馮 陽(yáng)，張國(guó)強(qiáng)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.陸軍航空兵軍代局，北京 100010)

0 引言

隨著航天及對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)航天對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星應(yīng)用的需求越來(lái)越高。對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星利用其攜帶的有效載荷在對(duì)目標(biāo)實(shí)施觀測(cè)、獲取目標(biāo)信息數(shù)據(jù)后，需要及時(shí)、有效地將數(shù)據(jù)下傳至地面站，以供用戶使用。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃合理有序地安排調(diào)度多地點(diǎn)、多臺(tái)套地面接收設(shè)備完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)的基本職能。文獻(xiàn)[1-2]論述了衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)通常在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用模塊之間直接調(diào)用，中間沒(méi)有其他邏輯控制。這種設(shè)計(jì)不能滿足衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)衛(wèi)星持續(xù)增加、業(yè)務(wù)多變的系統(tǒng)要求。

隨著衛(wèi)星后續(xù)發(fā)射和在軌運(yùn)行數(shù)量的不斷增加、地面接收站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷擴(kuò)充，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠適應(yīng)未來(lái)衛(wèi)星、接收站、數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)的持續(xù)擴(kuò)展的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)成為一個(gè)亟待解決的工程問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種基于工作流技術(shù)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)，通過(guò)工作流引擎驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各業(yè)務(wù)模塊的銜接，所有的業(yè)務(wù)分支邏輯判斷均通過(guò)工作流，從而達(dá)到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)分析

衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)主要完成衛(wèi)星的捕獲跟蹤和數(shù)傳數(shù)據(jù)的接收、解調(diào)、解密、解壓、解擾、記錄和轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)[3]。衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[4]。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃，規(guī)劃地面接收系統(tǒng)資源，根據(jù)數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃制定數(shù)據(jù)接收與記錄任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，管理調(diào)度地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的接收資源，完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、傳輸任務(wù)，保障衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)、穩(wěn)定和高效運(yùn)行[5]。數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)下傳與記錄任務(wù)，負(fù)責(zé)衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)的接收、記錄、快視處理和顯示等；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)根據(jù)數(shù)傳任務(wù)，調(diào)配傳輸和網(wǎng)絡(luò)資源，管理數(shù)傳隊(duì)列作業(yè)，完成衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)系統(tǒng)到衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)的傳輸。

1.1 流程分析

衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、決策，調(diào)度數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)系統(tǒng)的各接收站和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、傳輸?shù)淖鳂I(yè)調(diào)度過(guò)程[6]。衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與傳輸作業(yè)調(diào)度流程主要包括：

① 獲取衛(wèi)星業(yè)主方管理控制系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃，進(jìn)行存儲(chǔ)和解析處理，生成并反饋衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃回執(zhí)[7]；

② 依據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則如衛(wèi)星軌道[8]及載荷能力、數(shù)據(jù)接收站設(shè)備資源等約束，面向設(shè)定時(shí)段的多星、多站、多任務(wù)綜合目標(biāo)優(yōu)化需求，采用調(diào)度策略和算法對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃進(jìn)行規(guī)劃安排[9]，生成滿足計(jì)劃任務(wù)要求的接收傳輸任務(wù)規(guī)劃方案，制定各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)；

③ 制定數(shù)據(jù)接收與記錄任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，分別發(fā)送給數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)系統(tǒng)的各接收站、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[10]；

④ 數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)系統(tǒng)各接收站執(zhí)行接收衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)和快視數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[11]；

⑤ 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)根據(jù)數(shù)傳任務(wù)將衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星地面處理系統(tǒng)[12]；

⑥ 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)在執(zhí)行過(guò)程中，及時(shí)報(bào)告任務(wù)執(zhí)行情況給衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)。

1.2 現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)通常是一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)作客戶機(jī)使用，另外一臺(tái)服務(wù)器用于存放后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)直接相連，中間沒(méi)有其他邏輯[13]。這種方式有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是一旦系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯有所改變，例如新的衛(wèi)星發(fā)射需要衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收業(yè)務(wù)保證，所有程序模塊都需要重新修改、編譯和鏈接，工作量相當(dāng)大。這種設(shè)計(jì)不僅不能符合衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)衛(wèi)星持續(xù)增加、業(yè)務(wù)多變的系統(tǒng)要求，而且開(kāi)發(fā)效率較為低下，系統(tǒng)維護(hù)性差，嚴(yán)重制約了衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性[14]。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 工作流技術(shù)

工作流的概念最早起源于生產(chǎn)組織和辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，其中涉及的主要問(wèn)題就是過(guò)程的自動(dòng)化。經(jīng)過(guò)一系列的約定，在參與者之間進(jìn)行信息、文檔或者任務(wù)的傳遞，從而達(dá)成既定目標(biāo)。工作流管理聯(lián)盟對(duì)工作流與工作流管理系統(tǒng)的定義是：工作流是一類(lèi)能夠完全或者部分自動(dòng)執(zhí)行的業(yè)務(wù)過(guò)程，根據(jù)一系列程序規(guī)則、文檔、信息或任務(wù)能夠在不同的執(zhí)行者之間進(jìn)行傳遞與執(zhí)行。

工作流管理聯(lián)盟定義了工作流最基本的術(shù)語(yǔ)，包括工作流(Workflow)、業(yè)務(wù)過(guò)程(Business Process)、工作流管理系統(tǒng)、活動(dòng)、自動(dòng)活動(dòng)(Automated Activites)、人工活動(dòng)(Manual Activities)、過(guò)程定義(Process Definition)、 實(shí) 例(Instances/Cases)、過(guò)程實(shí)例(Process Instances)、活動(dòng)實(shí)例(Activity Instances)以及工作流參與者(Workflow Participant)等[15]?；靖拍钪g的關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作流基本概念之間的關(guān)系

2.2 插件技術(shù)

插件通過(guò)宿主程序、業(yè)務(wù)插件和插件接口實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)作。其中宿主程序負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需插件加載、卸載和調(diào)用等管理[16]。

業(yè)務(wù)插件能夠動(dòng)態(tài)地插入到系統(tǒng)中，多個(gè)業(yè)務(wù)插件集成在一起實(shí)現(xiàn)復(fù)雜業(yè)務(wù)的處理。業(yè)務(wù)插件需要向宿主程序提供調(diào)用接口，當(dāng)宿主程序需要調(diào)用業(yè)務(wù)插件時(shí)能夠找到這個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)與宿主程序的信息交互，使得宿主程序能夠得到業(yè)務(wù)插件的相關(guān)信息[17]。

插件技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：易修改，可維護(hù)性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)清晰，相互獨(dú)立；結(jié)構(gòu)容易調(diào)整；可移植性強(qiáng)；耦合度低[18]?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用插件技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，可提高系統(tǒng)軟件復(fù)用性、模塊化、封裝性和可擴(kuò)展性，同時(shí)降低軟件開(kāi)發(fā)成本。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于系統(tǒng)需要完成對(duì)多類(lèi)多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收傳輸任務(wù)調(diào)度，并需具備對(duì)未來(lái)衛(wèi)星的擴(kuò)展接口，因此不再是“一星一系統(tǒng)”建設(shè)，需要具有良好的可擴(kuò)展性，滿足接收傳輸資源統(tǒng)一分配、任務(wù)統(tǒng)一控制、接口和流程統(tǒng)一設(shè)計(jì)的要求，兼顧未來(lái)衛(wèi)星接收資源管控的任務(wù)需求特點(diǎn)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)基于平臺(tái)插件技術(shù)、采用工作流技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程建模、依托工作流引擎驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)流程調(diào)度。對(duì)主要業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行拆解封裝，當(dāng)流程邏輯發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)重新定義和配置而無(wú)需編程以適應(yīng)變化的業(yè)務(wù)過(guò)程，大大提高流程自動(dòng)化和流程再造的能力。

3.1 工作流程建模

構(gòu)建面向服務(wù)的工作流體系架構(gòu)，將業(yè)務(wù)功能以“粗粒度”服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)，使得流程設(shè)計(jì)同時(shí)具備靈活性和可管理性。通過(guò)統(tǒng)一定制的工作流引擎，按照預(yù)先定義好的規(guī)則和過(guò)程，結(jié)合具體的軟件實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行環(huán)境，以服務(wù)綁定的方式按照一定邏輯關(guān)系推動(dòng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能執(zhí)行，并對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視。

① 對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行分解，基于業(yè)務(wù)處理邏輯相關(guān)性，將流程“粗粒度”劃分為衛(wèi)星接收計(jì)劃管理、接收任務(wù)管理、傳輸任務(wù)管理、歸檔任務(wù)管理、質(zhì)量監(jiān)測(cè)任務(wù)管理和衛(wèi)星軌道根數(shù)管理等主要流程。

② 對(duì)上述分解的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，劃分到若干節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)所表示的業(yè)務(wù)功能，最終以“粗粒度”服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)。

③ 在完成業(yè)務(wù)工作流流程設(shè)計(jì)后，進(jìn)行工作流建模。

工作流模型是對(duì)工作流業(yè)務(wù)活動(dòng)的抽象描述，它描述了工作流服務(wù)軟件執(zhí)行過(guò)程所需的所有信息。通過(guò)工作流中間件提供的過(guò)程定義工具完成工作流建模工作，適應(yīng)未來(lái)衛(wèi)星的擴(kuò)展，只需增加新增衛(wèi)星的擴(kuò)展處理模塊，在工作流中進(jìn)行相應(yīng)配置即可，同時(shí)減少軟件邏輯判讀處理復(fù)雜度，由工作流引擎依據(jù)工作流模型配置驅(qū)動(dòng)軟件完成工作流程。

3.2 服務(wù)封裝

在完成工作流程分解與設(shè)計(jì)后，形成了若干節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)需要以“粗粒度”服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)，才能被工作流引擎管理調(diào)度。在進(jìn)行相關(guān)軟件功能模塊開(kāi)發(fā)后，以服務(wù)的形式對(duì)功能模塊進(jìn)行封裝。

由于工作流技術(shù)的核心功能是維護(hù)業(yè)務(wù)流程的建模和運(yùn)行，它本身不提供通信手段，應(yīng)用層只能提供API調(diào)用方式與之進(jìn)行通信。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)中各模塊部署在不同臺(tái)位，無(wú)法與工作流引擎進(jìn)行API通信，所以在工作流引擎外部布署一個(gè)Webservice服務(wù)將涉及業(yè)務(wù)需要的工作流功能進(jìn)行封裝，對(duì)應(yīng)用層提供統(tǒng)一的遠(yuǎn)程訪問(wèn)接口。在工作流引擎運(yùn)行過(guò)程中會(huì)涉及應(yīng)用層的部分插件，為了能夠及時(shí)通知插件，需要插件也將接收消息的接口統(tǒng)一封裝為Webservice服務(wù)[19]。當(dāng)流程運(yùn)轉(zhuǎn)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)工作流能立即通知相關(guān)插件的接口。在業(yè)務(wù)層一方由于各插件既有主動(dòng)與工作流通信的需求也有被動(dòng)接收消息的需要，通過(guò)統(tǒng)一開(kāi)發(fā)獨(dú)立的代理插件可簡(jiǎn)化各插件的工作流通信工作，也封裝了與工作流通信的細(xì)節(jié)信息，降低耦合度。

3.3 流程部署

在工作流管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)工作流模型實(shí)例化和統(tǒng)一的面向服務(wù)的接口定義完成對(duì)整個(gè)流程服務(wù)的部署。

業(yè)務(wù)流程中各個(gè)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)與工作流引擎保持實(shí)時(shí)狀態(tài)通信，上報(bào)流程執(zhí)行狀態(tài)，工作流引擎根據(jù)流程建模時(shí)定義數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)規(guī)則和調(diào)用關(guān)系驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)流程的執(zhí)行。流程狀態(tài)以消息方式在各服務(wù)與工作流引擎之間傳遞，以可靠的服務(wù)間消息通信方式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和及時(shí)性。

根據(jù)衛(wèi)星個(gè)性特點(diǎn)開(kāi)發(fā)獨(dú)立處理插件，在工作流模型中配置各個(gè)插件的運(yùn)行流程。工作流負(fù)責(zé)通知和收集各插件的任務(wù)和結(jié)果。各類(lèi)插件提供統(tǒng)一的Webservice接口保持一致性，當(dāng)出現(xiàn)業(yè)務(wù)變化時(shí)只需刪除舊插件、替換新插件即可，以保證整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中功能模塊無(wú)縫替換。

3.4 應(yīng)用實(shí)例

以衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃處理流程為例，由于涉及到國(guó)內(nèi)外10多個(gè)衛(wèi)星機(jī)構(gòu)的30多顆衛(wèi)星，而且衛(wèi)星的擴(kuò)充很頻繁，每個(gè)衛(wèi)星機(jī)構(gòu)、每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃的格式、頻度、處理邏輯和后續(xù)計(jì)劃反饋流程等均不同，所以衛(wèi)星下傳計(jì)劃格式解析需要可擴(kuò)展，按照衛(wèi)星分解成多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解析。

在進(jìn)行工作流設(shè)計(jì)時(shí)，接收到相應(yīng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃后，通過(guò)后置條件驅(qū)動(dòng)，完成各衛(wèi)星接收計(jì)劃的解析插件，首先在工作流模型中建立已有各衛(wèi)星工作流程如圖2所示，其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)插件。數(shù)據(jù)傳輸模塊接收衛(wèi)星地面管控系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)下傳計(jì)劃后啟動(dòng)工作流，根據(jù)軟件提交的數(shù)據(jù)自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星流程分支，通知相應(yīng)的解析插件，調(diào)用其公布的Webservice接口。解析插件處理完成后再將解析結(jié)果通過(guò)工作流代理插件提交工作流，工作流再根據(jù)提交的數(shù)據(jù)選擇分支，如果成功則調(diào)用衛(wèi)星計(jì)劃處理分析插件公布的Webservice接口。

新增衛(wèi)星接收計(jì)劃處理能力有需求時(shí)，如圖2中虛線框所示，只需按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范新研具體衛(wèi)星接收計(jì)劃解析插件、衛(wèi)星接收計(jì)劃處理分析插件等，關(guān)聯(lián)到工作流模型中，即可以完成新增衛(wèi)星接收計(jì)劃自動(dòng)處理流程。這樣的開(kāi)發(fā)方式，對(duì)于系統(tǒng)的升級(jí)改造，只需要增加相應(yīng)的功能模塊，添加到工作流模型中，業(yè)務(wù)邏輯的判斷、分支處理都由工作流模型來(lái)調(diào)度，不修改原有軟件模塊、插件，剝離系統(tǒng)耦合度，極大地提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，減少了系統(tǒng)升級(jí)改造的工作量。由于不修改原有軟件模塊，不會(huì)影響原有系統(tǒng)功能運(yùn)行，可以提高系統(tǒng)的可靠性[20]。

圖2 任務(wù)調(diào)度工作流模型設(shè)計(jì)示例

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用工作流技術(shù)，基于插件開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供了一種基于OSGI和工作流的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，使系統(tǒng)具備了模塊化與插件化支持、熱插拔與動(dòng)態(tài)支持、面向服務(wù)架構(gòu)支持和模塊擴(kuò)展性支持等能力，使系統(tǒng)具有靈活性、敏捷反應(yīng)能力和良好的可擴(kuò)展能力等特點(diǎn)。一方面可以充分利用現(xiàn)有任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)能力，保障原有業(yè)務(wù)功能不受影響；另一方面快速搭建新的系統(tǒng)能力，為新增衛(wèi)星和地面接收站提供數(shù)據(jù)接收調(diào)度能力。

本文主要針對(duì)當(dāng)前主流地面系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但隨著衛(wèi)星地面系統(tǒng)的發(fā)展，還存在一定局限性，在對(duì)未來(lái)海外站任務(wù)調(diào)度的支持、未來(lái)測(cè)控任務(wù)調(diào)度的支持等方面還需要進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。