支持插件扩展的卫星任务管控平台研究

高朝晖，张 琦，陈金勇，颜 博

(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

卫星任务管控系统是航天地面应用系统业务运行的核心枢纽，但以往系统的研制只针对一型卫星，基本不具备可复用性［1－3］。随着我国航天事业的发展，卫星数量逐年增多，如果沿用以往的技术路线，针对每型卫星进行任务管控系统研制，不仅会增加工程的开发周期、增加开发人员的负担，还造成人力资源和财力的严重浪费。另外，现阶段我国卫星地面系统的建设采取的是增量分步骤式的开发方式，需要更改、维护大量代码，系统的稳定性大打折扣。因此，提高卫星管控系统的复用率和系统稳定性势在必行。

结合任务管控系统的特点，本文重点研究“平台/插件”软件架构，通过剥离系统的基础、核心功能和业务，构建卫星任务管控平台和一系列可扩展的功能插件，达到在不影响已有系统运行的基础上，以插件的方式完成后续卫星任务管控功能的扩充和维护。

1 总体设计

1.1 “平台/插件”架构的基本原理

平台/插件架构模型的主要思想是将待开发的目标软件分为平台和插件2部分，如图1所示［4］。

图1 平台/插件架构的基本原理

平台所完成的功能是系统的核心和基础功能，插件所完成的是一系列定制、个性化的功能，是对平台功能的扩展与补充［5－7］。在平台/插件软件架构中需定义平台扩展接口和插件接口，平台扩展接口实现插件向平台方向的单向通信，插件通过平台扩展接口可获取主框架的各种资源和数据。插件接口为平台向插件方向的单向通信，平台通过插件接口调用插件所实现的功能，读取插件处理数据等［9－11］。

1.2 卫星任务管控系统功能模型

卫星任务管控系统负责受理各用户的任务需求，针对各类应用模式和特点，综合统筹规划各类资源等，实现观测任务的控制执行。同时，负责监视平台状态，指挥调度地面系统任务的执行，保障星地系统正常运行，最终实现对资源的统一规划与任务控制，确保星地资源的高效合理应用，主要包括:指挥调度、任务规划、计划制定、卫星控制、状态监视和星地资源管理等6个分系统。

1.3 插件扩展的卫星任务管控平台设计

针对卫星任务管控系统的功能结构特点，为了实现系统级的重用，基于平台/插件软件架构设计了支持插件扩展的卫星任务管控平台。该平台具备任务管控的基本能力，具备统筹提供用户需求受理、业务运行管理、任务统筹、多星任务综合规划与优化调度、卫星计划编排与卫星控制、地面站网任务管理和系统状态监控等共性能力。并且，随着后续卫星技术状态的变化，支持在平台上以插件的方式，完成后续卫星任务管控功能的扩充和维护。

本文设计的卫星任务管控平台由软硬件支撑环境、基础平台和通用插件组成，如图2所示。

图2 卫星任务管控平台组成

软硬件支撑环境提供卫星任务管控平台运行所需的操作系统、数据库、中间件、网络、存储、计算和安控设备等基础设施。

基础平台提供任务、资源相关的基础服务能力，包括平台内核、任务管理与调度服务和资源管理与调用服务。

①平台内核:提供通用插件和专用插件调用，维护插件间的沟通、交互机制。

②任务管理与调度服务:以服务的形式与任务管理与调度插件包进行信息交换、流程对接，共同实现任务管理与调度功能。

③资源管理与调用服务:以服务的形式与各类插件包进行信息交换、流程对接，实现资源管理与调用功能。

在基础平台之上，通用插件提供卫星任务管控的基本能力，包括:任务管理和调度插件包、任务统筹与规划插件包、计划优化与编排插件包、控制与管理插件包、业务与设备状态监视插件包和数据设计与集成插件包。

本文设计的卫星任务管控平台体系架构如图3所示。

图3 卫星任务管控平台体系架构

物理层提供卫星任务管控平台的底层支撑环境，实现数据信息的集中存储，配置中间件和传输等业务专用服务器，提供集中统一、充分共享的计算资源、存储资源、网络资源和终端资源。

服务层和资源层完成平台功能，实现物理层资源的集中管理和动态调度，搭建可继承、可扩展集成服务总线架构，提供平台安全控制策略和环境。

业务层基于基础层提供的卫星任务管控平台所需的各类通用插件的封装发布和集成调用，实现平台的核心业务能力。

插件层在卫星任务管控平台基础之上，提供系统集成与扩展必需的能力，并通过研发专业插件，调用业务层各类业务应用，实现满足使用要求的任务管控系统功能。

2 需要解决的问题

2.1 卫星任务管控系统架构设计

基于统筹星地资源，提高资源利用率的要求，卫星任务管控系统将管理和控制由多种类型、多种型号和多颗卫星组成的航天资源，不能再按照“一星一系统”进行建设，必须对现有卫星任务管控系统进行综合集成，使得系统具备良好的扩展性，满足星地资源统一分配、任务统一控制、接口和流程统一设计的要求。因此，系统架构设计需支持业务重构和灵活扩充，是亟需解决的问题之一。

2.2 任务规划问题模型及求解算法

任务规划是卫星任务管控系统需要解决的核心问题，而随着我国卫星数量的增加，任务规划问题涉及的卫星资源大大增加。除此之外，面临的任务需求也由点目标侦察扩展多目标的联合侦察。因此，相对于以往单星的点目标任务规划问题来说，新时期的卫星侦察任务规划问题，无论是在技术创新性还是问题规模上都面临着全新的挑战［12－15］。

解决这一问题可以在面向多种复杂任务的条件下，实现对星地资源的统筹优化调度，从而充分发挥多星联合侦察效能，满足日益复杂的任务需求。

3 关键技术

3.1 通用化任务管控功能平台设计

抽取卫星任务管控的共性功能，采用“平台+插件”的方式构建支持插件扩展的卫星任务管控平台。平台负责插件的管理，为插件提供公共功能;插件负责具体业务功能，并根据平台规定的接口规范进行实现，插件可以随时加载到平台并被平台识别。通过统一的技术规范，完成平台插件的应用集成，随着后续卫星技术状态的变化，在卫星任务管控平台上以插件化的方式，完成后续卫星任务管控功能的扩充和维护。

3.2 多星多任务联合规划技术

提出分级分类规划的思想，分析用户需求的影响域，建立多级任务规划机制分层进行规划。每层有各自独立的规划目标和约束条件，上层规划的结果作为下层规划的要求，对下层任务规划产生约束作用，上层完成下层各实体之间任务的协调调度。分层规划将复杂问题进行集中统筹分配，分布式处理，大大减低了问题的复杂度与相关性。

4 系统测试和结果分析

在卫星任务管控平台设计基础之上，进行了任务管控平台基础功能插件开发试验，包括集成框架插件、数据访问插件、权限管理插件、分布式消息队列插件、BPEL引擎插件、日志插件和报表插件等。

针对平台/插件体系架构，开发了任务管控平台插件仓库管理系统，可以对卫星任务管控系统开发中的插件进行有效的管理(包括插件的分类管理和插件的版本管理)，并能通过Web形式共享现有插件(包括插件下载和更新、插件的使用手册等)，卫星任务管控平台插件仓库如图4所示。

图4 卫星任务管控平台插件仓库

针对各型号卫星的能力等约束条件等剥离资源服务、任务规划算法等通用插件，形成卫星任务管控系统通用插件包;针对各型号卫星类型、工作模式和轨道特性，提炼个性化专用插件，组成卫星任务管控系统专用插件包。在此基础之上，统筹考虑卫星资源、地面资源，完成卫星任务管控平台搭建，如图5所示。

图5 卫星任务管控平台集成界面

从图4中可以看出，卫星任务管控平台插件仓库具备对开发的插件进行分类管理的能力，具备插件说明文档和插件信息的可视化编辑能力，方便插件的维护等日常操作。

从图5中可以看出，卫星任务管控平台具备二维和三维可视化展示卫星观测范围、观测时间的能力;具备可视化展示接收、测控、中继和传输等地面资源的能力;具备指挥调度、任务规划、计划制定和卫星控制等管控的基本能力;具备统筹星地资源进行联合任务规划的能力;具备依据时间轴进行任务规划和计划的仿真能力;对人机交互界面、平台的智能化操作进行大幅优化，提高了星地资源的利用率。

5 结束语

针对卫星任务管控系统复用率低、系统稳定性差和星地资源利用率不足等问题，在平台/插件软件架构的基础上，结合卫星任务管控的特点，设计了支持插件扩展的卫星任务管控平台。在卫星任务管控平台中，插件具有热插拔、物理隔离和动态特性，插件互相隔离，不同的插件可以有不同的版本，独立开发、部署和测试，且对插件的更改不会影响到其他插件的行为，方便维护升级。

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