来保证多种数据传输时所具有的不同的要求。通过定义QoS策略中的一系列关键指标，时间管理、资源利用、传输层配置、数据一致性、持久性等，保证数据实时性、传输完整性等数据传输质量。针对多数据流划分出不同的数据传输优先级，为不同优先级的数据提供不同的网络传输服务，保证高优先级数据流传输的优先性和可靠性。

在DDS体系中引入排队特性来保证网络的QoS策略。为了处理不同优先级的数据流，可以在每个数据输入时采用多个缓冲队列，在数据输出时只有单个缓冲队列，所有的数据流都必须在同一个队列里排队进行等待服务，保证能够按照数据流的优先级给予优先级高的数据流以更好的网络传输服务以及响应时间，排队特性的原理如图2所示。

图2 QoS排队策略Fig.2 QoSqueue strategy

1.3 DDS体系的优点

与传统的TCP/IP和UDP通信体系相比，DDS体系优点如表1所示。

TCP/IP体系采用面向连接的传输模式，数据传输时采用点对点的方式，其应答性的传输特点导致其传输性能较差，不同的数据接收终端接收数据时存在一定的时间差，随着网络中节点数的不断增大，数据接收终端之间的时间差会逐渐变大。因此采用TCP/IP构建的网络实时性较低，不易于扩展，且不是应用层协议，易用性较差[4]。UDP体系采用非面向连接的方式，数据传输时采用组播或者广播的方式。但UDP体系是不可靠性传输，在传输过程中数据完整性较差，因此采用UDP体系构建的可靠度较低，网络扩展性较差，且不是应用层协议，易用性较差[5]。DDS体系采用订阅-发布的数据传输模式，类似于组播或广播的传输模式保证了系统数据传输的高效率，同时通过QoS的配置，能够保证数据传输的完整性。采用发布-订阅的传输方式能够保证数据传输的时间一致性，且随着网络节点的不断增加，系统性能也不会下降。兼具了TCP/IP体系和UDP体系的优点，且DDS体系是应用层协议的特点也使得应用DDS体系的网络易用性非常好[6]。

表1 不同网络通信体系比对表Tab.1 Comparison of different network system

2 飞行器地面测试系统设计

2.1 系统总体架构

按照飞行器测试相关方面的规定和对地面测试系统的需求，构建了基于DDS体系的某型号飞行器（sj15）地面测试系统。测试系统以DDS体系为中心建立全局数据空间，上层设备直接和飞行器连接并进行数据交互，统称为地面设备。下层设备主要完成试验数据处理和显示、测试指令输入等人机交互处理，统称为测试设备。系统组成如图3所示。

地面设备主要负责对飞行器提供模拟激励数据和接收来自飞行器的测试数据。地面设备作为数据发布者将来自飞行器的测试数据发布到DDS网络上，同时对不同类型的测试数据标识不同的主题，供不同的设备进行订阅。地面设备作为数据订阅者按照设置好的主题从DDS网络上订阅来自测试设备的配置指令数据。测试设备主要负责对地面设备和飞行器提供配置指令数据，同时接收和处理来自地面设备的测试数据。测试设备作为数据发布者将对地面设备和飞行器的配置指令数据发布到DDS网络上，同时对不同类型的数据标识不同的主题。测试设备作为数据订阅者按照设置好的主题从DDS网络上订阅来自地面设备的测试数据。

2.2 系统网络数据流

2.2.1 配置指令数据

图3 DDS体系飞行器测试系统架构Fig.3 DDSspacecraft detection system

配置指令数据由测试设备中的主测试计算机发起，主要包括对飞行器的遥控数据、对电源地面设备的输出伏安特性配置数据、对测控地面设备的射频参数配置数据、对数管地面设备的总线监控配置数据、对控制系统地面设备的闭环控制数据、对热控地面设备的工作模式配置数据。配置指令数据信息流如图4所示。

主测试计算机序利用DcPs通信模型技术，针对不同类型的配置指令数据关联不同的主题，如图4所示，包括电源配置主题、遥控配置主题、测控配置主题、数管配置主题、控制配置主题和热控配置主题。不同的主题分别关联不同类型的配置指令数据，对应关系如表2所示。

各地面设备作为数据订阅者，接收配置指令数据时按照设置好的主题进行接收，接收配置指令数据时首先比对主题，主题符合即接收该类型配置指令数据，否则不接收。根据测试中的需要，各地面设备和测试设备接收配置指令主题为：

1）数据库服务器接收所有类型主题的配置指令；

2）显示终端接收所有类型主题的配置指令；

3）电源地面设备接收电源配置主题的配置指令；

4）测控地面设备接收测控配置主题的配置指令；

5）数管地面设备接收数管配置主题的配置指令；

6）控制地面设备接收控制配置主题的配置指令；

7）热控地面设备接收热控配置主题的配置指令。

图4 配置指令数据信息流图Fig.4 Configuration directives information

表2 主题与配置指令数据对应表Tab.2 Corresponding of topic and configuration directives

按照DDS体系中QoS策略，对配置指令数据进行优先级设置。根据测试过程中对不同类型配置指令数据的处理要求，优先级从高到低依次为遥控数据、输出伏安特性配置数据、闭环控制数据、射频参数配置数据、总线监控配置数据、工作模式配置数据。数据传输时，队列中排序顺序设置为先高后低，按照从高到低的优先级顺序进行数据交互。

2.2.2 测试数据

测试数据主要指来自地面设备的测试状态数据，由各地面设备将自身的各类试验数据以及飞行器的状态数据采集打包发送，主要包括飞行器的状态数据、电源地面设备的供电采样数据、测控地面设备的无线链路数据、数管地面设备的总线数据、控制系统地面设备的模拟激励数据、热控地面设备的热控数据。测试数据信息流如图5所示。

图5 测试数据信息流图Fig.5 Detection data information

地面设备作为各类测试数据的发布者，针对不同的测试数据建立不同的主题，如图5所示，包括电源状态主题、飞行器状态主题、测控状态主题、数管状态主题、控制状态主题、热控状态主题。不同的主题分别关联不同类型的测试数据，对应关系如表3所示。

表3 主题与测试数据对应表Tab.3 Corresponding of topic and test data

测试设备作为各类测试数据订阅者，接收测试数据时按照设置好的主题进行接收，接收测试数据时首先比对主题，主题符合即接收该类型测试数据，否则不接收。根据飞行器测试过程中的需求，测试设备接收主题设置为接收所有类型测试数据的主题。

按照DDS体系中QoS策略，对测试数据进行优先级设置。根据测试过程中对不同类型测试数据的处理要求，优先级从高到低依次为飞行器状态数据、供电采样数据、总线数据、模拟激励数据、热控数据、无线链路数据。数据传输时，队列中排序顺序设置为先高后低，按照从高到低的优先级顺序进行数据交互。

3 系统应用情况

为了验证系统的功能以及可靠性，将系统应用于某型号飞行器（sj15）的地面测试过程中，利用测试设备中的主测试计算机实现人机交互，将各类配置指令数据编辑并发送到DDS全局数据空间中，各地面设备按照需要在全局数据空间中订阅不同的配置指令数据，完成各自的功能配置，通过各地面设备的响应状态可以判断出，利用订阅不同的配置指令数据可以很好的实现对不同地面设备的状态配置。

各地面设备接收飞行器的各类状态数据，并与地面设备自身的各类试验数据一起打包形成测试数据，发布到DDS全局数据空间中。各测试设备根据不同的需要订阅不同的测试数据进行解析处理，通过分析测试数据，可以很好的得到整个测试系统以及飞行器的状态信息，从而判断飞行器的健康状态。

从系统实际运行情况可以得出，以DDS体系为中心构建的测试系统数据传输完整性好、实时性高，能够按照数据流的优先级准确的处理各种复杂数据流，网络资源利用充分，完全可以满足飞行器地面测试过程中的各类测试需求。

4 结束语

DDS体系作为一种新兴的数据交互体系具有十分突出的优点，为构建高性能、高可靠、可扩展、可配置的数据分发系统提供了标准规范，为构建以数据为中心的业务系统提供了基础服务平台。将DDS体系应用于飞行器地面测试系统的构建，使得飞行器地面测试系统克服了传统测试系统的实时性低、不易于扩展、灵活性差等缺点，大大提升了飞行器测试系统在数据分发、数据订阅、数据传输实时性、系统升级扩展等诸多方面的性能。随着DDS体系的不断发展，DDS体系将为飞行器地面测试提供更完善的服务质量保障，飞行器地面测试系统将会变得更自动化、模块化智能化程度更高，更好的满足日益增加的飞行器测试需求。

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