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有关PUS协议的通用遥控指令设计及其XTCE描述

  0引  言
  随着航天任务的多样化、多功能化,以及国际交流合作项目的增多,卫星遥控指令的形式和内容越来越复杂。与此同时,缩短航天器研制周期,提高航天器研制效率的需求越来越迫切,对卫星设计的可靠性要求越来越高,因此,如何在较短的时间内设计出适用于复杂航天任务需求的可靠指令系统,成为遥控指令设计的热点问题。
  进行遥控指令的规范化设计,提高指令设计的继承性是提高指令设计效率,增强设计可靠性的高效途径。CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems,空间数据系统咨询委员会)的分包遥控协议为遥控指令的规范化、标准化设计提供了基本保障,它以包的形式对遥控指令进行通用封装,规范了指令的形式[1-2]。ECSS(EuropeanCo-operationforSpaceStandardization,欧洲空间标准化组织)的PUS(PacketUtilizationStandard,包应用标准)协议对分包遥控又做了进一步的分类和细化,为遥控指令的通用化提供了有效的解决途径。
  1基于PUS的遥控指令结构
  PUS对卫星的控制和操作进行了标准化和分类,2001年正式成为ECSS标准(ECSS-E-70-41A)。PUS协议对CCSDS遥控包的副导头字段进行了详尽的定义。
  PUS遥控包结构中的服务类型和服务子类型2个字段对常用的指令进行了分类和标准化定义,并预留了字段对某些专用指令或特殊服务进行扩展。以PUS遥控包结构为基础,结合国内常用的指令形式和结构设计如图2所示的通用遥控数据包结构。包数据域内容由包副导头(即PUS内容)、时间码、指令码、指令参数和CRC(CyclicRedundancyCheck,循环冗余校验)等5个部分组成。
  2指令的分类及扩展
  PUS协议对于常用的指令校验、转发,遥测参数管理、统计,存储管理等常规操作进行了明确定义,协议中已有的指令可直接使用。但目前国内卫星的一些常用操作与PUS协议中的定义略有差别或没有定义,可以使用扩展定义来设置这些指令,以保证所有指令具有相同的结构。
  3关键字段的设计及参数选择
  遥控指令的设计在考虑标准化和通用化需求的基础上,还从星务软件实现的角度进行了规划。遥控设计应尽可能系统化、规范化,为星务软件的解析和实现提供便利。对于遥控指令,APID和遥控指令码是2个比较关键的字段。
  APID分为指令类型标志和软件单元标志,指令类型标志用于区分立即指令或延时指令,软件单元标志用于区分指令对应的星上处理单元。星务软件可以根据APID设计不同的标准化软件模块,不同模块间的操作和功能可以固化和区分开来,便于提高星务软件的通用性和可靠性。软件单元标志的取值码距为4,从分系统级的源头增加指令的识别度。
  4指令的XTCE描述
  现阶段国内遥控数据的描述大多采用基于文本约定的描述方式,即以文档的形式对遥控指令的格式和参数进行描述。基于文本约定的指令描述方式主要存在以下问题:
  1)指令的内容和参数均以文字的形式描述,遥控指令的生成需要特定应用程序实现,无法对指令描述文本直接使用;
  2)应用程序完全依据文本约定的指令格式进行设置,数据结构隐藏在应用程序中,一旦指令格式或内容发生变化,解析软件也需要进行较大的调整,无法快速变更,且容易出现人为修改错误;
  3)由于数据格式约定没有统一的标准,不同单位、甚至同一单位不同卫星项目之间的数据格式约定都不尽相同,数据格式约定以及开发的解析软件均为专用,数据结构不具备继承性,很难为其他系统或后续项目所借鉴和使用。
  为了解决遥控指令文本描述方法的不足,利用XTCE(XMLTelemetricandCommandEx-change,基于可扩展标记语言的遥测遥控数据交换)的数据处理方法已被欧美等国家应用于卫星数据处理系统中。XTCE是一套由OMG(ObjectManage-mentGroup,对象管理组织)提出的,利用XML(eXtensibleMarkupLanguage,可扩展标记语言)描述遥测和命令的数据规范。CCSDSXTCE标准目前已在欧美的许多卫星项目中得到应用。国内卫星研制和应用单位也开始了对该标准的研究。
  5遥控指令的快速动态生成
  应用程序通过调用指令格式库中的指令格式对象来自动生成指令设置界面。对于不带参数的遥控指令,直接设置指令的执行时间即可,默认时间参数为0,即表示是立即指令。
  对于带有参数的遥控指令,程序会根据指令格式库中指令参数的属性自动生成参数设置控件,包括控件的类型(开关型,数值型,表格型,文件选择型,……),控件中参数的类型(整数,浮点数,字符,……),参数的转换公式等。
  遥控指令生成完全是动态化的,程序只需对遥控指令格式库中的格式对象进行选取、设置和显示,对指令格式和内容的修改完全是在遥控指令XTCE模型中进行,这样减少了指令设计过程与实现环节的耦合,实现了遥控指令生成程序的独立性、模块化和标准化。
  先对通用的XTCE遥控模型进行调整,将遥控数据格式配置到遥控XTCE模型中并输出相关的XTCE文件。利用XTCE解析器转换XTCE文件,以遥控数据对象的形式输出到系统数据库中。遥控数据对象即为地面通用的测试程序可直接调用的数据类,该遥控指令以参数配置的方式体现在应用界面上,在对应的控件上输入参数即可生成最终的指令码。相对于传统的遥控指令设计和应用方法,基于XTCE的遥控指令快速设计、生成或修改只需要几分钟的时间,大幅提高了卫星设计效率。
  6结  论
  目前,PUS协议和XTCE规范由于其标准化、规范化和通用化的优点,已逐渐在国内卫星型号中得到越来越多的试验和应用。基于PUS的遥控指令XTCE模型有效地将2种协议的优势结合起来,并在星上软件设计和地面测试软件开发中发挥了有益的推进作用,是提高星上和地面软件标准化,增强软件继承性和复用性的有效途径。随着该方法的不断深入细化完善和在实际工程应用中的经验积累,必将给未来卫星研制带来更大的促进作用。