航天器遥控指令单元生成系统设计与实现

常红，谈寅，王卫楠，毛嘉伟，廖明瑞

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

随着航天技术的快速发展和航天规模的日益扩大，航天器对测试质量和效率的要求也越来越高[1]。航天器各分系统遥控指令单元参数数据的输入方式、设计格式以及接口定义多种多样，导致由测试者人为计算、转换、编辑遥控指令单元的传统方式出现用工成本高、工作效率低、误差率高等问题[2-4]，难以满足现阶段航天器对遥控指令快速上行的需求，因此搭建一套智能化的遥控指令单元生成系统对航天领域的探索具有重要的意义[5-7]。通过对该系统的有效利用，多台计算机可以协同工作，实时存储及自动下载最新版本遥控指令单元，为后续依次组成遥控包、遥控传送帧、遥控指令奠定基础[8-11]。文中依托于多个型号的研发需求，进行了系统集成与软件测试，验证了多层次架构设计模式的通用化和可行性，给出了一套能够在航天器平台上应用的遥控指令单元生成系统。

1 设计需求分析

航天器遥控指令单元生成系统需要满足现阶段多型号任务的研发需求，能够最大程度降低人工生成遥控指令所带来的弊端风险，以及提高工作效率[12]。系统需要具有较强的可操作性，支持指令单元参数多种输入方式，方便经验较少的测试人员使用。同时系统能够存储生成的遥控指令单元，以便后续对其进行修改。航天器遥控指令单元生成系统需要满足以下三个设计需求：

1）采用通用化设计

系统的规则配置文件和操作界面需要适应多型号多领域，采用系统名称、设备名称、指令单元类型、指令子类型码作为遥控指令单元生成的四个层级，每个层级具有可扩展性和兼容性，满足各航天器型号的普遍需求和定制化需求[13]。

2）支持多种参数输入格式

系统参数支持固定键值、枚举型参数数值、自动生成参数数值和输入二进制、十进制、十六进制和多种时间格式的参数数值，后台会将各种输入格式的数据进行计算，统一转化为十六进制数据，并合成为字符串格式的指令单元内容。

3）存储生成的遥控指令单元

生成的遥控指令单元可以存储在后台XML 文件中，同时也会显示在系统界面的存储模块中，以便后续进行增加、删除、修改等操作，同时其他计算机也能够从数据库上下载最新版本的遥控指令单元数据[14-16]。

2 设计与实现

2.1 系统总体结构设计

航天器遥控指令单元生成系统由航天器各分系统、航天器设备、指令单元类型、指令子类型码四个层级组成，系统模型如图1 所示。

图1 航天器遥控指令单元系统模型图

1）航天器各分系统

航天器各分系统主要分为专用系统和保障系统两大类。专用分系统具有特定的目标需求和功能模块，用于完成指定的型号任务。保障系统在各型号航天器之间大致相同，是航天器在轨飞行、返回着陆的必要保障，一般包括推进分系统、测控分系统、结构分系统和电源分系统等。

2）航天器设备

航天器设备由一台台单机构成，是航天器的控制中枢和重要组成部分。单机之间存在数据传输和信息交互，其可靠性和稳定性直接影响到航天器各分系统的功能，因此发射前需要进行充分完整的测试，以确保其在轨运行寿命。

3）指令单元类型

指令单元类型取决于航天器设备所具有的功能。指令单元是由多个参数组成的不固定长度的字符串，其第一个参数指令类型码长度为一个字节，决定了指令单元的类型。

4）指令子类型码

指令子类型码是指令单元能否二次解析的标志位。当指令单元能够二次解析时，指令子类型码决定了指令单元数据内容参数解析的基本构成。当指令单元不能够进行二次解析时，指令子类型码将直接显示指令单元类型名称。

2.2 系统功能设计

2.2.1 操作模块

操作模块主要实现配置遥控指令单元规则，并在此基础上选择相应的系统名称、设备名称、指令单元类型和指令子类型码。

遥控指令单元规则配置过程如图2 所示。配置规则中的解析格式分为参数解析和类型解析两种类型。参数解析是将指令单元的内容按照设定的参数名称和位宽进行具体展开；类型解析是将指令单元和指令单元数据内容进行分类处理，建立遥控指令单元的层级关系。

图2 遥控指令单元规则配置流程图

遥控指令单元生成系统的层级架构如图3 所示。依次选择规则配置中事先设定好的层级内容，可以得到遥控指令单元参数构成的基本框架。

图3 遥控指令单元生成系统层级架构

2.2.2 编辑模块

软件程序通过调用规则配置中的指令单元格式来动态生成指令单元参数的编辑模块。该模块由参数名称、参数编辑控件、参数配置信息和校验方式组成，实现遥控指令单元生成系统参数的编辑和设置。参数的编辑形式分为固定键值、枚举值、自动生成数值以及手动输入数据。固定键值的参数是在规则配置中事先设定的，其数值无法在编辑模块中进行修改。枚举值包含参数数值和参数含义两部分，有多种定义可供选择。自动生成数值的参数主要为有效字节数和设备号，有效字节数通过计算指令单元各参数的位宽而自动生成，并将结果显示在编辑模块中；设备号根据事先配置的航天器设备应用过程标识而自动生成。手动输入的参数格式支持二进制、十进制、十六进制和多种时间格式，并且输入的参数数据长度需要在限制的位宽范围内，否则系统会自动弹出警示框，进行异常输入信息提示。输入参数数值的流程图如图4 所示。遥控指令单元的校验方式分为无校验、和校验、CRC16 校验、CRC32 校验四种方式，满足多型号项目的要求。

图4 手动输入参数数值流程图

2.2.3 存储模块

存储模块通过调用底层的XML 文件，以树状结构显示系统名称、设备名称、指令单元名称和指令单元内容。在界面中勾选生成的遥控指令单元，可以进行删除、编辑、生成遥控指令表以及添加到遥控指令生成界面等操作。点击删除按钮时，不仅可以删除界面中选中的遥控指令单元，同时能够删除XML文件中此条遥控指令单元的相关内容。双击遥控指令单元可以在编辑模块中显示各参数的名称和数值，以便对其进行修改。点击添加按钮时，可以将勾选的遥控指令单元添加到生成遥控指令的界面中，以便后续执行组遥控包、遥控传送帧、遥控指令等操作。生成的遥控指令单元XML 文件也可以上传到数据库中，实现其他计算机能够自动下载最新版本的遥控指令单元。

2.2.4 显示模块

显示模块主要用于显示生成的遥控指令单元名称和指令单元内容以及设置的基准时间。基准时间可以和输入的时间格式参数数据进行相关计算、转换，进而生成十六进制数据。

3 实验应用

通过将遥控指令单元生成系统在多个航天器型号中进行应用，可以看出该系统执行正常，满足工程项目需求，各项工作指标均高于或等于传统人为制作模式，且在运行效率、通用化范围和操作便捷度上都具有非常高的优越性。

首先，在测试之前需要配置好测试用例和实验环境。测试用例主要包括配置指令单元类型、参数名称、参数输入形式、参数计算公式和指令单元校验方式。实验环境需要设置计算机的IP 和端口号，使其能够连接数据库，以便实现多台计算机联合工作，完成遥控指令单元数据的存储和自动下载更新。

然后，应用程序通过调用配置文件来自动生成系统的首页面，遥控指令单元系统界面如图5 所示。界面中最右侧的存储模块可以显示出之前保存的遥控指令单元所属分系统、所属设备、遥控指令单元名称和遥控指令单元内容。测试人员在系统操作模块中依次选取事先配置好的系统名称、设备名称、指令单元类型和指令子类型码，便可在编辑模块中动态弹出指令单元各参数名称和部分参数固定键值，根据航天器遥控指令单元使用准则，输入相应格式的参数数值并生成遥控指令单元字符串，在显示模块中进行展示。

图5 航天器遥控指令单元生成系统界面

最后，测试人员对生成的遥控指令单元数据进行处理，处理方式为：

1）测试人员可以直接将生成的指令单元添加到遥控指令编辑界面中，以便后续进行组遥控包、组遥控帧和生成遥控指令的操作。

2）测试人员可以将生成的指令单元保存到系统界面存储模块中，为后面修改、编辑指令单元提供便利。保存下来的遥控指令单元可以上传到Oracle 数据库中，以便其他计算机从数据库中自动下载最新版本的遥控指令单元数据。

该系统针对航天器现阶段的情况进行设计，并且在未来可能的变化元素上留下了可扩展接口，能够较好地应用于多型号多领域的航天器研发，具有很强的通用性和兼容性，相比于传统的人为转换生成遥控指令单元的方式具有更高的效率。遥控指令单元生成系统与传统方式使用效果对比如表1 所示。

表1 遥控指令单元生成系统与传统方式使用效果对比

4 结论

文中针对航天器研发的任务需求和特点，提出了一套规范化的航天器遥控指令单元生成系统。该系统采用模块化设计，具有较强的可操作性、可扩展性和本地适用性，改变了传统的人为生成遥控指令单元的模式，在地面测试软件的应用过程中发挥了重要的作用，旨在尽可能提高航天器各型号之间的继承性、通用性和复用性，提高测试过程的集成度和可信度，有效降低人力和时间成本，避免人为不确定因素。整个遥控指令单元生成系统已经在多个航天器研发过程中使用，运行效果稳定，具有精度高、界面操作友好等特点，随着型号任务的不断应用，必将会给未来航天领域的发展带来积极的促进作用。