基于DDS 的卫星站监控系统北向接口设计

李 杰，祝颂东

（1.海军装备部驻南京地区第四军事代表室，南京 210014；2.陆军装备部驻南京地区军事代表局驻南京地区第一军事代表室，南京 210014）

1 研究背景

卫星地球站监控系统作为卫星通信网综合管理系统的监控子系统，对地球站（包含车载、舰载、机载等类型）内所有天线设备、馈电设备、通信设备、辅助设备等进行实时的集中监控（即南向接口管理），另外还需提供对外的北向接口服务等。其中，北向服务是指为上层管理系统提供接入和管理卫星通信子网的接口，该接口起到上层管理系统和通信子系统之间的承上启下作用。卫星地球站监控系统作为数据生产者，而上层管理系统是数据消费者，生产和消费关系错综复杂，需要实时、可靠、标准传输等要求，而数据分发服务（DDS）可以满足以上要求。提供低延迟、高吞吐量实时性能控制。它定义了实时分布式系统中数据发布、传递和接收的接口和行为，定义了以数据为中心的发布/订阅机制。

本文依托Open DDS 的消息中间件实现，Open DDS 是一种C++语言的开源实现。它遵循OMG 的DDS 标准，位于网络协议栈最上层，屏蔽了应用程序对数据传输细节，通过应用程序接口（API）完成数据通信。DDS 负责处理所有的网络输入输出，管理可靠和透明的数据传输，如消息寻址、数据组合和分散、流控制、重试等。使软件开发者可以将精力集中在应用程序设计上，而不是底层传输上。

2 数据分发服务

实时数据传递主要包括点到点、消息队列和发布/订阅三种模式。点到点模式具有很强的时间和空间耦合性，使通信灵活性受到很大限制。消息队列模式通过一个消息队列来传递消息，解决了通信双方时间和空间松耦合的问题，但不能实现消息到消费者通信的异步，并且还存在服务器瓶颈和单点失效的问题，可靠性得不到保障。发布/订阅模型中发布者和订阅者通过主题相关联，双方不必知道对方在何处，也不必同时在线，实现了通信双方时间、空间和数据通信的多维松耦合。

图1 DDS数据分发图

数据分发服务（DDS）标准是OMG（对象管理组织）有关分布式实时系统中数据发布的一个较新规范。DDS 标准规范采用了发布/订阅体系结构，对实时性要求提供支持。DDS 是以数据为中心的发布/订阅通信模型，针对强实时系统进行了优化，

3 系统结构与功能

3.1 体系结构

图2 系统结构图

3.2 主要功能

（1）数据适配服务。被管设备的通信接口丰富多样，涵盖以太网、RapidIO、串口、SNMP 等，数据适配主要自动适配不同接口种类，形成规则、统一、模型化的数据表格信息，并进行入库操作。

（2）综合监视服务。综合监视服务是根据设定的规则，对适配数据进行监测、管理、告警等数据监测服务，并对数据监测后的结果进行入库操作。

（3）安全管理服务。安全管理服务作为贯穿整个系统的功能模块，它具有最高级别的管理和过滤功能。用户的任何操作，都要进行权限管理、数据安全、操作日志等操作判定。

（4）综合展示服务。综合展示服务是通过Web 访问的形式，对用户提供的数据、状态、告警、报表、日志等展示，该展示服务具有个性化定制、内容丰富直观等特点。

（5）北向接口服务。北向接口服务遵循OMG 的DDS 标准，采用基于C++语言的Open DDS 接口，使用户关心应用层的数据传输服务，通过发布/订阅模式的接口（API）来完成数据通信。

4 系统设计

4.1 数据库设计

数据适配层通过网络TCP/IP、串口、SNMP 等通信接口协议对天线、变频器、功放、合路器、信道五类通信设备（简称设备）进行数据归一化处理，并入库。当某一设备的关键性参数小于预设阈值时，判断发生某种故障，此时，系统自动记录天线、变频器、功放、合路器、信道等设备的关键参数，并录入关系数据库。

本文中主要关系数据库包括配置数据库、信息数据库、告警数据库和业务数据库等，分别设计为表1、表2、表3、表4。

表1 设备列表

表1为本站内卫星信道的设备总和，包括天线、变频器、功放、合路器、信道五种类型，但是每个设备都有站内唯一的编号，即设备ID。

表2 状态参数表

表2为站内每个设备的参数模型表，主要包括状态参数ID、时间、参数名、参数值、量化值（特征参数按照特征参数量化表4来进行量化，其他一般状态参数值正常设为1，异常设为0）、设备ID（外键对应表1中的设备ID）。需要注意的是，表2中存放的是影响通信质量的关键性状态参数，例如，天线的含接收电平、接收机状态、通信状态、伺服电机状态、码盘状态，功放温度、增益状态，信道的通信信噪比、信道工作状态、链路状态等，状态参数的编号和个数根据站型和厂家进行摘取。

表3 故障状态表

表4为本站内当前卫星信道通信网络质量及链路状态等关键参数。当某通信网络开通后，主要用于展示、上报和人工干预某一条具体的卫星通信信道链路。

表4 业务参数表

4.2 DDS 数据结构定义

由于不同系统、平台、版本之间数据库存在差异，导致上层系统不能直接访问综合监视系统的数据库。为了使不同系统的耦合度降低，通信管理服务器与设备间采用标准DDS 进行数据通信，主要利用DDS 的强实时，松耦合等特性。为了更加突出表现松耦合特性，定义DDS 的idl 数据结构如下：

DDS 按照该结构传递数据，通过Topic 定义综合监控子系统下的子功能分类，通过数据结构中的cmd 定义功能分类的具体功能名称，data 为国际通用文本标记语言XML 明文格式。通过Topic 和cmd 进行判定，数据消费者即可知道data 中描述的数据是否是本设备或系统需要的数据。当数据消费者需要时，由消费者理解数据的业务含义并按格式进行数据解析。

4.3 DDS 接口模块设计

4.3.1 配置管理订购模块

表5 配置管理接口定义表

按照DDS 数据结构定义，上层管理系统（即数据生产者）使用Topic 为NetMgrBaseConfig 进行数据发布和生产，综合监视系统（即数据消费者）可以订购该Topic 的数据进行访问接口，通过比对所需的cmd，进行相应的data 数据解析。相反，当综合监视系统要响应某一询问时，可以使用Topic 为StatMoniConfig进行数据发布和生产。此时，上层管理系统就应该作为数据消费者进行数据订购。

配置管理订购模块可以使上层管理系统和综合监视系统之间进行基础配置的信息交互。

4.3.2 数据管理订购模块

表6 数据管理接口定义表

数据管理订购模块可以使上层管理系统和综合监视系统之间进行设备参数、信息交互，上层用户系统可以通过订购综合监视系统发布的数据服务，达到访问下层数据的功能。

4.3.3 告警管理订购模块

表7 告警管理接口定义表

告警管理订购模块可以使上层管理系统和综合监视系统之间进行告警信息的交互，上层用户系统可以通过订购综合监视系统发布的告警服务，达到访问下层设备告警信息的功能。

4.3.4 通信管理订购模块

表8 通信管理接口定义表

通信管理订购模块可以使上层管理系统和综合监视系统之间进行通信网络交互和链路操作。上层用户系统可以通过订购综合监视系统发布的通信服务，达到访问下层通信网络状态，并操作相应通信链路的功能。

5 结束语

基于数据分发服务DDS 的卫星地球站监控北向接口，采用以数据为中心的发布/订阅通信模型，数据的生产者和消费者之间通过主题Topic 可进行数据共享和分发，为上层管理系统提供接入和管理卫星通信子网的接口。通过该接口，数据生产者和消费者之间能够进行异步数据传输，实现了通信双方时间、空间和数据通信的多维松耦合。