基于Linux的航天地面站測控軟件架構(gòu)設(shè)計*

饒 冬，孫甲琦，賈林巧，董偉升

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100094）

引言

信息化在帶來方便快捷的同時也帶來了信息安全隱患。2013年美國“斯諾登事件”暴露了存在于全球的重大信息安全隱患，信息安全已經(jīng)威脅到各國的國防安全。操作系統(tǒng)作為當(dāng)前信息設(shè)備最基礎(chǔ)最重要的一部分，是保障信息安全的重要一環(huán)。現(xiàn)在絕大多數(shù)航天測控設(shè)備使用Windows操作系統(tǒng)。Windows操作系統(tǒng)由外企研發(fā)，代碼封閉，多次被曝光存在“后門”，設(shè)備信息易被竊取，這些都給使用Windows操作系統(tǒng)的航天設(shè)備帶來重大安全隱患。

Linux操作系統(tǒng)是一款內(nèi)核代碼開源的操作系統(tǒng)，可以完全消除內(nèi)核中植入“后門”的安全隱患。而且Linux內(nèi)核由全球Linux愛好者維護，更新速度快，漏洞少，大大降低了不法分子非法竊取信息的幾率。這款安全性高于Windows的操作系統(tǒng)正是當(dāng)前航天系統(tǒng)所需要的。

當(dāng)前航天事業(yè)發(fā)展速度越來越快，任務(wù)越來越繁重，航天測控系統(tǒng)向多設(shè)備、多型號、多頻段發(fā)展，對測控軟件的安全性、實時性、可靠性和重用性提出越來越高的要求。傳統(tǒng)的面向過程的結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計思想難以滿足航天測控系統(tǒng)軟件的可重用、易擴展和易升級的要求，針對該問題，很多文獻提出了相應(yīng)的解決辦法。徐冰霖等提出運用面向服務(wù)的思想來設(shè)計航天測控軟件［1］，李曉偉等提出將設(shè)計模式思想應(yīng)用到航天測控軟件架構(gòu)設(shè)計中［2］，郭力兵等、趙海原等和周錦標(biāo)等提出將構(gòu)件化和組件化思想應(yīng)用到航天測控軟件架構(gòu)設(shè)計中［3～6］，徐廣柱等提出結(jié)合Rational“4+1”視圖法［7］和面向?qū)ο笏枷雭碓O(shè)計航天測控軟件架構(gòu)［8］。以上這些方法都是面向?qū)ο笏枷氲臄U展，本文同樣以面向?qū)ο鬄榛A(chǔ)，結(jié)合構(gòu)件思想和模式思想，從多個方面完成適合Linux系統(tǒng)的測控軟件架構(gòu)設(shè)計，加快航天測控設(shè)備從Windows操作系統(tǒng)向Linux操作系統(tǒng)的遷移。

1 設(shè)計地面測控軟件架構(gòu)的必要性

地面測控軟件是航天地面站測控系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔(dān)著各類實時測量數(shù)據(jù)的收集和處理、各種航天器運行軌道和姿態(tài)的監(jiān)控與確定、各個測控站之間的數(shù)據(jù)信息交換以及測控數(shù)據(jù)的事后分析與處理等一系列任務(wù)。再加上測控系統(tǒng)設(shè)備研制單位多、軟硬件接口復(fù)雜、需求變動多等現(xiàn)況，傳統(tǒng)的面向過程的軟件設(shè)計思想已很難滿足當(dāng)前測控軟件的需求。其原因是，面向過程的軟件設(shè)計思想是一種自頂向下的設(shè)計思路，軟件結(jié)構(gòu)是一棵任務(wù)不斷細分細化的枝節(jié)繁多的函數(shù)樹，一切功能的實現(xiàn)都依賴底層函數(shù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)擴展性太差，一旦需求發(fā)生變化，底層函數(shù)發(fā)生變動，依賴于這些底層函數(shù)的功能都會受到影響，將造成大量繁瑣的改動，嚴重降低了軟件開發(fā)的效率和可維護性。

面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思路與面向過程的相反，它是一種自下而上的設(shè)計思想，從設(shè)計單獨的類開始，通過類的擴展來實現(xiàn)所有的功能。類的封裝性強，類與類之間耦合度低，這極大程度地避免了面向過程“牽一發(fā)而動全身”的缺點。面向?qū)ο蟮募膳c模板特性大大提高了軟件的重用性，其多態(tài)性增強了軟件開發(fā)的擴展性。

面向構(gòu)件的設(shè)計思想是面向?qū)ο笤O(shè)計思想的擴展。構(gòu)件是具有一定集成度并可以重復(fù)利用的軟件組成單元，相比于對象，構(gòu)件具有更大的粒度、更強的獨立性和更好的重用性。

航天地面站測控軟件經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在各個方面都形成了比較成熟的產(chǎn)品，其中很多軟件模塊、函數(shù)庫、文檔等都已得到不同程度的重用，大大避免了重復(fù)開發(fā)，提高了軟件開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。但這還不夠，測控軟件作為一個專業(yè)性很強的應(yīng)用方向，其功能是相對比較集中的。設(shè)計一款專門針對測控軟件的架構(gòu)，既能滿足這種專業(yè)性的需求，又能達到架構(gòu)層次和設(shè)計層次的重用，形成測控軟件從架構(gòu)重用到代碼級重用的全階段重用，促進測控軟件開發(fā)效率的進一步提升。

地面測控系統(tǒng)設(shè)備多、功能多、接口多，其軟件架構(gòu)也必然是功能多樣、接口統(tǒng)一又兼容硬件差異，同時具有通用性強、耦合度低和擴展性強等特點。測控軟件架構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，直接影響著測控應(yīng)用軟件的開發(fā)，如果一開始設(shè)計的架構(gòu)出現(xiàn)問題，以后基于此架構(gòu)開發(fā)的應(yīng)用軟件也必然受到影響，所以架構(gòu)設(shè)計必須經(jīng)過細致、周全的考慮。

2 地面測控軟件架構(gòu)設(shè)計

本文從三個方面來完成測控軟件架構(gòu)設(shè)計，分別是分層設(shè)計視圖、功能交互視圖以及數(shù)據(jù)流導(dǎo)向視圖。

2.1 架構(gòu)分層視圖

分層設(shè)計是軟件架構(gòu)設(shè)計里最常用的方法，分層視圖使得軟件總體架構(gòu)層次分明，結(jié)構(gòu)清晰。清晰的層次架構(gòu)為后續(xù)軟件模塊的劃分、功能的實現(xiàn)和代碼的編寫提供了有力的依據(jù)。測控軟件的分層設(shè)計視圖示于圖1。

圖1 地面測控軟件架構(gòu)分層視圖Fig.1 The layered view of space station TT&C software architecture

圖1是航天測控軟件的服務(wù)框架和平臺架構(gòu)的分層視圖，在該框架的基礎(chǔ)上，測控應(yīng)用軟件可以方便地運用框架提供的接口和服務(wù)，框架除了為應(yīng)用程序提供接口和服務(wù)外，還管理著應(yīng)用程序的類、對象、參數(shù)等。盡管測控軟件功能復(fù)雜繁多，方向豐富多變，接口更新頻繁，很難形成長期統(tǒng)一可用的模塊，但是經(jīng)過多年的實踐和經(jīng)驗積累，我們總結(jié)出了一些規(guī)律，即一些功能模塊在測控軟件中經(jīng)常用到，而且功能相對單一，通用性和適應(yīng)性很強。如通信管理模塊，其主要功能包括通信鏈路的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及通信鏈路的狀態(tài)監(jiān)控等，這些功能和其他模塊之間都是高度松耦合的；再如日志管理模塊，其主要功能是定義日志格式、記錄日志和讀寫日志文件，這些功能同樣常用且與其他模塊耦合度低。如果將這些常用功能模塊寫成統(tǒng)一的軟件構(gòu)件，當(dāng)某應(yīng)用軟件用到這些模塊時可以直接調(diào)用構(gòu)件接口來實現(xiàn)相應(yīng)功能。如數(shù)據(jù)收發(fā)軟件可以直接調(diào)用通信管理模塊的通信通道創(chuàng)建接口和數(shù)據(jù)發(fā)送接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能，這樣既方便使用又能保證擴展性，在提高開發(fā)效率的同時，保證了代碼質(zhì)量。圖1的框架架構(gòu)正是基于這一目的完成的。

層次架構(gòu)分為上中下三層，分別是硬件層、功能處理層和界面層。硬件層主要是硬件板卡的驅(qū)動程序。這些驅(qū)動程序種類繁多，對外提供的接口也各不相同，于是本文設(shè)計出一個硬件訪問接口——硬件訪問管理模塊，將底層的驅(qū)動程序API統(tǒng)一起來管理，并為上層提供統(tǒng)一的接口。有了硬件訪問管理模塊，當(dāng)驅(qū)動發(fā)生變動或更新時，無需更改上層的調(diào)用程序，只要變動驅(qū)動程序與硬件訪問管理之間的銜接即可。這無疑減小了修改代碼的工作量和復(fù)雜度，這樣的松耦合設(shè)計也正是分層結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢。

功能處理層是整個架構(gòu)的核心，平臺的幾乎所有功能都將在這里進行處理。向下它通過硬件訪問管理來調(diào)用驅(qū)動API為本層服務(wù)，向上它為界面程序提供服務(wù)。從圖1可以看出，這些功能包含了測控軟件最基本最常用的功能，如參數(shù)宏設(shè)置、公共信息管理、通信功能、配置管理等，而用戶管理、日志管理和幫助功能更具一般性，這些功能模塊都做成了構(gòu)件，具有很強的通用性。

最上層是界面層，界面是人機交互最直接的部分，它的方便易用及簡潔美觀極大地提高了用戶體驗。界面的數(shù)據(jù)來源及控制都由下層的功能處理來完成。

2.2 架構(gòu)功能交互視圖

眾所周知，軟件管理的資源主要有硬件和數(shù)據(jù)兩種，在本文的測控軟件架構(gòu)中，我們又將數(shù)據(jù)細分為參數(shù)數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)。圖2是地面測控軟件架構(gòu)功能交互視圖。中間部分為對象管理，管理著測控軟件中的所有類，這些類可歸納為設(shè)備類、數(shù)據(jù)類和參數(shù)類三種。這三個資源類之間可以通過消息傳遞進行信息交互，當(dāng)然它們與對象管理之間也存在著信息交互。這三個資源類同時對外提供豐富的接口（圖2中的菱形），通過調(diào)用這些接口，來管理這些資源，實現(xiàn)豐富的功能。

圖2 地面測控軟件架構(gòu)功能交互視圖Fig.2 The function interaction view of space station TT&C software architecture

設(shè)備包括基帶設(shè)備、終端單機設(shè)備、伺服設(shè)備等，設(shè)備類管理著這些硬件設(shè)備，提供相關(guān)驅(qū)動函數(shù)接口，具有設(shè)備間的切換功能和相關(guān)配置功能，同時還對外提供相關(guān)參數(shù)，供其他類來監(jiān)控其狀態(tài)。

數(shù)據(jù)包括遙測數(shù)據(jù)、命令數(shù)據(jù)等，對于這些專業(yè)性很強的數(shù)據(jù)，除了要提供一般數(shù)據(jù)所需的簡單接口，如收發(fā)功能、存儲功能和顯示功能外，還要提供專業(yè)的處理功能，而這些專業(yè)處理功能大多比較復(fù)雜，如遙測數(shù)據(jù)的解調(diào)、解碼、相關(guān)轉(zhuǎn)換和計算等。

這里的參數(shù)主要以宏的形式體現(xiàn)，包括參數(shù)宏、任務(wù)宏、配置宏等，這類宏信息通過XML文件來管理。測控軟件中參數(shù)眾多，更改更新頻繁，且參數(shù)過于復(fù)雜，而XML文件正好具有結(jié)構(gòu)清晰、通用性強、易讀寫和易管理等特點，因此它廣泛用于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲和管理。參數(shù)類提供宏編輯、宏調(diào)用等多種宏管理手段。

2.3 數(shù)據(jù)流導(dǎo)向視圖

地面測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流主要包括遙測數(shù)據(jù)和遙控指令。遙測數(shù)據(jù)從彈、箭、星流向基帶設(shè)備再到測控中心，遙控指令則剛好相反，是從測控中心流向基帶設(shè)備再到彈、箭、星及各種航天器。

圖3是地面測控軟件架構(gòu)的數(shù)據(jù)流導(dǎo)向視圖?，F(xiàn)在基帶設(shè)備的功能越來越強大，足以處理所有經(jīng)過終端單機設(shè)備的遙測遙控數(shù)據(jù)。對于遙測數(shù)據(jù)，基帶設(shè)備采集到數(shù)據(jù)后，進入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，如果對數(shù)據(jù)沒有實時性要求，則由數(shù)據(jù)存儲程序?qū)⑦b測數(shù)據(jù)存入磁盤等介質(zhì)，以便對數(shù)據(jù)進行事后處理；如果對數(shù)據(jù)的實時性要求高，需要實時處理，則將遙測數(shù)據(jù)交由實時數(shù)據(jù)處理程序處理，并實時顯示；如果要求實時轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，則將遙測數(shù)據(jù)直接實時轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)，最后發(fā)送到測控中心。對于遙控指令，測控中心形成的指令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給基帶設(shè)備，基帶設(shè)備接收到指令數(shù)據(jù)后，交由處理程序加工，然后由基帶設(shè)備發(fā)送到各航天器。

圖3 地面測控軟件架構(gòu)數(shù)據(jù)流導(dǎo)向視圖Fig.3 The data stream guiding view of space station TT&C software architecture

數(shù)據(jù)流視圖從另一個截面反映了架構(gòu)的復(fù)雜性及可能出現(xiàn)的諸多問題，如多個基帶設(shè)備采集多個航天器的多個數(shù)據(jù)，并且向多個測控中心轉(zhuǎn)發(fā)，如何保證軟件的通用性和數(shù)據(jù)流的準(zhǔn)確性；對于需要實時處理的數(shù)據(jù)，如何保證邊處理邊實時轉(zhuǎn)發(fā)的要求；對于實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)，如何合理分配資源，在保證質(zhì)量的同時避免資源浪費。如此諸多細節(jié)問題都是架構(gòu)設(shè)計過程中需要考慮并解決掉的。

3 架構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 跨平臺技術(shù)

隨著Linux操作系統(tǒng)在測控設(shè)備中的推廣應(yīng)用，今后設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用環(huán)境將是Windows與Linux的交互使用，而測控系統(tǒng)軟件的跨平臺應(yīng)用將顯得尤為重要。盡管Linux和Windows在設(shè)計上存在巨大的差異，但在一些通用協(xié)議上它們是一致的，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文架構(gòu)的實現(xiàn)采用功能強大的C++編程語言，Linux和Windows兩個系統(tǒng)的編譯工具對C++語言的支持程度很高，可用的函數(shù)庫也很豐富，但這些函數(shù)庫和編譯工具不具備跨越操作系統(tǒng)的特性。最終，我們采用Qt函數(shù)庫，它可以在不同操作系統(tǒng)上將C++語言編譯成適合該系統(tǒng)的二進制代碼，從而實現(xiàn)流暢的跨平臺功能，解決了操作系統(tǒng)間的異構(gòu)問題，大大提高了開發(fā)效率。

3.2 系統(tǒng)功能的集成和交互

軟件架構(gòu)的設(shè)計關(guān)注軟件系統(tǒng)的組成及組成元素之間的交互，系統(tǒng)功能的集成和交互是架構(gòu)的基本功能。在Linux系統(tǒng)上，我們把地面站測控系統(tǒng)軟件模塊編譯成動態(tài)共享庫，采用這種動態(tài)執(zhí)行方式可使軟件達到文件級的動態(tài)無縫集成。各個模塊構(gòu)件之間形成了粗粒度的松耦合交互，構(gòu)件內(nèi)部的實現(xiàn)對外是不可見的，僅需要提供對外接口就能實現(xiàn)相應(yīng)功能。同時，軟件構(gòu)件的開發(fā)是獨立的，保證了軟件團隊協(xié)作開發(fā)的效率，具有重要的現(xiàn)實意義。對于系統(tǒng)功能之間的交互，我們采用在對象之間進行消息傳遞的方式實現(xiàn)。

3.3 消息傳遞

功能對象之間通過消息進行交互，一種方式是通過函數(shù)（或接口）的調(diào)用向被調(diào)用者傳遞消息，但是當(dāng)增加一個需要接收這個消息的對象時，調(diào)用者并不知道新增加的對象需要接收消息，因而未能傳遞消息。此時可以采用廣播機制，即一旦有消息要發(fā)送，則調(diào)用所有功能模塊發(fā)送消息。這就帶來了性能問題，有的模塊沒有判斷是否是自己的消息也進行了處理，導(dǎo)致不可預(yù)料的錯誤或異常。最合理的處理方法是，一方面發(fā)送者和接收者都不需要知道對方，另一方面接收者收到的正好是自己要收到的信息。本文采用“注冊-接收”的方式，消息接收者向發(fā)送者注冊，說明自己想要接收的消息類型，這樣在每個發(fā)送者那里就會形成一個接收者列表；當(dāng)發(fā)送者向外發(fā)送消息時，先在接收者列表里找到需要接收該消息的接收者，然后直接將消息發(fā)給該接收者。這種方式避免了廣播機制帶來的性能問題，是目前最適合本架構(gòu)的消息傳遞機制。

3.4 數(shù)據(jù)共享

在測控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的接收解調(diào)是一項重要功能，解調(diào)后的數(shù)據(jù)將用于實時顯示、存儲、測試、對外傳輸?shù)忍幚?，這就要求數(shù)據(jù)能夠共享。數(shù)據(jù)共享既需要有足夠的緩存以保證處理功能能夠完成對數(shù)據(jù)的處理，又要具有較高的實時性。與消息傳遞類似，數(shù)據(jù)共享可以分為被動提供和主動傳遞兩種方式，被動提供采用“生產(chǎn)者-消費者”模式，生產(chǎn)者負責(zé)將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，消費者從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，而主動傳遞方式則是由數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收者處理，以滿足實時性要求。

4 軟件架構(gòu)的實現(xiàn)

本文設(shè)計的軟件架構(gòu)在CentOS操作系統(tǒng)（一種Linux發(fā)行版操作系統(tǒng)）上實現(xiàn)，集成開發(fā)環(huán)境是Qt Creator，圖形開發(fā)庫是Qt，實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 軟件架構(gòu)實現(xiàn)Fig.4 Software architecture implementation view

首先根據(jù)設(shè)計文檔實現(xiàn)架構(gòu)的模板，模板主要包含了定義各個模塊接口類虛函數(shù)的頭文件。以通信管理模塊的接口類虛函數(shù)為例，模板頭文件里函數(shù)定義如下（只列出兩個）:

//名稱:取通道對象

定義:int GetChannel（uchar szChannelID［］，ICommunication-Channel*pChannel）

//名稱:發(fā)送數(shù)據(jù)

定義:int SendDataToChannel（uchar szChannelID［］，uchar aData［］，int iDataLen）

整個頭文件包含了十多個接口類，上百個接口類虛函數(shù)，這些虛函數(shù)都將在各模塊實現(xiàn)類里實現(xiàn)。

接著是架構(gòu)主程序和各模塊的實現(xiàn)，它們都以架構(gòu)模板為基礎(chǔ)，各模塊主要實現(xiàn)模板中接口類的虛函數(shù)，完成特定的功能。主程序同樣以模板為基礎(chǔ)，首先是初始化工作，然后加載各個模塊的信息，建立相關(guān)模塊接口類對象，調(diào)用模塊接口類函數(shù)，以完成主程序的服務(wù)功能。如建立參數(shù)宏模塊的接口類對象，調(diào)用該接口類的參數(shù)讀取函數(shù)，即可從XML配置文件中讀取相關(guān)配置信息，接著再建立界面管理模塊的接口類對象，調(diào)用其界面顯示函數(shù)來顯示這些配置信息。主程序運行流程如圖5所示。

圖5 主程序運行Fig.5 Main software running view

最后，航天地面站測控軟件應(yīng)用程序的實現(xiàn)同樣是基于架構(gòu)模板的，同時調(diào)用主程序提供的服務(wù)和模塊提供的接口函數(shù)。應(yīng)用程序開發(fā)人員只要熟悉了各模塊的接口函數(shù)，即可簡單方便地調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，快速完成開發(fā)任務(wù)，這將極大地提高軟件開發(fā)效率。

5 結(jié)束語

本文以面向?qū)ο笏枷霝榛A(chǔ)，從三個方面對航天地面站測控軟件架構(gòu)進行分析，闡述了架構(gòu)設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)。該架構(gòu)的服務(wù)框架和平臺已經(jīng)在Linux操作系統(tǒng)上得以實現(xiàn)，部分應(yīng)用程序也在該架構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。實踐證明，該架構(gòu)確實有利于提高軟件的開發(fā)效率，對于全面提高整個測控軟件的可重用性、安全性、可靠性和可維護性具有極大的促進作用。后續(xù)還將完成架構(gòu)的具體性能測試及進一步的改進工作，如有可能，還將嘗試移植架構(gòu)到嵌入式平臺，這些工作都具有重要的現(xiàn)實意義。

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