在航天工程领域中,空间数据系统和航天器软件研发面临的现状主要是航天器接口设计多样化,各项目应用协议不统一。外在需求主要表现在用户需求未知、多变、复杂,任务需要的航天器集群、编队、星座、空间组网、天地一体化设计等。需求的日益复杂与航天工程的"快、好、省"的目标是矛盾的,需要通过采用重用技术、在航天器系统设计中引入智能技术来解决。为此迫切需要能够支持智能技术研发和应用的航天器数据管理软件体系架构及其开发模式。本文基于空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)提出的航天器接口业务(Spacecraft Onboard Interface Service,SOIS)架构,对航天器数据系统智能软件体系架构的设计和应用进行研究,以解决智能自主控制、协议统一、重用和可持续等问题。本文首先对CCSDS的SOIS架构及其实例(ESA的SAVOIR、NASA的cFE/cFS以及我国的跟踪实践情况),ECSS的PUS标准,进行了调研和比较,得出重用的特征是模型化和引入EDS技术的数据化设计两点启示。分析了SOIS框架,认为其支柱性技术是即插即用技术和数据管理技术两个方面。在即插即用方面,调研了IEEE1451标准协议族、AFRL的SPA架构实例和SOIS的SEDS实例,梳理了即插即用的思路方法。在数据管理方面,调研分析了一些有代表性的航天工程项目中的智能技术的应用情况,根据文献从能力部署视角归纳总结了智能能力等级的划分,并以此作为本文的主要思路。本文提出了由即插即用技术和自主控制技术支持智能能力的人字架构模型,给出了基本功能业务模型,梳理了以MIB技术和EDS技术为代表的数据关系和协议栈关系。数据关系表现为三个抽象部件层次(应用、业务、设备)在EDS中的逻辑关系,以及与系统三个组成层次(业务、设备、系统)的MIB对应关系和组织方式上。在即插即用方面,在1553B总线标准通信协议(主要是ECSS-E-ST-50-13C)的基础上,通过增加初始握手过程和远置终端的EDS设计,形成了具有即插即用特征的通信协议,给出了1553B总线控制器的即插即用设计方案,包括远置终端加入的总线表构建算法、管理数据结构和总线表动态调度的运行控制方式。总线表构建算法采用基于EDS的方法,根据远置终端的通信需求分析、计算、转换得到新的总线表。数据结构的思路是将总线表内容的分析提前到初始化时完成,以提高总线运行时的管控和数据交换的效率,并统一设计。总线表调度采用主总线表加插入消息的方式。对以上综合解决方案进行了时间和适用场合的效果评估,表明该方案形成的总线周期、远置终端接入时间长度等指标达到了可以接受的程度,既保持了总线周期的稳定,又提供了即插即用所需要的控制灵活性。该方案解决了1553B总线对远置终端的自动识别和自动配置问题,增强了系统对异构设备的协议适应性。具有即插即用特征的1553B总线在CCSDS-SOIS架构中作为底层子网之一,支持了上层即插即用系统的构建。在智能自主控制方面,给出了自底向上的5阶构建模型,分别是数据注入的接收、任务执行能力、自学习能力、系统自我管理能力、任务自我管理和思考能力。该模型以支持遥操作、通用、重用为目标,基于CCSDS空间包协议,兼容ESA的PUS标准,给出了通用的指令格式和内部数据管理格式和归一化的设计思路,自底向上逐步构建各个层次的通用平台。从智能能力角度,5阶模型支持自动、自治、自主三级智能等级的划分,支持底层(反应)、中层(程序)和高层(思考)三个层次的智能能力表现程度,逐步构建智能系统的自我学习能力、系统自我管理能力、任务自我管理能力和思考能力。为支持和配合上述智能软件体系架构的建设和智能技术的引入,本文给出了相应的数据系统标准体系,提出了对航天工程领域软件工程过程的改进设想,即适合于重用且满足现有要求的面向功能的软件工程过程(FO-SEP)3V模型,以及相适应的组织方式和重用体系。该模型能够适应新项目、重用构件和完全重用的研发需要。上述设想可以使软件研发工作摆脱对硬件工作的依赖,同时又可以快速响应用户需求,甚至引领用户需求。本研究课题定位在解决传统航天软件的研发与智能能力增强之间的衔接问题,为支持后续的空间数据系统智能技术部署在航天器上打下了基础。
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