航天载荷系统功能重构方法、软件架构及硬件平台架构

技术领域

本发明涉及软件无线电技术领域，尤其涉及一种航天载荷系统功能重构方法、软件架构及硬件平台架构。

背景技术

传统航天载荷系统面向特定任务进行设计，流程算法逻辑固定，任务功能与物理设备紧密耦合，载荷的功能性能是单一的、特定的，且不能实现功能的灵活配置，在有效期内载荷系统的软、硬件均不具备扩展、升级和成长能力，无法满足不同的任务应用需求，无法适应不断增长的差异化需求，就导致必须不断发射更先进的航天载荷系统来满足不断发展的应用需求，大大增加了开发成本和时间周期。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种航天载荷系统功能重构方法、软件架构及硬件平台架构，采用基于“即插即用”的开放式硬件架构和基于“软件无线电”的开放式软件架构，通过基于插件的软件重加载方式实现系载荷功能的重构和升级，形成开放通用、可持续迭代升级的空间电子信息综合试验平台，实现任务功能与物理设备解耦合，通过软件动态重构实现了一星多能，而且可支持整个载荷系统随着技术进步而不断迭代升级，以满足不断发展的应用需求。

本发明采用的技术方案如下：

一种航天载荷系统功能重构方法，包括：

重构准备：建立软硬件资源模型库和资源管理系统，并基于所述软硬件资源模型库中的若干虚拟构件形成虚拟系统；

重构实施：基于所述虚拟系统的可重构配置文件建立任务功能工作的过程，包括信息收集和重构执行；

运行监控：在完成所述重构执行之后，对航天载荷系统中各个设备的运行状态进行在线实时监控，并按照预设频率上传运行状态情况；

动态重构：基于任务变化情况，根据预设重构策略重新进行软硬件资源的调度，实现软硬件资源的自适应重组织。

进一步地，所述重构准备包括：

应用组件开发：采用统一开发环境向导生成应用组件，通过集成向导自动生成接口代码，达到统一接口规范要求，不同应用组件在统一框架下增加业务功能形成功能组件资源库；

软件组件入库：将功能组件、框架和应用软件进行入库管理；

硬件资源抽象：将实际硬件设备的所有信息收集到硬件信息数据库中以虚拟硬件为单位进行管理和维护，所述虚拟硬件是与实际硬件设备对应的所有参数属性的集合；

蓝图文件制作：根据应用模式和硬件资源情况，建立不同模式的软件、硬件资源配置关系；在完成资源配置关系拓扑结构的搭建后，根据任务需要为所选用的硬件配置组件。

进一步地，所述硬件资源抽象包括：

收集各应用处理软件上报的硬件资源、软件资源部署图和版本信息，形成硬件资源映射图；

基于硬件信息对系统所有资源进行硬件资源编码，建立硬件视图。

进一步地，所述重构实施中的重构执行包括：

根据可重构配置文件将真实的硬件系统设置为预设工作模式，配置连接关系，搭建出硬件系统平台；

根据配置文件将所需要的功能软件按照部署关系部署至相应的处理平台中，并启动运行。

进一步地，所述运行状态监控包括：

硬件资源状态监控：在硬件资源中部署重构代理软件以收集硬件资源信息，并向重构管理软件汇集信息；所述重构管理软件对整个系统资源进行监控，发现新增硬件资源或资源出现故障后进行告警；

软件运行状态监控：在实时运行过程中，对软件资源运行情况进行监控以了解资源运行负荷和异常监控。

进一步地，所述动态重构包括：

工作模式切换：重新选择已有工作模式，并进行所述重构实施；

工作模式调整：先进行动态流程设计和动态软件组装，再进行所述重构实施。

进一步地，所述动态流程设计包括监控系统硬件资源和执行情况，根据任务变化，制定应用软件完成应用软件集成方案，形成蓝图文件；所述动态软件组装包括读取软件资源，组装、部署和加载动态软件，将形成的蓝图文件入库。

一种航天载荷系统软件架构，包括：

应用服务层，被配置为实现航天载荷系统的各类业务功能，并支持业务功能扩展；通过服务分析将目标服务分解为按预设次序组合的应用对象集合，所述应用对象被配置为联合完成所要求的服务；

应用对象层，被配置为执行应用对象业务，包括无线调制信号接收、信号检测与参数估计和可视图像解码；所述应用对象层的每一个应用对象包括由一个或多个基本功能单元；

基础组件服务层，被配置为提供应用部署到硬件平台及组件之间的通信，跟踪航天载荷系统的变化，屏蔽不同硬件平台之间的差异；

硬件平台层，被配置为标准总线和可编程体系结构，将所述应用对象的基本功能单元映射到通用硬件平台上。

进一步地，系统软件的动态部署及重构包括：在可重构资源池基础上，采用以软件总线为基础的面向服务的软件架构，以核心框架+软件总线+功能组件的形式进行软件集成开发和应用。

一种航天载荷系统硬件平台架构，包括：

综合孔径模块，被配置为实现多波束覆盖和任意形状波束生成，支持多功能和多模式同时工作；

综合信道模块，被配置为实现综合孔径模块、综合处理模块和综合应用模块之间的数字光信号功率放大、交换与传输，形成核心交换网络；

综合处理和应用模块，被配置为通过动态部署不同的任务功能软件构件，实现多种任务功能的数字信号处理；

综合管理和控制模块，被配置为实现对航天载荷系统的遥测监控和任务功能的管理调度。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的航天载荷系统功能重构方法、软件架构及硬件平台架构，可解决传统的一套设备一种功能的现状，系统具备可重构、可扩展、可升级能力，可满足不同的载荷任务应用需求，实现一星多用、一星多能。利用软件定义系统功能，软件即插即用，达到提升系统性能和降低成本的目标。

附图说明

图1是本发明实施例1的航天载荷系统功能重构方法流程图。

图2是本发明实施例2的开放式综合化载荷硬件平台架构示意图。

图3是本发明实施例3的分层体系结构示意图。

图4是本发明实施例3的软件重构的架构示意图。

图5是本发明实施例4的系统体系架构示意图。

图6是本发明实施例4的综合处理和应用硬件平台模块配置图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种航天载荷系统功能重构方法，包括以下步骤：

重构准备：建立软硬件资源模型库和资源管理系统，并基于软硬件资源模型库中的若干虚拟构件形成虚拟系统；

重构实施：基于虚拟系统的可重构配置文件建立任务功能工作的过程，包括信息收集和重构执行；

运行监控：在完成重构执行之后，对航天载荷系统中各个设备的运行状态进行在线实时监控，并按照预设频率上传运行状态情况；

动态重构：基于任务变化情况，根据预设重构策略重新进行软硬件资源的调度，实现软硬件资源的自适应重组织。

(1)重构准备

重构准备的资源包括可重构的硬件资源和软件资源。所有资源采用标准模型进行定义和描述，然后安装虚拟构件的形式进入重构管理软件的模型库中进行统一管理，资源库的管理。通过建立资源管理系统，对系统软件资源进行管理，包括组件的注册、信息发布、安全管理和操作维护。在系统资源库中建立了软硬件资源模型库以后，就形成了整个系统可用资源的一个集合。这些资源提供不同的功能、性能、接口等，由于采用了标准模型，可以根据一定的策略对这些资源进行组合和链接形成一个完整的系统，完成一定的功能。虚拟系统的搭建过程就是从软硬件资源模型库(知识库)中选择合适的构件，形成虚拟系统的过程。

优选地，重构准备包括以下步骤：

应用组件开发：采用统一开发环境向导生成应用组件，通过集成向导自动生成接口代码，达到统一接口规范要求，不同应用组件在统一框架下增加业务功能形成功能组件资源库。

软件组件入库：将功能组件、框架和应用软件进行入库管理。

硬件资源抽象：将实际硬件设备的所有信息收集到硬件信息数据库中以虚拟硬件为单位进行管理和维护，虚拟硬件是与实际硬件设备对应的所有参数属性的集合。

蓝图文件制作：根据应用模式和硬件资源情况，建立不同模式的软件、硬件资源配置关系；在完成资源配置关系拓扑结构的搭建后，根据任务需要为所选用的硬件配置组件。

更为优选地，硬件资源抽象中，系统需要维护的主要硬件信息包括设备类型、设备名称、设备编号、外设接口和处理器间的硬件互连信息。硬件管理提供了以虚拟硬件为单位的对这些信息的录入、更新、删除等操作。精确的硬件信息可以为软硬件映射提供相关数据的可靠支持。通过用户创建资源信息，建立资源组织结构图。实时工作时，可收集各应用处理软件上报的硬件资源和软件资源部署图、版本信息，形成硬件资源映射图。重构管理软件通过收集硬件信息建立硬件视图，硬件视图根据系统组成，对系统所有资源进行硬件资源编码。系统硬件资源包括PowerPC处理器、FPGA处理器、AD和DA。

(2)重构实施

重构实施主要包括信息收集和重构执行两部分。优选地，重构执行包括两个方面，一是根据可重构配置文件将真实的硬件系统设置为预定的工作模式，配置其连接关系，搭建出硬件系统平台。二是根据配置文件将所需要的功能软件按照部署关系部署至相应的处理平台中，并启动其运行。经过上述两个步骤，一个包含硬件、软件的完整的系统便建立起来，可以正常工作。

(3)运行状态监控

运行状态监控是在完成重构操作以后，在系统正常运行中对系统中各个设备进行在线实时监控，监控的实现是在运行过程中由驻留在每个设备上的健康管理软件按照一定节拍向重构管理软件上报其运行情况，可以发现系统中可能存在的问题，指导系统及早做出调整预案。

优选地，运行状态监控包括：

硬件资源状态监控：在硬件资源中部署重构代理软件以收集硬件资源信息，并向重构管理软件汇集信息；重构管理软件对整个系统资源进行监控，发现新增硬件资源或资源出现故障后进行告警；

软件运行状态监控：在实时运行过程中，对系统软件资源运行情况进行监控，以了解资源运行负荷和异常监控，便于系统重新分配系统资源。

(4)动态重构

动态重构是在任务执行过程中，系统根据任务变化，依据一定的重构策略重新进行软、硬件资源的调度，重新设计系统流程，实现系统软、硬件资源“自适应重组织”，从而使系统能力可以随任务而变化。

如果重新选择已有工作模式，直接动态重构即可完成任务需求；如果需要动态设计新模式，其主要步骤包括：

动态流程设计：监控系统硬件资源和执行情况，根据任务变化，制定应用软件完成应用软件集成方案，形成蓝图文件；

动态软件组装：读取软件资源，进行动态软件的组装，实现软件的部署和加载，将形成的蓝图文件入库。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

如图2所示，本实施例提供了一种开放式综合化载荷硬件平台架构，包括：

综合孔径模块，被配置为实现多波束覆盖和任意形状波束生成，支持多功能和多模式同时工作；

综合信道模块，被配置为实现综合孔径模块、综合处理模块和综合应用模块之间的数字光信号功率放大、交换与传输，形成核心交换网络；

综合处理和应用模块，被配置为通过动态部署不同的任务功能软件构件，实现多种任务功能的数字信号处理；

综合管理和控制模块，被配置为实现对航天载荷系统的遥测监控和任务功能的管理调度。

本实施例的开放式综合化载荷硬件平台采用通用化、模块化、标准化的设计，以微系统阵列技术、高速传输与交换技术、高性能计算技术等为基础，支持可扩展性设计，子系统和模块即插即用，支持在轨更换、性能升级等需求，形成开放通用、可持续迭代升级的航天电子信息综合试验平台。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上：

本实施例基于实施例2的开放式综合化载荷硬件平台提供的运行环境基础，提出了软件定义功能的设计理念，软件采用层次化结构和构件化技术，建立统一的接口规范和开发集成标准，通过软件重构能力实现硬件平台的功能动态配置，将功能软件映射和部署到硬件平台的不同硬件节点上，重新建立综合处理和应用系统间的逻辑关系，构成系统拓扑结构，软件的重构增强了载荷系统的灵活性和扩展能力。

本系统具有开放的软硬件结构，能适应多种应用服务、升级的软件和硬件的应用，软件采用分层体系结构，实现了系统的各层的控制、管理和应用，系统的分层体系结构，如图3所示。

软件系统体系结构层次分为4层，依次是应用服务层、应用对象层、基础组件服务层和硬件平台层，各层间定义统一的结构，提供标准的驱动或者应用编程接口来实现对接。

(1)应用服务层首先经过服务分析，把特定的服务分解为按一定次序组合成的应用对象(组件)集合，这些对象可以联合完成所要求的服务。应用服务层实现系统的各类业务功能，并支持业务功能的扩展。

(2)应用对象层可以是无线调制信号的接收、信号检测与参数估计、可视图像解码等，每一个应用对象可以由一个或多个基本功能单元组成。

(3)基础组件服务层为应用部署到硬件平台及组件之间通信提供一致的方法，并能跟踪系统的变化，同时也能屏蔽不同硬件平台之间的差异。

(4)硬件平台层采用标准总线和可编程体系结构，每一个基本功能单元被映射到通用硬件平台上，由相应的硬件单元来完成其功能，涉及FPGA、DSP及GPP计算节点。

软件系统按照分层结构开展软件工作，帮助应用对象之间采用统一的接口进行通信，应用对象与服务之间的通信通过中间件来完成，中间件实现了软件总线，支撑各个软件组件进行数据传输，支撑功能组件实现模块化设计，起到类似计算机系统硬件总线的功能，应用组件按照总线规范制作成软插件，插入总线即可运行，实现了软件的即插即用技术。同时应用组件通过中间件进行互通和互操作，不受操作系统和应用程序编程语言的限制，提升了应用服务的灵活性，最终实现软件任务的自动组合和动态部署。

动态部署及重构是在可重构资源池基础上，采用以软件总线为基础的面向服务的软件架构，以“核心框架+软件总线+功能组件”的形式进行软件集成开发和应用。系统软件重构架构，如图4所示。

根据系统应用功能，系统软件主要包括VxWorks平台和FPGA、DSP平台两个层次的软件库。不同层次组件库实现不同的资源调度、实时处理、分析算法等功能。组件通过注册后纳入软件资源库进行统一管理，根据系统应用来组装不同组件，以实现不同应用功能和资源调度。由核心框架进行组件的组装，由重构管理和重构代理软件进行组件的动态加卸载，由软件总线实现各组件和软件之间的数据交互。基于系统资源分配原则，通过不同组件的组装和执行，形成不同应用软件并入库，通过对应用软件的加载，实现系统的功能重构，形成综合处理系统不同功能。

软件重构主要是FPGA、DSP平台软件与RxWorks平台软件的重构。对于FPGA软件平台，主要采用预置不同工作模式的软件版本，根据不同的任务要求加载不同的FPGA功能软件，实现其软件重构，满足不同的功能需求。DSP平台的嵌入式软件重构功能较为灵活，采用分层结构可实现重构。

功能可重构的实现流程分为四个阶段，重构准备、重构实施、运行监控和动态重构，具体实现流程参考实施例1的航天载荷系统功能重构方法。

实施例4

本实施例在实施例3的基础上：

本实施例采用开放式可重构架构，系统体系架构具体实现如图5所示。应用服务层是波形的应用组件层，实现系统的各类业务功能，并支持业务功能的扩展。基础组件服务层包括基础框架服务、嵌入式操作系统、驱动程序和板级支持包。硬件平台层提供FPGA、DSP、GPP和CPU等计算节点，标准总线包括以太网总线、CAN总线、RS422总线、SRIO总线以及LVDS总线，为系统提供标准接口通信能力。

开放式可重构架构是在一套综合化硬件平台上通过软件重构实现多种功能任务，硬件综合处理和应用硬件平台进行模块化设计，具备对软硬件的即插即用能力，系统具备在轨硬件升级和软件升级能力，配置如图6所示，包括通用信号处理模块I型10个，通用信号处理模块II型6个，通用信号处理模块8个，交换模块2个，IO模块1个，系统控制模块1个，系统时间控制模块1个，波分复用解复用模块2个，电源模块2个。

通用信号处理模块I型由2片XC7VX690T的FPGA与1片DSP6678组成，DSP6678外挂64位512MB的DDR3。每个芯片都通过交换芯片同时连接到主备RapidIO网络上，FPGA的GTH高速接口通过光电电光转换子卡对外提供高速数字光纤接口。两个FPGA之间通过2路6X的7.5GbpsGTH高速串行总线和80对LVDS总线交换数据，分别具备大于80Gbps和20Gbps的数据传输能力；FPGA与DSP芯片之间通过Link链路连接。

通用信号处理模块由4片DSP6678组成，每个芯片都通过交换芯片连接到主备RapidIO网络，主备均为1路4X。6678外挂64位8GB的DDR3内存条。

根据系统任务需求，分析系统各处理环节资源，说明其中两种典型工况动态重构部署情况。

工况1：功能1调用1号阵面。该工况下综合处理及应用子系统接收1号阵面的多路AD信号，其中6块I型FPGA模块完成信号预处理，5块II型FPGA模块完成信号处理，2块I型FPGA模块和1块II型FPGA模块完成信息融合，DSP模块完成信息处理，CPU和FPGA模块完成功能1的实现。

工况2：功能2调用2号阵面。该工况下综合处理及应用子系统接收2号阵面的AD信号，其中4块I型FPGA模块完成信号预处理，5块II型FPGA模块完成数字波束形成，2块I型FPGA模块和1块II型FPGA模块完成信息融合，DSP模块完成参数测量，CPU和FPGA模块完成功能2的实现。

依托可重构的综合处理和应用硬件平台，根据星上蓝图文件或地面注入，重构处理平台软件版本，达到多功能应用目标，实现一星多用，一星多能。根据地面注入的对象信息，更新星上知识库，系统架构能够根据地面注入的相关算法和先验知识，快速加载算法从而提升能力。本实施例系统重构时间小于30秒，重构的成功率可达99.00％。

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。