基于XTCE的卫星状态监视平台设计与实现

邢莹 师本慧 陈金勇

（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄 050081）

基于XTCE的卫星状态监视平台设计与实现

邢莹 师本慧 陈金勇

（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄 050081）

针对卫星状态监视任务不断增加的多样性和复杂性，卫星状态监视平台的设计越来越复杂，介绍基于可扩展标记语言的遥测遥控信息交换（XTCE）标准，提出分层的卫星状态监视平台架构。该平台将XTCE作为卫星遥测数据交换的统一格式，采用“平台+插件”的思想对基于XTCE的卫星状态监视平台进行体系架构设计，以降低各个模块之间的耦合度，简化了卫星数据交换格式转换流程，提升整个平台的可扩展性和通用性，减少项目的研发周期和成本。

XTCE 卫星数据 “平台/插件” 状态监视

1 引言

随着航天事业蓬勃发展，卫星和有效载荷的种类和数量都在不断的增长，卫星状态监视任务也越来越复杂，研发周期和成本也在不断增长，对卫星状态监视平台的处理效率、通用性和易扩展性的要求也越来越高。传统卫星状态监视对卫星遥测数据格式的描述均是根据不同的卫星和有效载荷定制的，不同卫星采用了大量不同的工具和技术，导致每个卫星状态监视平台在数据处理和软件研制等方面的工作量很大，不利于卫星系统与地面系统研制过程中不同组织或部门之间的遥测数据交换。

XTCE(XML Telemetric and Command Exchange)[1,2]是对象组织管理最初于2003年制订了一套国际化的空间遥测和遥控数据交换标准，保证了空间遥测和遥控数据交换的一致性。因而XTCE在卫星状态监视平台中的应用，是航天地面系统、航天器设计和研制的重要环节[3]。

根据某系列卫星的状态监视需求，设计了一种通用可扩展的卫星状态监视平台，该平台采用XTCE标准规范作为遥测数据的统一格式，构建了“平台+插件”的体系架构，并针对不同的卫星状态显示需求设计实现了功能插件，给出了具体示例。

2 XTCE对遥测数据的描述

XTCE是以XML技术为基础，定义空间任务遥控和遥测数据格式的交换标准，规定了遥测和遥控的元数据逻辑存储结构，可以应用在航天器、有效载荷和地面支持系统生命期（系统设计、开发、测试、验证和任务实施）的各个阶段[4,5]，实现遥测遥控信息在航天任务各系统间无缝对接。

XTCE是以SpaceSystem为根元素，树状层次化的结构。XTCE的应用体系结构又被称为XTCE Schema。XTCE Schema的实例,即遥测和遥控数据配置文件,都是以根元素SpaceSystem开始，每个SpaceSystem元素有6个部分。在以XTCE定义的Schema为根据设计卫星数据结构时，需要涉及以下方面的内容：对空间系统的层次结构设计、对遥测数据的设计、对遥控指令的设计以及对遥测遥控规则的服务集的设计[7]。

在使用XTCE标准定义遥测遥控数据时，需要先规定参数集的结构，依次按各个参数属性对数据类型、长度以及编码等进行细化。在配置遥测文件时，需按照测控数据标准大纲编写数据传输帧和数据包的格式，在XTCE中定义数据流结构，设置其名称、长度、遥测类型和应用通道标示符等，并于容器元素（xtce:SequenceContainer）分别定义帧、包的结构，如主导头、数据区、运行控制区和帧差错控制区等。

在配置遥测数据时，需要设置参数类型集（xtce：ParameterTypeSet）、参数集（xtce：ParameterSet）以及封装各参数的容器集（xtce：ContainerSet）的内容。在参数集中描述了遥测参数名称、类型以及关联参数和物理地址等属性，容器作为对遥测参数的封装定义了其包含参数的结构关系和排列顺序。

XTCE中使用xtce：DefaultAlarm元素来描述参数的报警范围属性，共定义了WatchWarningDistressCriticalSevere五种报警级别。XTCE还提供xtce：AlarmConditions元素来描述各个报警级别的成立条件，成立条件可以和一或多个参数关联，也可以使用布尔表达式、逆波兰表达式以及自定义算法进行描述。

在卫星数据格式中，存在大量需要对遥测参数关联关系描述的情况。XTCE中定义了xtce：InclusionCondition元素来描述这种参数处理方法，常见关联关系的包含条件描述方法有布尔表达式判断、单一条件判断以及列表条件判断。

3 基于代理的WBM系统架构设计

根据基于代理的WBM方案模型，系统主要实现3个部分的功能，分别是Web服务器、WBM应用和网络管理平台，为保证系统结构灵活，Web服务器采用MVC设计模式，WBM应用和网络管理平台组合到一起，单独实现，整个系统的框架如图2所示。

图2 XTCE在测数据处理显示流程中应用示意图

一般遥测数据处理流程为包含接收存储、解析处理和显示3个阶段。在接收存储阶段，从测控系统或地面站接收遥测数据流，解密并将原文件本地保存并入库，判断帧同步码并将数据流解析处理，XTCE文件提供帧同步信息，以获取帧标识，将数据发送至处理显示。在解析处理过程中，需要对接收数据进行纠错、信道分录、载荷分包和源包重构，然后根据XTCE提供的遥测数据格式规范解析源包中的参数数据[8]，使其具有物理意义。显示部分通过XTCE中遥测参数结构的定义和处理方法的描述，对遥测参数进行列表、曲线和图形等方法的显示展示。

XTCE作为一种交换遥控和遥测数据格式的方法，从空间任务的研发到运行阶段的过程中，用在卫星、载荷研制部门以及地面不同系统之间。将XTCE用于卫星状态监视平台中来描述遥测数据信息格式，可以减少各系统间数据格式的转换工作，提升系统工作效率，缩短任务研制周期。

4 卫星状态监视平台架构设计

按照建立可重组重构的柔性系统结构设计原则，将卫星状态监视平台进行分层建模，构建监视平体系架构，分为交互层、应用层、数据资源层和支撑层。从总体概念角度看，为逐层向上提供服务与支撑的机制。交互层向用户展示遥测数据信息，进行人机交互，业务层与测控系统、地面接收系统和数据处理与管理系统进行信息交互。卫星状态监视平台的体系架构设计如图3所示。

图3 卫星状态监视平台的体系架构设计

根据卫星任务运行系统的统一设计要求，在分析卫星状态监视平台业务需求的基础上，根据“平台+插件”思想设计平台功能，为各卫星有效载荷状态等监视显示提供统一的平台框架[9-12]和公共功能，如图4所示。

图4 卫星状态监视平台框架

卫星状态监视平台集成插件管理功能，为某卫星状态监视和参数统计分析等业务层插件提供数据文件处理、插件通信和插件接口规范等支持。平台是整个系统运行的基础[13]，负责实现卫星状态监视的通用功能，扩展性处理及显示功能则以插件的方式来实现。各个扩展功能插件之间，以及平台与插件之间集成与协调工作则由平台管理支持实现。平台最基本的功能和服务[14]由平台内核、插件管理、插件加载及插件公用服务4部分实现，负责提供插件注册和加载等功能。

5 卫星状态监视平台的实现

卫星状态监视平台被应用于某空间科学专项任务运行系统中，将实时遥测数据或科学数据的处理结果用于监视各个卫星平台和有效载荷在轨运行状态、通过卫星参数信息对卫星状态进行综合判读及提供对参数的统计分析，其主要由卫星数据支撑和卫星专用显示2部分组成。卫星状态监视平台界面如图5所示。

图5 卫星状态监视平台界面

数据处理插件通过读取参数处理结果和科学数据处理结果，根据XTCE中参数处理方法和判读规则，将处理结果数据返回给卫星状态监视平台。

卫星显示插件获取卫星数据支撑模块的处理结果，用列表或曲线图等方式对卫星平台状态和有效载荷状态等进行展示。卫星专用显示软件提供参数页面的定制功能，根据配置信息获取数据处理插件的数据支撑，该过程通过通信插件实现，多参数统计分析的界面如图6所示。

6 结束语

目前在航天地面支持系统中，卫星状态监视平台一般都是根据卫星和有效载荷定制设计的，存在着系统自动化、智能化程度低与系统通用性差等问题。提出了用XTCE作为遥测数据交换的统一格式，基于“平台+插件”思想设计的卫星状态监视平台，搭建卫星状态监视平台体系架构，为遥测数据的显示功能以插件的形式提供扩展，有效地提升了系统平台的健壮性和可复用性，大大减少了新任务的开发成本，实现卫星状态监视平台的快速开发和高效运行。

[1]CCSDS Secretariat,CCSDS 660.0-R-2-2005 XML Telemetric and Command Exchange[S].

[2]CCSDS Secretariat,CCSDS 660.0-G-2-2012 XMLTelemetric and Command Exchange[S].

[3]BRAUN A,MASLIN S,SCHMIDHUBER M,et al.XTCE at GSOC—First Experiences Adopting a New Standard[C] //SpaceOps,AIAA-2006-5582,Italy:Rome,2006.

[4]SIMON G,SHAYA E,et al.XTCE:A Standard XML Schema for Describing Mission Operations Databases,2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings[C].America:USA,2004(l5): 3313-3325.

[5]JENNIFER M,MARIO M.The XTCE Standardization Approach of Telemetry and Telecommand Databases:The ESA Example.SpaceOps 2006 Conference[EB/OL].http://www. aiaa.org/spaceOPS2006/presentapions/55862.ppt.

[6]左江涛.基于XTCE的实时遥测数据处理方法研究[D].北京:中国科学院光电研究院,2011.

[7]刘洋,刘勇,张永合,陈雯.基于数据模型的卫星XTCE文件设计及应用[J].计算机测量与控制,2012,20(6): 1643-1645.

[8]KOLLER M,SCHURIG C.Cost Reduction-Buzzwords and Their Real Use:Mission Families,Mission Planning,Mission Automation and Standardization,Space Mission Challenges for Information Technology:SMC-IT 2009:Third IEEE International Conference on[C].2009:305-312.

[9]李俊娥,周洞汝.“平台/插件”软件体系结构风格[J].小型微型计算机系统,2007(5):876-881.

[10]张进军,张维勇,薛来文.一种基于插件的软件体系结构[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2005,28(4).

[11]冯新扬,崔凯,沈建京.面向插件的应用框架研究与实现[J].计算机工程与应用,2009,45(10).

[12]陈托,姚国清.插件技术在航天数据处理中的应用[J].电脑知识与技术,2011,(1).

[13]石雪.电力巡检系统中基于插件的移动应用框架的研究和设计[D].华南理工大学:华南理工大学,2010.

[14]Yi-Hsuan Hung,Chien-Hsun Wu,Shih-Ming Lo,et al. Development of a Hardware in-the-Loop Platform for Plug-in Hybrid Electric Vehicles:Computer Communication Control and Automation(3CA)2010 International Symposium on[C].Taiwan 2010(1):45-48.

Design and Implementation of Satellite Status Monitoring Platform Based on XTCE

XING Ying,SHI Ben-hui,CHEN Jin-yong
(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

With the continuous increasing of diversity and complexity of satellite status monitoring tasks,the design on satellite status monitoring platform becomes more and more complex.This paper introduces the XML Telemetric and Command Exchange(XTCE) standard and proposes the hierarchical architecture of satellite status monitoring platform.This platform takes the XTCE as the unified form of satellite telemetry data exchange,and uses the idea of platform and plug-in to design the system architecture of satellite status monitoring platform based on XTCE,in order to reduce the coupling degree among components,simplify the format conversion process of satellite data exchange,improve the extendibility and universality of whole platform and decrease the development cycle and cost of project.

XTCE;satellite data;platform and plug-in;status monitoring

TP319

A

1008-1739（2014）24-55-4

定稿日期：2014-11-26