Design of On-orbit Autonomous Control for Payload Management Software Based on Data Sheet
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摘要: 目前有效载荷在轨工作呈现多样化的趋势，为更好地适应这种多样化的任务，设计了一种在轨工作自主控制方案。该方案对多个型号的软件需求进行归纳整理和统筹分析，对在轨工作自主控制进行模块和功能划分，解决了多个载荷管理软件在轨工作控制需求差异化带来的多样化、定制化问题。通过引入可配置设计思路，建立数据表对载荷工作流程进行配置，解决了对特定载荷在轨工作流程的适配性问题，可实现多载荷多任务的在轨工作自主控制功能。该方法已在多个型号卫星的载荷管理器上使用，满足载荷单元工作流程多样化的要求。软件的重复使用不仅大大提高了软件设计和测试阶段的时间，缩短软件研制周期，还可以降低软件开发成本，并且提高软件整个研制阶段的可靠性。Abstract: With the continuous development of space technology, the structure of spacecraft has developed from simple configuration to large complex structure and small miniaturized structure, and the characteristics of the spacecraft task have changed from singularity to diversification and specialization. In order to better adapt to this variety of tasks, an autonomous control scheme for on-orbit work is designed. In this scheme, the requirements of multiple types of software are summarized and analyzed as a whole, and the autonomous control of on-orbit work is divided into modules and functions. It can control the working sequence, monitor and manage the working state of different loads in different working modes, and solve the diversification and customization problems caused by the difference of on-orbit work control requirements of multiple load management software. The configurable design idea is introduced, and the data sheet is established to configure the load workflow, which solves the problem of adaptability to the on-orbit workflow of specific load. This method has been used in many types of satellite load managers to meet the requirements of diversified work flow of load unit. The reuse of software not only greatly improves the time of software design and testing phase, shortens the software development cycle, but also reduces the software development cost, and improve the reliability of the software in the whole development stage.
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Key words:
- Data sheet /
- Work mode /
- Workflow /
- Autonomous control /
- Load management
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图 1 载荷在轨工作自主控制需求分析
Figure 1. Demand analysis diagram for autonomous control of load on-orbit
表 1 初始化参数配置
Table 1. Initialize parameter configuration
配置内容 字节数 载荷单元初始化配置 8 工作流程初始化配置 12 FPGA初始状态配置 10 载荷管理器其他配置 2 系统维护配置 32 合计 64 
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表 2 RS422通信指令
Table 2. RS422 communication instruction
指令名称 指令内容 字节数 起始字符 72H 1 命令码 XXH 1 指令内容 XX XX XX XX XXH 5 校验码 XXH 1 合计 8 注 指令编码定义：XXXXH，高4 bit表示载荷编号，低12 bit表示指令编号，RS422通信指令长度为8字节。
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表 3 载荷开关及复位指令
Table 3. Payload switch and reset instruction
指令名称 指令内容 字节数 设备号 XXH 1 指令码 XXH 1 填充码 XX XXH 2 合计 4 注 指令编码定义：XXXXH，高4 bit表示载荷编号，低12 bit表示指令编号，载荷开关及复位指令长度4字节。
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表 4 载荷重要参数监控指令
Table 4. Payload important parameter monitoring instruction
指令名称 指令内容 字节数 重要参数监控类型 XXH 1 处理类型 XXH 1 判断间隔 XXH 1 判断类型 XXH 1 判断阈值 XX XX XX XXH 4 监控重要参数类型 XXH 1 监控重要参数字节数 XXH 1 监控重要参数数组偏移位置 XX XXH 2 预留 XX XX XX XXH 4 合计 16 注 指令编码定义：XXXXH，高4 bit表示监控开关（其中F为开，0为关），低12 bit表示指令编号，载荷重要参数监控指令长度为16字节。
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表 5 工作流程控制
Table 5. Workflow control
类型 工作流程控制表内容 说明 控制表头 工作流程表
编号2字节步骤数1字节 指令时间码类型1字节 流程起始时间
4字节见1.2.3节注1 示例 00 04 2F AA 80 1B 77 40 该工作流程表序号为0，控制指令总数为4条，在入光点–180 s开始执行，工作流程控制指令按照指令相对时间执行 控制内容 执行时间
码4字节指令类型
2字节指令编码
2字节见1.2.3节注2 示例 00 00 00 00 99 99 F0 03 起始时间开始后立刻执行重要参数监控指令，指令编号0003 H监控开启 00 01 86 A0 66 66 00 01 1 s后执行载荷开关及复位指令，指令编号为0001 H 00 03 0D 40 33 33 10 03 2 s后执行RS422通信指令，指令编号为1003 H FF FF FF FF FF FF FF FF 该工作流程控制表结束
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表 6 工作流程管理相关参数
Table 6. Workflow management related parameters
序号 名称 字节数 说明 1 工作模式 1 反映在轨工作模式，包括：待机模式、实验模式、维护模式 2 当前执行工作控制表序号 1 反映当前执行的工作流程表序号 3 待执行工作控制表序号 1 反映下一轨要执行的工作流程表序号 4 工作流程表更新标识 1 反映工作流程表是否有更新 5 工作流程表执行状态 2 反映工作流程表执行状态，包括执行过程中的异常情况 6 工作流程表工作状态 1 反映当前工作流程是否处于工作状态 7 流程执行步骤计数 1 反映当前工作流程执行的步骤序号
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表 7 重要参数监控程管理相关参数
Table 7. Important parameters monitor and manage related parameters
序号 名称 字节数 说明 1 重要参数监控编号 1 每个重要参数有相应编号 2 重要参数监控开关 1 反映每个重要参数监控项的使能/禁止，打开/关闭状态 3 重要参数监控状态 1 反映每个重要参数监控项的超限情况
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表 8 在轨工作自主控制方案设计验证
Table 8. Design and verification of on-orbit autonomous control scheme
序号 测试项目 测试内容 测试结果 1 单元测试 语句覆盖率、分支覆盖率、MC/DC测试均达到100% 通过 2 组装测试 调用对覆盖率测试达到100％ 通过 3 配置项测试 功能
①可按照上注的工作模式切换指令对工作流程表执行切换，异常工作状态下可实现工作流程表及工作模式的自动切换
②工作流程表的解析正确、工作指令索引正确、工作自主控制执行正确、工作指令表动作执行正确
③重要参数监控使能/禁止执行正常、监控参数各项配置验证正确、监控动作执行正确、监控算法的验证正确、周期准确
④遥测管理对在轨工作自主控制运行的状态和执行反应准确通过 接口 载荷管理器通过工作表对各个载荷进行总线指令的控制与采集、
电平信号的控制与采集通过 容错性 注入工作模式设置指令时配置非法表序号可通过遥测反映
数据表中内容非法可通过遥测反映通过 可靠性安全性
①工作执行过程中软件异常复位后的工作状态恢复正确
②工作执行过程中软件异常复位后恢复数据校验异常可自动切换异常流程
③载荷工作状态监控异常可自动切换异常流程
④紧急断电维护可自动切换异常流程
⑤数据表的健康维护（EDAC纠错验证正确、三取二有效性验证正确、
数据表在轨更新正确）通过 容量 工作数据表全容量验证正确 通过 可扩展性 在线增加、减少、变更数据表内容并执行正确 通过 4 第三方测试 静态测试（静态分析、代码审查）
动态测试（使用该在轨工作自主控制方案的软件配置项的功能、性能、接口、
安全性可靠性、余量、恢复性、强度、逻辑测试）通过 5 整星测试 有线综合测试、整星模飞测试、整星无线测试、整星EMC测试、整星真空试验、
整星热试验等软件配置项运行正常通过 6 在轨测试 在轨飞行运行正常 通过
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表 9 在轨工作控制的效果比较
Table 9. Effect comparison of on orbit work control
序号 类别 传统在轨工作控制方案 在轨工作自主控制方案 1 软件研制效率（人时） 513 308 2 代码行数（行） 2885 1962 3 用例复用率 用例基本不能复用 70% 4 文档重用性 无统一格式文档内容五花八门 测试文档可重用，技术文档从工作模式划分、在轨工作控制到遥测和遥控指令的设计均可重用 5 可扩展性 需要更改或增加相关处理单元 通过配置数据表实现个性化自主控制
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