摘   要： 本文采用嵌入式實時系統(tǒng)軟件設計方法對星載姿軌控計算機系統(tǒng)進行設計，軟件系統(tǒng)采用層次模塊化結構。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)連接姿軌控應用程序和底層硬件，文中給出了姿軌控計算機軟件系統(tǒng)設計流程圖、軟件應用層縱橫結合型結構，以及任務模塊調度管理的仿真結果。
引言
軟件體系結構是對軟件各高層抽象的理解，必須在較早階段對軟件進行體系結構層的分析，其中算法和數(shù)據結構的選擇處在軟件體系結構的較低層次上。系統(tǒng)結構的問題包括：用一系列組件來組織一個系統(tǒng)，全局控制結構，通信、同步和數(shù)據存取協(xié)議，設計元件之間功能的劃分，物理的分布方式，系統(tǒng)運行狀況的估計和測量，演化方向，設計模式的選擇等，這些都是設計階段的軟件體系結構。
傳統(tǒng)星載軟件的設計方法、開發(fā)手段已不能適應日益復雜的需求，采用微內核的實時操作系統(tǒng)作為軟件的系統(tǒng)結構是一種縮短開發(fā)周期、調試方便有效的快速解決方案。經過比較，在采用32位微處理器的前提下選用Vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng)。

圖1 縱橫結合型體系結構設計

軟件體系結構分析與總體設計
目前比較普遍的體系結構有：
管道和過濾器型
這種體系結構中每個組件有一系列輸入和一系列輸出，一個組件從它的入口讀取數(shù)據流，在它的出口產生數(shù)據流。組件就是過濾器，在組件之間傳送數(shù)據的接口即管道。
面向對象的組織方式
數(shù)據和它的原始操作是封裝在對象內部，對象通過事件驅動來協(xié)同工作。對象要保證內部數(shù)據的正確性和對外實現(xiàn)方法的隱藏性。
共享存儲體型
包含兩種不同的組件，中心數(shù)據結構代表當前狀態(tài)，一系列獨立的組件來操縱中心數(shù)據存儲，并通過中心存儲體相互通訊。
解釋機型
用軟件產生的一個虛擬機，模仿其他機器，解釋并執(zhí)行特定的指令序列。
垂直型
包含一系列類，并將它們組織成層次和線索。層次是在相同抽象層次的一系列類。線索是一類子系統(tǒng)，它們之間存在調用與被調用的關系，在執(zhí)行后，完成一個子系統(tǒng)的功能。
層次型
一個分層系統(tǒng)中，每一層向它的上一層提供服務，同時使用它的下一層提供的服務。這種結構支持基于抽象層次的設計、演化和重用。層次型又分為橫向型、縱向型與縱橫結合型。
橫向體系結構，是指某一個軟件系統(tǒng)可分為多個層次，層次之間的組件關系較為簡單，只有上層組件調用下層組件的關系，而同一層次內部各組件之間的聯(lián)系較為密切，相互之間傳送消息比較頻繁。在采用體系結構的基礎上，按信息流來劃分邊界，信息流內部再劃分子系統(tǒng)。
縱向體系結構中包含層次和線索兩個概念。層次是指在相同的抽象層次上的一系列組件，而線索是子系統(tǒng)的特例，指所包含的一系列組件用于完成一個功能。縱向的軟件結構具有可理解性、可適應性、可重用性。
縱橫結合型體系結構中，一個組件不僅在垂直方向與其他組件發(fā)生關系，同時在水平方向也與其他組件發(fā)生作用。針對衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，軟件系統(tǒng)采用縱橫結合型體系結構，如圖1所示。
在姿軌控軟件結構設計上要力求簡單，模塊化結構的軟件易于單獨開發(fā)而后集成，在按照共同的數(shù)據接口開發(fā)后，便于測試，若在軌運行過程中出現(xiàn)問題，易于查找錯誤和排除錯誤，從而到達提高可靠性的目的。在設計小衛(wèi)星軟件系統(tǒng)的過程中，可以借鑒“模塊化公用艙”和“軟件總線”思想，對星載嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)采用模塊化軟構件來設計軟件的功能模塊，從而提高軟件開發(fā)的效率、程序的質量，并改進維護方式。

圖2  設計流程圖

圖3 仿真圖

圖4  仿真圖

從軟件角度，姿軌控軟件主要完成以下功能：設置系統(tǒng)工作模式、部件工作狀態(tài)；接收星務總線傳來的軌道參數(shù)、在軌編程信息等；實時采集數(shù)據并進行處理；根據控制律，計算控制指令，對太陽或地球跟蹤定向；在軌檢測、系統(tǒng)重構等?？蓪⑿禽d控制計算機軟件分為三部分：系統(tǒng)引導程序、系統(tǒng)軟件、應用軟件。

設計流程與任務調度方式
實時操作系統(tǒng)為應用軟件和其它模塊提供運行環(huán)境和多任務管理。應用軟件通過設備驅動模塊采集敏感部件的姿態(tài)信息和GPS接收機的軌道信息，進行控制規(guī)律的解算，并通過設備驅動模塊控制執(zhí)行機構和太陽帆板。程序和數(shù)據注入模塊通過數(shù)據總線獲得地面的程序或者數(shù)據注入到應用軟件；遙測遙控數(shù)據管理模塊通過數(shù)據總線與地面測控系統(tǒng)進行數(shù)據和指令的傳輸。軟件結構設計流程如圖2所示。
姿軌控應用程序在實現(xiàn)上由多個任務協(xié)同工作完成，在結構上分為多任務調度管理任務(或稱為Schedule任務)、遙測遙控任務、故障診斷及系統(tǒng)重構任務、程序和數(shù)據注入任務、系統(tǒng)工作模式管理任務、姿態(tài)確定與控制、軌道控制等應用任務模塊。
作為多任務操作系統(tǒng)，為了突出實時性，降低系統(tǒng)調度的開銷，它的任務并不是真正的任務而是線程。姿軌控系統(tǒng)各個任務可以工作在系統(tǒng)級或者應用級，而且有許多不同的運行方式，這些都可以在使用中自由選擇，軟件設計人員有很大的靈活性。因此在姿軌控軟件的設計中，要充分考慮到嵌入式軟件的設計特點，合理利用它的特性。
在整個姿軌控系統(tǒng)中多任務管理任務工作于系統(tǒng)級，其他的任務均工作于應用級。工作于系統(tǒng)級的任務有更高的權限且受到操作系統(tǒng)的保護，這樣可以防止應用程序對系統(tǒng)程序的誤操作，Schedule任務負責對其他任務的管理，工作于系統(tǒng)級。在其他的任務中與硬件相關的底層任務優(yōu)先級較高，其中故障檢測與恢復任務級別最高，其次是遙測遙控管理任務，最后是姿態(tài)系統(tǒng)I/O任務。
在姿軌控軟件系統(tǒng)中，所有的任務都被設置成可以被中斷的工作方式，以充分發(fā)揮硬件中斷的作用，在一定程度上提高了程序運行的并行度。在任務調度上，所有任務都工作在可剝奪的調度方式下，即在任何時刻，只要有一個任務進入就緒狀態(tài)而且優(yōu)先級高于正在運行的任務，則立即掛起當前的任務，轉而執(zhí)行新的任務，直到這個任務執(zhí)行完成后，再喚醒原來被掛起的低優(yōu)先級任務。

多任務調度管理的仿真實現(xiàn)
采用開發(fā)工具Tornado，運用系統(tǒng)集成仿真器VXSIM來進行任務模塊調度的仿真。仿真時考慮一種特殊情況：遙測遙控任務taskTelemetry打斷模式管理任務taskManager的執(zhí)行，但在遙測遙控任務執(zhí)行的過程中，系統(tǒng)發(fā)生了故障，則遙測遙控任務也被故障檢測及系統(tǒng)重構任務taskFaultdeal中斷，待系統(tǒng)故障處理完后恢復執(zhí)行taskTelemetry任務，完成后再恢復執(zhí)行工作模式管理任務。其仿真結果如圖3所示。
針對衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，應用軟件系統(tǒng)采用縱橫結合型層次體系結構。通過姿軌控系統(tǒng)工作模式管理模塊對各應用軟件任務模塊的調用來完成姿軌控應用軟件系統(tǒng)的功能。在每執(zhí)行完一個任務后，自動讀取任務模塊調度表中的下一個任務，通過計算，確定下次任務開始執(zhí)行的時間，并開始計時，時間到達后，據飛行任務模式字等內容創(chuàng)建并運行相應的姿軌控應用任務模塊。對于需要再次調用的任務在運行完后掛起，等下次用時激活運行即可；對于不會再次調用的任務則在運行完后刪除，以免占用空間。
根據衛(wèi)星的工作模式，采用二維結構體數(shù)組Table[][]來定義任務模塊調度表。作為數(shù)組元素的構體變量包括任務名taskname、任務優(yōu)先級taskpri、任務標志位taskflag等，其中任務名、任務標志位定義為字符串數(shù)組，如下所示：
struct scheduleTable
{char taskname[12];
int taskpri;
char taskflag[8];
}Table[][];
采用雙重循環(huán)語句來讀寫任務模塊調度表，調用相應任務模塊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的管理，完成姿態(tài)軌道控制任務。模塊調度表定義為modenum×tablenum維數(shù)組，modenum為系統(tǒng)工作模式數(shù)，tablenum為當前工作模式下需調用的最大任務模塊數(shù)，程序語句如下：
for (I=1;I<=modenum;I++)
  for(J=1;J<=tablenum;J++)
{ /*據任務標志位進行判斷；*/
taskspawn()/taskRestart(taskIdmodule)；/*創(chuàng)建或直接啟動任務Table[][].name；*/
........
taskDelay();
taskSuspend()/taskDelete(taskIdmodule); /*據需求掛起或刪除運行完畢的當前任務；*/
}
仿真程序演示了衛(wèi)星工作模式1調用module1、module2完成相應姿軌控任務，工作模式2調用module3、module4、module1來實現(xiàn)姿態(tài)軌道控制。module2運行完后釋放表明工作模式1結束的信號量，再運行taskJudger任務進行工作模式切換，經判斷進入模式2，調用module3、module4、module1，模式2結束再進行模式切換。依次類推，循環(huán)完成姿軌控任務。仿真結果如圖4所示。
任務模塊運行順序：工作模式管理模塊→module1→module2→工作模式管理模塊→module3→module4→module1→工作模式管理模塊→module4→.......

結語
本文設計的姿軌控計算機軟件系統(tǒng)采用層次模塊化設計和適合星載計算機系統(tǒng)需求的嵌入式實時操作系統(tǒng)，能達到星載軟件易調試、移植性強、易維護的目的，可適應有限的星載嵌入式控制計算機的計算能力和存儲空間，縮短開發(fā)周期、保證可靠性，模塊結構保證了星載軟件的可靠性和可重構性，對衛(wèi)星型號系列化和軟件工程化有重要意義。