基于资源池的航天测控资源动态重组实现技术

刘云杰，王　彬，刘友永

(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

在航天测控系统建设模式上，我国的传统做法是按“型号”研制、按“套”部署。在这种建设模式下，同一测控站内隶属不同系统但具有相同功能的分系统不能灵活互换，不同的测控系统重复建设了相同功能的配套设备(例如时频、测试标校等)，这就使得测控站内有限的测控资源不能够得到最大程度的利用。

随着我国航天事业的发展，日益增多的航天发射任务和大量在轨运行的侦察、测绘、气象、通信、导航和遥感卫星对航天测控系统提出了越来越高的要求，有限的航天测控资源与日益增加的航天测控需求的矛盾逐渐突出[1]。为了解决上述问题，一些学者从算法层面对测控资源调度问题进行了研究，提出了采用遗传算法、启发式算法和基于冲突的回跳算法等算法进行测控资源调度，优化资源调度效能，提高测控资源利用率[2-8]。

除了采用优化算法提高资源利用率之外，通过对测控站内的测控资源的优化组合和灵活配置，最大限度地挖掘和提高测控站自身测控能力已经成为业界的共识。原北京跟踪与通信技术研究所郭琦、刘敏等提出了测控设备资源重组的概念和优点，分析了我国测控设备的现状，提出了我国未来测控设备资源重组系统建设的一种构想。西安卫星测控中心洪宇等人设计了适应资源动态重组需求的测控设备的体系结构及其监控管理方式，提出了集中监控管理平台的概念，分析了其功能需求，讨论了需要重点关注的关键技术[9]。本文在上两篇文章研究基础上，重点对动态资源调度方法、支持资源重组的监控软件实现架构进行研究，从具体实现层面丰富和完善航天测控设备资源动态重组知识体系，为航天测控资源动态重组的设计与实现奠定基础。

1　基于资源池的测控设备体系架构

在传统测控系统建设模式上，一个测站内通常部署不相关的多套测控系统，各自独立执行测控任务，多套测控系统之间不存在设备共享机制，系统监控只对本系统内的测控设备进行配置管理，测控站内的测控资源得不到充分利用。传统的航天测控系统体系架构如图1所示。

图1　传统测控设备体系架构

为了适应测控资源动态重组需求，为全站建立集中监控管理平台，以集中监控管理平台为运行核心完成站内测控设备的资源重组和任务调度。集中监控管理平台把整站内的测控资源(包含多套前端系统(含信道设备、跟踪接收机等)、多套终端设备及公共设备)组成测控资源池，把以单套设备为对象的资源调配模式扩大为以全站测控设备为对象的资源调配模式。集中监控平台根据跟踪任务计划和设备健康状态自动对测控资源池内设备进行配置，完成设备组合、参数配置和自动化运行等工作。基于资源池的测控设备体系架构如图2所示。

图2　基于资源池的测控设备体系架构

集中监控平台与传统系统监控的主要区别是管理对象由单套测控系统变化为全站测控设备，增加了测控设备资源重组与调度功能，由单任务调度变为多任务调度，由单目标测控变为多目标测控，增强了测控系统的自适应能力，充分利用有限的测控资源更好地完成多目标测控任务。

2　基于任务驱动的动态资源调度方法

在面向资源重组的测控设备体系结构下，前端系统与后端的基带设备、数据存储与交互等分系统并不是固定的对应关系，而是根据任务需要进行动态的组合配置，是在任务驱动下的动态资源重组。

2.1　任务规划调度

任务规划调度的目的是接收中心的工作计划，进行冲突性检查后，形成按时间排列的测控任务序列，同时按照时间符合机制调动相关设备执行测控任务。

任务规划调度功能包括任务规划和任务调度功能。

① 任务规划主要是依据工作计划合理性判决策略将接收到的工作计划按时间顺序生成测控任务队列。计划合理性判决策略通过判断待执行任务数量、工作计划任务时段、测控设备可用数量和测控设备类型等条件判决该工作计划是否为合理工作计划，合理的工作计划最终生成测控任务队列，依据时间先后关系存储到测控任务队列中，等待调用执行。

② 任务调度模块向资源调度模块发送测控资源申请。资源调度模块根据任务需求、资源分配策略、冗余资源数量和资源健康状态在测控资源池中进行资源分配，将资源分配结果上报任务调度模块。

③ 任务调度实时检测测控任务队列中的任务开始时间，以时间符合原则调度测控任务。任务调度模块启动由测控资源分配表中包含的设备，同时将测控任务相关信息发送相关设备，开始自动化进行系统标校、执行测控任务。

2.2　动态资源分配

在测控任务执行前一段时间(默认5 min)，任务调度模块进行测控资源确认，检查分配给该任务的测控设备的状态，如果出现资源冲突或资源故障情况，需要对后续工作计划重新进行资源分配。

测控资源确认成功后，资源调度模块生成测控资源链表，并将资源分配结果上报任务调度模块。测控任务结束后，任务调度模块释放占用的测控资源，资源调度模块进行资源回收，维护更新测控资源状态表，等待下一次的测控资源分配申请。

在任务执行过程中，如果出现设备故障，一般情况下由备份设备进行替代，如果备份设备也出现故障，需要任务调度模块向资源调度模块申请新的资源，资源调度模块需要根据设备空闲情况和设备状态进行重新分配，此时后续工作计划的资源分配也应同时进行，保证资源不出现冲突情况。如果存在突发紧急任务需要执行，需为突发任务进行资源分配，如果无空闲资源应请示中心由其指定停止那一项正在执行的任务，并将相应资源分配给指定任务。

3　面向快速重构的系统监控软件体系架构

监控分系统用于完成测控系统的状态监视、设备控制、资源分配、任务调度，负责调度系统内所有设备执行自动测试、系统标校以及测控任务的执行，是测控系统的重要组成部分。在集中监控平台下，需要灵活应对测控设备的增减、监控接口和功能的增删等，为此在软件体系架构和监控运行体制上需要进行创新，有效应对资源动态重组的需求。

传统模式开发的监控系统，具体应用与设备通常是紧密耦合关系，得到的往往是一个定制系统，可扩展性和可重构性非常差，这类系统虽然可以较好地完成系统最初设计任务，但难以进行扩展或重构以适应业务需求的变化，很难适应当前的资源重组需求。为了解决上述问题，我们在监控业务体系框架上采用了设备管理与任务调度相分离的体制，在监控软件实现架构上采用了基于软总线的集中监控软件体系框架，在监控体制上采用了集中监控与虚拟测控系统监控相结合的分级监控体制。

3.1　系统监控及运行管理业务体系框架

系统监控及运行管理业务体系框架如图3所示。

图3　系统监控及运行管理业务体系框架

系统监控及运行管理业务体系框架由应用层、数据管理层、设备管理层和设备层组成。设备管理功能是系统监控管理的基础，完成系统监控与运行管理软件与所有外部设备的信息交换、数据格式转换，屏蔽与硬件、外部设备相关的数据接口，为上层软件提供数据支持。

数据管理与分发层统一管理上层服务(业务或者任务)所需的数据，为上层服务的运行提供数据支持和信息交换，确保上层服务的独立性、扩展性和统一设计。

在这种业务体系框架下，应用层(或任务层)与设备层是分离的，具体应用是由设备管理层分配相关设备完成，应用本身无需关心是哪些设备参与完成测控任务。通过任务与设备的隔离，保证了应用和设备的独立性，任务模式的增加并不影响设备的管理，同样设备的增加也不影响具体任务的执行。

3.2　基于软总线的集中监控平台体系框架

软总线是组件集成的基础设施，是硬件总线的虚拟和映射，它通过为组件服务之间提供虚拟的数据传输公共通道实现组件与操作系统、组件与组件之间的数据通信，起到的是数据通信中间件的作用，目前主流的软总线机制包括CORBA、COM/DCOM及EJB等。基于软总线的体系结构具有可维护性好、可重用度高、扩展能力强及较强的通用性，并支持软件构件的“即插即用”和服务接口的动态配置，使得软件系统具有良好的灵活性，在业务需求变化时，软件系统可快速重构进行适应[10-11]。

基于软总线的集中监控平台体系框架如图4所示。

图4　基于“软总线”的集中监控平台体系框架

集中监控软件体系框架由应用层、服务层、基础层和系统平台层组成，各层的功能及运行关系如下：

① 系统平台层提供操作系统、运行环境及软件运行所需的系统服务；

② 基础层为外部接口设备和软件运行所需的数据库、数据文件等支持环境；

③服务层是该软件架构的核心，为应用层和其它服务提供运行服务。服务分为四级或更多，由同级或更低级别服务经集成、加工后经服务发布模块向外发布。各级服务之间不直接耦合，由服务层提供的软总线进行服务交互。服务管理模块实现对外服务的订阅、发布和管理。

④ 应用层提供UI界面，是各级服务对外的直接展示平台，可以通过软总线或服务管理模块直接使用各级服务；

⑤ 各个服务可采用动态链接库、进程和远程调用(RPC)的形式提供服务，各服务之间采用标准的接口实现各服务之间的交互。

采用基于软总线软件体系框架，各服务之间是松散耦合的，通过软总线实现它们之间的信息交互，对新增功能、新增接口或新增设备来说，只需增加对应的业务服务或增加设备服务类，通过修改以XML文件形式表示的服务配置文件[12]，即可实现监控软件的在线维护扩展。采用松耦合架构设计集中监控管理平台，在测控资源接入或退出全系统时，无需进行程序开发，只要通过简单配置就能够完成界面和功能重构[13]。采用基于软总线的软件体系框架进行集中监控管理平台开发可以方便的通过测控设备运行流程的远程定制[14]，实现集中监控管理平台的远程升级[15]。

3.3　基于分级监控的测站监控体制

为了实现测控站内测控资源的动态重组，利用面向整个测控站的集中监控管理平台实现对测站内所有测控资源的管理和测控任务调度，好处是利于测控资源重组；缺点是所有设备的监视和控制都在一个软件内去实现，混乱且不太方便，同时在进行软件维护时需要停止所有测控任务，灵活性不足。

为了解决这个问题，我们采用集中监控与虚拟测控系统监控相结合的分级监控体制。集中监控管理平台根据任务需求，从测控资源池中把测控资源动态组合出若干套虚拟测控系统，这些虚拟测控系统共用公共设备，每套虚拟测控系统均可作为一套功能完整的、可独立执行测控任务的测控系统来使用。虚拟测控系统组成示意图如图5所示。

图5　虚拟测控系统组成示意图

集中监控平台负责整站测控资源的分配管理和任务调度，监视每个虚拟测控系统的重要状态信息；虚拟测控系统监控是一个独立的监控软件，完成虚拟测控系统内设备的监视控制，它由集中监控平台任务调度模块在启动虚拟测控系统执行测控任务时启动，完成测控任务释放测控资源时销毁，是一个与任务相伴的虚拟监控系统。

虚拟测控系统监控接受集中监控平台的监视与控制，负责向集中监控平台上报主要的设备状态信息，同时负责完成与中心和分机设备的信息交换，起到的是传统按型号部署的系统监控的作用。虚拟测控系统监控是伴随任务生命周期而存在的，可以脱离集中监控独立运行，这样在增加测控资源时，无需停止正在执行的测控任务，只对集中监控平台进行停机维护即可，而基于软总线的软件体系架构保证了在新增功能、新增接口或新增设备时通过修改配置文件可以快速实现的目的，能够做到新增功能、新增接口或新增设备时几乎不影响任务的正常执行。在实际部署时，可以按测控模式事先生成不同的虚拟测控系统监控软件，在虚拟测控系统启动时加载对应模式的虚拟测控系统监控软件。

4　结束语

当前，随着航天事业的快速发展，越来越多的卫星发射上天，对地面测控设备的需求越来越大。资源重组作为解决测控设备资源不足的重要技术手段，能够实现对测控资源有效和充分的利用，一定程度上解决测控资源紧张的问题[16]。本文对实现测控设备资源重组所要解决的关键技术问题进行了详细阐述，该技术成果已经被应用于当前我部测控系统研制中资源重组实施的理论基础，后续研究重点是资源重组的实施步骤与策略，为全面实施测控设备资源重组奠定基础。