衛(wèi)星地面測(cè)試通用數(shù)據(jù)分析顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者 薛征 陳杭 蔣曉肖 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

薛征(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向：基于C#的衛(wèi)星地面測(cè)試軟件研發(fā)與測(cè)試;陳杭，男，碩士，工程師，研究方向：基于C#的衛(wèi)星地面測(cè)試軟件研發(fā)與測(cè)試;蔣曉肖，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：C#的衛(wèi)星地面測(cè)試軟件研發(fā)與測(cè)試。

摘要：衛(wèi)星地面測(cè)試中，數(shù)據(jù)分析與顯示系統(tǒng)是與用戶交互的唯一界面。為了滿足多種型號(hào)衛(wèi)星地面測(cè)試中的分析與顯示，本文提出了衛(wèi)星地面測(cè)試通用數(shù)據(jù)分析顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以及時(shí)、有效地對(duì)所有的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)地面測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示，提高了用戶交互性和軟件的可擴(kuò)展性。目前該通用分析顯示系統(tǒng)已應(yīng)用于十余顆衛(wèi)星地面測(cè)試中，并得到用戶的廣泛好評(píng)。

1 系統(tǒng)功能和主要特點(diǎn)

　　目前，國(guó)防和空間研究對(duì)航天衛(wèi)星的功能及數(shù)量需求不斷增加，提供的測(cè)試任務(wù)也逐漸增多，過(guò)去以型號(hào)為主，不同型號(hào)、不同測(cè)試軟件的管理模式已不能滿足需求，衛(wèi)星地面測(cè)試軟件的通用化已成為亟待解決的課題^[1]。

　　地面測(cè)試系統(tǒng)由控制軟件、分析顯示軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等部分構(gòu)成^[2]，不同型號(hào)新研或試驗(yàn)過(guò)程中復(fù)雜度和變更最多的為顯示分析軟件。為縮短衛(wèi)星地面測(cè)試研試周期，提出基于C#的衛(wèi)星地面測(cè)試通用數(shù)據(jù)分析顯示系統(tǒng)，不需要修改源代碼前提下，實(shí)施于不同衛(wèi)星型號(hào)。同時(shí)，使用者通過(guò)修改配置文件即可滿足一般性需求變更。系統(tǒng)功能和主要特點(diǎn)如下：

　　(1) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多種格式存儲(chǔ)及快速回放

　　支持Access、SQL Server類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)以16進(jìn)制源碼和有效解析數(shù)據(jù)兩種格式進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)為SQL Server table和*. dat兩種文件形式。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)回放通道，可按時(shí)間選取特定變量進(jìn)行顯示，回放速率可調(diào)節(jié)，最高可達(dá)到原始傳輸速率的10倍速。

　　(2) 快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示

　　采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)異步接收的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)的快速傳輸及正確性，支持多種數(shù)據(jù)源同步傳輸，并實(shí)時(shí)解析顯示，數(shù)據(jù)分析效率高，響應(yīng)快，數(shù)據(jù)顯示延時(shí)率≤0.5ms。

　　(3) 支持多種協(xié)議格式、復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型

　　該系統(tǒng)兼容多種協(xié)議格式，內(nèi)部包含協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)協(xié)議統(tǒng)一化。目前，在軌和在研多顆衛(wèi)星的多樣化協(xié)議均可兼容。支持多種數(shù)據(jù)類(lèi)型的解析，如bit、byte、int、string、char、float、double和1750f^[4];內(nèi)部包含多種函數(shù)公式，可完成簡(jiǎn)單線性、專(zhuān)用類(lèi)型轉(zhuǎn)換計(jì)算，也可完成多項(xiàng)式、查表法等復(fù)雜計(jì)算，有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

　　(4) 高效性的界面設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)友好，人員獲得數(shù)據(jù)簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)顯示方式多樣，同一數(shù)據(jù)可采用圖像、圖形、曲線、數(shù)值、容器等多種方式展示。變量定義配置支持在線編輯和線下編輯、在線導(dǎo)入兩種方式，頁(yè)面支持用戶自定義，可自由進(jìn)行頁(yè)面布局，曲線自定義縮放，并自動(dòng)保存。軟件提供源碼接收查看界面，可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

　　(5) 通用化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)

　　該系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)清晰，采用模塊設(shè)計(jì)方式，對(duì)外開(kāi)放接口。配置靈活，采用excel、xml、config、ini等格式配置文件^[3]，不同項(xiàng)目?jī)H需更改項(xiàng)目相關(guān)的變量表，更新數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)置，即可完成項(xiàng)目切換，實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目的實(shí)時(shí)應(yīng)用，軟件通用化強(qiáng)。軟件模塊自定義深度可擴(kuò)展，支持C#、Web Service、Test Stand等接口，可無(wú)縫擴(kuò)展。

　　(6) 異常處理，提供問(wèn)題準(zhǔn)確定位

　　軟件內(nèi)部包含異常處理，容錯(cuò)性好，對(duì)于常見(jiàn)配置異常及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)了界面反饋，能夠提供出明確的異常位置和異常類(lèi)型，方便用戶快速準(zhǔn)確地定位問(wèn)題;有專(zhuān)用異常數(shù)據(jù)反查通道，出現(xiàn)顯示異常時(shí)，可快速定位硬件接口數(shù)據(jù)異常傳輸位置，加快試驗(yàn)故障排查工作，提升效率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為適應(yīng)不同型號(hào)和不同階段測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了通用分析顯示系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為五大模塊：通用配置模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、通用解析模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊;系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　通用配置模塊實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的兼容性，通過(guò)統(tǒng)一的配置規(guī)則及配置接口文件，將不同型號(hào)的數(shù)據(jù)格式及具體波道數(shù)據(jù)表、函數(shù)處理方式等信息分解到xml、ini、excel格式配置文件中，并輸出為DataTable表格式。

　　數(shù)據(jù)通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速接收，保證高速穩(wěn)定性。

　　通用解析模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的通用解析，通過(guò)調(diào)用通用配置模塊內(nèi)輸出的DataTable表，通過(guò)模塊化函數(shù)處理，將16進(jìn)制數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)化為符合用戶需求的數(shù)值類(lèi)型。

　　實(shí)時(shí)顯示模塊保證實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多樣化顯示，如圖形、曲線、數(shù)值、容器方式等。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以及后期回放，存儲(chǔ)為SQL Server table^[6]和*. dat兩種文件形式，后期回放時(shí)，支持讀取SQL Server table中16進(jìn)制原始數(shù)據(jù)和dat文件數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)在軟件界面內(nèi)加速回放。

3 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

3.1 通用配置模塊

　　配置模塊中主要操作的對(duì)象為二進(jìn)制文件，其后綴指定為.dat，因此，配置模塊的輸入和輸出均為dat二進(jìn)制文件。衛(wèi)星地面測(cè)試時(shí)，數(shù)據(jù)復(fù)雜、排列多變，且伴隨有加密和解密過(guò)程。因此，通用顯示軟件配置模塊中的dat二進(jìn)制文件的格式以表的形式來(lái)定義，主要有波道表、類(lèi)型表、單機(jī)表、公式表、字節(jié)表、幀表等，每個(gè)表都有各自的屬性列，各個(gè)表之間的關(guān)系如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)通信模塊

　　通信模塊的主要功能有實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，事后從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取大批量數(shù)據(jù)供數(shù)據(jù)回放。因此，該模塊提供兩種通訊方式，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)即使用TCP、UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和通過(guò)ADO.NET^[7]大批量接收數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。

　　分析顯示軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)之間為一對(duì)多的關(guān)系，當(dāng)TCP通訊時(shí)，采用異步模式，主要考慮以下三種情況：一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件同時(shí)要與多個(gè)終端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;做大型實(shí)驗(yàn)時(shí)，存在數(shù)據(jù)量大和頻率高的情況;終端軟件需要分析的數(shù)據(jù)種類(lèi)比較多，如果采用同步模式，一旦一個(gè)終端軟件發(fā)生異常時(shí)，其它終端軟件將同時(shí)受到影響。當(dāng)數(shù)據(jù)回放時(shí)，終端軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)之間采用ADO.NET模式通訊，ADO.NET中最重要的特性是：它們是以斷開(kāi)連接的方式工作。目前，許多服務(wù)構(gòu)建為連接一個(gè)服務(wù)器，檢索一些數(shù)據(jù)，再在客戶機(jī)上處理這些數(shù)據(jù)，之后重新連接服務(wù)器，把數(shù)據(jù)傳送回去進(jìn)行處理，ADO.NET的斷開(kāi)連接的本質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)這類(lèi)操作。

3.3 通用解析模塊

　　在通用解析模塊中，輸入為網(wǎng)絡(luò)接收的十六進(jìn)制字節(jié)數(shù)組、處理方式、參數(shù)、字節(jié)類(lèi)型，輸出為經(jīng)過(guò)公式處理的目標(biāo)數(shù)據(jù)類(lèi)型(如int、float、double等)。考慮到后期數(shù)據(jù)分析模塊的更改或數(shù)據(jù)分析方式需要添加的情況，在此模塊中采用設(shè)計(jì)模式——簡(jiǎn)單工廠模式，使用設(shè)計(jì)模式使得程序更加靈活、容易修改，且易于復(fù)用。

　　通用解析模塊采用簡(jiǎn)單工廠設(shè)計(jì)模式^[8]后的類(lèi)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，簡(jiǎn)單工廠類(lèi)中根據(jù)字節(jié)標(biāo)志來(lái)決定實(shí)例化數(shù)據(jù)類(lèi)型的類(lèi);實(shí)例化類(lèi)為一個(gè)抽象類(lèi)，其中包含一個(gè)虛擬函數(shù)Result()，函數(shù)實(shí)體在具體類(lèi)中完成;4字節(jié)轉(zhuǎn)float類(lèi)繼承實(shí)例化類(lèi)，完成Result()函數(shù)的具體行為，將字節(jié)數(shù)組中其中4個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)輸出;同理，4字節(jié)轉(zhuǎn)二進(jìn)制類(lèi)將字節(jié)數(shù)據(jù)中4個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制輸出，8字節(jié)轉(zhuǎn)double類(lèi)將字節(jié)數(shù)組中8個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)為雙精度浮點(diǎn)數(shù)輸出，8字節(jié)轉(zhuǎn)二進(jìn)制類(lèi)將字節(jié)數(shù)組中的8個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出。如果要往數(shù)據(jù)分析模塊中添加其他數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)化方式，只要在底層添加相應(yīng)的類(lèi)庫(kù)，并繼承實(shí)例化類(lèi)，同時(shí)，在簡(jiǎn)單工廠設(shè)計(jì)類(lèi)中添加字節(jié)標(biāo)志即可。

3.4 實(shí)時(shí)顯示模塊

　　利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)^[5]概念，將顯示模塊封裝為各個(gè)控件容器，其中包含文本控件、曲線控件、儀表控件。文本控件以表格形式顯示當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)狀態(tài);曲線控件以曲線形式描述數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，含放大縮小功能;儀表控件以更形象化的圖形顯示各個(gè)波道數(shù)據(jù)，例如表盤(pán)、溫度計(jì)、柱狀圖、指示燈等。

3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊

　　數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊的輸入為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊處理完成的數(shù)據(jù)表，輸出為用戶所選格式的文件。后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，不同衛(wèi)星試驗(yàn)人員采用不同工具，因此，該模塊設(shè)計(jì)導(dǎo)出三種不同格式數(shù)據(jù)文件，即txt、excel和origin。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

　　整合上述5個(gè)模塊，形成通用分析顯示系統(tǒng)，通過(guò)讀取不同配置文件區(qū)分各衛(wèi)星型號(hào)變量。操作主要為打開(kāi)主界面、新建子窗體、子窗體中添加各種控件、控件中添加不同變量等，結(jié)合模塊執(zhí)行過(guò)程如圖4所示。

　　目前，本系統(tǒng)已應(yīng)用于多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)中，以某衛(wèi)星為例，首先根據(jù)衛(wèi)星試驗(yàn)人員提供的變量說(shuō)明表配置變量數(shù)據(jù)類(lèi)型、排序、公式、參數(shù)、解析方式等，配置完成形成統(tǒng)一配置文件;軟件讀入配置文件;試驗(yàn)人員選擇顯示方式如曲線、文本、柱狀圖等;對(duì)應(yīng)顯示方式上選擇需要顯示的一個(gè)或者多個(gè)變量;通過(guò)配置文件解析源數(shù)據(jù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)顯示。

5 結(jié)論

　　通用數(shù)據(jù)分析顯示系統(tǒng)理論上能夠支持絕大部分衛(wèi)星地面測(cè)試分析顯示需求，并支持多顆衛(wèi)星同時(shí)測(cè)試。目前，通用數(shù)據(jù)分析顯示軟件已經(jīng)在多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)中實(shí)際使用，因其操作簡(jiǎn)便、用戶界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠而受到試驗(yàn)人員的廣泛好評(píng)。不同衛(wèi)星型號(hào)地面測(cè)試采用同一顯示分析軟件，避免軟件設(shè)計(jì)人員重復(fù)開(kāi)發(fā)，節(jié)省試驗(yàn)人員熟悉全新軟件時(shí)間，對(duì)縮短衛(wèi)星地面測(cè)試研試周期有著重大意義。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。