DDS體系在飛行器地面測試系統中的應用

王楠，王衛楠，肖余之

（上海宇航系統工程研究所 上海市空間結構與機構技術國防科技重點實驗室，上海 201109）

地面測試是飛行器研發過程中不可缺少的重要環節，伴隨著飛行器研發的全生命周期，地面測試系統始終承擔著非常重要的責任。傳統的飛行器地面測試系統多采用TCP/IP網絡協議，具有數據吞度量小、數據實時性不高、不同測試設備之間數據延遲大等缺點，嚴重影響了飛行器地面測試的有效性，大大降低了飛行器地面測試的效率。

DDS（Data Distribution Service 數據分發服務）[1]體系是對象管理組織OMG發布的有關分布式實時系統中的數據規范。DDS體系是以數據為中心的發布-訂閱通信模型，針對強實時系統進行了優化，提供低數據延遲、高數據吞吐量、高數據實時性。DDS體系提供統一的應用編程接口，規范了實時分布式系統中數據發布、傳遞和接收的接口和行為標準化，提供了一個與平臺無關的數據模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言，使得實時分布式系統中數據能夠高效、可靠地發布。

1 DDS體系的關鍵技術及優點

1.1 DDS體系的通信模型

為滿足實時應用的需要，DDS體系使用以數據為中心的發布-訂閱通信模型DcPs[2]。該通信模型建立“全局數據空間”的概念，該空間中將用戶對資源的需求情況和資源的可用情況都轉化為服務

質量參數的設定。數據發布者和數據訂閱者在全局數據空間中發送和訂閱自己需要的數據類型，由數據發布者將數據寫入全局數據空間；由數據訂閱者從全局數據空間中獲取數據。數據發布者發布數據時會為不同類型的數據關聯不同的發布主題，數據訂閱者接收數據時會按照預先設置好的接收主題進行接收，主題相同時進行數據的傳輸。圖1顯示了DDS體系的DcPs數據通信模型。

DcPs數據通信模型是DDS體系的核心概念，該模型中數據發布者和數據訂閱者是松耦合的，雙方不需要知道對方的物理地址和端口，通過存儲轉發實現異步傳輸，使系統更加靈活，更易于擴展與維護。同時，由于數據主題存儲在全局數據空間，即使一個網絡節點通信出現問題，其他網絡節點仍然能正常工作，應用程序可以通過其它網絡節點繼續通信，使得系統性能更優化。網絡中同時進行多點傳送，把單個數據流分組同時發送給多個分布式獨立網絡節點，極大地增加了大規模網絡的吞吐量，降低了系統的時延和抖動性。

圖1 DcPs數據通信模型Fig.1 DcPs data communication model

1.2 DDS體系的QoS策略

DDS體系定義了大量的數據傳輸策略（QoS）[3]，用來保證多種數據傳輸時所具有的不同的要求。通過定義QoS策略中的一系列關鍵指標，時間管理、資源利用、傳輸層配置、數據一致性、持久性等，保證數據實時性、傳輸完整性等數據傳輸質量。針對多數據流劃分出不同的數據傳輸優先級，為不同優先級的數據提供不同的網絡傳輸服務，保證高優先級數據流傳輸的優先性和可靠性。

在DDS體系中引入排隊特性來保證網絡的QoS策略。為了處理不同優先級的數據流，可以在每個數據輸入時采用多個緩沖隊列，在數據輸出時只有單個緩沖隊列，所有的數據流都必須在同一個隊列里排隊進行等待服務，保證能夠按照數據流的優先級給予優先級高的數據流以更好的網絡傳輸服務以及響應時間，排隊特性的原理如圖2所示。

圖2 QoS排隊策略Fig.2 QoSqueue strategy

1.3 DDS體系的優點

與傳統的TCP/IP和UDP通信體系相比，DDS體系優點如表1所示。

TCP/IP體系采用面向連接的傳輸模式，數據傳輸時采用點對點的方式，其應答性的傳輸特點導致其傳輸性能較差，不同的數據接收終端接收數據時存在一定的時間差，隨著網絡中節點數的不斷增大，數據接收終端之間的時間差會逐漸變大。因此采用TCP/IP構建的網絡實時性較低，不易于擴展，且不是應用層協議，易用性較差[4]。UDP體系采用非面向連接的方式，數據傳輸時采用組播或者廣播的方式。但UDP體系是不可靠性傳輸，在傳輸過程中數據完整性較差，因此采用UDP體系構建的可靠度較低，網絡擴展性較差，且不是應用層協議，易用性較差[5]。DDS體系采用訂閱-發布的數據傳輸模式，類似于組播或廣播的傳輸模式保證了系統數據傳輸的高效率，同時通過QoS的配置，能夠保證數據傳輸的完整性。采用發布-訂閱的傳輸方式能夠保證數據傳輸的時間一致性，且隨著網絡節點的不斷增加，系統性能也不會下降。兼具了TCP/IP體系和UDP體系的優點，且DDS體系是應用層協議的特點也使得應用DDS體系的網絡易用性非常好[6]。

表1 不同網絡通信體系比對表Tab.1 Comparison of different network system

2 飛行器地面測試系統設計

2.1 系統總體架構

按照飛行器測試相關方面的規定和對地面測試系統的需求，構建了基于DDS體系的某型號飛行器（sj15）地面測試系統。測試系統以DDS體系為中心建立全局數據空間，上層設備直接和飛行器連接并進行數據交互，統稱為地面設備。下層設備主要完成試驗數據處理和顯示、測試指令輸入等人機交互處理，統稱為測試設備。系統組成如圖3所示。

地面設備主要負責對飛行器提供模擬激勵數據和接收來自飛行器的測試數據。地面設備作為數據發布者將來自飛行器的測試數據發布到DDS網絡上，同時對不同類型的測試數據標識不同的主題，供不同的設備進行訂閱。地面設備作為數據訂閱者按照設置好的主題從DDS網絡上訂閱來自測試設備的配置指令數據。測試設備主要負責對地面設備和飛行器提供配置指令數據，同時接收和處理來自地面設備的測試數據。測試設備作為數據發布者將對地面設備和飛行器的配置指令數據發布到DDS網絡上，同時對不同類型的數據標識不同的主題。測試設備作為數據訂閱者按照設置好的主題從DDS網絡上訂閱來自地面設備的測試數據。

2.2 系統網絡數據流

2.2.1 配置指令數據

圖3 DDS體系飛行器測試系統架構Fig.3 DDSspacecraft detection system

配置指令數據由測試設備中的主測試計算機發起，主要包括對飛行器的遙控數據、對電源地面設備的輸出伏安特性配置數據、對測控地面設備的射頻參數配置數據、對數管地面設備的總線監控配置數據、對控制系統地面設備的閉環控制數據、對熱控地面設備的工作模式配置數據。配置指令數據信息流如圖4所示。

主測試計算機序利用DcPs通信模型技術，針對不同類型的配置指令數據關聯不同的主題，如圖4所示，包括電源配置主題、遙控配置主題、測控配置主題、數管配置主題、控制配置主題和熱控配置主題。不同的主題分別關聯不同類型的配置指令數據，對應關系如表2所示。

各地面設備作為數據訂閱者，接收配置指令數據時按照設置好的主題進行接收，接收配置指令數據時首先比對主題，主題符合即接收該類型配置指令數據，否則不接收。根據測試中的需要，各地面設備和測試設備接收配置指令主題為：

1）數據庫服務器接收所有類型主題的配置指令；

2）顯示終端接收所有類型主題的配置指令；

3）電源地面設備接收電源配置主題的配置指令；

4）測控地面設備接收測控配置主題的配置指令；

5）數管地面設備接收數管配置主題的配置指令；

6）控制地面設備接收控制配置主題的配置指令；

7）熱控地面設備接收熱控配置主題的配置指令。

圖4 配置指令數據信息流圖Fig.4 Configuration directives information

表2 主題與配置指令數據對應表Tab.2 Corresponding of topic and configuration directives

按照DDS體系中QoS策略，對配置指令數據進行優先級設置。根據測試過程中對不同類型配置指令數據的處理要求，優先級從高到低依次為遙控數據、輸出伏安特性配置數據、閉環控制數據、射頻參數配置數據、總線監控配置數據、工作模式配置數據。數據傳輸時，隊列中排序順序設置為先高后低，按照從高到低的優先級順序進行數據交互。

2.2.2 測試數據

測試數據主要指來自地面設備的測試狀態數據，由各地面設備將自身的各類試驗數據以及飛行器的狀態數據采集打包發送，主要包括飛行器的狀態數據、電源地面設備的供電采樣數據、測控地面設備的無線鏈路數據、數管地面設備的總線數據、控制系統地面設備的模擬激勵數據、熱控地面設備的熱控數據。測試數據信息流如圖5所示。

圖5 測試數據信息流圖Fig.5 Detection data information

地面設備作為各類測試數據的發布者，針對不同的測試數據建立不同的主題，如圖5所示，包括電源狀態主題、飛行器狀態主題、測控狀態主題、數管狀態主題、控制狀態主題、熱控狀態主題。不同的主題分別關聯不同類型的測試數據，對應關系如表3所示。

表3 主題與測試數據對應表Tab.3 Corresponding of topic and test data

測試設備作為各類測試數據訂閱者，接收測試數據時按照設置好的主題進行接收，接收測試數據時首先比對主題，主題符合即接收該類型測試數據，否則不接收。根據飛行器測試過程中的需求，測試設備接收主題設置為接收所有類型測試數據的主題。

按照DDS體系中QoS策略，對測試數據進行優先級設置。根據測試過程中對不同類型測試數據的處理要求，優先級從高到低依次為飛行器狀態數據、供電采樣數據、總線數據、模擬激勵數據、熱控數據、無線鏈路數據。數據傳輸時，隊列中排序順序設置為先高后低，按照從高到低的優先級順序進行數據交互。

3 系統應用情況

為了驗證系統的功能以及可靠性，將系統應用于某型號飛行器（sj15）的地面測試過程中，利用測試設備中的主測試計算機實現人機交互，將各類配置指令數據編輯并發送到DDS全局數據空間中，各地面設備按照需要在全局數據空間中訂閱不同的配置指令數據，完成各自的功能配置，通過各地面設備的響應狀態可以判斷出，利用訂閱不同的配置指令數據可以很好的實現對不同地面設備的狀態配置。

各地面設備接收飛行器的各類狀態數據，并與地面設備自身的各類試驗數據一起打包形成測試數據，發布到DDS全局數據空間中。各測試設備根據不同的需要訂閱不同的測試數據進行解析處理，通過分析測試數據，可以很好的得到整個測試系統以及飛行器的狀態信息，從而判斷飛行器的健康狀態。

從系統實際運行情況可以得出，以DDS體系為中心構建的測試系統數據傳輸完整性好、實時性高，能夠按照數據流的優先級準確的處理各種復雜數據流，網絡資源利用充分，完全可以滿足飛行器地面測試過程中的各類測試需求。

4 結束語

DDS體系作為一種新興的數據交互體系具有十分突出的優點，為構建高性能、高可靠、可擴展、可配置的數據分發系統提供了標準規范，為構建以數據為中心的業務系統提供了基礎服務平臺。將DDS體系應用于飛行器地面測試系統的構建，使得飛行器地面測試系統克服了傳統測試系統的實時性低、不易于擴展、靈活性差等缺點，大大提升了飛行器測試系統在數據分發、數據訂閱、數據傳輸實時性、系統升級擴展等諸多方面的性能。隨著DDS體系的不斷發展，DDS體系將為飛行器地面測試提供更完善的服務質量保障，飛行器地面測試系統將會變得更自動化、模塊化智能化程度更高，更好的滿足日益增加的飛行器測試需求。

[1]黃國言，金順福.計算機網絡協同與交互技術[M].北京郵電大學出版社，2008.

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[5]J K Tien.Data Management Solutions Based on the Data Distribution Service Communication Model[M]USA，Terry Allen&Jorge Battaglino，Inc.202.

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