（计算机科学与技术专业论文）实时数据管理技术在航天测控中的应用研究.pdf

国 防 科 学 技 术 人 学 研 究 生 院 学 位 论 文 摘要 本文结合x x x 工程中的中心机改造项目，重点研究航天测控强实时系统中实时 数据管理技术。 本文首先分析了基地实时测控任务需求，总结出面向 航天测控领域的应用具有 实时性、高可靠性、大数据量等特点。其次，本文研究了文件、关系数据库、实时 数据库三种不同的数据管理技术在航天测控实时系统中的应用现状，对比分析了这 三种实时数据管理技术的优缺点:文件是最基本、应用最广的方式，但为保证实时 性，通常以独占方式使用文件，从而带来局限性，使事后访问查询数据不方便、效 率低;关系数据库管理技术成熟，应用广泛，但由于其事务执行时间的不确定性， 使 其 不 熊 直 接 应 用于 强 实 时 任 务; 传 统 数 据 库 技 术 与 实 时 应 用结 合的 产 物 一实 时 数 据库系统 ( r t d b s )，是实时数据管理技术的发展方向，目前在面向工程的应用， 特别是实时工程控制和管理控制方面已 得到成功应用，但在面向 航天测控领域强实 时的应用上尚存在不足之处。 在上述分析、比较研究的基础上，本文针对项目实际需求， 提出了一种利用关 系数据库变通地解决实时数据管理的实现模型。该模型采用c / s 模式，利用应用服 务器的方式分离实时应用和 准实时应用，实时应用向实时应用服务器发送实时记录 数据包，通过实时应用服务器解包写入数据库，并且实时应用只负责写入数据，以 隔离实时进程对数据库的访问;而准实时应用通过访问准实时应用服务器获得数据 库服务。该方案已实际应用于项目中，正如设计所期望的那样，既避免了关系数据 库事务执行时间的不确定性对实时任务的影响，又可方便开展其他准实时应用， 较 好地满足了基地中心机换代要求。此外，本文还利用历史的实际运行数据， 采用统 计的方法定量分析了该方案的实时性、可靠性。 基于r t d b s 是实时数据管理技术的发展方向这一分析， 本文参照r t d b s 实时事 务处理的一般模型，对r t d b s 事务处理涉及的优先级分派策略、调度方法、并发控 制、 死锁解决、过载管理等技术进行了 探讨。针对它们面向航天测控领域强实时应 用所存在的不足， 提出了两项改进措施: 一是通过研究传统的实时优先级调度策略， 提出改进的基于事务价值函数的优先级分派算法一一紧迫度优先算法 ( m o s t c r i t i c a l t r a n s a c t i o n f i r s t m c f );二是通过研究事务的实时并发控制机制， 针对优先级倒置问题，提出了扩展的有条件优先级继承协议 e c p i ( e x t e n d e d c o n d i t i o n a l p r i o ri t y i n h e ri t a n c e )。 这些2作虽然离实用还存在一定距离， 但对未来 面向 航天测控实时应用的r t d b s 的设计很有借鉴意义。 关键字:实时数据库系统，航天测控系统，实时 一. 一一一. -一一. 一. 一-一一一一一 r 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 abs tract a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f n e w c e n t e r c o m p u t e r s y s t e m r e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t , t h i s t h e s i s s t u d i e s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e r e a l - t i m e d a t a m a n a g e m e n t t e c h n o l o g y i n t h e r e a lm o f s p a c e c r a f t m e a s u r e m e n t a n d c o n t r o l s y s t e m s ( s mc s ) f i r s t l y , t h e t h e s i s p o i n t s o u t t h e s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e h a r d r e a l - t im e a p p l i c a t i o n s o r i e n t e d s mc s : h a r d r e a l - t i m e b i l i t y ， h i g h - r e l i a b i l i t y , m ass d a t a e t c . s e c o n d ly , t h i s t h e s i s a n a l y s e s t h e d a t a m a n a g e m e n t t e c h n o l o g y o f t h e f i l e s y s t e m , r e l a t i o n d a t a b a s e s y s t e m ( r d b s ) a n d r e a l - t i m e d a t a b a s e s y s t e m ( r t d b s ) , p o i n t s o u t t h a t : t h e f i l e i s t h e b a s i c m o d e , b u t it h a s s h o r t c o m i n g b e c a u s e o f m o n o p o l i z in g a n d u s i n g s e q u e n c e - f i l e t o s a t i s f y r e a l - t i m e b i l i t y . a lt h o u g h r d b s i s m a t u r e , i t c a n t b e a p p l i e d d i r e c t l y o n t h e h a r d r e a l - t i m e p r o c e s s o f s mc s b e c a u s e o f t h e r u n n in g u n p r e d i c t a b i l i t y o f i t s t r a n s a c t i o n . r t d b s i s b a s e d o n d a t a b a s e a n d r e a l - t im e s y s t e m t e c h n o l o g y , a n d h a s b e e n a p p l i e d s u c c e s s f u l l y i n t h e r e a l m o f m a n u f a c t u r e r e a l - t im e c o n t r o l a n d m a n a g e m e n t , b u t i t i s n o t v e ry ma t u r e a n d h a s f e w s u c c e s s f u l p r o j e c t s i n t h e r e a l m o f s mc s . b a s i n g o n t h e a n a l y s i s , i t b r i n g s f o r w a r d a d e s i g n s c h e m a w h i c h h a s b e e n u s e d in t h e r e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t . t h is d e s i g n a d o p t s t h e r d b s s c / s m o d e l , a p p l i e s t h e r e a l - t i m e a p p l i c a t i o n s e r v e r t o a c c e s s r d b s , a n d a v o i d s t h e e f f e c t o f th e r u n n i n g u n p r e d i c t a b i l i t y o f r d b s t r a n s a c t i o n . t h e r e a l - t i m e b i l it y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e d e s i g n s c h m a a r e t e s t i f i e d b y i t s p r a c t i c a l r u n n i n g t i m e s t a t i s t i c s . t h e d e s i g n m a t c h s t h e r e q u ir e m e n t s o f t h e r e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t . f i n a l l y , a c c o r d i n g t o t h e m o d e l o f r t d b s t r a s a c t i o n p r o c e s s , t h i s t h e s i s d i s c u s s e s p r i v i l g e d i s p a t c h s t r a t a g e , s c h e d u l i n g m e t h o d , c o n c u r r e n c y c o n t r o l , d e a d l o c k r e s o l v e , o v e r l o a d m a n a g e m e n t e t c . i t i m p r o v e s o n t h e p o l i c y mc f ( mo s t c r i t i c a l t r a n s a c t i o n f i r s t ) , a n d p u t s f o r w a r d t h e c o n c u r r e n c y c o n t r o l p o l i c y e c p i ( e x t e n d e d c o n d i t i o n a l p r i o r i t y i n h e r i t a n c e ) . t h e s e r e s e a r c h e s a r e u s e f u l f o r f u t u r e w o r k s - k e y w o r d s : r t d b s , r d b s , r e a l - t i me i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我 本人在导师指导下进行的研究工作 及取得 的研究成果。 尽我所知， 除了 又中 特别加以 标注和致谢的 地方外， 论又 中不包合 其 他人已 经发 表和 撰写 过的 研究 成果， 也不 包含为 获得圆防 杆学技术人 学或其 它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研见所做的任 何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意， 学 位 论 文 题 目 主 t a w 1 塞 才直 丛 主处鱼丝 u n ir t t 学位论文作者签名 1 1 -4- 日 期: 2 t - v 年3月 q, 日 学位论文版权使用授权书 本人完 全了 解国防 科学 技术大 学 有关 保留、 使 用学 住论义 的从足、 乙声 、 扮状 国防 科学技术大学可以 保留 并向国家有关 部门 或机构送交论又的复印 价和吸 子 文 档， 允许 论又被查阅 和 借阅， 可以 将 学位论又的 全部或部分内 容编人 商关数据 库进行 检索，可以 采用影印， 缩印 或扫推等复制手段 保存、c -学位沦义 ( 保密学 位论文在解密 后适用本授权书 。 ) 学 位 论文 题目 :买时 数 据 管 理 技 术 在 航天 a j 控中 的 应 用 研究 期期 日日 学 互 论又作者签名 作者指导教师签名 2 v v (- 年 3月7 t ., 少 一 嗬 一 二 月 ) 日 国 防科学技 术大学 研究 生院学 位论 文 图 目 录 11拢1:1玲扮加巧防盯邓四四阳时犯洲肠牡舫拢转能 图2 . 1基地实时任务数据流图. ， 图3 . 1 c a s 软件模式示意图. 、 . . . . . . . 图3 . 2 c i s 多层软件模式示意图. ， ，r . 图33a d o数据存取架构 ， ， . ，. . . 图3 . 4原生a d o对象关系图， ， 图35事务价值图. . . . . . . . . . . . . m l 3 ， 6实时数据库系统体系结构 . . ， 二 图4 . 1中心处理机群中的实时数据库系统 二 图42中心计算机系统硬件结构 . . 图4 . 3基地数据管理软件基本结构图. ， . . g 1 4 . 4 x c = 1 5 4 , y q - 3 1 2 e r d示意图. . m 4 . 5 x c - 1 5 4 , y q - 3 1 2 e r d示意图. . 图4 . 6 x c - 1 5 4 , y q - 3 1 2 表示意图.二，二 图4 . 7任务表、任务描述表示意图. m心 . 8任务表、原码参数表示意图 . . . 图4 . 9任务表、o r b i t _ p a r a m e t e r 示意图 图4 . 1 0实时应用客户端实现流程图 图4 . 1 1数据接收采用的数据结构 . . 图5 . 1实时事务处理模型 . ， 二，. 图52混合实时数据库事务价值示意图. . 图5 . 3 m c f 事务价 值图. . . . . . . 图5 . 4 c d f 事 务价 值图 ， . . . . . . . . 图5 . 5 e c p i 协议示意图 . . . . . . . ， . ， . 国防 科学 技术 大学 研究生院学 位论文 表 目 录 r.益门户 户乙n乙办力 表4 . 1基地采用的h d lc帧格式 卜 表戏2飞 汹雷达设备d a ta字段格式 表4 ， 3 “ 任务描述表”记录示意 . -.，.白.自.白.目磕目.白鬃自.自白.谧自钥.自目靠口自卜.目目 国 防 科 学技 术 人 学研 究 生 院学 位 论 文 第一章 引言 航天测控网就是对航夭器进行跟踪测量，并控制其运动和功能的专用地面系统，由航 天测控中心和若千航天测控站组成航天测控网通过对航天器跟踪恻量,监视、控制和接 收航天器发送来的数据，检测和控制航天器上各种装置和系统的工作，接收来白 航天器的 专用信息，与载人航天的乘员进行通信联络。 航天测控网的组成由航天测控中心和若干配有跟踪测量和数据采集设各的航天测控 站( 包括测量船和测量飞机) 组成。测控站的数量、配备和分布取决于航天器的飞行轨道及 其测控要求。航天测控中心与各测控站通过有线、无线通信与卫星通信构成一个通信和数 据传输系统的综合体 。 基地测控系统是我国航天铡控网的重要组成部分，担负卫星发射试验任务中运载火箭 起飞前 1 2 0 秒至一、二级飞行段及部分三级一次工作段的光学和无线电外弹道跟踪测量及 无绷电 遥 测参数 接收 处理任务; 完 成测 量信息 的 实时处 理并 与上级 指 挥所、 西安卫 星 测控 中心进行信息交换，为飞行试验的各级指挥机构和首区指控中心提供火箭的实时弹道数 据、监控和安全判决信息;在运载火箭一、二级飞行段.依据安全准则，当飞 行出现故障 时，完成落点选择并实施安全控制;事后提供目 标相关飞行段中的全部实时记录数据.为 飞行器型号改进和事后故障分析提供依据。 作为整个测控系统信息交换、 处理、显示、存储的中心之一，基地中心处理机系统面 临着进一步的改造以 适应后续任务的需要根据x x x 工程中的中心机改造项目 要求，系统 将由单机工作模式，即所有的任务 ( 或进程)均在一台小型机上完成，转变为功能分布式 机群协作模式，即按照功能分为外测处理机、遥测处理机、安全判决处理机等几部分，各 部分既相互独立又要在局域网上进行实时的数据交换，并将收到的各测量设备的原始数 据、数据处理过程中产生的中间结果、最终结果、引导测量设备的引导数据和供各级指挥 人员监视、指挥的显示数据等实时记录 0 航天测控系统是典型的强实时应用系统， 有其特殊的应用需求。基于文件的实时数据 管理技术在面向航天测控实时应用中得到广泛应用。基地现行的中心处理机实时数据管理 就是采用典型的文件存储方式，以二进制顺序文件为基础的，正在执行的任务在内存 ( 全 局段) 中只保留最新的数据 ( 比如最近两秒的) ，而将其他数据顺序记录在二进制文件中 实时应用程序启动后，通过创建十个全局段作为进程间通信的手段，同时创建两个记 录全局段作为记录数据的双缓冲区 ( 记录全局段可缓冲 1秒的 1 0个进程通信全局段的内 容)实时数据记录进程创建了磁盘文件中间结果记录文件 1 ，中间结果记录文件 2 、原 始信息文件、中断信息文件，以较低优先级按每秒一次的周期，以顺序文件结构记录这些 信 息 2 1 实时数据的读取是通过创建事后打印进程来实现的。通过读取记录的数据文件，按照 约定格式将顺序记录的各种文件加工成正文格式， 可单独也可用命令过程打印出事后所需 的各种数据资料。因此， 一 旦要读取历史数据 ( 比如 拍 秒前的)就只有等试验结束后通 第 1页 国pi ll科学技术大学研究生院学位沦文 过事后打印进程读取数据文件打印来得到，由此带来了很大的局限性。 词时山于采用顺序文件记录方式，事后访问查询数据不便、效率低。 文件管理数据的方式虽然简单方便， 但缺点也是明显的，不能很好地满足基地测控任 务需求，需要我们探索新的实时数据管理方法。如何高效可靠地管理任务实时数据，满足 基地实时数据处理需求以及事后数据分析、 利用， 是基地中心机换代项目成功的关键之一 基于土述原因，结合x x x 工程中的中心机改造项目，提出了本课题:研究面向 航犬测 控实时应用的实时数据管理技术。本文主要做了以下工作:第一，结合基地实时任务测控 需求，总结了面向航天测控领域的应用特点;第二，总结了数据管理技术发展，探讨了三 种不同的数据管理技术在航天测控实时系统中的应用前景;第三，在此基础上，利用关系 数据库， 采用c / s ( c l i e n t / s e r v e r )软件模式， 给出了一种实时数据管理的实现， 并在基 地中心机换代项目中获得实际应用;最后，本文参照实时数据库系统 ( r t d b s )实时事务 处理的一般模型，对事务处理涉及的优先级分派策略、调度方法、并发控制、死锁解决、 过载管理等技术作了探讨，这些工作离实用还存在 一 定距离，但对面向航天测控实时应用 的r t d b s 的设计有借鉴意义。 第 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章 航天测控应用需求 2 . 1 基地测控系统的特点 基地测控系统由测量 数据采集)、网络 ( 传输)、数据处理机群 ( 数据处理)、安 全控制 ( 根据结果做出反馈)等部分组成。该系统具有显著的实时特性:雷达、光学测量 设备和遥测设备按固定的周期采集数据， 如火箭的位置分量和速度分量、 火箭的姿态参数、 压力参数、时间串等， 再将这些数据通过测控网按照外测5 0 m s , 遥测l o o m s 的时间间隔送 到中心处理机，中心处理机也要在一个固定的周期里处理各类数据 ( 外5 0 m s 、遥 l o o m s , 安控2 0 0 m s等)， 得到目 标的轨道参数、 姿态参数、 落点计算参数， 形成各类指挥显示数 据供各级进行指挥决策， 根据目 标的轨道、姿态等完成安全判决并实施，根据测控设备的 要求还要将数据送到雷达、遥测等设备进行引导。 整个处理过程中，要求很高的实时性， 要求从数据采集、 传输、 处理、 反馈等都要遵从严格的周期限制，是一个典型的周期驱动 的实时系统。 互 2 .2 基地中心机换代任务需求 在卫星发射任务中，基地测控系统负责火箭 i 、1 1 级飞行段的测量与安全控制任务及 三级一次工作段的前一部分测量任务， 并将实时处理结果发往北京指挥所和西安卫星测控 中 心及发射阵地前沿指挥所;接收西安计算机发送的三级飞行段、 滑行段、入轨段的测量 数据并进行监视、显示。根据任务分工，基地中心计算机负责首区火箭工 、n 级飞行段的 运载火箭测量数据的汇集、处理、弹道计算、弹道综合参数计算、落点参数计算、安全判 决、 落点 选择和测量设备实时数据引导、 指显信息的 集成等:三级一次工作段的前一 部分 的运载火箭测量数据的汇集、处理、弹道计算、 弹道综合参数计算、实时数据引导;参加 三级一次工作段、滑行段、 三级二次工作段至入轨段的测量数据交换和监视并转发至基地 指显网;同 时 完成各类信息的记录、 显示、 打印 1 1 从实时性要求上基本可分为两大类任务: 安全控制、弹道计算、数据接收等任务， 时间限制极为严格， 必须在实时周期中 完成， 超出 截止时间可能导致恶果。比 如安全控制不能按时 完成的话， 就可能错过安控时 机， 给地面带来灾难性的后果;弹道计算超出 截止期可能产生火箭飞行轨道的 错误信息， 造成指挥和安全判决错误判断，下航区雷达捕捉目 标困难。这一类称为硬实时任务。 信息显示、数据打印、数据记盘等任务，对时间限制不是非常严格。 这一类称为 准实时任务。 基地测控 任务实时 数据管 理要 求满 足实时 性、 高 可 靠性 和其他准实时 应 用需求: ( 玲 实时性要求: 记录所有接收数据、中间处理结果、结果数据、发送数据，并且 满足硬实时任务的周期要求。 基地实时任务数据流如图2 . 1 所示。 第 3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 . 1基地实时任务数据流图 输入信息有:外测信息 1 0 路、遥测信息6 路、中控台信息2 路、计算机信息3 路。 输出信息有:设备引导信息 1 3 路，站计算机信息2 路基地间综合信息2 路。 基地中心机换代采用功能分布式机群协作模式，即按照功能分为外测处理机、遥测处 理机、 安全判决处理机等几部分， 各部分既相互独立又要在局域网上进行实时的数据交换。 下面分析在中心处理机群局域网 ( 假设为千兆网)上的信息流量: ( 按未来的发展和最大 信息量计算) 由 各个测量设备输入的数据，约4 5 1 . 8 k b / s 三路遥测 :3*6 4 k b / s ; 三路g p s:3*2 k b / s ; 外测 :9*9 . . 6 k b / s ; 站计算机 :4*9 . 6 k b / s ; 基地间 ( 北京、西安) :2*6 4 k b / s o 中心机送各站计算机信息及引导信息，约2 4 3 . 8 k b / s 引导设备 : 8*9 . 6 k b / s ; 站计算机 : 4*9 . 6 k b / s ; 基地间 :2*6 4 k b / s o 各任务 ( 进程)间需传递的信息量，约4 2 6 . 8 k b / s 遥测处理 - 一1 9 2 k b / s+2 . 4 k b / s( 弹道)二1 9 4 . 4 k b / s ; 外测处理 - - 一 8 6 . 4 k b / s+9 . 6 k b / s( 弹道)二9 6 k b / s ; g p s 处理 - - 一 6 k b / s+2 . 4 k b / s( 弹道)= 8 . 4 k b / s ; 安全判决和落点计算 - 一 8 k b / s ; 显示信息 - 一1 2 0 k b / s . 一 一一一一一一一一一一一一一一-一 一 第 4页 国防科学技术大学研究生院学位论文 信息总流量为:4 5 1 . 8 b / s+2 4 3 . 8 k b / s+4 2 6 . 8 k b / s二1 1 2 2 . 4 k b / s 在航天测控系统中，实时数据都是周期性采集的，无论是测量设备采集的数据，还是 中心处理机计算出的中间结果和最终结果都是如此。在这一数据流动中，对其实时性的要 求是通过各自周期表现出来的: 对于实时处理，从信息处理系统接口 接收到数据，经处理后在指挥大厅显示出最 终结果全过程的时延控制在 2 秒以内; 外测信息的接收与处理周期为5 0 m s ; 遥测信息的接收与处理周期为l o o m s ; 团站计算机输入/ 输出信息的接收/ 发送与处理周期为 l o o m s ; 各引导信息的处理与发送周期为5 0 m s ; 接收西安的各类输入信息，向 西安、北京发送各类信息周期均为l o o m s ; 向显示网输出信息的处理与发送周期为l o o m s ; 安控周期为l o o m s ; 智能终端信息显示周期为2 s ; ( 2 ) 高可靠性: 若没有完整记录下可供事后分析的实时数据， 则意味基地测控系统没 有完成实时测控任务。因此，要求数据记录高可靠性。 ( 3 ) 其他准实时应用要求: 如任务过程中查询数据原码; 统计雷达跟踪的误差、 性能 等。 ( 4 ) 适应不同 任务的变化需求: 基地执行任务的火箭型号多， 每种型号基地内、 基地 间信息交换格式有变化，处理的参数、参数处理方法、记录结果也会发生变化。 2 . 3 面向航夭测控领域应用的特点 基地测控系统是我国航天测控网的重要组成部分， 基地中心处理机系统是基地测控系 统信息交换、处理、显示、存储的中心，从其换代任务需求可以看出面向 航天测控领域应 用的特点: 1 、强实时性。 航天测控系统的测控对象是飞 行速 度极高的 航天飞行器. 为了 及时响 应与处理外部事 件， 就要求系统具有很强的实时性，要求在规定的时间周期内完成处理任务。例如: 在向 飞行器发遥控指令时，如果指令不能实时地发出，就不能保证飞行器按预先规定的轨道、 速度及姿态飞行，飞行器就可能失去控制. 造成不可想象的后果。由 此可见，强实时性是 航天测控系统最根本的特性。 面向航天测控领域的数据管理必须满足实时性要求: 数据的采集、 处理必须在规定时 间周期完成:数据的存储必须保证任务的实时性。 强实时性需要实时操作系统的支持。 对于实时操作系统， 它除了 要满足应用的功能需 求以 外，更重要的是还要满足应用提出的实时性要求， 而组成一个应用的众多实时任务对 于实时性的要求是各不相同的，此外实时任务之间可能还会有一些复杂的关联和同步关 系， 如执行顺序限制、共享资源的互斥访问要求等，这就为系统实时性的保证带来了很大 第 5页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的困难。因此，实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是:采用各种算法和策略，始终 保证系统行为的可预测性。可预测性是指在系统运行的任何时刻，在任何情况下，实时操 作系统的资源调配策略都能为争夺资源( 包括 c p u 、内存、网络带宽等) 的多个实时任务合 理地分配资源， 使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。与通用操作系统不同，实时 操作系统注重的不是系统的平均表现，而是要求每个实时任务在最坏情况下都要满足其实 时性要求，也 就是说， 实时操作系统注重的是个体表现， 更准确地讲是个体最坏情况表现。 一般而言，支持面向航天测控领域强实时性应用的实时操作系统有以下特性: ( 1 )任务调度策略一般采用基于优先级的抢先式调度策略。 ( 2 )内存管理:实时操作系统需要提供解决虚存给系统带来的不可预测性问题的方 式，如在原有虚存管理机制的基础上增加页面锁功能，用户可将关键页面锁定在内存中， 从而不会被 s w a p程序将该页面交换出内 存; 采用静态内存划分的方式，为每个实时任务 划分固定的内存区域。 ( 3 )中断处理:在通用操作系统中，大部分外部中断都是开启的，中断处理一般由 设备驱动程序来完成，因此中断处理程序的优先级被设定为高于任何用户进程。 但对于 实时操作系统采用上述的中断处理机制是不合适的。首先，外部中断是环境向实时操作系 统进行的输入，它的频度是与环境变化的 速率相关的，而与实时操作系统无关。如果外部 中断产生的频度不可预测，则一个实时任务在运行时被中断处理程序阻塞的时间开销也是 不可预测的，从而使任务的实时性得不到保证;如果外部中断产生的频度是可预测的，一 旦某外部中断产生的频度超出其预测值 ( 如硬件故障产生的虚假中断信号或预测值本身有 误) 就可能 会破坏整个系统的可预测性。 其次， 实时 操作系统中的 各用户进程一般都有实 时性要求， 因此中断处理程序优先级高于所有用户进程的优先级分配方式是不合适的。一 种较适合的中断处理方式为:除时钟中断外， 屏蔽所有其它中断，中断处理程序变为周期 性的轮询操作，这些操作由核心态的设备驱动程序或由用户态的设备支持库来完成。 ( 4 )共享资源的互斥访问:通用操作系统一般采用信号量机制来解决共享资源的互 斥访问问 题，如果任务调度采用基于优先级的方式，则传统的信号量机制在系统运行时很 容易造成优先级倒置问 题，因此在实时操作系统中。需要对传统的信号量机制进行扩展。 ( 5 ) 应用外时统: 航天测控应用时间精度要求高， 通常要求精确到0 . 0 1 毫秒， 并且 全航区要求统一时间，因此航天测控应用都有外时统定时支持。 ( 6 )周期性:从基地实时任务数据流可以看出，对航天器测控一般分测量 数据采 集)、数据传输、数据处理 ( 控制)、记录、显示等周期性过程。这通常需要时间定时中 断支持。 2 .高可靠性。 航天发射任务是国家重大试验，费用高， 耗费大，组织复杂。 每次发射试验任务都要 求必须取得相关试验数据，供事后分析。 这就要求实时 数据管理系统具有高可靠性。 通常 采用系统冗余手段保证可靠性。 3 、大数据量。 基地测控系统信息总流量1 1 2 2 . 4 k b / s ， 任务需要保存近4 0 分钟数据， 数据量以 兆计 每次实时任务需要通过多次联试、合联;对卫星测控而言，任务时间通常以天计算。可见 第 6页 国防科学技术大学研究生院学位论文 数据量极大。 2 .4 本章小结 本章概要介绍了基地测控系统的任务要求， 重点分析了实时数据管理需求， 总结了面 向航天测控领域应用的特点。 第 7页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章 实时数据管理技术 数据管理是现代计算机应用中的一个重要组成部分。 数据管理是指对各种形式的数据 进行分类、组织、编码、存储、检索和维护的一系列活动的总和。其目的是从大量的、原 始的数据中抽取、推导出对人们有价值的信息以作为行动和决策的依据:也是为了借助计 算机科学地保存和管理复杂的大量的数据，以便人们能方便而充分地利用这些宝贵的信息 资源。 数据处理技术随着计算机硬件和软件的发展而不断发展， 多年来经历了 三个阶段: 人 工管理阶段、 文件系统阶段、数据库系统阶段。在实时系统中可以采用文件方式、 关系数 据库方式、实时数据库系统等多种技术进行数据管理。 3 . 1 数据文件管理方式 利用操作系统的专门数据管理软件 ( 通常称文件系统)， 将数据按一定格式组织成文 件是最基本的数据管理方式，不仅可以批处理，同时支持联机实时处理。 用文件系统管理数据具有如下特点: 一是数据可以 长期保存在外存中反复进行处理利 用; 二是文件系统把数据组织成相互独立的数据文件， 利用“ 按文件名访问、 按纪录存取” 的技术对文件操作，实现了记录内的结构性，使应用程序和数据间具有了相对独立性。 但文件系统仍存在缺点: 一是数据共享性差、 冗余度大， 文件仍然是面向应用的: 二 是数据独立性差。文件系统仍然是一种不具弹性的无结构数据集合，即文件之间是孤立的 不能反映现实事物的内在联系。 采用文件方式保存实时数据在实时系统中得到广泛应用。 在强实时系统中， 为保证实 时任务完成，都要尽量减少文件的读写操作，通常采用的方法有: ( 1 )当前使用数据保持在内存中 ( 锁页面技术)，实时任务避免从文件中读取 数据，同时避免所需页面被系统虚存管理交换出内存。 2 )文件独占使用:在多用户操作系统环境下，实时进程多为周期驱动任务; 在实时进程初始化时即将文件以独占的方式创建或打开，实时进程退出才释放。 独占 方式 可避免访问冲突，保证数据一致性。 ( 3 )批量写入: 为减少读写次数， 通常都在内 存中缓存大量数据， 再批量写入。 存储数据为顺序写入， 通常使用顺序文件。 目 前基地中心机系统就是采用文件管理实时数据。 在实际 应用中， 文件管理数据的方 式虽 然简单方便， 但缺点也是明显的， 一是由于采用顺序文件记录方式， 事后访问 查询数 据不便、效率低， 二是由于独占 使用文件， 任务过程中不能访问历史数据， 因此不能 很好 地满足基地测控任务需求，需要我们探索新的实时数据管理方法。 第 8页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 . 2关系数据库 数据库技术产生于 2 0世纪 6 0年代末，是计算机软件领域的重要分支。1 9 6 8年 工 b m 公司推出层次模型的工 毗数据库管理系统、 1 9 6 9 年美国数据系统语言协会的数据库任务组 发表关于网状模型的d b t g 报告、1 9 7 0 年e . f . c o d d 提出关系模型， 这三件事情奠定了数据 库技术的基础。 一般而言，将数据库发展划分为三个阶段: 第一代为网状数据库、层次数据库， 层次 数据库是数据库技术的先驱，网状数据库是数据库概念、方法、技术的奠基，2 0世纪 7 0 年代，网状、层次模型系统得到广泛应用;第二代为关系数据库，2 0 世纪7 0 年代关系系 统处于试验研究阶段，从2 0 世纪8 0 年代逐步推出若干产品，由于关系模型理论性强、语 言 使用方便，从 8 0年代末逐步取代网状、层次系统，成为数据库应用主流产品，出现了 众多的关系型数据库系统产品，从8 0 年代中期的x b a s e系列的单机数据库系统到支持网 络应用的大型关系数据库系统如微软的 s q l s e r v e r、i b m的 d b 2 , o r a c l e、s y b a s e、 工 。 和r m i x等。 2 0 世纪9 0 年代， 随着计算机网 络的 发展和个人微机的 普及应用， 关系型数 据库管理系统在需求牵引下，同相关应用领域技术结合，经历了从集中到分布、从单机到 网络的变化，基于网络的关系数据库应用已 成为主流。从2 0 世纪8 0 年代末开始，随着数 据库技术的成功应用，结合新应用领域的需求刺激和新技术发展，出现了第三代数据库技 术，如同应用领域结合产生的数据仓库、工程数据库、空间数据库、实时数据库、地理数 据库等，同计算机新技术结合产生的分布式数据库、知识库等， 采用对象模型的面向 对象 数据库 ( 0 0 数据库)等。 目 前， 关系数据库以其理论的成熟性、 应用的方便性、 使用的广泛性仍然占 据主导地 位。 3 . 2 . 1 关系数据库概述 3 . 2 . 1 . 1关系数据库的定义 e . f . c o d d在1 9 7 6 年6 月发表了“ 关于大型共享数据库数据的关系模型” 论文， 首先概 述了 关系数据 模型 及 其原 理， 并 把它用 于数 据库系 统中。 他 指出， 关系型 数据库是 指一 些 相关的表和其他数据库对象的集合。这个定义表达了 三部分含义: 在关系数据库中， 信息被存放在二维表格结构的表 ( t a b l e ) 中， 一个关系数据库 包含多个数据表，每一个表又包含行 ( 记录) 和列 ( 字段)。可以将表想象为一个电子表 格， 其中和行对应的是记录，和列对应的是字段。大多数数据库都有多个表。 这些表之间是相互关联的。 表之间的 这种关联性是由 主键和外键所体现的参照关 系实现的。 数据库不仅仅包含表， 而且包含了 其他数据库对象， 如: 视图、 存储过程、 索引 等等。 e . f . c o d d 把数学法则用于数据库领域， 使关系模型成为 数学化模型。 关系是表的数学 术语， 表是一个集合， 因此， 集合论、 数理逻辑等知识可以引入到关系模型中来。 e . f . c o d d 第9页 国防科学技术大学研究生院学位论文 指出，关系模型与当时流行的网状模型和层次模型的最大差别是:关系模型用表格而不是 通过指针链来表示和实现实体间的联系。 关系模型由数据结构、数据操作和完整性约束组成。 3 . 2 . 1 . 2关系模型的数据操作 关系模型数据库使用高度非结构化的关系语言 ， 关系操作可用关系代数表示。关系代 数通过对关系的 运算表达查询， 其操作对象是关系， 操作结果亦为关系; 其操作包括交、 并、差、笛卡尔积等传统集合运算和选择、投影、连接等专门操作。 3 . 2 . 1 . 3 关系模型的完整性约束 关系模型的完整性指数据库中数据的正确性和一致性， 包括实体完整性、 参照完整性 和用户定义的完整性规则。 实体完整性: 关系的主属性不能为空。 关系数据库由主键 ( p r i m a r y k e y ， 简称p k ) 实施实体完整性，即每个表必有且仅有一个主键，每一个主键值必须唯一，而且不允许为 n u l l 或重复。 参照完整性:在关系数据库中，通过外键实施参照完整性。表之间的联系是通过相容 ( 或相同)的列或列组来表示的，如果两个表中具有相容 ( 或相同)的列或列组，这个列 或列组就被称为这两个表的公共键 ( c o m m o n k e y)。如果公共键是其中一个表s 的主键， 那么这个公共键在另一个表中p 称为外键 ( f o r e i g n k e y，简写为f k)。我们一般把表s 称为父表 ( p a r e n t t a b l e)， 把p表称为子表 ( c h i l d t a b l e)。在关系数据库中，根 据主键列的值来检查、参照该主键的列的值以确定其合法性，保证了f k 列的每个值都是一 个有效的p k 值而实施参照完整性。 用户定义的完整性规则是针对某一应用环境的约束条件，反映了某一具体应用数据应 满足的要求。 3 . 2 . 1 . 4 关系 模型的 规范 化 关系数据库中的关系要满足一定的要求， 满足不同程度要求的为不同范式。关系模式 的规范化过程是通过对关系模式的分解，把低一级的关系模式分解为高一级的关系模式， 其基本思想是逐步消除关系模式中不合适的数据依赖， 使模式达到某种程度的分离， 即“ 一 个关系表示一事或一物”。 规范化的目的是消除数据冗余， 保证数据的完整性。 关系模式的规范化应根据需要决 定，并不是越深越好， 规范化程度越高，产生的关系越多，导致连接操作越频繁，影响系 统性能。1 n f 范式是关系数据库模式满足的最低条件。 第一范式:消除重复的组。 第二范式:消除冗余数据。 第三范式:消除与主键无关的字段。 一. -一、 - 一- 一一 一一一-一一一一 一 -_ 第 1 0百 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 . 2 . 2 关系数据库应用软件技术 一个数据库应用程序一般由四个基本层组成: 数据 层: 负 责 存 储数 据。 通常， 它 可以 是 一 个 r d b m s， 例如 m i c r o s o f t s q l s e r v e r o r a c l e或i n t e r b a s e。 业务层:负责从数据层获取适当格式的数据并执行最后的合法性检查( 也叫做执行 业务规则) 。 表示层:负责在客户应用程序中以 适当的格式显示数据。表示层总是与业务层打 交道，它从不直接与数据层打交道。 用户界面 ( g u i ):负责同用户交互。 从8 0 年代开始关系数据库占据主导地位， 其应用软件结构也不断发展， 按上述四个组 成层次的不同分布，经历了如下几个阶段: 单机应用系统 统中 序。 单机数据库是最简单的一种数据库形式。 一个单机数据库的数据存储在本地的文件系 访问它的数据库引擎也驻留在同一个机器上，其应用系统可也称为一个单层应用程 以微软的x b a s e 系列关系数据库为代表，以微机为应用平台， 用户程序包含了数据层、 业务层、表示层、用户界面等所有代码。 文件共享数据库应用 文件共享数据库类似于单机数据库， 只是数据库可以被多个客户通过网络共享。 文件 共享数据库的数据可以被不同机器的用户访问或存储，访问 该数据库的机器运行的是本地 数据库引擎。文件共享数据库的另一个优点是不需要知道网络的细节，即数据库引擎不需 要当前网络是n o v e l , b a n y a n , m i c r o s o f t n t 或其它网络，因为数据库引擎只把数据库看 成一个文件。文件共享数据库的 缺点是不适合于计算量很大的应用系统或需要处理并行的 场合。 基于网络的us 模式应用 8 0 年代后期， 随着局域网的发展， 关系数 据库向网 络应用扩展， 出 现基于网 络平台的 c / s ( c l i e n t / s e r v e r ) 模式应用系统， 其特点是数据层从应用程序中分离。 其结构示意如图3 . 1 所示。 数据库网络用户 图3