CC BY
28
УДК 004.65
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АРХИТЕКТУРЫ БОРТОВЫХ
СПУТНИКОВЫХ СУБД
Ю. В. Конкин, А. Н. Колесенков
Рязанский государственный радиотехнический университет Российская Федерация, 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1 E-mail: sk62@mail.ru
Разработана архитектура бортовой системы управления базой данных (СУБД), ориентированная на встраивание в программное обеспечение малых космических аппаратов. Предложенная архитектура имеет низкие требования к мощности вычислительной системы и ресурсам памяти на борту. Рассматриваются особенности работы СУБД с многоуровневой структурой памяти. Выделены компоненты физической структуры базы данных. В целях сокращения объемов используемой памяти предлагается отказаться от индексирования по внешнему ключу и выполнять поиск записи при проверке ссылочной целостности последовательным просмотром таблицы. Эксперименты по реализации разработанной СУБД проводились на языке программирования C++ с возможностью кросс-платформенного переноса исполняемого кода.
Ключевые слова: СУБД, база данных, система управления, малый космический аппарат, формат данных, предобработка, бортовой.
THE FEATURES OF DESIGNING ARCHITECTURE OF ON-BOARD
SATELLITE DBMS
Y. V. Konkin, A. N. Kolesenkov
Ryazan State Radio Engineering University 59/1, Gagarina Str., Ryazan, 390005, Russian Federation E-mail: sk62@mail.ru
The architecture of the on-board database management system (DBMS) was developed, aimed at embedding small spacecraft into the software. The proposed architecture has low requirements for the power of the computing system and memory resources on board. Features of DBMS operation with a multilevel memory structure are considered. The components of the physical structure of the database are identified. In order to reduce the amount of memory used, it is suggested that you do not need to index the foreign key and perform a search for the record when checking the referential integrity by sequentially viewing the table. Experiments on the implementation of the developed DBMS were carried out in the C ++ programming language with the possibility of cross-platform transfer of executable code.
Keywords: DBMS, database, control system, small space vehicle, data format, preprocessing, onboard.
Введение. В последние годы наблюдается тенденция создания роевых группировок малых космических аппаратов (МКА), что приводит к необходимости миниатюризации вычислительной техники и программного обеспечения МКА без ущерба для их функциональных качеств. Группировка МКА позволяет оперативно получать данные для решения широкого круга прикладных задач, в том числе мониторинга, картографии, метеорологии, прогнозированию и др. Преимуществами использования МКА являются малые сроки разработки, быстрое восстановление группировки в случае поломки, увеличение оперативности получения данных, возможность быстрой модификации, низкая стоимость вывода на орбиту и эксплуатации МКА [1].
Секция «Информационно-управляющие системы»
Благодаря введению предварительной обработки данных на ранних стадиях значительно снижаются информационные потоки, поступающие для вторичной обработки и передачи на станцию приема. Актуальной является проблема эффективного и надежного хранения общего информационного потока от бортовых систем сбора данных в специализированной базе данных (БД) для дальнейшей обработки и анализа средствами бортового программного обеспечения [2-3].
Разработка архитектуры бортовой СУБД. Разработка бортовой систему управления базой данных (СУБД) для задач хранения и обработки информации на малых космических аппаратах вызвана следующими причинами: низкая мощность вычислительной системы на борту МКА; ограничение по объему оперативной памяти и постоянных запоминающих устройств; необходимость обеспечения целостности данных; многопользовательский доступ к БД. В существующих бортовых СУБД перечисленные выше возможности для обработки данных представлены не полностью или вообще отсутствуют.
В настоящее время наиболее широко используется реляционная модель данных и соответственно реляционные СУБД. В бортовой СУБД будет использоваться многоуровневая структура памяти: внешняя энергонезависимая память, обеспечивающая сохранение базы данных после выключения питания; оперативная память, в которую загружается база данных для выполнения запросов, добавления, изменения и удаления данных; память служебных данных СУБД, предназначенная для чтения и записи блоков данных, построения индексов, сохранения управляющих признаков.
Анализ методов доступа показывает, что условиям задачи наиболее соответствует метод бинарного выровненного дерева для доступа по первичному, уникальному или внешнему ключу. В целях сокращения объемов используемой памяти можно отказаться от индексирования по внешнему ключу и выполнять поиск записи при проверке ссылочной целостности последовательным просмотром таблицы [4].
С учетом особенностей бортовых вычислительных систем в архитектуре СУБД можно выделить две подсистемы:
- подсистема обработки запросов, установленная непосредственно на борту и реализующая все функции, связанные с обработкой запросов приложений;
- подсистема разработки СУБД, установленная на персональном компьютере и предназначенная для разработки БД, редактирования таблиц, перестройки сбойных индексов, проверки и восстановления физической структуры БД, изменения структуры БД, связанные с добавлением, изменением, удалением полей, индексов и ссылок, если в БД уже есть данные.
Бортовая БД может являться источником информации для нескольких подсистем бортовой вычислительной системы, поэтому возможно одновременное обращение к информации в БД из нескольких приложений. Анализ возможных структур вычислительных систем, а также задач, в которых планируется использовать БД, показывает, что разделение транзакций приложений может быть обеспечено следующими способами [5]:
- каждое приложение работает со своей версией БД;
- каждое приложение видит законченные транзакции других приложений.
В первом случае БД является распределенной, так как каждое устройство системы управляется своим приложением и содержит свою копию БД.
Для хранения БД разработан формат, описывающий физическую структуру БД, который содержит необходимые для загрузки информации параметры, а именно: заголовок базы данных; дескрипторы таблиц; дескрипторы полей; дескрипторы ссылок; список блоков данных для таблиц, указанных в дескрипторах [6].
Запись данных содержит информацию о значениях всех полей записи в двоичном коде, соответствующем типу данных поля. Для получения значений записей в порядке следования по ключу, в структуре записи предусмотрены поля, содержащие информацию о местонахождении записи во всех деревьях индексов, по которым индексировалась запись. Такая структура записи позволяет сократить размер памяти, занимаемый БД, так как не требуется отдельно хранить значения ключей. В данном случае значения информационных полей и ключей объединены в одной области памяти [7-8].
Экспериментальная часть. Некоторые платформы МКА используют различные модификации свободно распространяемой операционной системы Linux для контроля аппаратных средств и для реализации необходимых приложений. Эксперименты по реализации разработанной СУБД проводились на языке С++ в системе программирования Microsoft Visual Studio Community с возможностью кросс-платформенного переноса исполняемого кода. Данные, измененные в процессе работы, сохраняются в оперативной памяти, а при необходимости могут быть скопированы в энергонезависимую FLASH-память.
Заключение. В работе представлена архитектура реляционной СУБД, ориентированная на встраивание в бортовое программное обеспечение МКА. С помощью данной СУБД можно создавать БД для хранения различной информации ее последующей обработки. Предложенная архитектура СУБД имеет низкие требования к мощности вычислительной системы и ресурсам памяти на борту МКА. При вводе и изменении структурированной информации обеспечивается целостность данных, а для одновременного использования СУБД несколькими задачами возможен многопользовательский доступ к БД.
Библиографические ссылки
1. Антамошкин A. H., Колташев А. А. Технологические аспекты создания бортового программного обеспечения спутников связи // Вестник СибГАУ. 2005. № 3. С. 93-95.
2. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных : пер. с англ. М. : Мир, 1985.
287 с.
3. Конкин Ю. В. Система управления базами данных для навигационных комплексов летательных аппаратов // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций. РГРТУ. Рязань, 2005. С. 240-241.
4. Колесенков А. Н., Конкин Ю. В. Моделирование нейронных сетей для прогнозирования временных рядов // Динамика сложных систем - XXI век. 2015. Т. 9. № 3. С. 10-13.
5. Колесенков А. Н. Технология поддержки принятия управленческих решений на основе оперативного мониторинга пожарной обстановки // Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. № 9. С. 157-163.
6. Конкин Ю. В., Колесенков А. Н. Распознавание изображений на основе текстурных признаков Харалика и искусственных нейронных сетей // Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. № 2. С. 117-123.
7. Колесенков А. Н., Цегельник Д. В. Система каталогизации географических данных и спутниковых снимков // Новые информационные технологии в научных исследованиях. Рязанский государственный радиотехнический университет. 2016. С. 289.
8. Костров Б. В., Конкин Ю. В. Технология совмещения радиолокационных изображений местности // Проектирование и технология электронных средств. 2007. Вып. № 1. С. 29-32.
© Конкин Ю. В., Колесенков А. Н., 2017
