CN111930351A - 基于实时操作系统的任务规划软件实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，包括：步骤1：构建多星协同地面验证系统，验证多星协同的有效性；步骤2：创建周期性线程，对各线程进行周期性控制；步骤3：创建触发式线程，响应周期性线程，进行任务规划；步骤4：对星间数据包进行数据处理。本发明每个子功能模块都可以实现数据接收、解析、转发、任务的动态调度，提高了任务规划软件研制的灵活性和便利性，降低了任务规划软件设计人员的设计压力，提高了卫星自主任务规划软件研制效率，具有较高的使用价值和意义。
Description
技术领域
本发明涉及星务软件设计领域，具体地，涉及一种基于实时操作系统的任务规划软件实现方法。
背景技术
随着航天技术的不断发展，卫星平台研制逐步随着小型化、周期短、通用化、智能化进行发展，同时伴随着卫星载荷的多样性和卫星业务设计的复杂性。为了满足实际卫星调度需求，同时针对各种不确定性导致的变化，设计快速有效的调度算法和策略也越发迫切。多星自主任务规划技术是能更好的对卫星资源和地面资源结合利用起来的有效手段，同时也是整个星群控制系统中至关重要的一个环节。因此，采用实时操作系统的卫星自主任务规划软件架构的需求日益提升。
多星协同自主任务规划软件是一项综合复杂的系统工程，功能多样，多任务以及强实时已经成为了任务规划系统软件的主要特点，这也对系统软件的架构设计提出了更高的要求。多星协同自主任务规划软件按照功能进行划分，以模块化软件架构设计思路实现，逐步成为卫星自主任务规划软件的开发趋势。一个合理、高效、灵活、稳定的模块化软件架构，能够有效降低功能数据耦合，提高软件的稳定性和排查错误的高效性。近些年，卫星自主任务规划软件技术发展非常迅速，各种卫星任务规划软件架构在卫星应用领域得到了广泛的应用。
现有自主任务规划软件架构是将任务规划功能模块划分至进程中，通过共享内存的方式提供模块间的数据交互，这虽然降低了模块间的数据耦合，这使得模块间的数据得不到有效的同步，无法保证数据的完整性，比如上游子功能模块写入一片数据，还未写完则被切换至下游子功能模块，导致下游子功能模块无法获取完整的片区数据，再如下游还未读取数据，上游优先被切换，新的数据覆盖了旧数据。因此这种模块化的卫星自主任务规划软件架构需要用户自行设计维护模块间数据交互的同步性和完整性，对软件人员的开发能力和软件数据传输稳定性提出了很高的要求。
专利文献CN108388958A(申请号：201810093044.1)公开了一种二维姿态机动卫星任务规划技术研究的方法及装置，方法包括构建卫星任务规划相关的数据库；读取数据库中的数据，并对数据进行预处理；对数据及卫星关系数据进行抽象，获取逻辑资源数据；定义约束变量；基于约束变量和任务调度模型的假设，建立任务调度模型；在任务调度模型中应用规划算法，执行规划算法的迭代过程，对逻辑资源数据进行约束处理；在迭代过程满足规划算法的终止准则时，获取满足终止准则的最优解，把解码最优解得到的规划方案作为二维姿态机动卫星任务规划的最优方案。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于实时操作系统的任务规划软件实现方法。
根据本发明提供的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，包括：
步骤1：构建多星协同地面验证系统，验证多星协同的有效性；
步骤2：创建周期性线程，对各线程进行周期性控制；
步骤3：创建触发式线程，响应周期性线程，进行任务规划；
步骤4：对星间数据包进行数据处理。
优选的，所述多星协同地面验证系统包括应用层、服务层和资源层，结合星上层，进行可视化闭环验证多星协同的有效性。
优选的，任务规划软件的运行周期为1s，各线程进行周期性释放匿名信号量控制其他线程的运行，任务规划进程启动后周期性线程开始运行，通过实时读取上注指令以及相关标志位的变化执行相关操作；
所述周期性线程包括：星上任务单自主筹划线程、星内单机控制处理线程和星间任务启动及调度线程。
优选的，所述星上任务单自主筹划线程通过链表形式实现，对协同任务队列的任务进行插入、替换和删除；
对应急任务插入后的星上任务单进行重新筹划。
优选的，所述星内单机控制处理线程执行包括：
在预设时间点给载荷发送指令，实现卫星姿态对日、对地指令生成以及目标星指向控制；
生成雷达侦察载荷的程控作业表，对数据服务器进行开关机控制、状态切换和模式设置；
对星间高速接收终端进行开关机控制和参数设置，对信息融合载荷进行开关机控制和参数设置。
优选的，所述星间任务启动及调度线程执行包括：
启动临近的多星协同任务；
通过发送星间协同数据包给各星，让各星执行相关成像任务，接收各星状态反馈数据包；
启动星内对地定向和载荷开机的状态准备，控制成员星进入协同状态。
优选的，所述触发式线程通过等待Posix信号量，调用sem_wait函数，当周期性线程满足线程触发条件，使用sem_post函数释放信号量对触发式线程进行激活；
所述触发式线程包括：聚焦成像规划线程、综合引导信息处理线程、星间数传规划处理线程和区域拼接处理线程。
优选的，所述聚焦成像规划线程通过提取协同有效的卫星的状态反馈数据包发送来的WGS84数据，计算得出聚焦目标的编号、成像模式和侧摆角；
所述综合引导信息处理线程通过多级排序生成待成像引导目标队列，将目标信息存入缓存区，在其他触发式线程运行后，将缓存内的目标信息传给其他线程进行任务规划。
优选的，协同成像后，进入星间数传任务规划处理过程，通过星间低速网发送协同调度数据包，启动各星进入星间数传协同流程，各星执行数据传输准备及姿态机动控制高速天线指向，根据各星申请时长和准备状态，通过贪婪算法获得时间规划的最优解，依次分配星间数传任务给各星；
根据各星准备状态，筛选出参与成像任务的卫星并确定参与本次拼接的卫星集合及各星所用的成像模式，根据拼接区域多边形任务描述的顶点坐标，以地面预设各星拼接排布顺序、预设的重叠度要求、飞行方向平行的长方形覆盖目标多边形区域，将拼接后成像区域分解，分配给各有效成员星。
优选的，所述步骤4包括：在数据收发时创建FIFO队列，队列数据结构包括队列深度、队列头部、队列尾部、对应的数据包体以及对应的卫星编号；
FIFO队列执行任务包括：队列初始化、判断队列是否为空、队列中数据包的插入与送出、判断队列数据包是否满。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将多星协同自主任务规划软件按照功能划分至线程中，功能间可任意进行函数接口调用，各种全局数据可直接相互访问和修改；
2、本发明实现多星协同自主任务规划软件架构的各线程的命令接收、解析、转发以及任务的动态调度，同时利用全局数据实现线程间的数据交互，能够有效保证数据完整性，且传输延迟低，能够很好地满足多星协同任务规划软件的设计要求；
3、本发明提供了多种应用接口，减少了模块耦合性，大大提高任务规划软件研制的灵活性和便利性，降低了任务规划软件设计人员的设计压力，提高了卫星自主任务规划软件研制效率，具有较高的使用价值和意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1多星协同自主任务规划软件数据流示意图；
图2基于实时操作系统的多星协同自主任务规划软件架构图；
图3多星协同自主任务规划模块功能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的基于实时操作系统的任务规划软件架构设计方法，包括：
步骤1：多星协同自主任务规划软件架构及实现；
步骤2：创建周期性线程；
步骤3：创建触发式线程；
步骤4：星间数据包数据处理；
所述步骤1中，多星协同地面验证系统由应用层、服务层以及资源层组成，结合星上层，实现可视化闭环验证多星协同的有效性。
所述步骤2中，自主任务规划软件的运行周期为1s。为保证多个线程的周期性调度，自主任务规划软件利用操作系统提供的定时器信号，各线程通过等待1s的定时器信号获得1s的周期性时间，进而周期性释放匿名信号量控制其他线程的运行，任务规划进程启动后周期性线程则开始运行，通过实时读取上注指令以及相关标志位的变化执行相关操作。
任务规划进程下周期性线程主要有：星上任务单自主筹划线程、星内单机控制处理线程、任务启动及调度线程。
星上任务单通过链表形式实现，支持对协同任务队列的任务插入、替换、删除操作；支持应急任务插入后的星上任务单重新筹划；星上支持同一地区多次观测的协同任务上注；任务筹划结果不应与已有单星侦察任务、数传任务冲突；
星内单机控制处理线程主要负责在特定时间点给载荷发送特定的指令，其指令数据结构主要包含了指令是否可以发送标志位、指令是否已经发送标志位、指令发送时间、以及指配置函数的指针等。
星内单机控制处理线程的主要功能是为了实现卫星姿态对日、对地指令生成、以及目标星指向控制等；雷达侦察载荷的程控作业表生成，数据服务器的开关机、状态切换、模式设置；星间高速接收终端的开关机控制，参数设置；信息融合载荷的开关机，参数设置，融合控制；
星间任务启动及调度线程主要实现启动临近的多星协同任务；通过发送星间协同数据包给各星让各星执行相关成像任务；接收各星状态反馈数据包；启动星内对地定向、载荷开机等状态准备；最终控制成员星进入协同状态。
所述步骤3中，触发式线程通过等待POSIX信号量，调用sem_wait函数，在周期性线程中当满足线程触发条件，使用sem_post函数释放一个信号量来实现触发式线程的激活。
触发式线程主要有聚焦成像规划线程、综合引导信息处理线程、星间数传规划处理线程、区域拼接处理线程等。
综合引导信息处理线程通过多级排序生成待成像引导目标队列，将目标信息存入缓存区，等到其他触发式线程运行后，将缓存内的目标信息传给其他线程进行任务规划。
聚焦成像规划线程主要通过提取协同有效的卫星的状态反馈数据包发送来的WGS84数据，通过预处理模块的相关计算得出聚焦目标的编号、成像模式、侧摆角等。
协同成像流程结束后，会进入星间数传任务规划处理过程，通过星间低速网发送协同调度数据包，启动各星进入星间数传协同流程，各星执行数据传输准备及姿态机动控制高速天线指向，根据各星申请时长和准备状态，通过贪婪算法获得时间规划的最优解，依次分配星间数传任务给各星。
根据各星准备状态，筛选出参与成像任务的卫星并确定参与本次拼接的卫星集合及各星所用的成像模式，根据拼接区域多边形任务描述的顶点坐标，以地面预设各星拼接排布顺序，以一定的重叠度要求，以飞行方向平行的长方形覆盖目标多边形区域，将拼接后成像区域分解，分配给各有效成员星。
所述步骤4中，为缓解星内总线通信压力，避免数据包丢失，在数据收发时创建了FIFO，队列数据结构包括队列深度、队列头部、队列尾部、对应的数据包体以及对应的卫星编号。
FIFO的主要功能函数有：队列初始化、判断队列是否为空、队列中数据包的插入与送出、判断队列数据包是否满。
实施例2：
多星协同自主任务规划软件属于应用软件，其实现过程按照需求、开发、测评、测试验证等依次进行。为降低星载软件之间的耦合性，可将其单独开辟为一个进程，具有以下一些功能：接收并处理地面上注遥控包、星间和星内信息交互、引导信息处理、各成员星任务分配规划、组过程遥测等，如图1所示。
在基于风云翼辉(类UNIX)操作系统的多星协同自主任务规划软件架构中，多星协同自主任务规划进程、姿轨控进程、数管进程以及其他进程共同组成了多进程星务软件。通过进程间的数据交互，多星协同自主任务规划软件实现了星间数据收发、星间数据收发以及遥控遥测，如图3所示。
多星协同自主任务规划进程功能实现主要通过周期性线线程以及触发式线程。线程间的数据共享采用全局变量的形式。通过使用互斥信号量来实现对全局变量的数据保护。周期性线程中包含了星上任务单自主筹划模块、星内单机控制处理模块、任务启动及调度模块，触发式线程包括聚焦成像规划模块、星间数传规划处理模块、区域拼接处理模块，如图2所示。
多星协同地面验证系统由应用层、服务层以及资源层组成，结合星上层，实现可视化闭环验证多星协同的有效性。自主任务规划软件的运行周期为1s。为保证多个线程的周期性调度，自主任务规划软件利用操作系统提供的定时器信号，各线程通过等待1s的定时器信号获得1s的周期性时间，进而周期性释放匿名信号量控制其他线程的运行，任务规划进程启动后周期性线程则开始运行，通过实时读取上注指令以及相关标志位的变化执行相关操作。
任务规划进程下周期性线程主要有：星上任务单自主筹划线程、星内单机控制处理线程、任务启动及调度线程。
星上任务单通过链表形式实现，支持对协同任务队列的任务插入、替换、删除操作；支持应急任务插入后的星上任务单重新筹划；星上支持同一地区多次观测的协同任务上注；任务筹划结果不应与已有单星侦察任务、数传任务冲突。
星内单机控制处理线程主要负责在特定时间点给载荷发送特定的指令，其指令数据结构主要包含了指令是否可以发送标志位、指令是否已经发送标志位、指令发送时间、以及指配置函数的指针等。其主要功能是为了实现卫星姿态对日、对地指令生成、以及目标星指向控制等；雷达侦察载荷的程控作业表生成，数据服务器的开关机、状态切换、模式设置；星间高速接收终端的开关机控制，参数设置；信息融合载荷的开关机，参数设置，融合控制；星间任务启动及调度线程主要实现启动临近的多星协同任务；通过发送星间协同数据包给各星让各星执行相关成像任务；接收各星状态反馈数据包；启动星内对地定向、载荷开机等状态准备；最终控制成员星进入协同状态。
触发式线程通过等待POSIX信号量，调用sem_wait函数，在周期性线程中当满足线程触发条件，使用sem_post函数释放一个信号量来实现触发式线程的激活。触发式线程主要有聚焦成像规划线程、综合引导信息处理线程、星间数传规划处理线程、区域拼接处理线程等。
综合引导信息处理线程通过多级排序生成待成像引导目标队列，将目标信息存入缓存区，等到其他触发式线程运行后，将缓存内的目标信息传给其他线程进行任务规划。聚焦成像规划线程主要通过提取协同有效的卫星的状态反馈数据包发送来的WGS84数据，通过预处理模块的相关计算得出聚焦目标的编号、成像模式、侧摆角等。预处理计算模块主要为星地几何计算公共模块，主要包括轨道模型计算、姿态模型计算、可见性计算、坐标转换以及环境模型计算等，如图3所示。
协同成像流程结束后，会进入星间数传任务规划处理过程，通过星间低速网发送协同调度数据包，启动各星进入星间数传协同流程，各星执行数据传输准备及姿态机动控制高速天线指向，根据各星申请时长和准备状态，通过贪婪算法获得时间规划的最优解，依次分配星间数传任务给各星。
根据各星准备状态，筛选出参与成像任务的卫星并确定参与本次拼接的卫星集合及各星所用的成像模式，根据拼接区域多边形任务描述的顶点坐标，以地面预设各星拼接排布顺序，以一定的重叠度要求，以飞行方向平行的长方形覆盖目标多边形区域，将拼接后成像区域分解，分配给各有效成员星。
为缓解星内总线通信压力，避免数据包丢失，在数据收发时创建了FIFO，队列数据结构包括队列深度、队列头部、队列尾部、对应的数据包体以及对应的卫星编号。FIFO的主要功能函数有：队列初始化、判断队列是否为空、队列中数据包的插入与送出、判断队列数据包是否大于最大队列数。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建多星协同地面验证系统，验证多星协同的有效性；
步骤2：创建周期性线程，对各线程进行周期性控制；
步骤3：创建触发式线程，响应周期性线程，进行任务规划；
步骤4：对星间数据包进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，所述多星协同地面验证系统包括应用层、服务层和资源层，结合星上层，进行可视化闭环验证多星协同的有效性。
3.根据权利要求1所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，任务规划软件的运行周期为1s，各线程进行周期性释放匿名信号量控制其他线程的运行，任务规划进程启动后周期性线程开始运行，通过实时读取上注指令以及相关标志位的变化执行相关操作；
所述周期性线程包括：星上任务单自主筹划线程、星内单机控制处理线程和星间任务启动及调度线程。
4.根据权利要求3所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，所述星上任务单自主筹划线程通过链表形式实现，对协同任务队列的任务进行插入、替换和删除；
对应急任务插入后的星上任务单进行重新筹划。
5.根据权利要求3所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，所述星内单机控制处理线程执行包括：
在预设时间点给载荷发送指令，实现卫星姿态对日、对地指令生成以及目标星指向控制；
生成雷达侦察载荷的程控作业表，对数据服务器进行开关机控制、状态切换和模式设置；
对星间高速接收终端进行开关机控制和参数设置，对信息融合载荷进行开关机控制和参数设置。
6.根据权利要求3所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，所述星间任务启动及调度线程执行包括：
启动临近的多星协同任务；
通过发送星间协同数据包给各星，让各星执行相关成像任务，接收各星状态反馈数据包；
启动星内对地定向和载荷开机的状态准备，控制成员星进入协同状态。
7.根据权利要求1所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，所述触发式线程通过等待Posix信号量，调用sem_wait函数，当周期性线程满足线程触发条件，使用sem_post函数释放信号量对触发式线程进行激活；
所述触发式线程包括：聚焦成像规划线程、综合引导信息处理线程、星间数传规划处理线程和区域拼接处理线程。
8.根据权利要求7所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，所述聚焦成像规划线程通过提取协同有效的卫星的状态反馈数据包发送来的WGS84数据，计算得出聚焦目标的编号、成像模式和侧摆角；
所述综合引导信息处理线程通过多级排序生成待成像引导目标队列，将目标信息存入缓存区，在其他触发式线程运行后，将缓存内的目标信息传给其他线程进行任务规划。
9.根据权利要求8所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，协同成像后，进入星间数传任务规划处理过程，通过星间低速网发送协同调度数据包，启动各星进入星间数传协同流程，各星执行数据传输准备及姿态机动控制高速天线指向，根据各星申请时长和准备状态，通过贪婪算法获得时间规划的最优解，依次分配星间数传任务给各星；
根据各星准备状态，筛选出参与成像任务的卫星并确定参与本次拼接的卫星集合及各星所用的成像模式，根据拼接区域多边形任务描述的顶点坐标，以地面预设各星拼接排布顺序、预设的重叠度要求、飞行方向平行的长方形覆盖目标多边形区域，将拼接后成像区域分解，分配给各有效成员星。
10.根据权利要求1所述的基于实时操作系统的任务规划软件实现方法，其特征在于，所述步骤4包括：在数据收发时创建FIFO队列，队列数据结构包括队列深度、队列头部、队列尾部、对应的数据包体以及对应的卫星编号；
FIFO队列执行任务包括：队列初始化、判断队列是否为空、队列中数据包的插入与送出、判断队列数据包是否满。
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