基于NoSQL技術(shù)的衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

【摘 ? 要】 ? 為了解決傳統(tǒng)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)儲(chǔ)存速度慢、數(shù)據(jù)備份不足和綜合管理能力弱等問題，設(shè)計(jì)了基于NoSQL處理技術(shù)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊通過探測(cè)幀操作命令，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速檢索和快速回傳。數(shù)據(jù)庫(kù)綜合管理模塊實(shí)現(xiàn)了地對(duì)空數(shù)據(jù)傳輸、傳感器采集模塊的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、操作命令的執(zhí)行和實(shí)時(shí)通信等。為了加快數(shù)據(jù)傳輸，傳輸層采用UDP協(xié)議，詳細(xì)進(jìn)行了儲(chǔ)存幀、數(shù)據(jù)檢索幀和數(shù)據(jù)傳輸幀的設(shè)計(jì)。通過模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證實(shí)了該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多源數(shù)據(jù)的快速存取、復(fù)雜查詢和傳輸通信等。

【關(guān)鍵詞】 ? 衛(wèi)星配載;傳感采集;數(shù)據(jù)處理;傳輸通訊

Research and design of satellite stowage data management system based on NoSQL Technology

Liu Huihui

（Zhengzhou University of Industry Technology，Zhengzhou， 451100，China）

Abstract：In order to solve the problems of slow storage speed of satellite data， insufficient data backup and weak comprehensive management ability of traditional onboard computer system， a data management system based on NoSQL processing technology is designed. The data query of the system realizes the fast retrieval and fast return of the data by detecting the frame operation command. The integrated management of database realizes the ground to air data transmission， data storage of sensor acquisition module， execution of operation command and real-time communication. In order to speed up the data transmission， the transport layer adopts UDP protocol， and designs the storage frame， data retrieval frame and data transmission frame in detail. Through the experimental test of the simulation system， it is proved that the system can realize the fast access of multi-source data， complex query and transmission communication.

Keywords：Satellite stowage; sensor acquisition; data processing; transmission and communication

〔中圖分類號(hào)〕 ?TP391.1 ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

隨著衛(wèi)星飛行器技術(shù)的快速進(jìn)步，衛(wèi)星配載的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)海量飛行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、快速回放和數(shù)據(jù)檢索的需求迅猛的提升，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式難以滿足新一代飛行器存儲(chǔ)檢索的需要[1]。傳統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理通過操控存儲(chǔ)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)之間的互相訪問，在地面與衛(wèi)星之間通訊時(shí)數(shù)據(jù)回放過程會(huì)產(chǎn)生間斷、丟失等問題[2]。

基于衛(wèi)星配載的多源分布存儲(chǔ)與快速檢索數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用了NoSQL數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)和檢索等功能，可以大大提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和回傳的速度和準(zhǔn)確性[3-5]。

1 ? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

衛(wèi)星配載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多元數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是品類多和形式異同、數(shù)據(jù)整體管理不易[6]。為了滿足衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的多元融合、存儲(chǔ)靈敏和實(shí)時(shí)檢索的需求，設(shè)計(jì)了全新的高效率數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框架，如圖1所示。

上圖中，數(shù)據(jù)源1、2、3代表的是多源傳感設(shè)備收集的各類異同數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星飛行角度狀態(tài)、位置信息、速率、溫度和科學(xué)儀器等。綜合管理主要負(fù)責(zé)地對(duì)空數(shù)據(jù)的外部交互通信和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的內(nèi)部交互通信、數(shù)據(jù)檢索、通信接口設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理等。

數(shù)據(jù)管理功能主要包括數(shù)據(jù)的查詢搜索和快速儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)NoSQL能夠滿足靈活多變、存儲(chǔ)邏輯快捷和檢索高效的系統(tǒng)需求，分布式框架實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)隔離和容易擴(kuò)展的特征。綜合管理模塊使用Sqlite技術(shù)，提高了衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與組織。它還實(shí)現(xiàn)了地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與衛(wèi)星之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)接[7]。

2 ? ? 數(shù)據(jù)查詢模塊設(shè)計(jì)

2.1 ? 數(shù)據(jù)查詢功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)查詢功能主要通過綜合管理的數(shù)據(jù)查詢命令實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的接收與處理，并根據(jù)查詢命令在NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索相應(yīng)數(shù)據(jù)、傳輸至地面。系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)查詢功能模塊主要包括[8]：（1）數(shù)據(jù)連接探測(cè)，探測(cè)命令發(fā)出后，完成傳感器數(shù)據(jù)傳輸通道連接異常檢測(cè)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通道重啟，保障傳輸信道不會(huì)影響數(shù)據(jù)的采集與接收;（2）控制命令執(zhí)行，當(dāng)?shù)貙?duì)空命令發(fā)出后，數(shù)據(jù)系統(tǒng)做出相應(yīng)的操作執(zhí)行;（3）數(shù)據(jù)檢索與查詢，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、檢索與傳輸;（4）NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)完成采集數(shù)據(jù)的接收與儲(chǔ)存。

2.2 ? 數(shù)據(jù)查詢工作流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)查詢的工作流程主要包括[9]：（1）系統(tǒng)初始化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收端的偵聽;（2）接收到命令后，打開客戶端接收狀態(tài);（3）根據(jù)檢索命令，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)和飛行姿態(tài)的查詢存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的封裝和傳送。數(shù)據(jù)查詢模塊的工作流程如圖3所示。

3 ? ? 綜合管理模塊

數(shù)據(jù)綜合管理模塊主要可以實(shí)現(xiàn)傳感采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)接收和查詢檢索，并通過內(nèi)部通信和外部通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空對(duì)地回傳功能，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

消息展示模塊主要是空中對(duì)地面的數(shù)據(jù)傳送與界面顯示;數(shù)據(jù)組織管理主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、分析和查詢檢索;通信主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)傳輸信道的控制，完成相應(yīng)操作命令的執(zhí)行;控制主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的組織管理、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析等功能。地對(duì)空命令包括了：探測(cè)命令、簡(jiǎn)單查詢、復(fù)雜查詢和數(shù)據(jù)庫(kù)操作等。具體如表1所示。

4 ? ? 分布式通信協(xié)議

為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的通信協(xié)議使用了基于UDP傳輸?shù)募夹g(shù)，數(shù)據(jù)幀范圍為1-64bit。幀格式主要設(shè)計(jì)了三種類型：（1）數(shù)據(jù)通用格式，主要是1字節(jié)的frame type和63字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;（2）查詢命令格式，主要包括1字節(jié)的frame type、1字節(jié)的catetyte、22字節(jié)的時(shí)間戳、24字節(jié)的長(zhǎng)度檢測(cè)和18字節(jié)的數(shù)據(jù)校驗(yàn);（3）儲(chǔ)存數(shù)據(jù)幀格式，1字節(jié)的frame type、1字節(jié)的date tyte、1字節(jié)的dataSIQ和40字節(jié)的data。三種幀模式可以滿足數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、校驗(yàn)和檢索等[10]。通信幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

5 ? ? 系統(tǒng)模擬測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，本文編碼實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試所使用的驗(yàn)證開發(fā)板為Power837x，其余測(cè)試的軟硬件環(huán)境如表2所列。

本文用多塊開發(fā)板模擬多個(gè)星載數(shù)據(jù)源，不同的開發(fā)板存儲(chǔ)不同類型的星載數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)行各自的數(shù)據(jù)查詢模塊，并且用PC模擬星上環(huán)境部署綜合管理模塊與地面中心，完成外部通信鏈路。PC機(jī)與開發(fā)板通過交換機(jī)用以太網(wǎng)連接，以模擬綜合管理模塊與星載數(shù)據(jù)查詢模塊的分布式內(nèi)部通信鏈路。

測(cè)試環(huán)境搭建中，數(shù)據(jù)交換設(shè)備采用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)有線模式的地對(duì)空的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境業(yè)務(wù)開發(fā)板1/2/3模擬衛(wèi)星的傳感器數(shù)據(jù)采集，負(fù)責(zé)模擬實(shí)現(xiàn)不同種類數(shù)據(jù)的感知與采集。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)使用NoSQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和查詢等功能。測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境搭建如圖6所示。

測(cè)試系統(tǒng)模擬了衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在NoSQL中，并通過UDP協(xié)議傳送到開發(fā)板中。數(shù)據(jù)庫(kù)的上傳與下載速率如圖7所示。從圖中可知，傳感器采集數(shù)據(jù)的數(shù)目越多，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率越低，上傳與下載速率維持在1.5M/S。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的速率，測(cè)試了在緩存技術(shù)與不啟動(dòng)緩存的條件下，100條、500條、1000條、2000條、3000條和4000條數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間。傳送時(shí)間如圖表2所示，從表中可以看出，緩存機(jī)制大大提高了數(shù)據(jù)傳送的效率。

如圖8所示，衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的測(cè)試運(yùn)行圖，通過系統(tǒng)操作命令的測(cè)試，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、檢索和傳送。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和空對(duì)地的傳輸。

6 ? ? 結(jié)語

傳統(tǒng)星載計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足航天器飛行技術(shù)的要求，基于衛(wèi)星配載多源分布存儲(chǔ)與檢索技術(shù)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)查詢、綜合管理、分布式通信協(xié)議和數(shù)據(jù)幀等模塊，實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)的快速采集、快速檢索和地對(duì)空快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。通過模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證實(shí)了該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、檢索和傳送，并可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星配載數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和空對(duì)地的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉陽娜.基于NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)下空間大數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)策略的分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用. 2018（2）：55-57

[2] 郭鵬，廖韜.航天器熱試驗(yàn)查詢統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2017（11）：55-57

[3] 胡劍平，李強(qiáng).固態(tài)記錄設(shè)備在航天器中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].遙測(cè)遙控. 2017（6）：55-57

[4] 杜麗娟.關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的性能對(duì)比[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用. 2017（3）：55-57

[5] 馬文龍.Key-Value型NoSQL本地存儲(chǔ)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào). 2018（8）：55-57

[6] 羅平，張彤.基于閃存的星載存儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究. 2018（2）：55-57

[7] 吳瓊.基于閃存的星載高速大容量存儲(chǔ)技術(shù)研究[J].通訊世界. 2017（4）：55-57

[8] 李紹俊，楊海軍.基于NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的空間大數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)策略[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）. 2017（2）：55-57

[9] 宋琪，李?yuàn)?，朱巖.星載固態(tài)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程. 2016（6）：55-57

[10] 星載嵌入式容錯(cuò)文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].賈露娟，李文新，夏加高，雷志軍.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展. 2015（10）：55-57

[收稿日期] ? 2021-04-10

[作者簡(jiǎn)介] ? 劉慧慧（1994-），女，碩士研究生。鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信工學(xué)院助教，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、無線通信/大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析、算法優(yōu)化。