基于模型的卫星测控信息流数字化设计方法研究与实现

2019-07-26

中国空间科学技术 2019年3期

中国空间技术研究院，北京 100094

随着信息化手段的发展，卫星制造也逐渐实现信息化。卫星信息总体设计是整星总体设计的重要组成部分之一，主要包括满足整星遥测遥控需求分析、资源分配，定义整星遥测格式、遥控指令格式以及测控信息流规划等内容[1]。其中测控信息流设计在卫星信息总体设计中占有重要地位[2]。

卫星测控信息流设计是卫星星上采集与发送能力以及卫星资源充分利用的重要规划环节，需要完成星载设备能力规划、把控与分配的功能。测控信息流设计是卫星遥测遥控信息流向的体现，并满足星载设备布局的需求。测控信息流设计的优劣将直接影响星上资源的利用率以及故障预案实施的及时性与正确性。

随着卫星能力的逐步提升，载荷比的增加也意味着需要传输的设备状态参数越来越多，如何更加高效、合理地设计测控信息流走向是测控信息系统面临的共同课题[3-4]。

测控信息流设计主要涉及电气设计和信息系统设计两个方面。对于测控信息流设计，需要在信息系统设计过程中制定信息流走向，再根据星上电气设计原则进行优化，在二者之间反复迭代，不断优化，最终使卫星测控信息流设计结果满足卫星电气、机械、信息系统以及用户需求等多方面需求。

一些国外大型航天制造业厂商，如劳拉空间系统公司、波音公司的设计部门已经建立了各自的数字化设计系统，逐步在卫星信息设计的各个环节利用数字化设计系统替代了人工操作，使得设计过程统一并且可追溯，保证了不同阶段信息的一致性和正确性；洛马商业空间系统公司的设计部门也采用了信息化设计工具，智能规划卫星测控信息，减少了因为接口转换而产生的大量复核以及反复迭代工作，提高了工作效率。日本JAXA公司Satellite Design-Aid System(SMART)和欧洲ASTRIUM公司DASSAULT V6 PLATFOR系统均采用表格化设计方式，也在一定程度上提高了设计效率。目前，中国主要卫星制造商的设计部门主要还是在继承前人设计经验和设计流程的基础上，采用人工手动设计来完成卫星的测控信息流设计工作。这样的方法准确率高，但存在耗时长，重复性、机械性工作量大且工作效率较低，迭代次数多等问题。

目前，用户需求多样化，卫星型号繁多，导致卫星设计任务重，传统测控信息流设计方法需要投入大量人力、时间等成本。在当前人力、时间等多方因素限制的情况下，急需通过利用一种全新的数字化系统工具来提高当前效率。

1 测控信息流概述

测控信息流设计是卫星总体设计的一部分，其工作内容包括测控信息需求分析、测控信息流设计、测控信息流实现和测控信息流验证，贯穿卫星研制各阶段。

1.1 测控信息需求分析

统计确定测控信息流相关信息的类型、数量、信息流通道要求、信息处理功能及性能等信息需求，分析其对测控信息流设计的影响[5]。

信息需求分析应随着设计方案的细化逐渐完善[6]。方案阶段信息需求分析的结果至少应包括设计信息流网络、信息流处理模型所需的基本信息。一般在初样阶段应细化完善信息需求分析，并提交正式报告[7]。在正样阶段，一般只针对卫星相比初样阶段的设计变化，完善信息需求分析。

1.2 测控信息流设计

针对总体要求和信息需求，提出不同的测控信息流模型[8]，在可行性、可靠性、安全性，以及实现的经济性、计划性、扩展性、灵活性等方面，分析比较不同的信息流模型，形成满足要求的信息流设计方案。

测控信息流设计在不同研制阶段的重点不同：

1) 方案阶段：针对测控信息需求和卫星总体要求，完成测控信息流设计的重点是信息流网络设计，并确保测控信息流处理方案不颠覆信息流网络方案；

2) 初样阶段：针对相比方案阶段的信息需求和卫星总体要求的变化，细化完善测控信息流设计，重点是信息流网络方案的完善和信息处理方案的细化；

3) 正样阶段：针对相比初样阶段的测控信息需求和卫星总体要求的变化，修改完善测控信息流设计，重点是测控信息流设计变化的影响分析，一般只进行测控信息流处理方案的局部适应性更改设计，不需进行测控信息流网络方案的更改设计。

1.3 测控信息流实现

测控信息流实现即根据测控信息流设计方案形成实物产品的过程[9-10]。测控信息流实现过程随初样、正样阶段各级产品的生产相应完成。

1.4 测控信息流验证

通过仿真、分析、测试(包括试验)等方法，对测控信息流设计方案进行验证，确认其满足信息需求和总体要求。

测控信息流仿真验证一般在方案阶段开展，通过数学、半物理等方式建立模型，使用软件、样本数据等进行卫星信息流设计方案的仿真测试和分析，为信息流设计和改进提供依据。

测控信息流分析验证在初样阶段、正样阶段均可开展，一般进行测控信息流实现分析，即收集各级实物产品与测控信息流网络运行相关的信息，分析测控信息流的运行情况[11]。正样阶段的信息流实现分析一般在初样阶段测控信息流实现分析结果的基础上进行，重点关注各级产品相比初样阶段的变化对测控信息流网络运行带来的影响。

测控信息流测试验证在初样阶段、正样阶段均可开展，并包含在各级产品各阶段的测试验证工作中，按照各级产品的测试覆盖性要求，依据各阶段的测试大纲或细则进行。在开展各级产品的测试覆盖性分析、编写测试大纲或细则时，应考虑测控信息流测试验证的时机和充分性。正样阶段的测控信息流测试验证重点关注各级产品相比初样阶段的变化对测控信息流网络运行带来的影响[12]。

2 图形化建模设计

图形化建模设计的目的是能够更直观更简洁地展示设计要素[13]，并使设计者更方便快捷地建立图形化测控信息流模型。在建立的图形化模型中，设计师可以根据实际任务需求，定义每个设计要素的属性，并对各类设计要素进行分配，同时允许通过对外部设计结果的汇总，以图形化建模的方式展示设计结果，增加多种设计方式的兼容性。

本文开创性地提出了基于模型的测控信息流数字化设计方法，实现测控信息流向自动智能快速设计。通过建立卫星测控信息流向等效模型，在结构、质量、能源等多条件约束下，实现信息流向的智能化设计，省去传统测控信息流设计方式下对各类数据信息的手动处理、加工和设计结果的复核复算，显著提高设计质量和一体化设计效率，解放生产力。采用接口等效模型和图形化建模语言，通过研究数字化设计过程中内部信息传递的客观规律，将设计方法抽象为图形、公式、表格和流程几类模型，将设计信息限定在模型中，通过系统集成，可以实现模型之间的相互关联，保证设计自循环。

进一步可以将工作中的设计经验融合到信息流设计中，不断在设计过程中对模型添加边界条件，并更新模型库，使得优秀的设计经验得到固化和传承。

2.1 设计思路

测控信息流设计是卫星遥测遥控信息流向的体现，主要是星上分系统或设备之间以及星地之间数据交互走向，如图1所示。其设计结果在一定程度上决定了星上仪器布局以及卫星信息资源配置能力。

图1 传统卫星测控信息流简图Fig.1 Traditional satellite T&C information flow pattern

图形化建模设计思想主要是将实际存在的物理对象，即星上仪器设备简化为各类图元，将看不见的测控信息流具象为不同类别的流线走向，并事先将上述设计要素的最大包络配置完成，使设计师能够在设计过程中能够直接调用。

本文设计了一种基于模型的卫星测控信息流数字化设计系统(后简称“数字化设计系统”)，集成了上述设计思路中涉及到的设计要素以及多边界约束条件，利用开发语言JAVA EE对系统框架进行搭建，并融合MXGRAPH制图技术实现可视化功能，同时以元标记语言XML的形式存储模型，这样既满足了图形化模型构建的要求，同时也适用于测控信息流模型的描述规范。

2.2 层次化体系结构

按照数字化设计系统各模块之间低耦合、高内聚的原则，建模采用了分层设计[15]，并逐层实现。该体系的结构分为4层。

1)表现层。该层是为用户提供图形化的建模界面，使用户在操作界面中进行设计要素的配置等业务操作。同时系统实现了对设计要素配置过程中所需要调用的多元图形与线型等信息进行统一管理。同时允许用户直接对系统中以VSD格式存储的模型文件进行再编辑。

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2)业务逻辑层。该层是建模过程中的核心层，其中包含多个功能模块。这些模块中既包含了用户所建模型的解析功能，同时也支持相关配置项的访问与管理功能。

3)数据访问层。该层是数据访问的统一接口，通过该层能够直接读取数据源中所存储的各类数据与模型。

4)数据源层。该层是系统数据存储的核心所在，包含了配置项数据和模型数据的存储，同时允许用户通过数据访问层的统一接口进行读取与存储，实现信息的交互。

3 数字化设计系统

3.1 工作原理

卫星测控信息流设计，通常是在完成卫星遥测遥控需求分析以及卫星遥测遥控参数汇总的基础上进行。用户根据最初星上各分系统对遥测参数采集与遥控指令发送的基本需求，同时依照星上遥测参数采集设备和遥控指令发送设备的能力，对各分系统的测控信息流走向进行规划和分配，并在设计结果上不断优化，保证卫星测控信息流走向规划的正确性和合理性，并进一步影响到卫星低频电缆网的走向和质量的优化程度。同时，其设计结果还可以用于卫星各阶段测试过程中所出现问题的分析依据。

在卫星测控信息流数字化设计系统中，用户在创建模型之前，需要对卫星测控信息流中涉及的各类测控信息种类进行配置，形成测控信息字典项，以满足用户在卫星测控信息流设计过程中的使用需求。需要配置的测控信息分为两大类：遥测参数和遥控指令。卫星各分系统需要采集的遥测参数包括两类：一类是采集设备通过终端设备硬件接点进行采集的硬件参数，如模拟量、温度量以及双电平量等；另一类是采集设备通过串口或总线进行采集的软件参数，如数字量、串口参数、软件参数等。卫星各分系统需要的遥控指令也包括两类：一类是发送设备通过终端设备硬件接点进行发送的硬件指令，如直接离散指令、间接离散指令等；另一类是发送设备通过串口或总线进行发送的串口指令，如软件指令、总线指令等。

用户在获取各分系统对遥测参数采集与遥控指令发送的基本需求，并确定星上设备遥测参数采集能力和遥控指令发送能力后，可根据需求创建整星级模型或分系统级模型。创建整星级模型时，用户建立卫星采集设备(或发送设备)和各分系统模型，通过预先设定好的测控信息字典项，在操作界面进行规划与设计；而在创建分系统级模型时，用户建立卫星采集设备(或发送设备)和分系统内各设备模型，通过预先设定好的测控信息字典项，在操作界面进行规划与设计。上述数字化设计的工作原理流程示意如图2所示。

图2 卫星测控信息流数字化设计的工作流程原理Fig.2 Digital design process and principle of satellite T&C information flow

卫星测控信息流设计的结果，可以直接应用到卫星仪器设备布局、卫星设备接点分配以及卫星低频电缆网设计等阶段的设计过程中。当完成上述阶段之后，用户可以将卫星遥测参数信息、卫星遥控指令信息以及卫星低频电缆网设计结果汇总，通过卫星测控信息流数字化设计系统的内设逻辑，完成卫星测控信息流图的模型化构建，并展示在系统中固定操作区域，允许用户根据不同的格式需求将模型导出。上述测控信息流模型化设计的工作原理流程示意如图3所示。

图3 卫星测控信息流模型化设计的功能结构Fig.3 Functional structure of satellite T&C information flow modeling design

本文所设计的系统的目的是在卫星测控信息流设计现有方法的基础上，通过研究数字化设计过程中内部信息传递的客观规律，优化设计流程，规范信息接口，设计自动化算法，将设计经验融合到卫星测控信息流设计工具开发中，以关键环节为突破口，提高设计师工作效率，并且做到测控信息流设计数字化，产品技术状态受控，历史可追溯。

3.2 人机交互界面

根据卫星测控信息流需求完成内容和级别的配置之后，对卫星测控信息流中所涉及到的各类测控信息流进行定义和配置，形成测控信息流字典项，其主要目的是为了使用户在实现测控信息流模型化以及绘制过程中能够更规范、更直观、更高效。配置结果如表1所示。

表1 测控信息流设计系统部分遥测字典项与遥控字典项配置界面

根据卫星测控信息流内容和级别需求以及各类测控信息流字典项配置完成后，系统将为用户生成可视化操作界面。用户根据前期完成的遥测遥控信息需求统计的结果，以及各分系统需求，对卫星测控信息流进行规划和设计，实现卫星测控信息流的走向初定义，并根据卫星研制过程中不断改进的设计方案，在数字化设计系统中对流向的设计结果不断改进和更新。同时数字化设计系统允许用户保存不同时期的多个设计结果版本，确保设计结果历史可追溯。

4 应用与验证

根据平台成熟度以及型号需求情况，本文以某卫星为试点型号，进行卫星测控信息流设计的试用验证工作。

本文利用卫星测控信息流数字化设计系统，对试点型号各分系统的遥测遥控需求信息进行统计，并按照“分系统需求+参数类型”和“整星能力+各类采集能力”两个不同的维度对数据进行分类显示。统计结果如表2～表5所示。

表2 某卫星遥测遥控需求统计结果 (遥测遥控信息统计)

表3 某卫星遥测遥控需求统计结果 (通道端口数量统计)

表4 某卫星遥测遥控需求统计结果 (采集/发送设备容量)

表5 某卫星遥测遥控需求统计结果(信息流通道容量)

在遥测遥控需求统计的基础上，系统自动根据统计的结果，进行智能匹配分析，将分系统需求与整星能力进行比对，并按卫星不同舱段生成比对结果。匹配分析结果如表6、表7所示。

根据卫星信息设计内容，对某卫星整星测控信息流进行信息配置，并对测控信息流进行自动生成，并辅以人工手动调整。按照卫星研制步骤，先使用测控信息流数字化设计系统根据卫星遥测遥控需求统计结果，对卫星整星级测控信息流进行模型化，并按照采集设备的采集能力完成了整星级测控信息流的初定义。某型号的整星级遥测信息流部分设计结果如图4所示。