多通道-協(xié)議模型的設(shè)計和應(yīng)用

施 斌，王 華，鮑俊雷，李 陽，李 磊

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

0 引言

航天器遙測［1］（簡稱星遙）數(shù)據(jù)處理是航天試驗任務(wù)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中復(fù)雜程度最高的問題。星遙數(shù)據(jù)格式復(fù)雜多樣，不同航天器和衛(wèi)星平臺的數(shù)據(jù)格式定義均不相同，大致包括主副幀格式、分包格式、混合幀格式、循環(huán)計數(shù)格式等類別，且隨著新平臺的出現(xiàn)不斷增加，經(jīng)常出現(xiàn)需要跨幀處理的各種層次嵌套子格式，參數(shù)間存在復(fù)雜的依賴關(guān)系?，F(xiàn)有任務(wù)軟件的星遙數(shù)據(jù)處理模型是基于“幀-字段”組織的，幀格式通過設(shè)計不同的星遙幀處理方法進行描述，其下的每個字段對應(yīng)描述具體參數(shù)格式。這種模型，存在以下問題：

1）單一星遙幀處理方法［2-4］的描述能力有限，無法適應(yīng)星遙格式中需要跨幀處理的各種層次嵌套子格式；

2）無法有效描述參數(shù)間的復(fù)雜依賴關(guān)系；

3）模型的通用性、擴展性較差，新的數(shù)據(jù)格式變化（即使很小的變化）也需要重新設(shè)計幀處理方法，導(dǎo)致軟件代碼頻繁更動。

因此，現(xiàn)有基于“幀-字段”組織結(jié)構(gòu)的星遙數(shù)據(jù)處理模型難以適應(yīng)高密度試驗任務(wù)下星遙數(shù)據(jù)格式頻繁變化的實際情況，急需設(shè)計一種描述能力更強、通用性更好的星遙數(shù)據(jù)處理模型，解決需跨幀處理的層次嵌套子格式描述和參數(shù)依賴問題。

1 模型設(shè)計

1.1 參數(shù)依賴處理設(shè)計

星遙參數(shù)間依賴關(guān)系錯綜復(fù)雜，大致可以分為兩類：關(guān)鍵字依賴和方法依賴。關(guān)鍵字依賴，是指某些參數(shù)的有效性需要以某個參數(shù)（即關(guān)鍵字參數(shù)）的處理結(jié)果為前提。方法依賴，是指某個參數(shù)的計算處理方法需要某些參數(shù)的處理結(jié)果。實際的星遙參數(shù)依賴關(guān)系可能是這樣的：某個參數(shù)依賴其他參數(shù)，而其自身也被其他參數(shù)依賴，依賴關(guān)系可能是其中一種或兩種兼而有之。

顯然，被依賴參數(shù)應(yīng)該優(yōu)先處理出來，其他參數(shù)才能處理成功。因此，星遙參數(shù)的處理并不是順序的或隨機的，應(yīng)該根據(jù)實際參數(shù)間依賴關(guān)系調(diào)整形成一種優(yōu)先級順序。

1.2 數(shù)據(jù)通道設(shè)計

一些復(fù)雜星遙格式中存在需跨幀處理的層次嵌套子格式，這些子格式的特點是需要根據(jù)某種格式定義解復(fù)用還原為完整數(shù)據(jù)格式字節(jié)流。因此，定義了數(shù)據(jù)通道（Channel）和數(shù)據(jù)協(xié)議（Protocol）的概念。數(shù)據(jù)通道描述了一段待處理的字節(jié)流，數(shù)據(jù)協(xié)議描述了所屬數(shù)據(jù)通道的格式定義，通道依據(jù)協(xié)議對待處理字節(jié)流完成解復(fù)用處理，還原出完整格式字節(jié)流（源包或子幀）。

1.3 MCP模型設(shè)計

多通道-協(xié)議（Multi-Channel-Protocol，簡稱MCP）模型是基于多通道協(xié)議的數(shù)據(jù)模型，其針對星遙數(shù)據(jù)格式的以下特點：格式中包含若干對象；每個對象可能是星遙參數(shù)，也可能是待處理的子格式（即數(shù)據(jù)通道），這樣的劃分可以遞歸嵌套下去。因此，本文基于Composite模式［5-6］定義了XYItem結(jié)構(gòu)描述星遙數(shù)據(jù)格式的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，符合層次定義、逐層派生的特點。

最頂層的是作為基類的XYItem抽象類，具體類包括 XYParameter和 XYChannel，XYParameter是星遙參數(shù)，XYChannel是星遙數(shù)據(jù)通道。XYChannel既可以包含XYChannel，也可以包含XYParameter，XYParameter是基本單元，不可再分。XYItem類層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 XYItem類圖

運行時構(gòu)建的動態(tài)結(jié)構(gòu)是樹形結(jié)構(gòu)，頂層是一個描述整體字節(jié)流的XYChannel，其下包括了多個子XYItem對象。如果子XYItem對象是XYParameter，則不可再分，屬于“樹葉”節(jié)點；如果子XYItem對象是XYChannel，則進一步遞歸分解，屬于“樹枝”節(jié)點，最終分解到XYParameter為止。

描述一種星遙格式時，只需構(gòu)建所有的XYChannel對象和XYParameter對象描述需跨幀處理的子格式字節(jié)流和星遙參數(shù)，每個XYChannel對象“掛載”描述子格式協(xié)議邏輯的XYProtocol（即數(shù)據(jù)協(xié)議）對象，每個XYChannel對象下“掛載”需處理的XYParameter對象或者XYChannel對象，由于遞歸性，自然形成XYItem樹。當(dāng)新的星遙格式出現(xiàn)后，僅需要實現(xiàn)其中新的子格式協(xié)議邏輯就可以完成擴展。

2 MCP模型在航天任務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件中的應(yīng)用

在航天任務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件的實現(xiàn)過程中，關(guān)鍵難點即星遙數(shù)據(jù)處理。實際上，星遙數(shù)據(jù)處理并不是簡單的順序處理，而是復(fù)雜的狀態(tài)機，為確保星遙處理的準(zhǔn)確和高效，采用以下機制：首先，星遙數(shù)據(jù)格式由通用的XYItem樹進行描述；然后，靜態(tài)處理，根據(jù)星遙參數(shù)間的依賴關(guān)系優(yōu)先級；最后動態(tài)處理，完成通道處理和參數(shù)循環(huán)掃描處理。通過以上機制可以適應(yīng)各種類型的星遙數(shù)據(jù)格式處理，徹底解決需跨幀處理的各種層次嵌套子格式描述和星遙參數(shù)依賴問題，模型的通用性、擴展性很強。

本節(jié)以具有廣泛研究和應(yīng)用［7-8］的基于AOS體制［9-10］的分包遙測格式［11］為例，說明 MCP 模型在航天任務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件中是如何具體應(yīng)用的。

2.1 數(shù)據(jù)格式定義

某型號航天器的星遙數(shù)據(jù)格式屬于典型的分包遙測格式，存在復(fù)雜的多路數(shù)據(jù)復(fù)用，其數(shù)據(jù)域的格式定義如表1所示。

表1 分包遙測格式定義

表1中，VID標(biāo)識多路復(fù)用的虛擬信道（VC1、VC2…），0x01表示 VC1，0x02表示 VC2…，插入域中均是固定狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)域的定義根據(jù)虛擬信道不同分為兩種：VC1情況下，長度為m字節(jié)的固定數(shù)據(jù)和n字節(jié)的變化數(shù)據(jù)，變化數(shù)據(jù)根據(jù)多路復(fù)用協(xié)議（各種PK源包字節(jié)流首尾拼接連續(xù)置入，未傳完可在同一虛擬信道跨幀傳送）解復(fù)用，源包種類為PK10、PK11和PK12；非VC1情況下，長度為m+n字節(jié)的變化數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)多路復(fù)用協(xié)議解復(fù)用，源包種類為除PK10、PK11和PK12以外的其他源包。

表2中，定義了需挑點處理的星遙參數(shù)，其中P3、P4、P5、P6和P7是需要解復(fù)用后處理的源包參數(shù)，參數(shù) P2、P3、P4、P5、P6 和 P7 均依賴 VID 判斷所屬虛擬信道（關(guān)鍵字依賴），P2、P3、P6和P7的處理方法均依賴P4和P5的值（方法依賴）。

2.2 數(shù)據(jù)的XYItem樹結(jié)構(gòu)

根據(jù)2.1節(jié)的定義，可以構(gòu)建出XYItem樹結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

表2 遙測挑點參數(shù)表

圖2 數(shù)據(jù)的XYItem樹結(jié)構(gòu)圖

頂層的XYChannel表示整個星遙數(shù)據(jù)，第2層的 3 個 XYParameter分別對應(yīng)參數(shù) VID、P1、P2，2個XYChannel分別對應(yīng)VC1和VC2的多路復(fù)用數(shù)據(jù)域，第3層分別對應(yīng)VC1中的參數(shù)P3以及VC2中參數(shù)P4、P5、P6和P7。為方便起見，以下直接用參數(shù)代號指代對應(yīng)的XYParameter對象。其中，VID配置關(guān)鍵字標(biāo)識，P2、P3、P4、P5、P6 和 P7 均配置關(guān)鍵字依賴VID，P2、P3、P6和P7均在處理方法中配置P4和P5。頂層的XYChannel配置為空協(xié)議，VC1和VC2的復(fù)用數(shù)據(jù)域的XYChannel分別配置多路復(fù)用協(xié)議。

2.3 數(shù)據(jù)的靜態(tài)處理

在預(yù)處理時，需要根據(jù)星遙參數(shù)間的依賴關(guān)系優(yōu)先級進行靜態(tài)處理調(diào)序，遵循被依賴參數(shù)在前、依賴其他參數(shù)的參數(shù)在后的原則，形成一個優(yōu)化的參數(shù)處理順序，以提升后續(xù)動態(tài)處理的效率。

遍歷整個XYItem樹，提取所有的XYParameter形成列表，對XYParameter列表先按關(guān)鍵字依賴排序，然后再按方法外部依賴排序，最后輸出排序后的XYParameter列表，具體過程如圖3所示。

構(gòu)建XYItem樹的同時，根據(jù)XYChannel在XYItem樹中的層次關(guān)系可構(gòu)建出XYChannel樹，方便后續(xù)動態(tài)處理。

圖3 靜態(tài)處理流程圖

2.4 數(shù)據(jù)的動態(tài)處理

雖然理論上通過靜態(tài)處理完成了參數(shù)的全局排序，一般情況下參數(shù)的依賴關(guān)系已經(jīng)調(diào)整好，但運行時處理過程中可能存在部分參數(shù)因未滿足約束條件而暫未處理出來的情況，實際的參數(shù)處理順序還需根據(jù)參數(shù)狀態(tài)進行動態(tài)修正，因此，采用通道處理和參數(shù)循環(huán)掃描處理相結(jié)合的思路進行動態(tài)處理。在運行時，分兩步完成處理。

第1步，通道處理。根據(jù)XYChannel樹對一幀星遙數(shù)據(jù)進行分層處理，每個通道均依據(jù)協(xié)議解復(fù)用處理并還原出完整格式字節(jié)流，保存在對應(yīng)的XYChannel對象中，處理過程如下頁圖4所示。

圖4 通道處理過程圖

實時星遙數(shù)據(jù)的不同導(dǎo)致的通道處理結(jié)果也不同，大致可以分為以下4類：

1）如果VID值為0x01，僅VC1通道有效且源包拼裝完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B無輸出，通道C輸出PK10和PK11源包字節(jié)流；

2）如果VID值為0x01，僅VC1通道有效且源包拼裝不完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B和C無輸出；

3）如果VID值為0x02，僅VC2通道有效且源包拼裝完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B輸出PK1、PK2和PK4源包字節(jié)流，通道C無輸出；

4）如果VID值為0x02，僅VC2通道有效且源包拼裝不完整，那么通道A輸出全幀星遙數(shù)據(jù)字節(jié)流，通道B和C無輸出。

第2步，參數(shù)循環(huán)掃描處理。對靜態(tài)處理后的參數(shù)列表進行循環(huán)掃描，對于處理成功的參數(shù)，將處理結(jié)果加入XYContext（全局結(jié)構(gòu)）中記錄，對于處理失敗的參數(shù)等待下次掃描處理，直到參數(shù)列表為空或達到循環(huán)次數(shù)閾值，循環(huán)掃描停止。

實時星遙參數(shù)的處理結(jié)果大致可以分為兩種情況：

1）參數(shù)是非源包參數(shù)。首先判斷是否滿足關(guān)鍵字依賴條件，如不滿足則處理失敗，否則繼續(xù)檢查是否滿足方法依賴條件，依賴不滿足則處理失敗，如滿足則處理成功。

2）參數(shù)是源包參數(shù)。首先判斷是否滿足關(guān)鍵字依賴條件，如不滿足則處理失敗，否則繼續(xù)檢查所屬源包拼裝是否完整，如不完整則處理失敗，如完整再檢查是否滿足方法依賴條件，如不滿足則處理失敗，如滿足則處理成功。

整體處理流程如圖5所示，圖5中的參數(shù)處理具體流程如下頁圖6所示。

圖5 循環(huán)掃描處理流程圖

3 結(jié)論

針對任務(wù)星遙數(shù)據(jù)格式存在需跨幀處理的層次嵌套子格式、復(fù)雜參數(shù)依賴和變化頻繁的特點，本文設(shè)計了多通道-協(xié)議（MCP）模型，具有描述能力強、通用性和擴展性好的優(yōu)點。該模型在航天任務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件中得到了應(yīng)用。通過應(yīng)用該模型，有效描述了各類任務(wù)星遙數(shù)據(jù)格式，通過靜態(tài)處理和動態(tài)處理相結(jié)合的機制充分利用了參數(shù)間依賴關(guān)系，高效實現(xiàn)了星遙數(shù)據(jù)處理，解決了需跨幀處理的層次嵌套子格式描述和星遙參數(shù)依賴問題。

圖6 參數(shù)處理流程圖

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