一种面向用户的卫星状态监视系统设计

王崇羽 刘锋

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)



一种面向用户的卫星状态监视系统设计

王崇羽 刘锋

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

针对卫星研制过程中，如何在实现卫星性能指标及功能的基础上，进一步提高卫星用户体验，实现卫星的“易用”和“好用”，文章提出了一种面向用户的卫星状态监视系统，通过视听一体化的方式直观地展示卫星状态，形成自顶向下、从宏观到微观的卫星状态监视模式，从而实现从用户角度观察卫星状态，帮助了解用户使用需求，更好地把握卫星改进方向。

面向用户；卫星测试；卫星状态监视

1 引言

满足用户需求是卫星总体设计的基本原则[1]。一次成功的卫星任务，不但要达成设计的功能和性能指标，同时也必须具备良好的用户体验，即卫星不但“能用”，还要“好用”、“易用”。要想达到“好用”、“易用”的目的，应该从用户的关注点来设计和检验卫星，从而发现卫星使用上的不足，以达到完善卫星设计、满足用户需求的目的。

目前研制的卫星是通过卫星状态监视系统来观察、监视卫星发射前和在轨运行状态的。卫星测试人员需要通过状态监视系统观察卫星系统、分系统以及各部件的工作状态，判断卫星指令的执行及响应的正确性，验证卫星功能与设计的符合性，确保最终将一颗符合需求的卫星交付用户使用。但该系统是以卫星测试人员为使用者，以卫星测试人员的关注点为出发点来进行设计、实现的，无法体现出卫星用户的关注点和着眼点。

因此，本文设计了一种面向用户的卫星状态监视系统，可以从用户角度观察卫星状态，帮助了解用户的使用需求，从而把握好卫星改进的方向。

2 面向用户的卫星状态监视系统的功能和特点

2.1 监视系统的功能

卫星状态监视系统实现对卫星遥测的接收、处理及显示，对卫星的各种参数按一定时间间隔周期地进行背景监视，并按判据检出状态变化的状态量参数和越限的模拟量参数[2]。

传统的状态监视系统对遥测显示的要求，是全面、清晰地展示卫星的所有细节状态，卫星研制人员通过观察所有的参数值来掌握卫星状态。

面向用户的卫星状态监视系统是一种具有面向用户特点的软件系统。所谓用户，指的是卫星的最终使用者，面向用户，则是以一种卫星最终使用者的角度，来观察、监视卫星状态。卫星研制人员监视卫星的目的在于检测故障、分析薄弱环节，需要关注卫星各个层面的细节状态；而卫星用户监视卫星的目的在于卫星的使用，所以更关注卫星整体的健康状态及有效载荷的工作状态，需要一种直观的表现手段，可以直观地观察星上事件、卫星重要部件等状态[3]。

本文提出的面向用户的卫星状态监视系统，通过实现两大功能来达到面向用户的效果：全景式监视功能和视听一体化功能。

(1)全景式监视功能，指的是系统能够以一种总揽、概括的方式展示卫星状态，卫星用户可以一眼看到卫星状态的全貌和“健康”情况。面向用户的状态监视系统将遥测细节的判读交由软件来做，并在软件内部完成判读结果的逻辑分析工作，最终呈献给卫星用户的是整星的一个宏观状态结论，这样就实现了从宏观全景视野上观测卫星状态的目标。

(2)视听一体化功能，是指系统可以通过声、光、色、影的方式来展示卫星状态判读结论，即通过图形来展示卫星设备之间的逻辑关系，通过色彩变化来展示设备当前的状态，通过动画来表示当前的星上动作，以及通过声音来给出状态变化的报警、提示等。通过这几种方式，使得卫星遥测判读以一种更形象、更直观的方式进行。

2.2 监视系统的特点

传统的卫星状态监视系统针对工程技术人员的目的和关注点，以“遥测帧-遥测包-参数”这样的树状结构来呈现卫星状态，主要有以下特点：

(1)可以覆盖卫星所有分包、所有参数的监视；

(2)便于遥测监视软件的通用化，适用于所有分包遥测卫星的状态监视；

(3)可以实现重要参数的自定义编排，便于浏览和监视。

面向用户的卫星状态监视系统因其不同的视角，决定了其与传统监视系统在功能及呈现上的不同，具有以下特点：

(1)能够屏蔽卫星遥测数据的逻辑细节，直接展示出遥测参数所表征的结果信息；

(2)能够可视化地观测出某个分系统的工作状态，而不需要把该分系统所属的遥测参数工程值阅读一遍之后，才能掌握分系统的功能是否正常；

(3)能够对卫星状态、有效载荷状态进行宏观呈现，使得用户能够“见一叶而知秋”，可以便捷地获取卫星实时状态。

从以上特点可以看出，面向用户的卫星状态监视系统能够与传统监视系统形成一种互补关系，能够引导卫星研制人员以用户的眼光来观察卫星，来发现卫星“不好用”、“不易用”的地方，从而明确卫星功能的改进方向。

3 面向用户的卫星状态监视系统设计与实现

3.1 系统设计

传统卫星状态监视系统从实时数据库获取卫星遥测参数数据，从基础数据库获取参数及指令信息，对遥测数据进行分包、解析，以树状结构的列表形式显示参数和指令。

面向用户的卫星状态监视系统在传统系统的基础上，增加了卫星遥测参数的逻辑运算功能，增加了语音处理功能，同时以卫星状态全景视图替代了原来的列表显示，实现了全景式监视功能及视听一体化功能。系统组成如图1所示。

由图1可知，系统中主要模块包括卫星状态全景视图模块、视图驱动及卫星状态监视模块、逻辑运算管理模块。卫星状态全景视图模块包括整星状态显示模块、能源状态图形化显示模块、姿轨控分系统图形化显示模块、载荷工作状态图形化显示模块、指令发送信息显示模块，以及卫星其它状态图形化显示模块。其中，整星状态显示模块显示当前卫星的健康状态、工作状态；能源状态图形化显示模块用来表示卫星的能源状态；姿轨控分系统图形化显示模块用来表示卫星姿轨控分系统的状态；载荷工作状态图形化显示模块用来显示卫星当前载荷的工作状态；同时可以根据不同卫星的特点扩展当前的图形化模块。视图驱动及卫星状态监视模块从逻辑运算管理模块获取全部逻辑规则的逻辑运算结果，根据逻辑运算结果设置卫星状态全景视图模块中不同图形化显示模块的状态，同时对这些运算结果进行分析，判断结果值是否在正常范围内，若运算结果值异常，则将有关异常的文本信息送往卫星状态语音提示模块进行语音输出。逻辑运算管理模块对卫星的所有逻辑规则集进行管理和运算，每个逻辑规则集包括N条逻辑规则，每一条逻辑规则定义了有逻辑关联的M个卫星遥测参数之间的逻辑运算方法，N条逻辑规则的运算结果值总合在一起，确定了卫星状态全景视图模块的一个图形化显示模块的一种显示状态。逻辑运算管理模块收到卫星参数订阅管理模块发送的订阅数据后，按照每一条逻辑规则的定义逐一进行计算，并将逻辑运算结果送往视图驱动及卫星状态监视模块进一步处理。

图1 功能模块的系统框架Fig.1 System structure of functional modules

例如，姿轨控状态逻辑规则集模块中的一条规则命名为“卫星轨控状态监视判读规则”，该规则定义了4个遥测参数之间的逻辑运算：姿控速变包中的姿控星时参数、姿控工作模式参数和姿控缓变包中的轨控开机时间参数，以及轨控开机长度参数。系统运行时，卫星参数订阅管理模块从实时数据库中订阅这4个遥测参数，将工程值发送给姿轨控状态逻辑规则集模块，然后“卫星轨控状态监视判读规则”对这4个遥测参数工程值依次进行有效性判读、正确性判读、轨控倒计时计算，将运算后的数据传送给视图驱动及卫星状态监视模块，该模块根据运算的结果数据驱动姿轨控分系统图形化显示模块，对结果进行显示，包括的显示事件有：显示当前姿轨控工作状态、显示轨控倒计时信息、在卫星轨控动作开始后显示轨控示意图的同时以秒表形式累计轨控开机长度。这样用户只通过系统界面就可以获得所关注的卫星姿轨控状态信息。

3.2 系统实现

3.2.1 图形化显示模块的实现

系统提供模块化、图形化的显示机制，可以按照功能划分显示的模块，同时可以较为灵活地添加新的显示模块。每一个图形化显示模块为一个图形控件，包含多个子控件，每个子控件表示一个星上设备或一种数据流向通道，具有本身的属性，如子控件的颜色、文字等，不同的颜色和文字组合标识了该子控件所代表设备的不同状态。例如一个载荷分系统可能包含A、B、C等3个设备，工作状态显示如图2所示。

图2 一个载荷工作状态图形化显示示意图Fig.2 A graphical module of some payload’s working status display

例如设备A子控件有2个属性，属性1为设备名称，属性2为子控件背景色，背景色有3种，根据设备相关遥测参数逻辑运算结果，表示断电状态的为灰色、表示设备加电并工作正常的为绿色、表示设备加电但是工作异常的为红色。属性2的可能的状态变化如图3所示。

图3 背景色属性的变化示意图Fig.3 Sketch map of background color property’s change

通过对属性的改变从而表征设备的不同状态，多个设备的状态有机地联合在一起则可视化地展示出某个分系统的状态，多个视图模块组合在一起，就得到了整个卫星的全景视图。

图形化的显示模块采用视窗呈现基础(Windows Presentation Foundation，WPF)技术，它是一种基于Microsoft.Net框架的软件编程技术，在文字设计、色彩设计、矢量图形、二维、三维图形呈现方面具有很强的优势[4]。

3.2.2 视图驱动及卫星状态监视模块的实现

视图驱动及卫星状态监视模块负责规则集动态链接库(Dynamic Link Library，DLL)所需参数的订阅、分发并获取逻辑运算结果，根据逻辑运算结果设置对应子控件的不同状态，同时再对逻辑运算结果进行分析，当结果值异常时，通过语音提示模块进行语音输出，以达到警示、提醒的目的。

图4为视图驱动及卫星状态监视模块的执行流程。

图4 视图驱动及卫星状态监视模块执行流程Fig.4 Procedure of view-driven and satellite status monitor module

3.2.3 逻辑运算管理模块的实现

逻辑运算管理模块对卫星的所有逻辑规则集进行管理和运算，每个逻辑规则集包括N条(N为自然数)逻辑规则。所谓规则，即是一条卫星遥测的处理和判读逻辑，规则的输入是一个或多个卫星实时遥测参数，规则的输出则是一个判读结论或重要的数值，如设备工作正常与否、指令执行成功与否、距离卫星轨控还有多少秒等。

每个规则集采用DLL技术进行封装和实现。逻辑规则集DLL具有统一的对外接口，可以对外提供链接库所需的全部参数清单，可以接收卫星遥测参数值，输出全部规则的运算结果，具体的接口定义如下(其中IN和OUT表示参数类型，IN代表输入参数，OUT代表输出参数，IN和OUT后面为参数名)。

GetAllParasOfRules(OUT paras)：所需参数清单接口，汇总动态链接库中全部逻辑规则所涉及的卫星遥测参数，以便于进行参数订阅。

SetAllParaValues(IN values)：接收卫星遥测参数值接口，设置全部逻辑规则所需的遥测参数值。

GetRulesResult(OUT result)：输出全部规则的逻辑运算结果接口，根据接收的一次参数值，输出全部规则的一次逻辑运算结果。

3.3 关键技术

面向用户的卫星状态监视系统，为实现系统需求及面向用户的特点，采用了多种软件编程技术。在软件表现层采用了WPF技术以实现文字、图形等的多样呈现；在软件业务逻辑层采用动态链接库技术，以实现规则集的灵活动态封装；同时系统采用语音合成技术，以达到软件状态、提示、报警信息的语音智能提示。

3.3.1 WPF技术

软件系统在设计阶段，一般构建为多层结构，包括数据层、业务逻辑层和表示层，WPF提供了一种表示层技术，可以把业务逻辑层的数据通过多种方式进行丰富展现。Microsoft的Visual Studio[5]软件开发平台提供了强大的WPF开发环境，可以提供文字、色彩、矢量图形、音视频等的多种多样的表示和呈现。在使用Visual Studio进行WPF设计的同时，还可以与Microsoft 的Exprsion Blend[6]开发环境进行有机结合，进行三维图形及内置动画的呈现设计。

3.3.2 DLL技术

DLL技术[7]是在Windows操作系统中实现共享函数库概念的一种方式，它通过把软件系统中相对独立的资源或代码封装成DLL文件，并在软件运行过程中动态地加载该DLL文件，实现对一些软件模块的动态加载功能，使得这些软件模块的更新和修改不会影响软件的其它部分。DLL技术主要用于逻辑运算管理模块中规则集的封装和实现。通过DLL技术实现规则集，在规则集中的某个规则变更时，只需要更改相应的DLL文件即可，从而实现了规则集的灵活加载。

3.3.3 语音合成技术

语音合成(Text To Speech，TTS)技术[8]，是可以将计算机产生的文字信息转变为可以听得懂的、流利的汉语口语输出的技术。语音合成的原理一般是先将文字信息进行语言学处理，包括文本规整、词的切分、语法分析和语义分析等；然后进行韵律处理，规划出音高、音长和音强等，使合成语音听起来更自然；最后根据前两部分的处理结果进行语音的输出。本软件系统通过采用成熟的语音合成处理引擎，能够自然、流畅地进行文字信息的语音输出，向用户发出语音提醒、警示信息，形成良好的用户界面。

4 应用与验证

面向用户的卫星状态监视系统已在多个型号上得到应用。通过该系统的应用，能够屏蔽卫星底层细节、呈现卫星顶层状态，从而满足卫星最终使用者观察、监视卫星的需求。系统提供了能够将整星状态、能源状态、姿轨控状态、载荷状态等多种状态进行有机结合、进而进行视听一体化呈现的方案，能够快捷地得到卫星宏观、全景的状态信息。图5是一个载荷实传模式的显示视图，通过色彩变化表示设备工作是否正常，通过箭头流向表示载荷工作数据流，同时即时语音播报来提示关键的载荷工作节点。再结合整星状态视图、能源状态视图等，能够让用户一目了然地得到所关注的卫星状态。

注：图中绿色表示设备开机正常工作，灰色表示设备未开机，箭头表示数据流向(绿色表示有数据，灰色表示无数据，虚线表示该数据通道未使用)。图5 一个载荷实传模式的图形化显示效果Fig.5 Display effect of a playload’s real time transmission

通过系统的应用，卫星研制人员得以发现卫星使用上的缺点，并作出改进。例如某卫星的研制，在编写规则集的过程中，发现星上分系统的宏观健康状态的判断规则很复杂和繁琐，于是对相关分系统提出了改进要求，修改了设备控制软件，增加了健康状态标识字，使得监视系统可以快捷地得出判读结论，从而完善了卫星设计，方便了最终用户对卫星状态的监控。

5 结束语

面向用户的卫星状态监视系统为卫星研制人员提供了一种全新的视角，能够让卫星研制人员在研制阶段就以用户使用为出发点去监测卫星，能够提前发现卫星功能的不足，完善卫星设计，增强用户体验。以用户体验、用户需求为出发点，是随着卫星研制逐渐进入商业化生产，开始市场化竞争后，卫星研制人员需要主动适应和遵循的原则。

References)

[1]徐福祥．卫星工程概论[M]．北京：中国宇航出版社，2009:62

Xu Fuxiang．Introduction of satellite engineering[M]．Beijing：China Astronautics Press，2009：62 (in Chinese)

[2]王庆成．航天器电测技术[M]．北京：中国科学技术出版社，2007:236

Wang Qingcheng．Electrical test technology of spacecraft[M]．Beijing：China Science and Technology Press，2007：236(in Chinese)

[3]罗毓芳，李强.一种在轨卫星星上事件状态展示的实现途径[J].飞行器测控学报,2010，29(3)：39-42

Luo Yufang，Li Qiang．A method of visualized event display of satellite on-orbit status [J]．Journal of Spacecraft TT&C Technology，2010，29(3)：39-42 (in Chinese)

[4]刘铁猛．深入浅出WPF[M]．北京：中国水利水电出版社，2010:244

Liu Tiemeng．Dissecting WPF[M]．Beijing：China Water and Power Press，2010：244 (in Chinese)

[5]Nick Randolph,David Gardner. Professional visual studio 2008[M]．Indianapolis:Wiley Publishing Inc,2008：4-8

[6]Brennon Williams. Microsoft Expression Blend 4 unleashed[M]．Indianapolis：Sams Publishing Inc，2011：5-7

[7]李伟．C#调用VC++动态链接库的研究[J]．测控技术，2013，32(5)：105-108

Li Wei．Study on C# invoking the dynamic link library developed by VC++ [J]．Measurement & Control Technology，2013，32(5)：105-108(in Chinese)

[8]井晓阳，罗飞，王亚棋．汉语语音合成技术综述[J]．计算机科学，2012，39(z3)：386-390

Jing Xiaoyang,Luo Fei,Wang Yaqi．Overview of the Chinese voice synthesis technique[J]．Computer Science，2012，39(z3)：386-390(in Chinese)

(编辑：李多)

Design of User-oriented Satellite’s Status Monitor System

WANG Chongyu LIU Feng

(DFH Satellite Co.,Ltd.，Beijing 100094，China)

During satellite development,after implementing functions and performance index,how to improve user’s experience and make the satellete “easy to use” and “convenient to use” is a important subject. To solve this problem,a scheme design of user-oriented satellite’s status monitor system is proposed. The satellite’s status is shown by a way of combined auralization and visualization,and a top-down satellite monitoring model is built,making the satellite can be watched from macro to micro. All this functions make the satellite researchers getting a user’s perspective,and capturing the user’s requirements,and finally get the satellite’s improvement direction.

user-oriented；satellite test；satellite’s status monitor

2016-06-15；

2017-03-13

王崇羽，男，工程师，从事卫星总体设计工作。Email：xywzaaa@sina.com。

V557

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.017