欧洲航天地面软件系统发展研究

张晓清，潘　清，龚　波（装备学院信息装备系，北京101416）

欧洲航天地面软件系统发展研究

张晓清，潘清，龚波
（装备学院信息装备系，北京101416）

近年来世界各国都在大力发展新一代航天地面软件系统，以应对日益复杂和繁重的航天任务。详细分析了国内外航天地面软件系统采用开放系统技术发展的状况，重点研究了欧空局近几年开展的航天地面系统公共核心以及数据系统建设的基本情况，介绍了欧空局地面站自动控制和地面站网络系统技术，并探讨了面向服务的体系结构、云计算等技术在航天地面系统中的应用。

航天地面软件系统；开放系统；公共核心；数据系统；地面站网络

航天地面软件系统是支撑航天器全生命周期所有地面软件系统的集合，是一个复杂大系统。随着航天器种类和数量越来越多，航天地面软件系统的规模和复杂性也在大幅度增加。航天器生命期中有2个重要的阶段，即地面研制阶段和运行控制阶段。传统的方法是为每一个航天器研制一套地面测试系统，一套地面运行控制中心，这种方法在早期航天器数量很少的情况是很正常的。但是，随着每年发射的航天器数量大幅度增加，且需要管理的在轨航天器数量越来越多时，这种情况就无法满足任务的需求。

1　基于开放平台的航天地面软件系统发展

航天地面软件系统第一次大的变革是20世纪90年代，随着计算机体系结构从基于主机的系统，向基于网络的系统发展，1993年美国航空航天局开始采用开放标准，如Unix操作系统平台、TCP/IP协议和以太网络作为控制中心的基础平台，研制国际空间站地面控制中心软件系统。国际空间站地面控制中心和航天飞机地面控制中心相邻，但物理上不连接，2个中心的前端处理部分相同，其他部分不同，控制员可以很容易地在2个任务之间进行切换，整个系统的设备量比原来控制中心减少了一半，节省了大量经费。

欧空局在航天地面软件系统采用开放平台的时间基本上和上面相似，比较典型的系统是欧空局一直使用的航天器控制操作系统（Spacecraft Control Operation System，SCOS）软件，这套软件就是建立在开放系统上的。该软件从20世纪90年代初的SCOS I、II，发展到SCOS 2000，计划2016年推出SCOS 3000。这套软件在欧空局航天系统项目中应用的非常广泛，该软件最大的应用是欧洲伽利略导航卫星项目，可以支持多达50颗卫星，运行平台是SuSE Linux Enterprise 9和SUN Solaris 10。

国内航天地面软件系统采用开放系统平台是从航天器地面测试系统开始的。“地面测试系统”，欧空局称为地面电气支持设备（Electric Ground Support Equipment，EGSE），早先国内通过从法国引进的一套地面测试系统建立起比较系统的航天器地面测试体系，用于“东方红三号”卫星的测试。该系统硬件采用Micro VAX II，操作系统是Micro VMS，采用字符终端，测试设备采用串口连接。1996年3月，装备学院承担了国内第一套基于开放平台的卫星综合测试软件系统——“XX型号卫星”地面测试总控软件系统的设计和开发工作。该系统采用Solaris操作系统、TCP/IP和以太网络作为测试系统平台，1996年7月该系统参加了“XX型号卫星”地面测试工作。通过改进该系统参加了从1996年10月开始的“神舟一号”飞船地面测试的全过程，以及后续神舟飞船系列型号地面测试。改进后的系统采用的是HP-UX操作系统，除了系统的规模更大一些，还增加了一些飞船特有的功能，如工程遥测处理等，其他内容基本相同。随后该成果又推广到“海洋星”等一系列卫星型号项目的研制中。

航天器控制中心任务控制软件和航天器地面测试系统所采用的软件系统，在功能上有一定的相似性，因此，欧空局从TEAM和YES卫星项目开始，尝试研制低成本的、可移植的、通用的MCS/EGSE系统。系统采用了1997年2月推出的SCOS-II，系统在实施过程中取得了很多有益的经验。随后在Herschel/Planck卫星项目中，又进行了进一步的尝试，该项目采用了SCOS 2000作为系统核心。从实验的结果看，确实可以缩短项目研制周期，降低费用。国内在一些卫星项目上也进行过相似的尝试，即将地面测试软件系统作为地面站软件使用。

由于欧洲航天器研制、运行控制往往都是多国、多机构同时参与，而不同国家、机构在航天器生命周期的不同阶段使用的软件系统都不相同，给合作带来了很大的问题，研制统一的欧洲航天地面操作软件（European Ground Operation Software，EGOS）势在必行。因此，欧空局提出了建立统一的航天地面软件系统建设的计划。EGOS包括航天任务控制系统（Mission Control System，MCS）、任务规划系统（Mission Planning System，MPS）、飞行动力学系统（Flight Dynamic System，FDS）、航天器电气地面支持设备软件系统，地面站软件系统、各种航天仿真软件系统、航天地面数据库系统等。前3项是航天地面控制中心的核心组成部分。这一计划的主要内容包括：栙子系统和层次之间的接口定义；②地面操作软件的参考模型；③核心体系结构；④部件间的接口标准；⑤采用统一的平台和操作系统、语言和标准；⑥采用统一的开发模型和工具；⑦统一的配置管理。2002年成立了委员会，进行系统间接口定义，主要定义了MCS、MPS、FDS 3个子系统之间的接口关系。随着研究工作的深入，发现统一的航天地面软件系统设想太大，很难办到。而且，随着各种新技术的不断出现，如面向服务的体系结构、云计算、虚拟化等，如何将这些技术应用到航天地面软件中，还有很多需要探讨的问题。因此，从2009年开始，欧空局将这方面的工作重点转到欧洲地面系统公共核心（European Ground Systems-Common Core，EGS-CC）和航天数据系统基础设施上。

2　航天地面软件系统公共平台

欧洲地面系统公共核心（EGS-CC）项目［1］的目标是开发一种通用的欧洲航天任务监视控制基础设施，能够无缝覆盖从航天器组装、集成和测试到任务控制的所有阶段，通过共享开发、维护和保障来减低全系统费用，降低航天项目的风险，实现EGSE和MCS系统的现代化，在整个组织之内共享先进的软件技术。

EGS-CC的主要功能是支持所有航天任务类型和阶段，采用开放的、基于组件的和面向服务的体系结构，具有通用性、可扩充性、高性能和可扩展性，采用层次实现方式，系统监视控制内核的通用功能和专用功能的分离，支持二进制兼容、标准接口，尽量隐藏技术细节，适应航天器的长期管理。EGS-CC的体系结构如图1所示。

图1　EGS-CC体系结构

其中，斜纹底方框部分代表测试程序参考实现，灰色方框部分代表核心功能，网状底纹方框为核心扩展功能和接口的参考实现。

核心的基本功能包括两方面：应用支撑层及监视与控制组件。应用支撑层包括运行时支持框架、系统管理和执行、访问控制、时间同步和数据归档等。监视与控制组件包括监视和控制模型、控制活动有效性验证、调度执行和确认、命令（TC功能）、过程执行、报告参数处理情况、时间处理、支持在线、回放、检索和重放等处理模式。

核心扩展功能和接口的参考实现包括4个方面：适配层、用户应用、离线工具和外部接口。适配层包括：遥测遥控数据处理、监视和控制适配器，如遥测遥控接收和发送，专用控制操作设备接口等，建立监视和控制服务模型、空间和地面时间校对。用户应用包括：用户桌面系统、用户自定义的显示、监视和控制应用、系统管理显示、监视控制模型浏览。离线工具包括：初始化准备工具、事后处理和报告工具。外部接口包括：剪裁、配置、归档数据导入导出、监视和控制服务等。

目前项目已经完成了阶段A的所有工作，产生了一系列规范和文档，包括领域分析、用户用例、用户需求、名词收集、系统概念、概念体系结构、外部接口确定、主要技术评估。阶段B刚刚开始，正在进行软件需求工程和体系结构设计，概念演示验证。阶段C/D采用基于增量和迭代方式进行开发，在目标环境中不断地集成和验证相关技术和产品，最初的应用预计在2015—2016年。理想的目标是将欧空局地面软件的所有内容都放在一起，包括航天器、运载器、地面站、任务控制系统、飞行动力学系统、任务规划系统、调度执行系统、数据分发系统、仿真系统等，形成一个类似苹果公司的航天应用商店，可为不同的任务选取合适的应用。

3　航天任务数据系统

航天任务数据系统基础设施［2］是从传统的任务数据系统发展来的，最初主要支持遥测遥控数据的归档和分发等基本功能。随着航天任务的扩展，数据系统的支持功能不断增长，如欧空局的伽利略项目，不仅具有导航功能，同时，还具备空间态势感知（Space Situation Awareness，SSA）功能，包括空间目标监视和跟踪（Space Surveillance Tracking，SST）、空间气象环境（Space Weather Environment，SWE）、近地目标监视（Near Earth Object，NEO）3大功能。为此，欧空局专门采用面向服务的体系结构设计了一个数据中心。

3.1面向服务体系结构的航天数据系统

如果采用传统的方法来设计航天地面应用系统，每个地面系统都是独立的，但是，结构又很相似，而且，有很多相同的功能。图2表示采用传统的方法设计的空间气象环境（SWE）和近地目标监视（NEO）应用系统。而采用面向服务的体系结构设计方式，可以将这些相似的功能，如安全、用户管理、数据归档、数据发布等，可以用服务的方式提供出来，图3所示。

图2　子系统功能结构

图3　面向服务的体系结构

采用新技术，包括可视化、云计算等技术［3-6］，以及开源软件开发，可以提升欧洲工业在全球市场的竞争力，降低经费、风险和开发时间。这些新技术如何在航天地面系统中应用，往往选取数据系统作为实验的突破口，因为数据系统的功能比较适合面向服务的体系结构。任务控制系统由于有比较严格的实时性和安全性方面的要求，需要进行更深入的研究。

3.2航天数据系统数据模型

随着空间军事应用的进一步发展，对航天数据系统基础设施的要求又进一步深入，以美军联合作战任务系统（Joint Mission System，JMS）项目为例，该项目以面向联合作战形成集成的、网络中心化的空间态势感知和指挥控制能力为目的，能够快速检测、跟踪和识别相关目标，提供及时的联合作战空间效果时间显示，支持传统的和非传统的目标识别和发现，支持用户自定义的作战图像和空间作战命令，提供空间威胁分析等。

空间数据系统只是联合作战数据系统中的一个方面，但这个系统又是各军兵种都感兴趣的，因此，空间数据系统的建立必须统筹考虑作战部队的需求，需要在指挥控制态势感知公共框架（C2SSACOI）下进行研究，在国防部元数据注册名字空间结构框架（DOD MDR NAMESPACE）下，建立相应的产品。JMSEnterprise Data Modelv1.0企业数据模型就是这种产品。JMS Data Modelv1.0是从已经批准的美国空军JMS需求模型中导出的，JMS需求模型是基于国防SSA任务主线，经过5年的努力从概念模型开始建立的。JMS需求模型中的所有能力都能映射到JMS CDD项目需求中，JMS需求概念模型用于建立数据条目、属性和关系的逻辑UML模型。逻辑UML模型用于产生JMS数据模型的物理模型（XML方案）。

实现公共数据模型的好处是能够使数据元素规范化，减少了冗余，提供了一致性的元数据结构来支持可靠的决策支持；消除了数据结构的不一致性，消除了数据转换，支持分布式数据存储和更有效的虚拟机分配；基于公共数据的Web服务能够利用程序结构的高效性，获得更好的系统性能；一种公共的企业数据框架能够支持数据的精确性和系统能力的扩展。

实现公共数据模型的关键是必须鼓励采用开放和合作的方法，必须定期召开面对面的会议进行沟通，需要建立一支高水平的队伍，成员包括国防部、政府部门、民间和商业领域、国土安全部门、地方政府、大学、联邦成员。从任务需求开始，提供一个全面的解决方案，将主要精力放在证明模型的可实现性上，支持实际地面应用，提供最基本的产品集，提供能够管理大量信息的工具。

4　航天器自动管理和地面测控站网络

随着在轨航天器的日益增多，航天器地面管理的工作也越来越复杂，地面控制站网络的优化管理面临着很多挑战［7］。欧洲航天局跟踪地面站核心网络（European Space Tracking Station Network，ESTRACK）［8］，是分布在全球的地面站网络，如图4所示。

图4　欧洲地面站网络

早期的EMS（ESTRACK Management System），每个地面站基本上都是为欧洲航天局的一个固定任务服务，地面站独立运行，采用人工进行地面站规划（有少量工具支持）。目前的情况是整个地面站网络系统已经有相当规模，功能比较强，也很复杂。这些地面站同时支持多个任务，同时，还能支持欧空局以外的任务。整个网络有一个统一的调度表。未来的发展是提高不同任务交叉支持的程度，充分利用网络以及地面站的能力，提高系统的可扩充性。

EMS是欧空局地面站网络自动化规划和协调中央控制系统，由3部分组成：规划子系统、调度子系统、协调子系统，规划和调度子系统已经投入运行4年，在线协调系统正在开发。

ESTRACK规划和调度系统在2005年就能够支持10个用户，规划系统能在3h之内完成2周的全部规划工作。全部规划要求所有的任务要求都能够满足，所有的限制条件都经过了检验。到了2008年，系统能够支持20个用户，规划工具能够支持10颗卫星在3周限制滑动窗口下，在6h内完成6个月的规划工作，在36h之内完成一年的规划工作。2011年的情况是在6h之内完成15颗星6个月的规划任务。

ESTRACK协调子系统（ESTRACK Coordination System，ECS）是一个在线控制模块，由一个操作员来监视所有的地面站和网络健康情况，监视调度的执行情况。将所有监控信息归档在中央存储系统中，将地面站监视参数发送给任务控制系统。

ESTRACK功能组成如图5所示。

图5　ESTRACK功能组成

ESTRACK软件的实现采用重用策略，主要利用欧洲地面操作软件EGOS中已有的部件，如自动化任务系统、数据归档工具、文件归档工具、监视引擎，采用面向服务的体系结构与任务控制系统接口。

EMS已经作为欧空局地面站网络的规划和调度系统成功地运行，地面站自动分配目标已经实现，但是，还需要协调来确保各个任务能够重新更新计划。协调系统将进一步增强当前系统的能力，期望未来能够有更好的互操作性和更高的自动化水平。

5　结束语

航天地面软件系统在航天任务中的作用越来越重要，同时航天地面软件系统的复杂性也越来越高，除了大量采用面向服务的体系结构、云计算技术以外，国外已经开始采用体系结构DoDAF方法来设计航天地面软件系统。国内航天地面软件系统发展情况和欧洲前几年的情况很相似，也是多个部门分别开发各种功能相似、互不通用的软件系统，自动化程度还比较低，对航天地面软件系统的研究不够深入全面，缺乏统一的规划和管理。欧空局的做法可以为我们提供管理和技术方面的借鉴，特别是目前国内正在采用国产软硬件系统来设计和实现新的航天地面软件系统，欧空局采用的统一的信息基础设施、面向服务的数据系统、航天数据模型、地面站自动控制等技术，可以为我们设计新一代航天地面软件系统提供参考。

（References）

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（编辑：李江涛）

Research on the Development of European Space Mission Ground Software System

ZHANG Xiaoqing，PAN Qing，GONG Bo
（Department of Information Equipment，Equipment Academy，Beijing 101416，China）

Recently，many countries are working on the development of new generation of space mission ground software to perform more complex and more onerous space mission.This paper analyzes the development of space mission ground software systems using open system technology around the world in detail，gives prominence to European Space Agency's（ESA's）efforts in construction of common core and data system of ground system these years，introduces the technologies of ESA ground system automatic control and the ESA ground network and discusses the applications of the new technologies，such as service oriented architecture and cloud computing in ground system.

space mission ground software system；open system；common core；data system；ground station network

TP338

2095-3828（2015）02-0088-06

ADOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2015.02.020

2014-12-18

部委级资助项目

张晓清（1963-），女，副教授，主要研究方向为计算机应用。