基于XTCE标准的通用型航天器系统数据处理方法研究

摘要：基于航天器研制过程中需要对不同种类不同格式的系统数据进行统一描述的目的，采用XTCE建立通用型的航天器系统数据处理方法，通过使用某型号航天器地面系统数据管理软件进行地面试验，得出该系统数据处理方法的使用可以实现航天器系统数据交换格式规范性和通用性的结论。提高航天器系统数据解析和处理的效率和可靠性，为航天任务中的信息交换处理提供了便利的方法和新的思路。

关键词：XTCE;航天器;系统数据;数据处理

近年来，随着航天器复杂度和对可靠性要求的提升，对航天器系统数据的解析和处理要求也随之不断升高。如何开发出一套快速有效的航天器系统数据处理系统已成为航天器设计和研制的重要环节和组成部分。

XTCE(XML Telemetric and Command Exchange)是一套由OMG(Object Management Group)提出的，利用XML语言来描述航天器系统数据的规范。其目的是提出一种国际化的

新体制与标准，为不同机构和系统在航天任务的各个阶段对航天器系统数据的有效交换提供支持。目前，XTCE已在欧美的航天器研制中得到了广泛的应用，一些航天器研制机构和厂商还根据自身的设计需求开发出了相应的XTCE应用软件，用于航天器设计中。本文使用XTCE进行航天器系统数据处理模型设计，并设计了XTCE航天器系统数据交换文件设计，提出了基于XTCE的航天器系统数据处理方法。

1 XTCE组织结构

1.1 面向对象的分层描述

XTCE为航天器提供了一个面向对象的树状分层描述结构，结构的根节点是“航天器系统”节点(如图1所示)。XTCE的执行由根节点开始并传播到整个航天器系统的各个层次，在每个层次，每个元素既代表自己又是整个空间系统的一部分(如图1所示)。这种分层管理的方式，方便用户自底向上的描述航天器遥测遥控数据结构，并在逐步成熟后进行组装构成逻辑系统，具有良好的延展性。

如上所述，相比以往的描述方法，XTCE具有以下优点：

1)XTCE是标准化的描述方法，CCSDS推荐在航天任务的各个阶段都采用XTCE描述遥测遥控信息，因此，采用XTCE描述遥测信息在数据交换方面具有方便准确的优势;

2)XTCE在设计之初就考虑到了对异构任务的支持，这与航天器系统数据处理软件支持多任务的需求是完全吻合的;

3)XTCE标准以一个XML schema文件的形式给出，可读性好，同时也便于使用成熟的技术自动处理XTCE文件;

4)XTCE文件具有明显的层次化结构，易于在不同元素层次上进行扩展和集成;

1.2 遥测元数据结构

遥测元数据是对航天器遥测数据的描述，定义了参数类型、参数、容器、消息、数据流、算法等内容，详见图2。

1)ParameterTypeSet(参数类型集)：遥测参数的元数据集合，参数类型实例化后即可以描述遥测参数。参数类型包含的信息有：数据类型、说明信息、告警阈值、输出数据的工程单元、长度、位序量纲和校验方式以及在天地传输过程中的编码方式。

2)ParameterSet(参数集)：一组遥测参数及其引用的集合。

参数是实例化的参数类型，包含名称和指向参数类型的引用(ParameterRef)。参数也可以有别名和实例化后的特殊属性，而“引用”常值以前在其他ParameterSet中定义参数的引用。

3)SequenceContainer(序列容器)：一组有序的参数序列，可以描述数据包、数据帧、子帧或结构数据项。序列容器可以由基础容器派生，方便数据定义。

4)MessageSet(消息集)：消息是在服务过程中通过匹配方式唯一标识一个容器的替代方法，通过比较SequenceContainer中的元素与预定值是否一致，实现对Sequence Conta iner的过滤。

5)StreamSet(数据流集)：一组无序的Stream(数据流)的集合。航天器上、下行数据均是数据流，在数据流层面有很多处理和操作。StreamSet中包含所有包括组帧、解帧在内的上、下行数据的处理方法。

6)AlgorithmSet(算法集)：对于航天器地面测试系统，事先构造一些处理遥测、遥控数据的基础算法，有利于重构复杂逻辑的数据处理算法。

利用遥测元数据描述遥测参数的步骤为：用Parameter Set定义遥测参数，用ParameterType定义遥测参数的数据类型，然后定义SequenceContainer(对于分包遥测，Sequen ce Container用于打包遥测数据并描述遥测数据包，对于时分多路遥测，SequenceContainer用于描述遥测帧及帧结构)，再定义遥测数据的StreamSet(数据流集)，最后定义遥测数据的AlgorithmSet(算法集)。

1.3 遥控元数据结构

遥控元数据的格式与遥测元数据相似，但除了含有与遥测元数据一致的ParameterTypeSet，ParameterSet，MessageSet，StreamSet和AlgorithmSet以外，还有Argument Ty pe(判据类型集)和Metacommand(元指令集)，如图3所示。

ArgumentType(判据类型集)：判据类型集与参数类型集十分相似，区别是判据类型实例化后通常与特定的遥控数据绑定。该集合包含的信息包括：数据类型、文本描述、正常值范围、工程单元等。Metacommand(元指令集)：用于描述遥控指令。通过描述指令名称、指令参数、指令间约束关系、指令序列、指令容器、指令验证集等内容定义遥控指令。

2 XTCE数据处理模型以及XTCE文件设计

2.1 Space System的设计

构造XTCE数据模型时，首先要对顶层的航天器结构进行定义，表示出XTCE所代表的航天器或子系统的框架结构。对于每个分系统或载荷，可以进行相应的工程状态参数设定，用以表示数据信息所对应的工程周期。以树状结构表示了XTCE文件所代表的载荷系统及其所包含的单机。Space system以分级的形式表示出了航天器的系统结构，航天器所包含的分系统、载荷以及单机设备级的子结构都可以利用XTCE进行相应的工程描述。以树状结构表示了XTCE文件所代表的载荷系统及其所包含的载荷和单机。该模型对应的XTCE文件代码示例如下：

2.2 遥测遥控数据处理模型设计

定义好Space System数据模型之后，就可以根据遥测遥控的数据格式来定义其数据模型。定义时，使用自上而下的设计方法，先把数据框架设计好，然后再根据载荷或分系统的命令或数据信息将数据模块“搭建”到数据框架中。根据遥测遥控包的共性和区别，设计了如图4的测控统一XTCE数据模型。

以分包遥测的遥测数据定义为例，可以先定义一个包结构，然后列出包头、包数据域、校验数据域等主要框架，再细化各部分内容。如包头内的包版本号、类型、应用过程识别符、包顺序控制等，最后填入实际数据信息。下面以遥测包中APID的定义为例来说明参数各部分的设计方法。

遥控指令部分的定义包括遥控指令集和遥控封装集的定义，与遥测部分的定义类似。

2.3 XTCE文件设计

将设计好的space system，遥测遥控模型定义好后组成一个完整的XTCE数据模型，针对同一XTCE数据模型可开发相关的解析软件将模型中的信息转化为符合XTCEschema的XTCE数据文件，此时XTCE文件中已经包含了全部的卫星数据格式信息。

随着数据文件的验证或检验，XTCE文件可能需要相应的修改或调整。对于数据定义中插入，删减或修改比较多的部分，可先在XTCE模型中进行修改，再转换成XTCE文件，避免复杂的修改工作和出错;如果只是极少的修改内容，如数据内容或类型等，也可在XML编辑工具中直接修改。

3 应用实例

上述理论和方法已经应用于某型号航天器的地面系统数据管理软件中。下面举例说明如何用XTCE定义航天器遥测数据，图5所示为帧序号是0和1的两个遥测数据子帧。

ASM=fa表示帧头为“fa”。MFCtr=0/1表示序号为0/1的子帧，子帧0的第16—24位表示参数Bat1V，子帧1的第16—24位表示参数Beacon Status。用自然语言对子帧0的这2个参数进行描述：Bat1V表示电池1的电压，编码为8位无符号整形数，高位在前，校准至1个1～32 V电压曲线，位于第1子帧第16—32Byte。Beacon Status表示照明状态，编码为8位无符号整形数，高位在前，只用到第1位，‘1’表示on，‘2’表示off，位于第1子帧第24-32Byte。这样的描述不利于计算机处理，没有特定的规范，在实际处理时需要大量的人工转换，不但费时费力，且很容易出错，极易带来工程风险。如果用XTCE格式的 XML对其进行描述，则可以转化为如图6所示的形式。

这样的描述可以通过优化工具的人机交互可以使定义的过程变得很容易，而且有了XTCE标准架构的支持，描述语法的正确性可以及时获得验证。可以很好的解决不同航天器系统数据统一定义和描述的问题。

4 结束语

本文详细说明了XTCE中对于航天器系统数据的定义，分析了用XTCE描述航天器系统数据的优点，并设计了基于XTCE的通用型航天器系统数据处理模型以及XTCE文件。并通过在成熟航天器型号中的应用证明，XTCE能够满足航天器系统数据描述需求，能够支持不同航天器的异构任务，为描述各类航天器系统数据提供了标准的模型文件，以XML架构的形式清晰完整地定义了航天器系统数据处理所需要的信息。推广使用XTCE标准不仅是航天科技与世界接轨的需要，更是减少任务成本和工期，降低任务风险的需要。