基于CCSDS RASDS信息對象建模方法的數(shù)據(jù)注入工具設計

盧廣佑 呂良慶 張峻巍

(1 中國科學院國家空間科學中心 復雜航天系統(tǒng)電子信息技術重點實驗室,北京 100190)(2 中國科學院大學，北京 100049)

電子數(shù)據(jù)單(EDS)是為描述一個系統(tǒng)中某種部件實體(如設備、業(yè)務等)的信息載體，用于解決在信息傳遞過程中的部件信息匹配問題，支持即插即用。不同的部件對象會有不同的EDS描述，需要建立專業(yè)領域的EDS標準。例如電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)為實現(xiàn)將各種標準或非標準的變換器接入不同網(wǎng)絡，提出了變換器電子數(shù)據(jù)單(TEDS)，并廣泛用于地面物聯(lián)網(wǎng)[1]。出于衛(wèi)星平臺快速集成和測試的需要，美國空軍研究實驗室(AFRL)在其空間即插即用架構(SPA)中提出使用XML編輯的EDS(xTEDS)來描述部件(傳感器、執(zhí)行器、處理器、路由器、軟件應用等)之間的通信接口，包括元素、屬性和要描述的內(nèi)容[2]?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)提出了可擴展標記語言的遙測遙控交換標準(XTCE)，在國內(nèi)外的航天工程中得到廣泛應用[3-5]。除此之外還提出了航天器接口業(yè)務領域(SOIS)的EDS(SEDS)標準[6]，以及用于開放檔案信息系統(tǒng)(OAIS)系統(tǒng)中信息對象標簽的XML格式化數(shù)據(jù)單元(XFDU)標準等[7]。

EDS工具鏈是基于某一種EDS標準，結合實際應用場景設計開發(fā)的一組支持EDS設計和使用的工具軟件。NASA、ESA以及歐洲的眾多航天領域的專家學者提出和主導了EDS在航天領域的應用[8]，已用于詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)項目、木星冰月探測器(JUICE)等任務的工程實踐中。國內(nèi)對EDS標準也開展了廣泛的研究和應用，內(nèi)容主要集中在對遙測、遙控數(shù)據(jù)設計的規(guī)范化和一致性方面，開發(fā)了各自不同的EDS工具[9-11]。

電子數(shù)據(jù)單描述的客觀對象的多樣性決定了會有各種不同的信息對象描述，而同樣的信息對象又會因部門不同而設計不同的工具，來達到相同的數(shù)據(jù)描述目的。因此電子數(shù)據(jù)單的作用主要是起到描述信息對象和在異構系統(tǒng)及其工具之間交換的目的，工具的差異性設計難以避免，數(shù)據(jù)描述在統(tǒng)一形式的基礎上，內(nèi)容上也會存在差異。為此CCSDS的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)參考體系架構(RASDS)[12]中的信息視角提供了從抽象數(shù)據(jù)結構出發(fā)，描述信息對象和數(shù)據(jù)對象的方法。按照這一方法論，可以包容工具和數(shù)據(jù)描述的差異性，指導設計出各種不同需要的EDS工具，但同時又可以互聯(lián)互通。本文參照RASDS信息視角的信息對象建模方法，以XTCE遙控數(shù)據(jù)注入設計工具為例，設計實現(xiàn)了可以支持數(shù)據(jù)注入指令從模板設計到實例生成，再到可上注指令等轉換過程功能的軟件工具，以解決跨任務的的數(shù)據(jù)注入指令重用和管理的問題。

1 抽象數(shù)據(jù)架構的定義

信息對象到具體數(shù)據(jù)對象的轉化需要遵循一定的建模過程，RASDS從信息視角描述了從抽象數(shù)據(jù)架構到具體數(shù)據(jù)對象的轉換過程，即對抽象的信息對象進行實例化和個性化的過程[12-13]，如圖1所示。

圖1 信息對象的建模過程Fig.1 Modeling process of information object

數(shù)據(jù)對象是信息對象的載體。不同的專業(yè)領域會有不同的信息對象，而且信息對象會隨著系統(tǒng)的每一次狀態(tài)變化產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對象包含元數(shù)據(jù)和/或信息數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)描述信息對象的語法和語義規(guī)則?；趫D1，后續(xù)的實例化過程將抽象的信息對象轉換成數(shù)據(jù)對象，即數(shù)據(jù)模型、模板，包含數(shù)據(jù)結構、順序邏輯、執(zhí)行方式等信息，實現(xiàn)“語法”和“語義”上的配置。在設計和使用過程中，根據(jù)具體應用場景和不同數(shù)據(jù)流轉的需要，將數(shù)值填寫到模板中，生成具體的數(shù)據(jù)文件，供實際使用。上述過程使同一個信息對象可以設計生成各種不同的數(shù)據(jù)對象，以允許跨任務使用。

2 遙控數(shù)據(jù)對象的生成方法

結合遙控應用場景和數(shù)據(jù)注入生成指令的過程，數(shù)據(jù)注入工具鏈可分為數(shù)據(jù)注入模板設計工具、數(shù)據(jù)注入指令生成工具、數(shù)據(jù)格式轉換工具，如圖2所示。

圖2 XTCE標準遙控數(shù)據(jù)對象的生成過程Fig.2 Generation of XTCE standard remote control data object

數(shù)據(jù)注入模板設計工具用于定義模板結構，支持設計者在設計階段依據(jù)基于可擴展標記語言的遙測遙控信息交換標準模式定義(XTCE Schema)的語法結構[14]，將指令需求作為輸入，設計數(shù)據(jù)注入格式。XTCE Schema解決了EDS文件的描述符合XTCE標準的規(guī)范化問題，XML語言的采用有助于人機可識別。指令需求可以來自具體任務的接口控制文件(ICD)中規(guī)定的指令數(shù)據(jù)結構，也可以是設計者的按需靈活設計。

設計者使用數(shù)據(jù)注入模板設計工具自定義配置所需信息。工具通過獲取指令需求中規(guī)定的數(shù)據(jù)元素，遍歷并檢索XTCE Schema中適合的描述標簽，調(diào)用XML讀/寫操作函數(shù)將數(shù)據(jù)元素與標簽綁定，并按XTCE標準的規(guī)則和指令執(zhí)行邏輯將標簽進行序列化，實現(xiàn)指令模板文件的生成，即XTCE模式定義(XSD)文件。

模板文件是包含了XTCE遙控元數(shù)據(jù)的描述，以及基于這些元數(shù)據(jù)定義的數(shù)據(jù)結構。數(shù)據(jù)注入模板庫存放已定義好的模板文件，模板設計工具與模板數(shù)據(jù)庫進行關聯(lián)(如采用動態(tài)鏈接庫(DLL)方式)，可對保存的模板文件進行增刪改查等管理操作。模板文件可以作為后續(xù)數(shù)據(jù)注入指令生成工具實例化指令的輸入，支持應用階段人工或自動的指令生成過程。

在應用階段，主要是航天器的在軌飛行運控階段或地面測試階段，一般不需要再設計模板，只需選擇模板和填入?yún)?shù)的操作。數(shù)據(jù)注入指令生成工具用于支持這一操作，生成所需要的指令，并保存到數(shù)據(jù)注入指令庫中。使用者也可以通過工具使用數(shù)據(jù)注入指令庫中已有的指令文件，進行局部的修改以生成新的指令。數(shù)據(jù)庫中保存的XML數(shù)據(jù)注入指令文件是指令包、注入包頭和注入包等文件，供數(shù)據(jù)格式轉換工具進行后續(xù)的組裝和格式轉換，生成實際可上注執(zhí)行的二進制數(shù)據(jù)注入文件。由于遵循了XTCE元素的約束，數(shù)據(jù)格式轉換工具可以根據(jù)不同航天器的指令格式進行轉換，從而實現(xiàn)相同的數(shù)據(jù)注入模板和指令可以跨任務使用。同時也可以進一步支持批量、自動或手動配置生成指令的過程。

3 數(shù)據(jù)注入模板工具設計

指令設計者使用工具設計指令模板時不一定熟悉XTCE標準，為此工具中涉及XTCE元素的標簽應該與XTCE Schema對應，反映在用戶界面中，引導指令設計者的填寫。在ICD規(guī)定的指令數(shù)據(jù)結構基礎上，工具自動將模板內(nèi)容轉化為XTCE的XSD文件，轉化過程如圖3所示。

圖3 生成數(shù)據(jù)注入模板轉化過程Fig.3 Processing flow of generating data injection template

Map集合是一種數(shù)據(jù)的存儲結構[15]，使用鍵-值相互唯一對應的方式操作數(shù)據(jù)，使得元素和值能一一對應，類似字典功能。圖3中使用鍵-值對的方式將設計者使用工具軟件設計的數(shù)據(jù)保存起來，形成Map集合。集合中的鍵和XTCE Schema中的標簽之間有嚴格的映射關系，集合中的值就是用戶填寫的內(nèi)容，或留空表示僅預留數(shù)據(jù)格式，用于后續(xù)的個性化實現(xiàn)。

XTCE Schema中用于描述遙控元數(shù)據(jù)的是CommandMetaDataType,包含的元數(shù)據(jù)按照用途劃分：形參類型集合ParameterTypeSet用于定義指令參數(shù)的實例化過程；描述Description部分用于定義相關元數(shù)據(jù)的指令名稱、參數(shù)排列、數(shù)據(jù)形式、校驗集、指令容器等；實參類型集合ArgumentTypeSet用于將實例化后的遙控指令參數(shù)與特定的值綁定，包括具體數(shù)據(jù)類型、值、范圍等。

工具可以識別這些XTCE Schema元素標簽，通過遍歷XTCE Schema中的標簽來獲取Map集合中的鍵，找到匹配的標簽和屬性，使用文檔對象模型(Document object model，DOM)的API將集合中的值綁定到對應位置，形成模板文件的一部分。DOM API是XML文檔的編程接口，可以實現(xiàn)對XML文檔的樹形結構化操作，以樹節(jié)點對象為基礎添加、修改、刪除、查找XML文件中的元素[16-17]。

在XTCE的規(guī)則下，一個信息對象對應一組空間系統(tǒng)標簽，作為整個模板文件的根元素，內(nèi)部包含目標信息實體的基本描述和相關的指令信息。按照標簽所屬功能進行劃分，定義一條指令需要格式、描述和值3種信息，每種都有對應的元素和屬性，且它們的排列順序是不確定的，例如元素與元素間存在相互包含的樹形結構。為此需要將已綁定數(shù)據(jù)的標簽按照一定規(guī)則(如邏輯先后、執(zhí)行順序等)進行序列化處理排列，形成完整的模板文件。

按照圖2所述的應用場景，數(shù)據(jù)注入工具鏈軟件架構的層次劃分如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)注入工具鏈軟件架構Fig.4 Software architecture of data injection tool chain

圖4中的架構從上到下分為視圖層、應用層、業(yè)務層和持久層。視圖層是用戶直接操作的軟件界面。應用層包括數(shù)據(jù)注入模板定義、指令文件配置、過程文件批量生成和管理等功能，設計者可通過視圖層直接看到并操作這些功能。業(yè)務層是實現(xiàn)某一功能所需的執(zhí)行、計算、處理數(shù)據(jù)的中間過程，支持應用層中的4個功能。持久層是對已生成的文件進行保存和管理，可以與數(shù)據(jù)庫相連接，并提供對各種文件進行增、刪、改、查等操作。

4 模板生成實例驗證

數(shù)據(jù)注入指令的設計需要依托任務需求而定，而任務需求是多樣化的。為此需要進行任務功能的建模，并在功能模型的基礎上再進行數(shù)據(jù)注入指令的設計。在這一方面，ESA的包應用標準(PUS)作出了很好的實踐和總結，通過使用CCSDS的空間包協(xié)議，對星載功能進行了標準業(yè)務化的提煉和總結，經(jīng)過近30年的實踐，形成了20項標準功能業(yè)務，明確了每項業(yè)務的數(shù)據(jù)注入指令格式模板[18]。本文的數(shù)據(jù)注入模板設計工具按照這一思路，在星載業(yè)務模型化的基礎上，可以先于任務需求進行數(shù)據(jù)注入模板的設計。以事件表指令為例(格式定義見表1)，對XTCE數(shù)據(jù)注入模板設計方法進行了使用驗證。

表1 數(shù)據(jù)注入事件表指令格式定義Table 1 Execution mode of data injection instruction

表2是ICD文件中規(guī)定的某個事件表指令序列的需求信息。

表2 事件表指令序列Table 2 Event table instruction sequence

將表2的事件表序列分解為名稱、類型等信息輸入到工具中，將數(shù)據(jù)綁定到指令標簽上。工具按照圖3的序列化過程，生成圖5所示的內(nèi)部數(shù)據(jù)結構。

圖5中，標簽從左到右是包含關系，序列化的過程就是將用戶數(shù)據(jù)轉化為符合XTCE規(guī)則和指令執(zhí)行邏輯的模板結構過程。例如，事件表的例子中，空間系統(tǒng)(SpaceSystem)用于描述一條數(shù)據(jù)注入指令的基本信息，內(nèi)容由遙控元數(shù)據(jù)(TelemetryMetadata)統(tǒng)一管理。形參(Parameter)是設計者定義的參數(shù)類型、命名等信息，用于后續(xù)個性化過程中與實參對應。實參(Argument)是設計者定義的具體數(shù)據(jù)格式、邏輯順序、包裝等信息，用于設計者填寫所需的參數(shù)值。需要說明的是，參數(shù)集(ParameterSet)中必須參考形參類型集(ParameterTypeSet)定義好的參數(shù)類型，同理，指令包(CommandContainer)和元指令集(MetaCommandSet)中必須參考實參類型集(ArgumentTypeSet)定義好的類型。

在生成圖5的標簽結構后，工具使用DOM API文件讀寫操作生成XSD文件，保存到數(shù)據(jù)庫中。XSD文件部分結果如圖6所示。

圖6中的參數(shù)賦值元素(ArgumentAssignment)對應用戶可填寫的值，可將表2中的指令名稱和指令編碼分別填寫到參數(shù)名(argumentName)屬性和參數(shù)值(argumentValue)屬性上，以及其他的個性化填寫。數(shù)據(jù)注入指令模板設計工具模板生成界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)注入指令模板設計工具界面Fig.7 Interface of data injection instruction template design tool

由圖7可以看出，通過數(shù)據(jù)注入指令模板設計工具，使用者無需了解XTCE標準和指令編碼方式，只需按照型號任務需要定義合適的指令模板，填寫參數(shù)格式信息，工具自動完成圖3的數(shù)據(jù)轉化過程，生成所需的XSD模板文件。隨后通過指令包生成工具、二進制轉化工具、注入包生成工具完成實際指令的生成，同時該工具軟件還將已定義的模板、指令、注入包等文件保存到數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)用戶增、刪、改、查。

數(shù)據(jù)注入模板設計工具通過某預研課題的研究和測試，基于歸納總結的標準業(yè)務模型，按課題要求生成了大量不同數(shù)據(jù)格式的指令模板(超過上百條)和指令(超過2000條)，并且可以繼續(xù)擴展和積累下去。

5 結束語

本文按照RASDS信息視角描述抽象數(shù)據(jù)結構及其轉化過程的方法，分析了工具應用場景及其劃分，按照XTCE標準，采用XML語言和DOM設計方法，開發(fā)了數(shù)據(jù)注入指令模板設計工具，實現(xiàn)了基于工具的、豐富多樣的數(shù)據(jù)注入指令模板設計和指令設計，證明從信息對象到數(shù)據(jù)模型的實例化轉化，再到個性化文件的轉化方法是可行的。與傳統(tǒng)的文檔編輯ICD的方式，以及基于模板填寫生成指令的方式(手工或工具)相比，基于RASDS信息對象建模方法所設計的模板設計工具可以有效提高數(shù)據(jù)注入指令設計的靈活程度，提高各層次用戶之間文件傳遞效率，簡化現(xiàn)有數(shù)據(jù)設計和協(xié)調(diào)的過程，方便任務期間的指令快速修改和生成，有利于跨任務的指令變更和使用。如果星載業(yè)務具有相應靈活解析指令模板的能力，則地面數(shù)據(jù)注入指令模板設計工具還可以有更大的應用自由度，以應對航天器在軌飛行過程中遇到的突發(fā)、異常和未知的情況。RASDS信息視角的描述方法可以指導對各種對象(如航天器上的設備、業(yè)務、應用等)制定針對性的建模標準(例如描述設備和業(yè)務建模的SEDS標準)，解決不同對象的數(shù)據(jù)化描述、工具設計和系統(tǒng)集成等問題。