航天器電測數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)

張海祥 何曉宇 李鵬 呂偉

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

航天器電測是指在統(tǒng)一供配電條件下，對航天器電氣功能、性能、接口等進行的全面檢查。電測過程中，航天器按照一定的格式和頻率下傳數(shù)據(jù)，地面電測設(shè)備對數(shù)據(jù)進行解析、處理和分析，以此對航天器的功能和性能作出評估和判斷［1］。航天器電測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，因此對電測數(shù)據(jù)必須有效存儲。最簡單的做法是利用文件系統(tǒng)來存儲數(shù)據(jù)。這種方式每次將數(shù)據(jù)以文本文件的方式記錄在單個數(shù)據(jù)文件中，然后再利用文件夾來管理所有的數(shù)據(jù)文件。這種形式雖然存儲簡單容易實現(xiàn)，但隨著文件數(shù)量的不斷增加，數(shù)據(jù)變得不可管理，不方便查詢，通用性差，效率不高。

與數(shù)據(jù)文件存儲方式相比，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）在數(shù)據(jù)存儲方面具有明顯的優(yōu)勢：關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)和數(shù)據(jù)庫理論發(fā)展成熟，應(yīng)用工具多；與數(shù)據(jù)文件相比，DBMS能管理的數(shù)據(jù)量大，操作容易；利用SQL語句完成后期數(shù)據(jù)分析，效率高，且具有良好的通用性和可擴展性［2］。航天器電測領(lǐng)域引入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)管理的有效性和方便性，提升航天器測試的信息化水平。

2 航天器電測數(shù)據(jù)特點分析

航天器是一個由供配電、測控、熱控、姿態(tài)與軌道控制、有效載荷等多個分系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各個分系統(tǒng)又分別由若干子單元組成，這些子單元又可進一步分解，直至元器件［3］。為了全面地反映航天器各個組成部分的性能和工作狀態(tài)，每個航天器都設(shè)計了大量的遙測參數(shù)，這些參數(shù)包括電壓、電流、溫度、壓力、星上設(shè)備狀態(tài)等［4］。根據(jù)航天器的實際應(yīng)用情況，可以做出如下假設(shè)：

（1）每個航天器最多由26個分系統(tǒng)組成，為每個分系統(tǒng)設(shè)置一個標識號，依次為A、B、C、…Z；

（2）每個分系統(tǒng)最多有999個遙測參數(shù)，為每個遙測參數(shù)設(shè)置一個參數(shù)序號，例如A 分系統(tǒng)的參數(shù)序號為A001、A002、A003、…A999，B 分系統(tǒng)的參數(shù)序號為B001、B002、B003、…B999，以此類推直到Z分系統(tǒng)。

根據(jù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用類型，航天器電測數(shù)據(jù)可以分為基礎(chǔ)定義數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)定義數(shù)據(jù)是指遙測參數(shù)的定義信息。遙測參數(shù)定義信息中包含該參數(shù)所屬分系統(tǒng)、測量單位、參數(shù)在遙測格式中的位置和下傳周期等。測試數(shù)據(jù)是指電測過程中產(chǎn)生的每個遙測參數(shù)的具體測試值，測試值包括原碼和工程值，原碼是指航天器下傳后未經(jīng)處理的原始值，為十六進制的整數(shù)，工程值是指按照設(shè)計的處理方法和系數(shù)對原碼進行計算處理后的數(shù)值，比如把某一組成部分的電壓，經(jīng)過計算處理將原碼轉(zhuǎn)換成具體的電壓數(shù)值，有利于直觀的判讀。

兩類數(shù)據(jù)相比較而言，基礎(chǔ)定義數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量小，每個航天器一般包含上千個遙測參數(shù)，這類數(shù)據(jù)變化較少，存儲管理相對簡單，該類表的設(shè)計不在本文描述。測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大，一般而言，在航天器電測過程中，重要參數(shù)或變化較快的參數(shù)可達到下傳7 200次／小時，而這類參數(shù)數(shù)量高達數(shù)百個，測試數(shù)據(jù)的存儲管理相對復(fù)雜，測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量占整個電測的數(shù)據(jù)量的98%以上，測試數(shù)據(jù)表的表結(jié)構(gòu)設(shè)計，對整個數(shù)據(jù)庫的性能極為關(guān)鍵，本文主要描述測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法。

3 航天器電測數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

3．1 航天器電測數(shù)據(jù)表設(shè)計方法

表是數(shù)據(jù)庫存儲和管理數(shù)據(jù)的基本邏輯結(jié)構(gòu)，表結(jié)構(gòu)設(shè)計對數(shù)據(jù)庫性能的影響是最直接的［5］。表的橫向的每一列稱為字段，如果表的字段數(shù)量特別多，稱之為橫表，相反表的字段數(shù)量相對少而記錄條數(shù)較多的表稱之為豎表［6］。這兩類表對數(shù)據(jù)庫的各項性能起到截然相反的作用。橫表攜帶的有效信息量多，存儲相同的信息量的情況下其占用的記錄條數(shù)更少，有利于數(shù)據(jù)插入操作，但擴展性不佳。豎表實際上是將一條橫表的大記錄拆成若干條小記錄，為了保證原信息的完整性，必須引入額外的冗余數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)查詢有利。從表結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，是不可能達到各項性能同時最優(yōu)的效果，所以系統(tǒng)數(shù)據(jù)表的設(shè)計關(guān)鍵是選擇合適的字段長度，平衡各性能要素，從而達到總體性能最優(yōu)［7-8］。

測試數(shù)據(jù)的每個遙測參數(shù)相互獨立，邏輯關(guān)系簡單，航天器下傳的每幀數(shù)據(jù)包含3個屬性：時間、參數(shù)序號、測試值。根據(jù)數(shù)據(jù)表設(shè)計的兩個方向：豎表和橫表，其豎表表結(jié)構(gòu)見表1。

表1 豎表數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)Table 1 A vertical table structure

這種表結(jié)構(gòu)形式簡單，但同一時刻需要存儲的數(shù)據(jù)記錄將達到上千條，每秒鐘將增加幾千條數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)爆炸式增長，數(shù)據(jù)冗余大，給數(shù)據(jù)入庫的實時性應(yīng)用造成了很大的影響［9］。這種表結(jié)構(gòu)不適合航天器電測領(lǐng)域。

在橫表設(shè)計中，以時間和參數(shù)序號作為字段名，最簡單的表結(jié)構(gòu)為所有參數(shù)的工程值存入一張表中，如果一個航天器具有參數(shù)A001、A002…C001、C002…Z001、Z002…，則該表的表結(jié)構(gòu)見表2。

表2 橫表數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)Table 2 A horizontal table structure

這種表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)記錄條數(shù)是前一種表結(jié)構(gòu)的幾千分之一，而且可以把時間設(shè)為主鍵，有利于查詢，但這種表結(jié)構(gòu)的突出缺點是列數(shù)太多，如果一個航天器有3 000個參數(shù)，這張表的列數(shù)將達到3 001列，如此多列的表大大影響數(shù)據(jù)庫性能。因此在航天器測試領(lǐng)域需要對這種表進行優(yōu)化改進。

橫表表結(jié)構(gòu)按分系統(tǒng)來劃分，以遙測參數(shù)序號作為字段名，存在缺點是擴展性差，靈活性差，當航天器增加一個新的分系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)庫需要增加一張該分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表，當某一分系統(tǒng)增加一個新的遙測參數(shù)時，該表需要為該參數(shù)增加一個新的字段。為了克服此缺點，結(jié)合前文的假設(shè)，設(shè)計數(shù)據(jù)庫表時，可以為航天器預(yù)先創(chuàng)建26 個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)包含999 個參數(shù)的數(shù)據(jù)庫表，這種最大包絡(luò)的冗余設(shè)計，可以有效解決隨著分系統(tǒng)和參數(shù)的變化而需要修改數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的問題。

在橫表結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫性能與表的字段數(shù)存在如下關(guān)系：當字段數(shù)在某一閾值以內(nèi)時，字段數(shù)的大小對數(shù)據(jù)庫性能影響很小，當字段數(shù)超過該閾值時，數(shù)據(jù)庫性能隨著字段數(shù)的增加而急劇降低。閾值的大小與數(shù)據(jù)庫軟件、數(shù)據(jù)庫屬性設(shè)置、安裝數(shù)據(jù)庫的硬件環(huán)境相關(guān)。在實際的數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)表的字段數(shù)均小于200。

根據(jù)前面的假設(shè)以及最大包絡(luò)的設(shè)計思路，使每個航天器型號包含26個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)包含999個遙測參數(shù)。在橫表模式設(shè)計中，可以按照分系統(tǒng)來劃分，不同分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)劃分到不同的表中，同時為了具體應(yīng)用的方便性，把每個分系統(tǒng)999個遙測參數(shù)的數(shù)據(jù)再等數(shù)量地劃分到5張表中，每張表包含200（或199）個參數(shù)的數(shù)值。這種表結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不僅減少表的字段數(shù)，提高數(shù)據(jù)庫性能，同時使表結(jié)構(gòu)的層次更加清晰。

3．2 在航天器電測中的應(yīng)用

根據(jù)3．1節(jié)設(shè)計的方法，在航天器電測中，測試數(shù)據(jù)表存儲測試過程產(chǎn)生參數(shù)原碼、工程值、測試指令和測試序列等信息。原碼和工程值數(shù)據(jù)表的表名稱定義為：

表名稱＝“航天器編號＿數(shù)據(jù)類型編號＿分系統(tǒng)代號＿原碼｜工程值＿垂直分區(qū)編號＿水平分區(qū)編號”

其中垂直分區(qū)編號是指把每個分系統(tǒng)的999個參數(shù)分配到5張表中，作為每張表的垂直分區(qū)標志號；水平分區(qū)編號是指由于測試時間跨度較長，把全程的測試時間數(shù)據(jù)分配到多張表中而加以區(qū)分的編號，比如把2012年全年的數(shù)據(jù)按季度分配到4張表中進行存儲，則水平分區(qū)的編號可以定義為“201201”、“201202”、“201203”和“201204”。

在航天器電測數(shù)據(jù)庫表設(shè)計中定義的縮寫見表3。

表3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計中名詞縮寫說明Table 3 Abbreviation in the database structure

表3的數(shù)據(jù)表表名稱可以表示為

表名 ＝ WXBH＿SJLX＿FXT＿YM ｜GCZ＿CZFQ＿SPFQ

每張工程值表的表結(jié)構(gòu)都相同，第一列為時間，后面200（或199）列為參數(shù)序號。如航天器編號為SATTEST1，數(shù)據(jù)類型為DATE，C 分系統(tǒng)前199個參數(shù)2012年第一季度的工程表表名為SATTEST1＿DATE＿C＿GCZ＿0＿201201，其具體表結(jié)構(gòu)見表4。

表4 某型號C分系統(tǒng)的第一張工程值表表結(jié)構(gòu)Table 4 First table structure of C subsystem’s value in some spacecraft

原碼表與工程值表類似，只有參數(shù)的數(shù)據(jù)類型不同。如航天器編號為SATTEST1，數(shù)據(jù)類型為DATE，C分系統(tǒng)前199個參數(shù)2012年第一季度的原碼表表名為SATTEST1＿DATE＿C＿YM＿0＿201201，其具體結(jié)構(gòu)見表5。

表5 某型號的C分系統(tǒng)的第一張原碼表表結(jié)構(gòu)Table 5 First table structure of C subsystem’s raw value in some spacecraft

為航天器初始創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表時，一次創(chuàng)建26個分系統(tǒng)的表，每個分系統(tǒng)預(yù)分配999個參數(shù)，這樣避免了測試過程中，增加新的參數(shù)時需要對數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)進行修改。航天器型號的工程值表和原碼表可以用如下集合來表示：

測試數(shù)據(jù)庫表還可以存儲在測試過程中發(fā)送的測試指令和測試序列，指令和測試序列的內(nèi)容相對簡單，可以把指令和序列的相應(yīng)屬性作為表的字段來創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。

4 結(jié)論

利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進行管理，具有管理集中、應(yīng)用方便等優(yōu)點。本文根據(jù)航天器電測數(shù)據(jù)的特點，按照分類分層次的方法，提出了一種面向航天器電測的通用的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，該數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計具有如下優(yōu)點：

（1）通用性強。該表結(jié)構(gòu)與具體的航天器型號特點無關(guān)，所有型號的航天器測試數(shù)據(jù)表均可以按照該方法創(chuàng)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表。該數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)適用于各種通用的數(shù)據(jù)庫軟件，比如ORACLE、MYSQL等，不依賴于數(shù)據(jù)庫軟件的特有特性。

（2）冗余性好。在表結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為分系統(tǒng)個數(shù)和參數(shù)個數(shù)做好了冗余設(shè)計，測試過程中增加新的分系統(tǒng)和新的參數(shù)時，不需要修改數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。

（3）層次結(jié)構(gòu)清晰，命名統(tǒng)一規(guī)范，兼顧數(shù)據(jù)入庫和查詢的效率。在數(shù)據(jù)庫橫表模式的基礎(chǔ)上，進行拆分優(yōu)化，提高了數(shù)據(jù)庫的整體性能。

該數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的集中有效管理，方便對試驗數(shù)據(jù)的分析，提高了數(shù)據(jù)的利用效率，具有良好的通用性和實用性。該數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于“北斗”、“嫦娥”、“神舟”等系列航天器的電測中，可作為航天器電測中通用的表結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

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