以小卫星共用平台相配套, 以面向时象的程序设计方法(OOP)为塞础, 提出软件共
用平台的设计.
利用(OOP)的封装性、继承性和多态性, 设计小卫星软件的基本类库, 介绍各
个基本类的具体设计思想
。
最后给出由基本类库生成星载机软件系统的实例。
实践表明, 软件
共用平台对小卫星研制是行之有效的技术
。国家高技术航天领域"863-2" 基金资助项目:编号863-2-5-1-8

吴翔虎

廖明宏

程光明

Xiamen University Institutional Repository

第 卷 !∀第 # 期∃  ∀#计算机工程与设计%& ∋() ∗ + , +∃ − .∃ + + ,/ ∃ − 0∃ 1 1 + 2.− ∃叨3年 3 月1 4 %∀5 5 3文章编号635 57 8 5 9 : 5 3;5#一5 5 <刁# 中圈分类号 ∗ (= 3> 文献标识码60小卫星软件共用平台设计廖明宏,吴翔虎,程光明:哈尔滨工业大学计算机系,哈尔滨 3< 5 553 ;摘 要6 以 小卫星共用平台相配套,以面 向时象的程序设计方法 :5 〔〕(; 为塞础,提出软件共用平台的设计∀利用 && ( 的封装性、继承性和多态性,设计小卫星软件的基本类库,介绍各个基本类的具体设计思想。最后给 出由基本类库生成星载机软件系统的实例。实践表明,软件共用平台对 小卫星研制是行之有效的技术。关扭词6 小卫星 ? 软件平台 ? 面向对象程序设计 ? 星务软件 ? 姿态控制软件3 引 言小卫星的开发和应用在航天领域成为一支新的生力军,受到各国航天专家和学者的高度重视。它以“重量轻、体积小、价格低、周期短、性能高”的优势而倍受人们的青睐。尤其是中小型研究所或高校都在积极研制自己的小卫星,如德国的 & ≅ Α 系统公司川和英国的萨瑞大学 3 等。一般称质量在 <5 5 Β 35 5 公斤 以下的卫星为小卫星 ‘”。但质量绝不是唯一的指标。它采用先进的设计思想和技术路线来体现小卫星的综合优势。比如一体化的设计思想,充分开发软件功能,尽量减少硬件投入的思想和小卫星共用平台技术!’Χ 等在实验中被验证是行之有效的方法和技术。小卫星共用平台可由 = 部分组成6基本部分、推进部分 :包括冷或热气 ;和太阳帆板与可展开的空间结构 :如天线等 ;。采用这种共用平台与不同有效载荷模块相结合可以组成不同用途 的小卫星。小卫星平台的 = 部分可以独立存在,根据不同要求来组合,以满足不同要求。在进行不同组合时,平台 = 部分技术尽量达到不更改,或者基本上不更改。与小卫星共用平台相类似,本文提 出软件共用平台的设计思想,即采用面 向对象的程序设计方法,根据小卫星软件的不同功能,建立基本类库。在设计不同的小卫星时,可以由基本类库派生具体的对象来组合小卫星软件系统。采用软件共用平台的设计思想,可以最大限度地重用那些经反复测试的、成熟的软件模块,大大地缩短软件开发周期,提高系统的可靠性。探索一号 :∗ 2一!;小卫星是一种立体测绘科学试验卫星,主要用于对地照相,形成电子地图。小卫星上的计算机和各种控制器构成一个计算机网络系统,该网络系统由两台= Δ# +Ε 星载机及 9 个下位机:通信控制器、电源控制器、− (2 控制器和有效载荷控制器 ;通过两条 9 Δ< 总线互联构成,见图 !。其通信方式采用以星载机为主下位机为辅的主从工作方式∀而两台星载机通过高速同步串口 :Φ <3 5 ;连接,采用双机备份方式工作。每台星载机带有一个硬件看门狗,当系统发生故障时,产生中断,必要时引起双机切换。星载机的存储器包括6 3#Γ 的 , &∋6存放系统引导程序 ? <# Γ 的 ++ (, &∋6存放应用程序6 .∋ 的, 0∋6用于运行程序 ? 8 ∋ 的固态盘6用于存放遥测参数∀∀ 盆项目6本文是国家高技术航天领域“ Δ# =一’ 基金资助项目 :编号6Δ # =一 一<一3一Δ;。收稿日期 5: 犯∀5 8一#作者简介6启明宏 :3> #一;,男,台湾人,教授,博士,主耍研究方向6操作系统、人工智能和并行分布式处理。吴翔虎 :3> #Δ一;,男,黑龙江人,副教授,硕士,主要研究方向6操作系统∀程光明 :3> 8 3一;,男,汉族,黑龙江人,博士生,主要研究方向6嵌入式系统。一 Δ 一由基类 Η 1 Ι ϑΙ % &Β 派生出的异步申口通信类 :Η 0 Φ. & ; 和同步串口通信类 :ΗΦ Φ. & ;所实现的功能不同。 Η 0 Φ. & 提供星载机与下位机通信功能,星载机采集下位机的遥测参数,或转发遥控命令。当星载机与通信控制器通信时,又可进一步分为星内通信和星地通信。不论是星 内通信还是星地通信,方法24Κ ΛΜΒ4和 ,4Η ΜΝΙ Ο 4 不必改造,而在组帧 :% Ν4 Ιϑ4 ΜΒ 4; 时声明是星内或星地即可。星 内或星地通信的不 同,对帧的处理方法 :1 4%  Ο Π Φ4Μ Β 4; 很不一样,当星内通信时,帧为通信控制器的遥测帧,当星地通信时,帧为地面站发出的遥控命令帧,此时可以采用函数重载的技术,实现对星内帧和星地帧的不同处理。同步串口类 :ΗΦ Φ. & ;提供双机之间通信功能,帧的内容包括重要参数 :如飞行模式字、星上时等 ;及程序段 :实现双机程序对拷功能;。但不论具体 内容如何,其基本功能都可 由基类 Η 1 ΙϑΙ % &Ο 们。提供。=∀= 故障诊断与处理类 :ΗΜ 1. , ;故障诊断与处理功能是星上软件重要的组成部分,由于空间环境恶劣,飞行器在空间可能出现各种各样的故障。试图设计一个完美的故障诊断与处理系统是不现实的,因为一个功能齐全、结构复杂的诊断系统本身就是一个故障源。因此,在故障诊断与处理的功能设计上,力求简单、有效。一般的做法是将故障分为部件级、分系统级和系统级 =个级别,部件级和分系统级的故障由各分系统 自行诊断与恢复,并将处理结果通知星务管理系统6而系统级故障必须 由星务管理系统处理,必要时还得借助星载机硬件设备 :如看门狗等;来处理。但不论是什么级别的故障,都有共同的处理过程,即参数采集、参数检测、选取故障 :最高优先级故障;和故障恢复。因此,基类 ΗΜ 1 ., 可定义如下6%.朋 < 4Μ1 .,ΘΗ ΡΙΝ Σ ΠΙΝ ∗Ι Τ!4 6Η ΡΙΝ ∀ 创!ΥΝ4 , Η 4 ς4ΝΩ 几Τ!4 ?(ΥΤ !Ξ4 6ς ΞΛ ΠΙΝ 2ΙΟ (3ΞΚ Ψ: ;?ς ΞΛ (∀ , %Ρ4 ΗΖ 6ς  ΞΛ ΜΙ Ξ!眼24!4Η ϑ:; 6ς  ΞΛ ΜΙ Ξ!ΥΝ 4助4 ς4ΝΩ: ;?ς  ΞΛ (Ν  Η 4 ΦΦ:;?[由基类可派生出部件级故障处理类 :Η %  Ο Π  Κ 4ΚΞ Μ1. ,;、分系统级故障处理类 :ΗΦ ΥΤ ΦΩ Φϑ4 ∀ 田1 ., ; 和系统级故障处理类 :ΗΦ ΩΦ ϑ4 ΟΜ 1. ,;,他们根据故障级别的不同,处理方法也有所不同。=∀9 星载机管理类 :Η 5 Α%∋ΙΚ ΙΨ 4Ο4 ΚΞ ;星载机管理类提供对星载机资源的有效管理,其中包括系统初始化、存储管理、时钟管理、看门狗管理和双机切换等功能。作为基类, Η & Α%∋ΙΚ ΙΨ 4Ο4 ΚΞ 只封装与星载机资源有关的参数及其操作,而派生的各个子类分别对应于不同的系统资源。类 Η∋ 4 Ο  ΝΩ 是存储管理,在这一抽象中,它只封装存储器的大小、状态等共性信息。根据存储器的不同种类,可进一步派生出 9 个子类6 4(, &∋, 4+ +(, &∋, Η , 0∋, 4Μ !Ι Φ句她4 Ο  叮。对于 4(, &∋ 只有读操作,而其他 = 个子类都有读、写和刷新等操作∀类 ΗΗ!  Η Ζ 是时钟管理,它提供读取星上时和设置星上时等操作 ?类 Η ∋!Ι ϑΗΡΛ Ψ 是看门狗管理。每台星载机都带有一个硬件看门狗,它被设置成一个递减的计数器。当程序正常运行时,每个执行周期的开始和结束都要喂狗 :即重新设置计数器;,看门狗不会 出现滋出中断。但 当软件或硬件出现故障,程序无法正常喂狗,看门狗会产生中断,迫使系统复位或冷启动,直到切换它机:视具体条件而定 ;。因此 Η研厄ϑΗΡ1 Ψ 的定义如下6Η!ΙΦΦ Η叭∴Ι ϑ4ΡΛ  Ψ 6  Α%∋ΙΚ ΙΨ4哪ΚϑΘΠΥΤ !ΞΗ6一 = 3 一ς ΞΛ ]对ϑΞΙ !认∴Ι ϑ% ΡΛ 以;?ς  ΞΛ Μ4 Λ 节!Ι 加ΡΛ  的 ?ς  ΞΛ .Κ ϑ!、 Η  ?[类 Η 5 Α % 2⊥Ξ ϑΗ Ρ 提供双机切换功能∀两台星载机采用双机协同工作模式,即在进行姿态控制时,各敏感器的遥测数据作为两 台星载机的输入,两台星载机同时做定姿、姿控计算,并将两台星载机的计算结果进行比对,相同则输出控制6否则禁止输出,双机 自检,在必要时做控制权切换 :在任一时刻,只有一台星载机有控制权;。因此,类 Η& Α % 2⊥ ΞϑΗ Ρ 提供的操作包括6系统自检、结果比对、查看控制权、设里控制权等。=∀< 下位机控制器类 ΗΦ ΥΤ %&Κ 枉1 !!4Ν运行于下位机控制器上的软件系统归属于下位机控制器类。虽然这些软件相差很大,但它们也有共性部分6比如系统的开关状态、对系统的初始化、与星载机的通信等等,可以将它们抽象到基类Η Φ Υ Τ %  Κ ϑΝ 1 ) 46 中。作为软件共用平台,它要能够适应不同有效载荷的特殊需求。从系统的墓本类库可以看出,只要更换下位机控制器类的派生类6有效载荷类 :Η (]% ;即可,软件共用平台的其它部分基本可以不改或仅做小部分修改即可。这充分体现了软件共用平台的优势∀9 ∗ 2一3 星载机软件系统的生成基于小卫星软件共用平台,很容易通过基本类库建立具体的软件系统∀下面 以∗2一3 小卫星星载机软件系统为例,介绍一个软件系统是如何生成的∀在 ∗2一3 小卫星中,由于姿态控制软件和星务管理软件被集成在一起。因此,星载机软件系统包括姿态控制和星务管理两部分功能,即6ς  ΞΛ &Α %2 _ϑΦ ΩΦ:;笼0川加目日% ϑΝ 35 ?≅月劝几⊥ 肚4:;?[其中,姿态控制函数 0丙ϑ Λ4 % ϑΝ! &包括敏感器参数采集、转换、定姿姿控计算及姿控部件的控制输出?星务管理函数 ≅ Γ2 Κ ⊥ ΙΝ4 &的主要功能是与下位机通信和对系统的故障诊断与管理∀见如下程序清单。ς  ΞΛ 0 出ϑ 山%七 35毛Η!ΙΦΦ Η% 侧盯Φ4 ΦΥΚ Φ4Κ Φ Ν 4 ΦΦ ?Η!ΙΦΦ Η压ΨΞ ϑΙ !ΦΥΚ 2 ∀Φ Ν ΛΦ Φ ?Η!ΙΦ Φ Η Φ址24 Κ , Ν Φ恤!Χ 舰叮 ?Η俪< Η⎯ Ω∗ & 2ΒΨ ΩΝ  !,Ψ扣旧,Ψ ΩΝ5 =,砚盯叫 ?4!ΙΦΦ Η加肠ΨΚ4ϑ Ο 4ϑ4 Ν Ο ∋ 4ϑ4Ν 6Η!ΙΦΦ 40币ϑ Λ 4〔随ϑ% ϑ !0 %2 ?Η!ΙΦΦ Η⊥ Τ 4 !⊥ Τ4 !!,⊥ Τ4 !α,⊥ Ρ4 !=,⊥ Ρ4 !9 ?Η! ΙΦ Φ Η∋ Ι即4ϑΞ Η∗&Ν⎯Υ4Ν Ο !Τ Ν⎯ Υ 4Ν !,Ο ∗ 闪 ,时,Ο 肠辉川∀ Ν= ?Λ ΥΤ!4 ΞΚ Π Υ ϑΠ呱 β> χ,  吻ΥϑΝ Ιδ β8 36吻Υϑ( 。β<χε 习ΩΝ& ∀ 伍ϑ 目Υ4 ?加Π Υ ϑ(帅β#χ 月盯Ο =∀ −4ϑςΙ 】Υ4: ;?呻Υ ϑ( ΙΝ β8χε Ψ Ω代闷Θ 比ϑ 目∀ 吠;?运Π Υ ϑ( ΙΝ βΔχ 月回∋4加思〔七ϑ 目以;?0Η Φ∀ 阁。幽州呻Υ口 ∀ 、 叨争口∀ ;?⊥ Τ倪33∀叨中Υ试刚中Υ呀。35 χ;?⊥ Τ4 !α∀ 吻Υ城 Υ ϑ( Υ ϑ(。β 33;?⊥ Ρ4 !=∀ 呻Υϑ: 呻Υϑ(。β χ;?⊥ Τ ∀ 4 !9∀。呻以。呻Υϑ( ΙΝ !=3 ;?∀ 肠闪Υ份3∀加中Υ试 )ϑ(Υ ϑ(。β9χ ;?口介辉川‘∀。吻诚训印呼∀ β< χ;?口肠叫”优=∀加中Υ叹。吻Υ口ΙΝ β#χ ;?[帅Υ ϑ( ∀ .&χ 翎民%冶ϑ 目Υ4 仓帅Υ ϑ( ΙΝ 【33ε Λ ΦΦ石池ϑΙ 】Υ4:; ?ΞΚ(Υ ϑΜ ΙΝ β 卜沈叮3∀−4 ϑ、乞!Υ 4认ΞΚΠ Υϑ( 帅β= χε沈叮 − 4 ϑΙ 3Υ4: ;?访ΠΥ ϑΜ ΙΝ 【9卜Ψ 盯。3石。ϑΙ !Υ4 ?ς ΞΛ ≅ Γ2 Κ ⊥ ΙΝ试;ΘΗ !ΙΦ Φ Η0 2. ⊥ ΞϑΡ ∗ ∗ %,⊥ Ξ劝旧(%,⊥Ξ ϑΡ − (2,⊥ Ξ伪尸]% ?4 !ΙΦ Φ Η ΦΩ血∀ 正1 ., ΦΩ2 Μ1.,?一 = 一⊥ ΞϑΡ∗∗ %∀%  Κ ΥΚΞ4Ιϑ4 :;6⊥ ΞϑΡ+ (%∀%  Κ ! Κ Υ Κ Ξ4 Ι ϑ4: ;6⊥ ΞϑΡ − (2∀%  ΝΚ ΝΚΥΚ Ξ4Ιϑ 4: ;6⊥ ΞϑΡ(]%∀%  Κ Υ”Υ Κ Ξ4Ιϑ 4:;6ΦΩ ΦΜ1 .,∀Π Ν 4 4 ΦΦ&?[不难看出,基于小卫星的基本类库,一个软件系统是很容易生成的。若每一个基本类都是经过反复验证的,则生成的软件系统的可靠性在底层得到保证。软件调试或测试人员只需把精力集中在接口和整体测试上。对于不同的小卫星,所采用的敏感器部件或控制部件可能不同。若在基本类库中不能直接生成它们的对象,可利用一个相似的类派生具体部件的类。由派生类可直接生成这些部件的对象。当然,派生类的各项功能必须经过认真测试。每一个小卫星的设计实际是对基本类库的补充和丰富。当基本类库足够全时,小卫星的软件设计将成为一项简单快捷的工作。这也是软件共用平台的魅力所在。< 结 论小卫星优势之所以得以发挥,一个很重要的因素,就是充分开发和利用软件功能,使小卫星具有较强的 自主飞行和 自主管理功能。受到小卫星共用平台技术的启发,本文在面向对象的程序设计方法的基础上,提出了软件共用平台的技术,并以 ∗ 2一3 小卫星为应用背景,讨论了该技术的合理性和可行性。实践表明,软件共用平台技术能够高效、快捷开发小卫星的软件系统。参 考 文 献6β !χ 0∀− ΞΚ Ιϑ Ξ,∋∀ΜΥ 4ΡΦ∀+ 翻Νϑ Ρ  Τ Φ4 Νς Ιϑ Ξ Κ Π Ν ΨΝ Ι Ο ⊥ ΞϑΡ ΦΟΙ !! 2Ιϑ4 !!Ξϑ4 ΞΚ  ≅ Α一ΦΩ Φ ϑ4 Ο β% χ∀Α 4 Ν!ΞΚ 6 ΦΟΙ !!ΦΙϑ 4 !!Ξϑ4 Φ _ Ν + Ι Νϑ Ρ  Τ Φ4Νς Ιϑ Ξ Κ , α ΚΛ !Κϑ∀Φ帅Π∀ _ϑΡ 4 !Κϑ∀0 ΗΙ Λ4衅 _0 ΦϑΝ ΚΙΥ ϑΞ4 Φ :认0 ; 3>> >,Δ 6 3一3#∀β χ 严拱天∀萨里大学小卫星的成功经验及控制系统的一些关键技术 β%χ∀北京航天工业总公司小卫星讨论组,3>> #∀β=χ 何慧婉∀小卫星的发展应用前景 β%χ∀重庆,中国空间科学学会空间探测专业委员会第 > 次学术会议,3>φ∀β9 χ 林来兴∀当今小卫星发展水平及其关键技术 βΗχ∀北京航天工业总公司小卫星讨论组,3>φ∀【<χ 王燕∀面向对象的理论与 %什实践 〔∋』∀北京 6 清华大学出版社,3> 8∀%  Ν Κ们Κ  Κ Φ _ϑ ⊥ ΙΝ 4 (!Ι ϑ_ ΝΟ Λ4 ΦΞΨ Κ _ Ν ΦΟ Ι !! ΦΙϑ 4 !!Ξϑ4]认& ∋ ΞΚ Ψ一Ρ ΚΨ,γ ) ΕΞ Ι Κ Ψ一ΡΥ,% ≅+ ∃ − −ΥΙ Κ Ψ一Ο ΞΚ Ψ:%  Ο( Υϑ4Ν 2 4 Ξ4 Κ 4 4 1 叩出由叮Η Κϑ,≅ΙΝΤ ΞΚ .Κ ΦϑΞϑΥ ϑ4 _∗4 4 ΡΚ  ! 外 ≅ΙΝΤ ΞΚ 3< 55 5 3;0 Τ Φϑ Ν Ι Η ϑ 6 Μ  Ν ΦΥ Ξϑ ΞΚ Ψ 4  Κ Υ Κ  Κ (!Ιϑ _ ΝΟ _ ΦΟ Ι! ! ΦΙϑ4 !!Ξϑ4 , Ι 4  ΝΚ幻。 Κ Φ _ϑ ⊥ ΙΝ4 (!Ιϑ _ ΝΟ ΞΦ Λ 4 ΦΞΨ Υ 4 Λ Τ Ι Φ4 Λ  ΚϑΡ 4  ΤΧ 4 ϑ一 ΝΞ 4Κϑ4 Λ (Ν ΨΝΙ Κ Υ Κ ΞΚ Ψ :5 5 Π;∀) ΦΞΚΨ ϑΡ4 4 Κ 4叩Φ Υ!ΙϑΞ  Κ,ΞΚΡ4ΝΞ ϑΙ ΚΗ 4 Ι Κ Λ Π  !Ω!Κ ΝΠ ΡΞ ΦΟ  _ 5 5 (,Ι _ ΥΚ ΛΙ ϑΞ Κ 4 !Ι Φ Φ !ΞΤ ΝΙΝΩ  _ ΦΟ Ι! ! ΦΙϑ4 !!Ξϑ4Φ _ϑ ⊥ ΙΝ4 ΞΦ Λ 4 ΦΞΨΚ 4Λ,ϑΡ4 Λ4ϑΙ Ξ!Λ4ΦΞΨΚ  _ Ι !!ΤΙ Φ4 4!ΙΦ Φ 4 Φ ΞΦ ΞΚ ϑΝ 7ΛΥ 4 4 Λ∀0 Φ ΙΚ 4 δ ΙΟ (!4,ΙΚ  ΚΤ  ΙΝΛΦ  _ϑ ⊥ ΙΝ4ΦΩΦϑ4 Ο 3< Ψ 4 Κ 4 ΝΙϑ4 Λ _Ν Ο ϑΡ4 _ Υ ΚΛ Ιϑ Ξ Κ 4!Ι ΦΦ !ΞΤ Ν田了∀+ δ( 4ΝΞ Ο 4ΚϑΙ !ΦΡ ⊥Κ,ϑΡ 4 4  Ο Κ Φ _ϑ ⊥ΙΝ4 (!Ιϑ _ ΝΟ 3< ΙΚ 4_44 ϑΞ ς 4 ϑ4 4!Ο Ξ⎯Υ4 _ Ν ϑΡ 4 Λ4 ς 4! (Ο 4ΚΞ  _ ΦΟ Ι !! ΦΙϑ4 !!Ξϑ4∀Γ4 Ω ⊥ Ν Λ Φ 6 ΦΟ Ι!!ΦΙϑ 4 !!Ξϑ 4 6 Φ  _ϑ ⊥ ΙΝ4 (!Ιϑ _ ΝΟ 6 ΤΧ 4 4 ϑ一 ΝΞ 4ΚΞ 4Λ (Ν ΨΝ Ι “Υ Κ ΞΚ Ψ ? Ρ Υ Φ 4Ζ4 4(ΞΚ Ψ Φ _ϑ ⊥ ΙΝ4 ? Ιϑ ΞϑΥ Λ44  Κ ϑΝ ! Φ  _ϑ ⊥ ΙΝ 4一 = = 一

小卫星软件共用平台设计

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/9902/%e5%b0%8f%e5%8d%ab%e6%98%9f%e8%bd%af%e4%bb%b6%e5%85%b1%e7%94%a8%e5%b9%b3%e5%8f%b0%e8%ae%be%e8%ae%a1.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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