1 范围

本文件规定了航天器信息系统软件体系结构 、接口和软件体系结构中的操作系统层 、中间件层 、应 用管理层的组成 。
本文件适用于航天器信息系统的软件系统设计 、软件体系结构和软件构件设计 。

2 规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文 件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于 本文件 。
GB/T 42041 航天术语 空间数据与信息传输

3 术语和定义

GB/T 42041界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。
3. 1
软件构件 softwarecomponent
将功能接口 、程序代码 、数据等封装成一个可独立配置的 、与外部环境分离的基本软件单元 。

4 缩略语

下列缩略语适用于本文件 。
AN:模拟量(Analogue)
AOS:高级在轨系统(Advanced Orbiting System)
API:应用程序编程接口(Application Programming Interface)
BP:束协议(Bundle Protocol)
BSP:板级支持包(Board SupportPackage)
CAN:控制器局域网(Controller Area Network)
CCSDS:空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems)
CPU : 中央处理器(CentralProcessing Unit)
DS: 串行数字量(DigitalSerial)
IO:输入输出(Input/ Output)
IP: 网际互联协议(InternetProtocol)
IPoC:IP通过 CCSDS(IP over CCSDS)
LTP:利克莱德传输协议(Licklider Transmission Protocol)
ML: 内存加载(Memory Load)

GB/T 43374—2023
PUS:包应用标准(PacketUtilisation Standard)
RAM : 随机存取存储器(Random Access Memory)
ROM : 只读存储器(Read-Only Memory)
TC:遥控(Telecommand)
TCP:传输控制协议(Transmission ControlProtocol)
TTE: 时间触发以太网(Time Triggered Ethernet)
UDP:用户数据报协议(UserDatagram Protocol)
USLP:统一空间数据链路协议(Unified Space Data Link Protocol)

5 航天器信息系统软件体系结构和接口

5. 1 结构设计
   航天器信息系统是运行于航天器上的用于航天器信息获取 、处理与传输的系统 。本文件的航天器 信息系统在实际应用中可为航天器数据管理系统 、综合电子系统或星务管理系统 。 空间数据与信息传 输的参考体系结构见 GB/T 42037—2022。
   航天器信息系统软件体系结构包括操作系统层 、中间件层和应用管理层 ,如图 1所示 。该体系结构 通过分层 ,对各层的业务和业务接口进行标准化 ,将一些通用的功能采用标准的软件构件实现 , 以提高 软件的可重用性 ,支持软件构件重构和升级 ,屏蔽底层硬件接口和协议变化带来的影响 ,使得单层的变 化不影响其他层 。
   航天器信息系统软件体系结构运行的硬件包含各种星载计算机的组件 ,是软件运行的基础 ,主要有 CPU、ROM、RAM、时 钟 、1553B 总线接口 、CAN 总线接口 、Spacewire总线接口 、TTE 接口 、串口 、 DS接口 、ML接口 、AN接口 、ON/OFF接口 、看门狗 、内总线接口和扩展硬件接口 。
   操作系统层作为底层硬件的支持平台 ,通过设备驱动程序框架和操作系统 API屏蔽了底层硬件以 及操作系统的差异 。 中间件层作为整个软件体系结构的核心 ,将多种标准化的业务和协议纳入其中 ,采 用软件构件的形式实现 。应用管理层在操作系统层和中间件层的支持下 ,通过对中间件层的软件构件 组合 ,完成航天器信息系统的业务功能 。在上述软件体系结构的支撑下 ,用户可对中间件层的软件构件 进行选取和参数配置 ,并开发满足应用特殊需求的软件与之组装 ,实现软件快速开发 。
   
   图 1 航天器信息系统软件体系结构

5.2 接口设计
5.2. 1 层间接口
航天器信息系统软件体系结构的每一层应对上层提供标准的接 口 ,每一层中具体的协议实现应符 合该层对上层的接口要求 。下面对各层的接口进行了说明 。
a) 操作系统层接 口 :包括任务管理接口 、中断管理接口 、内存管理接口 、信号量管理接口 、消息队 列管理接口 、定时器管理接 口 、IO 接口 、设备驱动程序接口和用户支持库接口等 。
b) 亚网层接 口 :包括星载子网构件提供的包业务接口 、存储器访问业务接口 、同步业务接口和扩 展子网业务接 口 ,空间子网构件提供的 TC空间数据链路协议接 口 、AOS空间数据链路协议 接口 、USLP接口和扩展数据链路协议接 口 。
c) 传递层接 口 :包括空间包协议接 口 、TCP协议接 口 、UDP协议接 口 、IP协议接口 、封装业务接

口 、IPoC协议接口 、BP协议接口 、LTP协议接口和扩展协议接 口 。
d) 应用支持层接 口 :包括 PUS业务接口 、文件操作类业务接口 、消息传输业务接口 、设备数据池
业务接口 、设备访问业务接口 、设备虚拟化业务接口 、时间访问业务接口和扩展业务接 口 。
中间件 API由亚网层接口 、传递层接口和应用支持层接口提供 ,操作系统 API由操作系统层接 口 提供 。航天器信息系统软件体系结构的每一层除直接调用下一层的接口外 ,还支持跨层调用 ,如应用管 理层可调用中间件 API,也可直接调用操作系统 API。
5.2.2 软件构件接口
中间件层可采用软件构件的形式实现 。软件构件接口包含两类 :需要的外部接口和对外提供的接 口 。需要的外部接口是本构件调用的其他构件的接 口 ,在配置管理中进行设置 。
对外提供的接口包括以下三类接 口 :
a) 初始化接 口 :供其他构件调用 ,完成构件的初始化 ;
b) 构件配置接 口 :供配置管理调用 ,完成构件的运行时配置 ,构件配置接口可与初始化接口合并 为同一个接 口 ;
c) 功能接 口 :供其他构件调用 ,完成本构件的功能 。

6 操作系统层

为了支持不同操作系统的更换 ,航天器信息系统软件体系结构采用标准化的操作系统 API,采用设 备驱动程序框架 ,支持信息系统各种不同设备类型接口的驱动 ,并具备可扩展能力 ,使得软件能适应不 同的设备控制需求 。
操作系统层将操作系统的接口进行封装 ,提供统一的操作系统 API。在航天器信息系统中 ,不同的 操作系统应支持统一的访问接 口 。操作系统层的组成包括实时操作系统 、BSP、设备驱动程序 、用户支 持库和操作系统 API等 。 当需要更改或扩展底层硬件 接 口 时 , 可 通 过 更 新 或 增 加 设 备 驱 动 程 序 予 以 支持 。
操作系统层运行于硬件之上 ,通过操作系统 API向中间件层和应用管理层提供统一的接 口 。

7 中间件层

7. 1 结构说明
   中间件层是位于操作系统层和应用管理层之间的通用服务层 ,具有标准的协议和程序接 口 ,可实现 不同硬件和操作系统平台上的数据共享和交互支持 。 为了使中间件层具有很好的可扩展性 ,支持业务 和协议的更新 , 中间件层内部分为三层 ,每一层都可能通过配置管理进行构件的配置 ,层次划分自下而 上为亚网层 、传递层和应用支持层 。
   亚网层的星载子网构件对星内通信机制进行了标准化 ,空间子网构件对星地 、星间通信机制进行了 标准化 。传递层的软件构件实现了网络传输和路由功能 。应用支持层的 PUS业务构件实现星地应用 协议的标准化 ,结合传递层的空间包协议构件 、TCP构件 、UDP构件 、IP构件以及应用支持层的消息传 输协议构件 ,可实现星地 、星间 、星内通信一体化设计 。
   中间件层包含的软件构件列表见附录 A。
   7.2 亚网层
   亚网层处于传递层以下 ,调用操作系统层的接 口 ,并对上层提供统一的软件接 口 , 以屏蔽底层数据 链路的不同 , 同时提供一组业务构件用于支持上层的构件 。亚网层包括星载子网构件和空间子网构件

两大类 。
星载子网构件包括包业务构件、存储器访问业务构件 、同步业务构件、1553B构件 、CAN构件 、 Spacewire构件 、TTE构件 、ML构件 、DS构件 、串 口构件和扩展构件 ,如图 2 所示 。包业务构件将业务数据单元从子网的一端传输到同一个子网的另一端 。存储器访问业务构件可以获取 、写入或者修改本地节点或远程节点中存储器的数据 。 同步业务构件为时间码获取 、时间码状态维护和事件管理提供统一接口 。 1553B构件 、CAN构件 、Spacewire构件 、TTE构件 、ML构件 、DS构件 、串 口构件分别实现了1553B总线 、CAN 总线 、Spacewire总线 、TTE总线 、ML接 口 、DS接口 、串 口协议的功能 。 星载子网构件在操作系统设备驱动程序的支持下 , 完成星载总线或网络协议 ,并支持其他星载子网业务和协议的扩展 。

图 2 星载子网构件组成
空间子网构件包括 TC空间数据链路协议构件 、AOS空间数据链路协议构件 、USLP构件等 ,如图 3所示 。空间子网构件在操作系统设备驱动程序的支持下 ,实现 TC空间数据链路协议 、AOS空间数据 链路协议 、USLP,并支持其他空间数据链路协议的扩展 。

图 3 空间子网构件组成

7.3 传递层
传递层包含了传输层和网络层的功能,用于对传递层以上的业务或用户提供标准接口,实现数据传
输和路由 。
传递层调用亚网层的接口,并对上层提供统一的软件接口。主要由以下构件组成:
a) TCP/UDP构件、BP构件、LTP构件实现传输层的功能,实现了TCP协议、UDP协议、BP协议和LTP协议 ;
b) 空间包协议构件、IP构件、封装业务构件和IPoC构件实现网络层的功能,实现了空间包协议、 IP协议(包括 IPv4和 IPv6协议) 、封装业务和 IPoC协议。
7.4 应用支持层
应用支持层提供支持航天器信息系统应用的标准业务。应用支持层调用传递层的接口,并对上层提供统一的软件接口。
应用支持层包括文件操作业务构件、航天器接口业务构件、PUS业务构件,并可通过扩展业务构件实现应用支持层业务功能的扩展。各构件的具体功能如下。

a) 文件操作业务构件实现文件访问和文件管理功能 , 包括文件访问业务构件、文件管理业务 构件。
b) 航天器接口业务构件实现航天器信息系统的基础数据处理功能 ,包括消息传输业务构件 、设备 数据池业务构件 、设备访问业务构件 、设备虚拟化业务构件 、时间访问业务构件 。其中消息传 输业务构件用于提供消息通信服务 ,设备数据池业务构件 、设备访问业务构件和设备虚拟化业 务构件用于实现对设备和参数的访问 ,时间访问业务构件用于处理和提供星载时间 。
c) PUS业务构件实现与航天器信息系统领域功能相关的业务 , 主要包括遥控确认业务构件 、设 备命令分发业务构件 、常规/诊断参数报告业务构件 、参数统计报告业务构件 、事件报告业务构 件 、存储器管理业务构件 、功能管理业务构件 、时间管理业务构件 、包传送控制业务构件 、在轨 作业定时计划业务构件 、在轨监视业务构件 、在轨存储和回收业务构件 、事件动作业务构件 、在 轨作业程序业务构件等 。

8 应用管理层

应用管理层包含遥测管理 、遥控管理 、时间管理 、内务管理 、热控管理 、能源管理 、解锁与转动机构和 扩展应用等航天器信息系统功能对应的应用软件 。应用软件调用中间件层和操作系统层的接 口 ,完成 航天器信息系统的业务和功能 。 由于有下层的软件构件支持 ,应用管理层功能的实现仅需将不同的软 件构件按照特定的逻辑予以组合 。
应用管理层软件的具体实现形式在不同的航天器信息系统中可能有所不同 。在具备多任务操作系 统支持的情况下 ,表现为多个任务(在有的操作系统中也可表现为进程 、线程或分区等) ,这些任务采用 中间件层与操作系统层提供的标准接口进行航天器任务处理 ,完成航天器任务规定的功能 。

附 录 A

(资料性)
航天器信息系统软件体系结构中间件层软件构件列表
航天器信息系统软件体系结构中间件层包含的主要软件构件列表如表 A. 1所示 。
表 A. 1 中间件层包含的主要软件构件列表

7表 A. 1 中间件层包含的主要软件构件列表 (续)

参 考 文 献

[1] GB/T 42037—2022 空间数据与信息传输系统 参考体系架构