CN104486335A - 一种高复杂度航天器gnc数据实时智能处理系统 - Google Patents

Abstract

一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，包括服务器端、客户端和以太网，服务器端与客户端之间通过以太网通信，服务器端包括采集模块、解包模块、解码模块、实时处理模块、通信模块和中断扫描模块。采集模块接收遥测原码数据；解包模块根据CCSDC协议进行解析，提取出GNC数据，解码模块将GNC数据按照解码表解算为物理参数；实时处理模块将物理参数对应的相关信息存储在实时数据库中，中断扫描模块对实时数据库中存储的物理参数对应的相关信息进行状态监测。本发明采用分布式架构，稳定可靠，实时性、通用性和扩展性强，有效地解决了高复杂度航天器GNC海量测试数据的实时自动处理需求。

Description

一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统

技术领域

本发明涉及一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，属于航天器GNC数据处理技术领域。

背景技术

近年来，随着我国航天任务的深入，航天器复杂度越来越高，以探月三期工程为例，其主要任务是研制并发射新的月球探测器，实现月面软着陆和无人采样，并将样品返回地面，开展月球科学探测和月球样品地面分析研究。CE-5探测器作为三期首发型号，由返回器、轨道器、着陆器和上升器组成，其地面测试与在轨飞行都将为我国的深空探测事业留下大量宝贵的数据。在地面测试中，GNC系统存在测试设备种类最多、数据量最大，更新频率最快、分布式测试等特点；在轨飞行过程，存在任务周期长、部件多、组成复杂，且工作模式和工作环境与其他型号差别较大，工程遥测参数多、处理类型多样等特点，为此，对GNC地面测试数据和在轨飞行遥测数据的实时处理、自主智能分析、海量存储和数据挖掘等工作提出了更高的要求。

在现有的航天器遥测数据和地面测试数据处理系统中，其对数据的处理顺序为：接收数据，存入永久型数据库(如Oracle、SQL Server等)，客户端向数据库请求数据，解码并显示。在数据源更新频率快、通道多、单路数据量大的情况下，最终看到的客户端判读界面会有秒级以上的延迟；且不支持复杂算法等智能判读方法，过于依赖科研人员的人力、精力和经验，易产生错判、误判等问题。

高复杂度航天器通常由多舱器组成，且有可能不在同一测试环境中进行测试，在地面测试中存在分布式测试的需求，现有通讯协议并不能满足这些新的需求。另外，现有数据处理系统还存在通用性不强，用户需要输入和订制的内容过多等缺点，在型号研制周期紧张的条件下会一定程度上影响整体进度。

发明内容

本发明所要求解决的技术问题是：客服现有技术的不足，提供一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，该系统具备强实时性，支持智能自动判读和分布式测试；通用性强，易于布署，成本低，用户操作简单等特点。

本发明包括如下技术方案：

一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，包括：服务器端、客户端和以太网，服务器端与客户端之间通过以太网通信，服务器端包括采集模块、解包模块、解码模块、实时处理模块、通信模块和中断扫描模块；

采集模块采集航天器测控/数传设备发送的遥测原码数据，并将所述原码数据送入解包模块，解包模块根据CCSDC协议对接收到的遥测原码数据进行解析，提取出所述遥测原码数据中的GNC数据并送入解码模块，解码模块将GNC数据按照解码表解算为物理参数，提供给实时处理模块；实时处理模块将所述物理参数对应的相关信息：名称、参数值、类型、含义、时间和报警范围存储在实时数据库中，中断扫描模块对实时数据库中存储的物理参数对应的相关信息进行状态监测，如果参数状态有更新，则通过软件中断的模式触发通信模块，通信模块从实时数据库中将发生状态更新的物理参数的相关信息提取出来，通过以太网提供给客户端；

所述实时数据库是建立在内存中开辟出的独立存储空间中的内存数据库，所述类型是指参数的实际物理类型，共有三种：整型，浮点，数组；含义是指经过当量处理之后的物理含义；时间是指参数状态更新的时刻；报警范围是指参数的域值范围，超过此范围则为异常状态。

所述采集模块接收航天器测控/数传设备发送的遥测原码数据具体为：

(2.1)采集模块判断是否接收到用户的遥测数据订阅指令，如果接收到遥测数据订阅指令并且校验正确，则进入步骤(2.2)；否则采集模块放弃该遥测数据订阅指令，等待下一条指令的到来；

(2.2)采集模块根据所述遥测数据订阅指令，向航天器测控/数传设备发送所述遥测数据订阅指令对应的订阅请求，之后进入步骤(2.3)；

(2.3)航天器测控/数传设备接收到订阅请求后，根据该订阅请求中的信息，将对应的遥测原码数据发送给采集模块。

所述解包模块根据CCSDC协议对接收到的遥测原码数据进行解析，提取出所述遥测原码数据中的GNC数据具体为：

(3.1)解包模块将接收到的遥测原码数据放入在内存中开辟的循环缓冲区中；

(3.2)提取循环缓冲区中存储的第一帧数据的帧头，判断所述帧头的内容是否与预设帧头结构相符，如果相符，则所述第一帧数据有效，之后进入步骤(3.3)；否则将所述循环缓冲区中的数据清空；

(3.3)如果所述循环缓冲区中的数据长度大于等于帧头中的数据长度信息，则根据帧头中的数据长度信息在所述第一帧数据中提取相应长度的数据，之后进入步骤(3.4)；如果所述循环缓冲区中的数据长度小于帧头中的数据长度信息，则返回步骤(3.1)；

(3.4)根据CCSDC协议对在第一帧数据中提取出来的数据进行解析，从中得到GNC数据；

(3.5)循环执行步骤(3.2)～(3.4)，直到循环缓冲区中的数据长度不足一帧，返回步骤(3.1)。

所述解码表具体为：

参数代号

参数名称

起始字节

字节个数

字节顺序

数据类型

起始位

终止位

当量

参数代号：遥测参数具有的唯一标识；

参数名称：遥测参数的物理名称；

起始字节：参数在GNC数据中的起始位置；

字节个数：参数所占用的原码字节数；

字节顺序：对于两个及两个字节以上的参数，其原码数据的排列顺序，分为高字节在前和低字节在前两种；

数据类型：参数的类型，包括原码、补码、浮点三种类型；

起始位：若参数不满1个字节或跨字节，则此列定义了所占用比特位的起始位置；

终止位：若参数不满1个字节或跨字节，则此列定义了所占用比特位的终止位置；

当量：参数乘以当量后得到有实际物理单位的值。

所述通信模块从实时数据库中将发生状态更新的物理参数的相关信息提取出来，通过以太网提供给客户端具体为：

(5.1)通信模块从实时数据库中将发生状态更新的物理参数的相关信息提取出来，存储在内存中；

(5.2)客户端使用UDP数据包向以太网络中进行广播，查询服务器端的实时数据库中是否包含客户端指定的物理参数相关信息，如果包含，则通信模块向客户端回送UDP包，表明包含此参数，之后进入步骤(5.3)；否则通信模块不响应客户端；

(5.3)通信模块与客户端建立点对点的连接，使用TCP/IP协议进行数据通信，将步骤(5.1)中存储在内存中的客户端指定的物理参数发送给客户端。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中的采集模块具备多通道、高频率、通用的数据采集和解析能力，且支持订阅和校验功能，能够根据用户的指令去选择数据源和检验数据的正确性。

(2)本发明中的解包模块通过开辟内存循环缓冲区和校验数据的帧头、长度方式，解决了复杂网络环境下TCP/IP协议固有的“粘包”等异常问题，避免了判读数据时由于网络传输错误而出现野值；能适应数据量、传送频率、时间间隔多种多样的数据源。

(3)本发明中的解码模块使用通用、成熟的Microsoft Excel软件作为用户输入的工具，且设计的解码表易读、易编写，用户使用时只需编写对应的遥测参数解码表即可实现自动解码，不需要额外的定制工作，大大减轻了用户输入的工作量，有效节约了型号研制时间，在由于航天器AOCC/GNCC应用软件在研制过程中修改而引起遥测参数变化的情况下尤为明显。

(4)通过首次将实时数据库引入航天器GNC系统地面测试和在轨飞控中，基于状态和事件变化对参数进行抽象和建模，使得客户端能够实时获取参数的数值、时间、报警状态等信息，避免了以往“先入库后解码显示”这种处理方法带来的参数显示延迟问题和参数状态信息单一带来的判读效率低等问题；

(5)本发明中的通信模块具备件总线的特点，使得客户端能够通过以太网稳定、高效的访问服务器端的实时数据库；客户端和服务器端都能随时加进系统或从系统中移除，支持分布式测试和远程测试，具备高扩展性和强容错性；

附图说明

图1为本系统总体组成和结构示意图。

图2为采集模块流程图。

图3为解包模块流程图。

图4为解码模块流程图。

图5实时数据库、中断扫描模块运行原理示意图。

图6为通信模块流程图。

图7为本系统的运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

(一)系统总体架构

如图1所示，本发明提供了一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，包括：服务器端、客户端和以太网，服务器端与客户端之间通过以太网通信，服务器端包括采集模块、解包模块、解码模块、实时处理模块、通信模块和中断扫描模块。

本发明应用分布式计算机控制系统(DCS)的理论，把航天器地面测试中的每个数据处理系统中的服务器端抽象成现场控制站点，选择以太网作为系统网络的总线。系统可以设置一台服务器，采集来自众多数据源的数据；系统也可以设置多台服务器，并且每台服务器的数据源可以根据用户配置进行更改，系统的扩展性极强。服务器之间的工作都是独立的，每个判读终端都可以同时监视所有服务器上的数据。这种分布式的体系结构具有网络软件总线特性。无论是客户端还是服务器，在软件总线上都可以做到“即插即用”，在增加和减少客户端和服务器都不会影响系统的稳定运行。

针对测控设备种类多的特点，在服务器端软件中专门研制了跨平台模块OSI(Operating System Independent)，通过此模块，软件可以支持VxWorks、Linux和Windows等多种操作系统和PowerPC、x86等多种处理器架构。客户端软件基于Eclipse平台开发，拥有种类丰富、功能强大的图形控件，并支持用户快速自定义监控界面，通过内置的通道访问并显示协议API库访问服务器端实时数据库中的变量。服务器端与客户端的通信采用Client/Server(CS)架构。

这种架构充分体现了分布式系统的优势：连接无缝、延迟小、数据透明、动态扩展性强等。并且系统可以设置多台功能重复的判读服务器作为备份，一旦一台服务器发生故障，可以将其剔除，且不影响测试数据的连续性。

(二)采集模块

如图2所示，虚线框中的采集模块是本系统的接口程序，连接了订阅终端和数据源，进行数据源选择和数据采集工作。

采集模块一直等待用户订阅某类数据和取消订阅某类数据的订阅指令，若收到订阅指令且检验指令正确无误，则设置要接收此指令中对应的数据，并向航天器测控/数传设备发送所述遥测数据订阅指令对应的订阅请求，然后建立起TCP/IP连接，开始接收数据；若收到取消订阅指令且检验指令正确无误，则关闭指令对应的TCP/IP连接，停止接收数据。若没有订阅指令或指令检验不正确，则处于等待状态。

(三)解包模块

如图3所示，在解包模块将采集模块传递过来的数据放入循环缓冲区中，然后读取循环缓冲区中存储的第一帧数据的帧头，帧头的内容是型号设计规定的格式。帧头的内容与预设帧头结构相符，如果相符，则所述第一帧数据有效；否则认为有无效数据干扰网络环境，将所述循环缓冲区中的数据清空重新开始接收数据。

如果所述循环缓冲区中的数据长度小于帧头中的数据长度信息，这种情况存在于读写操作同时进行的环境下，保持数据缓冲区不变继续等待新的数据；如果所述循环缓冲区中的数据长度大于等于帧头中的数据长度信息，则根据帧头中的数据长度信息在所述第一帧数据中提取相应长度的数据，在第一帧数据中提取出来的数据进行CCSDC协议解析，提取完成后对于新的缓冲区再次进行第一帧数据处理，直到循环缓冲区中的数据长度不足一帧。

(四)解码模块

针对GNC遥测参数多，且在型号研制初期遥测参数表变动频繁、用户输入量大的特点，解码模块设计了一种全新的参数定义文件，即参数解码表。以通用、成熟的办公软件Microsoft Excel作为用户输入的工具，以行为单位定义了每个参数的特征。参数解码表具体为：

参数代号

参数名称

起始字节

字节个数

字节顺序

数据类型

起始位

终止位

当量

以某型号的星时参数为例，在型号技术设计文件中，其参数代号为FTMK001，参数为“返回器星时”，在GNC遥测参数包中从第16到第23字节为此参数的原码，GNCC应用软件按照高字节在前的规则打包遥测，其数据类型为浮点数，当量为1ms，则在参数解码表中，此参数的填写内容具体为：

FTMK001

返回器星时

16

8

高字节在前

浮点

63

0

0.001

如图4所示，在服务器端启动时，软件会读入所有的参数解码表中的所有参数，然后进行初始化，给每一个参数分配好内存空间，再按照解码表中的定义给内存空间中对应的参数变量进行赋值。当解包模块传进来一帧GNC数据时，则按照内存中的参数变量进行解码。还以FTMK001参数为例，解码模块会从一帧GNC数据的第16字节开始读入8个字节，然后按高字节在前的顺序存入一个double型的变量中，再乘以当量0.001，最后就得到此遥测参数的当前值。

按解码表中的排列次序，解码模块依次解算出一包数据中所有参数的值，当此拍数据全部解码后，再一起更新此解码表中全部参数的值和时间，保证本拍数据中的所有参数的时间戳是一样的，保留GNC原始数据的生成特征。然后触发中断扫描模块产生中断。

(五)实时处理模块

实时处理模块的核心是实现了实时数据库。实时数据库也称为内存数据库，其核心思想是根据解码表中的定义，借鉴面向对象的思想，将每个参数先抽象化，并对传统参数处理方法进行扩展，形成静态记录文本文件。除了参数值以外，还扩展定义了此参数的类型、名称、含义、时间、报警范围(如最大值、最小值)、与其他参数的关联关系等多个字段，每个字段有不同的读写权限。

类型是指参数的实际物理类型，共有三种：整型，浮点，数组；含义是指经过当量处理之后的物理含义；时间是指参数状态更新的时刻；报警范围是指参数的域值范围，超过此范围则为异常状态。如下所示：

在此示例中，参数代号为AGNC0，其类型为浮点数double，其名称为AGNC0，其含义为OBC电源电压模拟量遥测，其每次状态更新时的时间存储在timestamp字段中，报警上限HighLevel为5.5，报警下限LowLevel为4.5。

如图5所示，在服务器端启动时，将这些记录全部加载到分配好并严格保护的内存中，将每个记录进行实例化，形成内存数据库中的变量，对应解码表中的实际遥测参数。在运行时，通过中断扫描模块去监视实时数据库中变量的状态，当解码模块或客户端更新了变量值时，会以软件IO中断的形式触发变量的状态更新，给记录中的每个字段进行赋值，并通知通道访问协议能够访问。通过这种方法保证了数据更新的实时性。

(六)通信模块

通信模块基于UDP和TCP/IP协议开发，是连接服务器端和客户端的桥梁，也是实现分布式架构的核心。其工作流程如图6所示，通信模块收到中断扫描模块的触发后，从实时数据库中将发生状态更新的物理参数的相关信息提取出来，存储在事先分配好的内存中。当客户端请求某个物理参数的当前信息时，以参数FTMK001为例，通信模块中的协议规定客户端应首先使用UDP数据包向网络中广播查询报文，询问网络中的哪个地方(实时数据库)中包含参数FTMK001，此网络中可能包含了好多个实时数据库，但是应保证在整个网络内此参数是唯一的，只可能存在于其中一个；其次，若服务器端A中的参数解码表包含此参数，则服务器端A中的通信模块收到查询报文后会跟此客户端进行直连，并回送UDP应答报文，表明包含参数FTMK001；若客户端收到此应答报文，则服务器端A就与客户端软件建立起点对点的连接，并使用TCP/IP协议进行可靠通信，开始传输FTMK001的参数值、时间、报警状态等信息。

使用UDP报文进行应答过程只需要在客户端启动时建立一次，若二者已经建立起TCP/IP连接，则不再进行UDP查询操作。

对于多站点的分布式测试，每个站点的实时数据库都是平等的，通信模块中的协议实现了每个站点都是软件总线上的一个并列节点，与单站点的过程类似，每个站点的参数也都通过此软件总线进行传输，对数据监视终端(客户端)完全屏蔽了多站点的复杂度。

对于数据结构复杂但形式固定的变量，即不可直接由数据源解析得到，需要用数据解析得到的数据进行复杂运算后得出结果，并且用户经常以此结果作为某项指标的判读依据。可以编写接口函数嵌入到判读系统内核中。

对于形式不可预知的变量，即用户经过讨论临时决定进行判读的一个变量，且不能直接有数据源解析得到。可以在判读终端打开Matlab等开发环境，直接调用API接口函数得到现有的数据值。

二次开发的API函数支持Matlab、C、Java、Python等主流编程语言。用户可以使用系统的实时数据和诊断结果进行健康管理等实时处置，也可以将实时数据和诊断结果引入专家系统进行故障预测等。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，其特征在于包括：服务器端、客户端和以太网，服务器端与客户端之间通过以太网通信，服务器端包括采集模块、解包模块、解码模块、实时处理模块、通信模块和中断扫描模块；

采集模块采集航天器测控/数传设备发送的遥测原码数据，并将所述原码数据送入解包模块，解包模块根据CCSDC协议对接收到的遥测原码数据进行解析，提取出所述遥测原码数据中的GNC数据并送入解码模块，解码模块将GNC数据按照解码表解算为物理参数，提供给实时处理模块；实时处理模块将所述物理参数对应的相关信息：名称、参数值、类型、含义、时间和报警范围存储在实时数据库中，中断扫描模块对实时数据库中存储的物理参数对应的相关信息进行状态监测，如果参数状态有更新，则通过软件中断的模式触发通信模块，通信模块从实时数据库中将发生状态更新的物理参数的相关信息提取出来，通过以太网提供给客户端；

所述实时数据库是建立在内存中开辟出的独立存储空间中的内存数据库，所述类型是指参数的实际物理类型，共有三种：整型，浮点，数组；含义是指经过当量处理之后的物理含义；时间是指参数状态更新的时刻；报警范围是指参数的域值范围，超过此范围则为异常状态。

2.根据权利要求1所述的一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，其特征在于：所述采集模块接收航天器测控/数传设备发送的遥测原码数据具体为：

(2.1)采集模块判断是否接收到用户的遥测数据订阅指令，如果接收到遥测数据订阅指令并且校验正确，则进入步骤(2.2)；否则采集模块放弃该遥测数据订阅指令，等待下一条指令的到来；

(2.2)采集模块根据所述遥测数据订阅指令，向航天器测控/数传设备发送所述遥测数据订阅指令对应的订阅请求，之后进入步骤(2.3)；

(2.3)航天器测控/数传设备接收到订阅请求后，根据该订阅请求中的信息，将对应的遥测原码数据发送给采集模块。

3.根据权利要求1所述的一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，其特征在于：所述解包模块根据CCSDC协议对接收到的遥测原码数据进行解析，提取出所述遥测原码数据中的GNC数据具体为：

(3.1)解包模块将接收到的遥测原码数据放入在内存中开辟的循环缓冲区中；

(3.2)提取循环缓冲区中存储的第一帧数据的帧头，判断所述帧头的内容是否与预设帧头结构相符，如果相符，则所述第一帧数据有效，之后进入步骤(3.3)；否则将所述循环缓冲区中的数据清空；

(3.3)如果所述循环缓冲区中的数据长度大于等于帧头中的数据长度信息，则根据帧头中的数据长度信息在所述第一帧数据中提取相应长度的数据，之后进入步骤(3.4)；如果所述循环缓冲区中的数据长度小于帧头中的数据长度信息，则返回步骤(3.1)；

(3.4)根据CCSDC协议对在第一帧数据中提取出来的数据进行解析，从中得到GNC数据；

(3.5)循环执行步骤(3.2)～(3.4)，直到循环缓冲区中的数据长度不足一帧，返回步骤(3.1)。

4.根据权利要求1所述的一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，所述解码表具体为：

参数代号 参数名称 起始字节 字节个数 字节顺序 数据类型 起始位 终止位 当量

参数代号：遥测参数具有的唯一标识；

参数名称：遥测参数的物理名称；

起始字节：参数在GNC数据中的起始位置；

字节个数：参数所占用的原码字节数；

字节顺序：对于两个及两个字节以上的参数，其原码数据的排列顺序，分为高字节在前和低字节在前两种；

数据类型：参数的类型，包括原码、补码、浮点三种类型；

起始位：若参数不满1个字节或跨字节，则此列定义了所占用比特位的起始位置；

终止位：若参数不满1个字节或跨字节，则此列定义了所占用比特位的终止位置；

当量：参数乘以当量后得到有实际物理单位的值。

5.根据权利要求1所述的一种高复杂度航天器GNC数据实时智能处理系统，其特征在于：所述通信模块从实时数据库中将发生状态更新的物理参数的相关信息提取出来，通过以太网提供给客户端具体为：

(5.1)通信模块从实时数据库中将发生状态更新的物理参数的相关信息提取出来，存储在内存中；

(5.2)客户端使用UDP数据包向以太网络中进行广播，查询服务器端的实时数据库中是否包含客户端指定的物理参数相关信息，如果包含，则通信模块向客户端回送UDP包，表明包含此参数，之后进入步骤(5.3)；否则通信模块不响应客户端；

(5.3)通信模块与客户端建立点对点的连接，使用TCP/IP协议进行数据通信，将步骤(5.1)中存储在内存中的客户端指定的物理参数发送给客户端。