GB∕T 43374-2023 空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng) 航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構（正式版）

空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構2023-11-27發(fā)布2024-03-01實施國家標準化管理委員會GB/T43374—2023前言 I 2規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4縮略語 5航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構和接口 5.1結構設計 5.2接口設計 36操作系統(tǒng)層 47中間件層 7.1結構說明 7.2亞網(wǎng)層 7.3傳遞層 7.4應用支持層 8應用管理層 附錄A(資料性)航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構中間件層軟件構件列表 7參考文獻 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國宇航技術及其應用標準化技術委員會(SAC/TC425)提出并歸口。本文件起草單位：北京空間飛行器總體設計部、清華大學、中國航天標準化研究所、北京航空航天大學、廈門泮池科技研究院有限公司、同方股份有限公司。1空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構本文件規(guī)定了航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構、接口和軟件體系結構中的操作系統(tǒng)層、中間件層、應用管理層的組成。本文件適用于航天器信息系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設計、軟件體系結構和軟件構件設計。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T42041航天術語空間數(shù)據(jù)與信息傳輸GB/T42041界定的以及下列術語和定義適用于本文件。軟件構件softwarecomponent下列縮略語適用于本文件。AN:模擬量(Analogue)AOS:高級在軌系統(tǒng)(AdvancedOrbitingSystem)API:應用程序編程接口(ApplicationProgrammingInterface)BP:束協(xié)議(BundleProtocol)BSP:板級支持包(BoardSupportPackage)CAN:控制器局域網(wǎng)(ControllerAreaNetwork)CCSDS:空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems)CPU:中央處理器(CentralProcessingUnit)DS:串行數(shù)字量(DigitalSerial)IO:輸入輸出(Input/Output)IP:網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議(InternetProtocol)IPoC:IP通過CCSDS(IPoverCCSLTP:利克萊德傳輸協(xié)議(LickliderTransmissionProtocol)ML:內存加載(MemoryLoad)2PUS:包應用標準(PacketUtilisationStandard)RAM:隨機存取存儲器(RandomAccessMemory)ROM:只讀存儲器(Read-OnlyMemory)TC:遙控(Telecommand)TCP:傳輸控制協(xié)議(TransmissionControlProtocol)TTE:時間觸發(fā)以太網(wǎng)(TimeTriggeredEthernet)UDP:用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UserDatagramProtocol)USLP:統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(UnifiedSpaceDataLinkProtocol)5航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構和接口5.1結構設計航天器信息系統(tǒng)是運行于航天器上的用于航天器信息獲取、處理與傳輸?shù)南到y(tǒng)。本文件的航天器信息系統(tǒng)在實際應用中可為航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、綜合電子系統(tǒng)或星務管理系統(tǒng)?？臻g數(shù)據(jù)與信息傳輸?shù)膮⒖俭w系結構見GB/T42037—2022。航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構包括操作系統(tǒng)層、中間件層和應用管理層，如圖1所示。該體系結構通過分層，對各層的業(yè)務和業(yè)務接口進行標準化，將一些通用的功能采用標準的軟件構件實現(xiàn)，以提高軟件的可重用性，支持軟件構件重構和升級，屏蔽底層硬件接口和協(xié)議變化帶來的影響，使得單層的變化不影響其他層。航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構運行的硬件包含各種星載計算機的組件，是軟件運行的基礎，主要有CPU、ROM、RAM、時鐘、1553B總線接口、CAN總線接口、Spacewire總線接口、TTE接口、串口、操作系統(tǒng)層作為底層硬件的支持平臺，通過設備驅動程序框架和操作系統(tǒng)API屏蔽了底層硬件以及操作系統(tǒng)的差異。中間件層作為整個軟件體系結構的核心，將多種標準化的業(yè)務和協(xié)議納入其中，采用軟件構件的形式實現(xiàn)。應用管理層在操作系統(tǒng)層和中間件層的支持下，通過對中間件層的軟件構件組合，完成航天器信息系統(tǒng)的業(yè)務功能。在上述軟件體系結構的支撐下，用戶可對中間件層的軟件構件進行選取和參數(shù)配置，并開發(fā)滿足應用特殊需求的軟件與之組裝，實現(xiàn)軟件快速開發(fā)。3GB/T43374—2023應用管理層遙測管理遙控管理時間管理內務熱控管理能源管理解鎖與轉動機構業(yè)中間件層配置管理應用支持層傳遞層消息傳輸業(yè)務PUS業(yè)務構件設備數(shù)據(jù)池業(yè)務構件設備訪問業(yè)務構件文件操作業(yè)務構件設備虛擬化業(yè)務構件時間訪問業(yè)務構件空間包協(xié)TCP/IJDP構件封裝業(yè)務構件IPoC構件BP構件LTP構件亞網(wǎng)層星載子網(wǎng)構件空間子網(wǎng)構什操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)AP1實時操作系統(tǒng)BSP設備驅動程序用戶支持庫硬件串口ROM接口接口時鐘AN接口線接πON/OFF接口CAN總線接口看門狗Spacewire總線接口內總線接口接口*+8*1圖1航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構5.2接口設計5.2.1層間接口航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構的每一層應對上層提供標準的接口，每一層中具體的協(xié)議實現(xiàn)應符合該層對上層的接口要求。下面對各層的接口進行了說明。a)操作系統(tǒng)層接口：包括任務管理接口、中斷管理接口、內存管理接口、信號量管理接口、消息隊列管理接口、定時器管理接口、IO接口、設備驅動程序接口和用戶支持庫接口等。b)亞網(wǎng)層接口：包括星載子網(wǎng)構件提供的包業(yè)務接口、存儲器訪問業(yè)務接口、同步業(yè)務接口和擴展子網(wǎng)業(yè)務接口，空間子網(wǎng)構件提供的TC空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議接口、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議接口、USLP接口和擴展數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議接口。c)傳遞層接口：包括空間包協(xié)議接口、TCP協(xié)議接口、UDP協(xié)議接口、IP協(xié)議接口、封裝業(yè)務接4口、IPoC協(xié)議接口、BP協(xié)議接口、LTP協(xié)議接口和擴展協(xié)議接口。d)應用支持層接口：包括PUS業(yè)務接口、文件操作類業(yè)務接口、消息傳輸業(yè)務接口、設備數(shù)據(jù)池業(yè)務接口、設備訪問業(yè)務接口、設備虛擬化業(yè)務接口、時間訪問業(yè)務接口和擴展業(yè)務接口。中間件API由亞網(wǎng)層接口、傳遞層接口和應用支持層接口提供，操作系統(tǒng)API由操作系統(tǒng)層接口提供。航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構的每一層除直接調用下一層的接口外，還支持跨層調用，如應用管理層可調用中間件API,也可直接調用操作系統(tǒng)API。5.2.2軟件構件接口中間件層可采用軟件構件的形式實現(xiàn)。軟件構件接口包含兩類：需要的外部接口和對外提供的接口。需要的外部接口是本構件調用的其他構件的接口，在配置管理中進行設置。對外提供的接口包括以下三類接口：a)初始化接口：供其他構件調用，完成構件的初始化；b)構件配置接口：供配置管理調用，完成構件的運行時配置，構件配置接口可與初始化接口合并為同一個接口；c)功能接口：供其他構件調用，完成本構件的功能。6操作系統(tǒng)層為了支持不同操作系統(tǒng)的更換，航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構采用標準化的操作系統(tǒng)API,采用設備驅動程序框架，支持信息系統(tǒng)各種不同設備類型接口的驅動，并具備可擴展能力，使得軟件能適應不同的設備控制需求。操作系統(tǒng)層將操作系統(tǒng)的接口進行封裝，提供統(tǒng)一的操作系統(tǒng)API。在航天器信息系統(tǒng)中，不同的操作系統(tǒng)應支持統(tǒng)一的訪問接口。操作系統(tǒng)層的組成包括實時操作系統(tǒng)、BSP、設備驅動程序、用戶支持庫和操作系統(tǒng)API等。當需要更改或擴展底層硬件接口時，可通過更新或增加設備驅動程序予以支持。操作系統(tǒng)層運行于硬件之上，通過操作系統(tǒng)API向中間件層和應用管理層提供統(tǒng)一的接口。7中間件層7.1結構說明中間件層是位于操作系統(tǒng)層和應用管理層之間的通用服務層，具有標準的協(xié)議和程序接口，可實現(xiàn)不同硬件和操作系統(tǒng)平臺上的數(shù)據(jù)共享和交互支持。為了使中間件層具有很好的可擴展性，支持業(yè)務和協(xié)議的更新，中間件層內部分為三層，每一層都可能通過配置管理進行構件的配置，層次劃分自下而上為亞網(wǎng)層、傳遞層和應用支持層。亞網(wǎng)層的星載子網(wǎng)構件對星內通信機制進行了標準化，空間子網(wǎng)構件對星地、星間通信機制進行了標準化。傳遞層的軟件構件實現(xiàn)了網(wǎng)絡傳輸和路由功能。應用支持層的PUS業(yè)務構件實現(xiàn)星地應用協(xié)議的標準化，結合傳遞層的空間包協(xié)議構件、TCP構件、UDP構件、IP構件以及應用支持層的消息傳輸協(xié)議構件，可實現(xiàn)星地、星間、星內通信一體化設計。中間件層包含的軟件構件列表見附錄A。7.2亞網(wǎng)層亞網(wǎng)層處于傳遞層以下，調用操作系統(tǒng)層的接口，并對上層提供統(tǒng)一的軟件接口，以屏蔽底層數(shù)據(jù)鏈路的不同，同時提供一組業(yè)務構件用于支持上層的構件。亞網(wǎng)層包括星載子網(wǎng)構件和空間子網(wǎng)構件5兩大類。星載子網(wǎng)構件包括包業(yè)務構件、存儲器訪問業(yè)務構件、同步業(yè)務構件、1553B構件、CAN構件、構件、串口構件和擴展構件，如圖2所示。包業(yè)務構件將業(yè)務數(shù)據(jù)單元從子網(wǎng)的一端傳輸?shù)酵粋€子網(wǎng)的另一端。存儲器訪問業(yè)務構件可以獲取、寫入或者修改本地節(jié)點或遠程節(jié)點中存儲器的數(shù)據(jù)。同步業(yè)務構件為時間碼獲取、時間碼狀態(tài)維護和事件管理提供統(tǒng)接口、串口協(xié)議的功能。星載子網(wǎng)構件在操作系統(tǒng)設備驅動程序的支持下，完成星載總線或網(wǎng)絡協(xié)議，并支持其他星載子網(wǎng)業(yè)務和協(xié)議的星載子網(wǎng)構件星載子網(wǎng)構件構件構件存儲器訪問業(yè)務同步業(yè)務構件構件構件CAN構件串山構件構件圖2星載子網(wǎng)構件組成空間子網(wǎng)構件包括TC空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議構件、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議構件、USLP構件等，如圖3所示?？臻g子網(wǎng)構件在操作系統(tǒng)設備驅動程序的支持下，實現(xiàn)TC空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、USLP,并支持其他空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的擴展?？臻g了網(wǎng)構件AOS空問數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議構件USLP構件…AOS空問數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議構件USLP構件……鏈路協(xié)議構件圖3空間子網(wǎng)構件組成7.3傳遞層傳遞層包含了傳輸層和網(wǎng)絡層的功能，用于對傳遞層以上的業(yè)務或用戶提供標準接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和路由。傳遞層調用亞網(wǎng)層的接口，并對上層提供統(tǒng)一的軟件接口。主要由以下構件組成：議和LTP協(xié)議；b)空間包協(xié)議構件、IP構件、封裝業(yè)務構件和IPoC構件實現(xiàn)網(wǎng)絡層的功能，實現(xiàn)了空間包協(xié)議、IP協(xié)議(包括IPv4和IPv6協(xié)議)、封裝業(yè)務和IPoC協(xié)議。7.4應用支持層應用支持層提供支持航天器信息系統(tǒng)應用的標準業(yè)務。應用支持層調用傳遞層的接口，并對上層提供統(tǒng)一的軟件接口。應用支持層包括文件操作業(yè)務構件、航天器接口業(yè)務構件、PUS業(yè)務構件，并可通過擴展業(yè)務構件實現(xiàn)應用支持層業(yè)務功能的擴展。各構件的具體功能如下。6a)文件操作業(yè)務構件實現(xiàn)文件訪問和文件管理功能，包括文件訪問業(yè)務構件、文件管理業(yè)務構件。b)航天器接口業(yè)務構件實現(xiàn)航天器信息系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)處理功能，包括消息傳輸業(yè)務構件、設備數(shù)據(jù)池業(yè)務構件、設備訪問業(yè)務構件、設備虛擬化業(yè)務構件、時間訪問業(yè)務構件。其中消息傳輸業(yè)務構件用于提供消息通信服務，設備數(shù)據(jù)池業(yè)務構件、設備訪問業(yè)務構件和設備虛擬化業(yè)務構件用于實現(xiàn)對設備和參數(shù)的訪問，時間訪問業(yè)務構件用于處理和提供星載時間。c)PUS業(yè)務構件實現(xiàn)與航天器信息系統(tǒng)領域功能相關的業(yè)務，主要包括遙控確認業(yè)務構件、設備命令分發(fā)業(yè)務構件、常規(guī)/診斷參數(shù)報告業(yè)務構件、參數(shù)統(tǒng)計報告業(yè)務構件、事件報告業(yè)務構件、存儲器管理業(yè)務構件、功能管理業(yè)務構件、時間管理業(yè)務構件、包傳送控制業(yè)務構件、在軌作業(yè)定時計劃業(yè)務構件、在軌監(jiān)視業(yè)務構件、在軌存儲和回收業(yè)務構件、事件動作業(yè)務構件、在軌作業(yè)程序業(yè)務構件等。8應用管理層擴展應用等航天器信息系統(tǒng)功能對應的應用軟件。應用軟件調用中間件層和操作系統(tǒng)層的接口，完成航天器信息系統(tǒng)的業(yè)務和功能。由于有下層的軟件構件支持，應用管理層功能的實現(xiàn)僅需將不同的軟件構件按照特定的邏輯予以組合。應用管理層軟件的具體實現(xiàn)形式在不同的航天器信息系統(tǒng)中可能有所不同。在具備多任務操作系統(tǒng)支持的情況下，表現(xiàn)為多個任務(在有的操作系統(tǒng)中也可表現(xiàn)為進程、線程或分區(qū)等),這些任務采用中間件層與操作系統(tǒng)層提供的標準接口進行航天器任務處理，完成航天器任務規(guī)定的功能。7(資料性)航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構中間件層軟件構件列表航天器信息系統(tǒng)軟件體系結構中間件層包含的主要軟件構件列表如表A.1所示。表A.1中間件層包含的主要軟件構件列表序號內部分層構件分類軟件構件軟件構件功能描述亞網(wǎng)層空間子網(wǎng)構件TC空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議構件實現(xiàn)TC空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議2AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議構件實現(xiàn)AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議3USLP構件實現(xiàn)USLP空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議4擴展數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議構件支持擴展數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議5星載子網(wǎng)構件包業(yè)務構件實現(xiàn)航天器接口業(yè)務的包業(yè)務，通過星載子網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到該子網(wǎng)的另一個端點6存儲器訪問業(yè)務構件實現(xiàn)航天器接口業(yè)務的存儲器訪問業(yè)務，向設備的內存或寄存器讀出或寫入數(shù)據(jù)7同步業(yè)務構件實現(xiàn)航天器接口業(yè)務的同步業(yè)務，向業(yè)務用戶通知事件81553B構件實現(xiàn)1553B總線鏈路協(xié)議9實現(xiàn)CAN總線鏈路協(xié)議Spacewire構件實現(xiàn)Spacewire總線鏈路協(xié)議實現(xiàn)TTE鏈路協(xié)議ML構件實現(xiàn)ML鏈路協(xié)議DS構件實現(xiàn)DS鏈路協(xié)議串口構件實現(xiàn)串口鏈路協(xié)議擴展子網(wǎng)業(yè)務構件支持擴展業(yè)務或協(xié)議傳遞層傳輸協(xié)議構件TCP/UDP構件BP構件實現(xiàn)BP協(xié)議LTP構件實現(xiàn)LTP協(xié)議網(wǎng)絡協(xié)議構件空間包協(xié)議構件實現(xiàn)空間包協(xié)議IP構件實現(xiàn)IPv4和IPv6協(xié)議封裝業(yè)務構件實現(xiàn)封裝業(yè)務IPoC構件實現(xiàn)IPoC協(xié)議傳遞層擴展協(xié)議構件傳遞層擴展協(xié)議構件實現(xiàn)擴展的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡協(xié)議8序號內部分層構件分類軟件構件軟件構件功能描述應用支持層航天器接口業(yè)務構件設備數(shù)據(jù)池業(yè)務構件實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)池業(yè)務，從設備獲取數(shù)據(jù)并存儲在設備數(shù)據(jù)池中，從設備數(shù)據(jù)池中讀取數(shù)據(jù)設備訪問業(yè)務構件實現(xiàn)設備訪問業(yè)務，對航天器內設備進行設備讀取、設備寫入操作設備虛擬化業(yè)務構件實現(xiàn)設備虛擬化業(yè)務，對航天器內虛擬設備進行指令發(fā)送、數(shù)據(jù)獲取操作消息傳輸業(yè)務構件實現(xiàn)消息傳輸業(yè)務，在兩個應用程序之間接收和發(fā)送消息，多播一個消息到一個已定義分組內的所有應用程序，廣播一個消息到航天器內所有的應用程序時間訪問業(yè)務構件實現(xiàn)時間訪問業(yè)務，維護并向用戶提供航天器時間文件操作業(yè)務構件文件訪問業(yè)務構件文件中刪除數(shù)據(jù)等功能文件管理業(yè)務構件實現(xiàn)文件管理業(yè)務，包括目錄操作、拷貝文文件、從文件庫中找到文件、列出目錄內容等功能PUS業(yè)務構件遙控確認業(yè)務構件實現(xiàn)PUS遙控確認業(yè)務，對上行遙控指令進行正確性校驗和反饋設備命令分發(fā)業(yè)務構件實現(xiàn)PUS設備命令分發(fā)業(yè)務，包括ON/OFF指令分發(fā)和ML指令分發(fā)