条件约束发布订阅模式航天测控数据交换系统

摘要

本发明涉及一种基于条件约束发布订阅模式的航天测控数据交换系统，其特征在于它包括测控应用程序、数据交换软件和传输网络三个部分，测控应用程序为应用层测控数据处理程序，用于实现航天器外测、遥测和遥控类型测控数据的计算与处理功能，部署于测控单元服务器、工作站或工控机中运行；数据交换软件部署于测控应用程序和传输网络之间，实现测控数据的组帧、收发、订阅和过滤处理功能；传输网络为测控系统数据传输IP网络，完成测控数据的网络传输功能。本发明能够克服现有技术中约束机制欠缺、订阅数据灵活性不足的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及航天测控数据交换技术领域，特别是指一种基于条件约束发布订阅模式的航天测控数据交换系统，能够确保大量、多源的航天测控数据在航天测控系统分布式测控单元间实现按需、实时、高效的传递。

背景技术

航天测控系统主要由测控中心子系统、测控单元子系统和测控设备子系统等测控单元组成，基于层次拓扑结构构建，呈现以测控中心为核心，连接多个测控单元及所属测控设备所构成的树型架构形态。测控单元完成测控数据处理和交换功能，相互之间通过测控数据交换系统进行数据交换，具有数据类型多、实时性要求高、交换关系复杂等特点。

现有发布订阅技术基于主题订阅实现数据按需传递，没有对交换数据的来源、目标和生成时间进行约束，应用程序只能自行完成数据二次过滤，这种方式增加了应用程序的复杂性，对系统处理的整体效率也产生影响，因此不适宜直接应用于航天测控数据交换场景中。而且，通用的发布订阅技术通常对主题进行固化设置，无法表达航天测控数据类型之间的层级和隶属关系，不能实现航天测控数据模糊订阅，难以满足航天测控数据灵活订阅的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于条件约束发布订阅模式的航天测控数据交换系统，能够克服现有技术中约束机制欠缺、订阅数据灵活性不足的问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于条件约束发布订阅模式的航天测控数据交换系统，它包括测控应用程序、数据交换软件和传输网络三个部分，测控应用程序为应用层测控数据处理程序，用于实现航天器外测、遥测和遥控类型测控数据的计算与处理功能，部署于测控单元服务器、工作站或工控机中运行；数据交换软件部署于测控应用程序和传输网络之间，实现测控数据的组帧、收发、订阅和过滤处理功能；传输网络为测控系统数据传输IP网络，完成测控数据的网络传输功能；

测控应用程序按照约定格式写入数据的信息主题、信源、信宿和信息内容，提交数据交换软件，数据交换软件按照约定格式完成数据组帧，写入时间戳信息，根据信息主题哈希计算生成目标发送地址，然后向传输网络发送；测控应用程序配置所需订阅数据的信息主题、信源、信宿和信息时间，提交数据交换软件；数据交换软件从传输网络接收测控数据，根据测控应用程序配置的约束条件对测控数据进行过滤，将满足约束条件的测控数据推送给测控应用程序。

优选地，所述数据交换软件由数据组帧模块、数据网发模块、数据网收模块、数据过滤引擎、多级主题订阅处理模块和订阅信息库六个部分构成，用于完成分布于传输网络的测控应用程序之间的测控数据传输与分发。

优选地，所述多级主题订阅处理模块提供一种支持模糊匹配的主题表达方法，包括：分级递进式主题描述方法和模糊订阅方法，所述分级递进式主题描述方法即以测控数据一级分类作为信息主题第一字段，以测控数据二级分类作为信息主题第二字段，依此类推，直至定位到具体的测控数据类型；所述模糊订阅方法是指测控应用程序订阅数据时，仅需提交信息主题的任一字段或多个字段，即可订阅与所提交字段相匹配的全部测控数据类型。

优选地，所述数据过滤引擎提供一种基于缓存技术的数据过滤机制及相应的缓存维护算法，利用测控数据收发的局部性原理，加速测控数据帧的过滤匹配速度。

优选地，所述数据过滤机制中数据过滤引擎获得测控数据帧后，首先查询订阅信息缓存池，判断该类测控数据的订阅信息是否存储于缓存中，如不存在，则进一步查询订阅信息库。

优选地，所述缓存技术基于LRU策略管理维护缓存，使用一定周期内查询率高的订阅信息库的订阅信息替换查询率低的订阅信息缓存池的订阅信息，通过定时维护，提高了订阅信息缓存池的缓存命中率，达到提高数据过滤匹配速度的目的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明支持分级递进式订阅主题描述，能实现模糊订阅，能够满足测控单元数据灵活订阅的要求。

（2）本发明提供多种条件约束的数据过滤机制，实现测控数据的精准推送，降低了上层应用的二次过滤消耗，提高了系统内部测控数据交换的效率。

（3）本发明提供一种基于缓存技术的数据过滤机制及相应的缓存维护算法，利用测控数据收发的局部性原理，加速网络数据帧的过滤匹配速度。

（4）本发明实现了全分布式系统架构方案，数据交换不依赖于第三方服务器进行中继，确保了系统内部测控数据交换的实时性和系统整体的可靠性。

附图说明

图1为本系统的系统组成框图；

图2为本系统组成层次分解图；

图3为本系统测控数据收发流程图；

图4为分级递进式主题描述方法及模糊订阅示意图；

图5为基于缓存技术的数据过滤机制示意图。

其中：

测控应用程序1、数据交换软件2、传输网络3、数据组帧模块21、数据网发模块22、数据网收模块23、数据过滤引擎24、多级主题订阅处理模块25、订阅信息库26。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1，如图1所示，本申请实施例提供一种基于条件约束发布订阅模式的航天测控数据交换系统，主要包括测控应用程序1、数据交换软件2和传输网络3三个部分，测控应用程序1为应用层测控数据处理程序，用于实现航天器外测、遥测、遥控等类型测控数据的计算与处理功能，部署于测控单元服务器、工作站或工控机中运行。数据交换软件2部署于测控应用程序1和传输网络3之间，实现测控数据的组帧、收发、订阅、过滤处理等功能。传输网络3为测控系统数据传输IP网络，完成测控数据的网络传输功能。

上述三个部件按照数据发送、数据传递、数据订阅、数据接收等四个步骤协同工作。其中，数据发送步骤是指测控应用程序1按照约定格式写入数据的信息主题、信源、信宿和信息内容，提交数据交换软件2。数据传递步骤是指数据交换软件2按照约定格式完成数据组帧，写入时间戳信息，根据信息主题哈希计算生成目标发送地址，然后向传输网络3发送。数据订阅步骤是指测控应用程序1配置所需订阅数据的信息主题、信源、信宿、信息时间等，提交数据交换软件2。数据接收步骤是指数据交换软件2从传输网络3接收测控数据，根据测控应用程序1配置的信息主题、信源、信宿、信息时间等约束条件对测控数据进行过滤，将满足约束条件的测控数据推送给测控应用程序1。

如图2所示，数据交换软件2是系统的核心部件，由数据组帧模块21、数据网发模块22、数据网收模块23、数据过滤引擎24、多级主题订阅处理模块25和订阅信息库26六个部分构成，用于完成分布于传输网络3的测控应用程序1之间的测控数据传输与分发。数据组帧模块21用于接收测控应用程序1的网发测控数据，按照约定格式组成数据帧，并写入时间戳；数据网发模块22用于根据测控数据帧信息主题信息，使用哈希算法计算生成目标地址，将测控数据帧发送到传输网络3；数据网收模块23用于从传输网络3接收测控数据帧；数据过滤引擎24用于从订阅信息库26获取订阅信息，基于线性表顺序查找算法逐项过滤信息主题、信源、信宿、信息时间等约束条件，将满足约束条件的测控数据帧推送给测控应用程序1，将不满足约束条件的测控数据帧丢弃；多级主题订阅处理模块25用于接收和处理测控应用程序1提交的订阅数据，特别地，对测控应用程序1提交的模糊订阅数据进行特化处理后，将处理生成的订阅信息存入订阅信息库26；订阅信息库26用于存储多级主题订阅处理模块25处理生成的订阅信息。

图3所示为本系统完成测控数据交换的数据接收和数据发送基本流程。一方面，测控应用程序1向数据交换软件2提交精确订阅数据或模糊订阅数据，数据交换软件2对模糊订阅数据特化处理，生成订阅信息并存储，数据交换软件从传输网络3接收测控数据帧，按照订阅信息对测控数据帧的信息主题、信源、信宿、信息时间等约束条件进行逐项过滤，将满足约束条件的测控数据帧推送至测控应用程序1。另一方面，测控应用程序1将需要发送的测控数据帧提交数据交换软件2，数据交换软件2按照约定格式进行组帧处理并写入时间戳信息，然后根据信息主题哈希计算生成目标地址，最后将测控数据帧发送到传输网络3。

多级主题订阅处理模块25提供一种支持模糊匹配的主题表达方法，即分级递进式主题描述及模糊订阅方法，包括：分级递进式主题描述方法、模糊订阅方法。如图4所示，分级递进式主题描述方法将信息主题划分为多个字段，分别表示测控数据类型的不同层次，如第一字段可指代遥测数据、外测数据等；第二字段可区分为卫星遥测数据、飞船遥测数据、S波段外测数据、C波段外测数据等；第三字段可进一步区分为卫星遥测原码数据、卫星遥测挑点数据、S波段外测测角数据、S波段外测测距数据等、C波段外测测角数据、C波段外测测距数据等，依此类推。分级递进式主题描述方法支持测控数据的模糊订阅方法，订阅者可以通过提交信息主题的全部字段实现测控数据精确订阅，也可以通过提交信息主题的任意字段实现测控数据模糊订阅，本方法实现所提交字段的特化处理，精确定位至全部相关的测控数据类型，从而实现测控数据的灵活订阅。

实施例2

本申请实施例提供一种基于缓存技术的数据过滤机制，利用测控数据收发的局部性原理（即测控数据类型的分时集中特征），加速测控数据帧的过滤匹配速度。该数据过滤机制相比较于实施例1所述线性表顺序查找算法，在订阅信息库26规模较大情况下能够获得更高的查找性能。数据过滤引擎24获得测控数据帧后，如图5所示，首先查询订阅信息缓存池，判断该类测控数据的订阅信息是否存储于缓存中（即判断缓存是否命中），如未命中，则进一步查询订阅信息库。缓存管理模块和订阅信息缓存池是数据过滤引擎24的子模块，缓存管理模块基于LRU策略（LeastRecentlyUsed，LRU）管理维护缓存，使用一定周期内查询率高的订阅信息库26的订阅信息替换查询率低的订阅信息缓存池的订阅信息。通过缓存管理模块的定时维护，提高了订阅信息缓存池的缓存命中率，达到提高数据过滤引擎24的过滤匹配速度的目的。

缓存管理模块的缓存维护算法描述如下：定义缓存维护周期为T，缓存维护周期内订阅信息缓存池的缓存命中次数为C₁，订阅信息库26的查询次数为C₂，则缓存维护周期内查询总次数为C=C₁+C₂。定义订阅信息缓存池中第i条订阅信息在T内的查询命中次数为S_i，则该条订阅信息在T内的命中率为A_i=S_i/C；定义订阅信息库26中第j条订阅信息在T内的查询命中次数为S_j，则该条订阅信息在T内的命中率为A_j=S_j/C。

定义当前时间为t，上一次缓存维护时间为t₀，订阅信息缓存池的缓存规模为M，订阅信息库26的订阅信息规模为N，则缓存维护算法可以形式化描述为：

BEGIN

While（t-t₀>T）{//以T为周期执行缓存维护

While（i<N）{//逐条判断订阅信息缓存池

While（j<M）{//逐条判断订阅信息库26

IF[A_i<A_j]{

//订阅信息缓存池第i条订阅信息交换至订阅信息库26

//订阅信息库26的第j条订阅信息交换至订阅信息缓存池

}

}

}

}

END

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。