第3章空间数据系统的通信协议









随着航天科学技术的不断进步，航天器平台和有效载荷的复杂度都在不断提高。从对地观测卫星到数据中继卫星，从近地轨道卫星到空间站，还有火星探测等深空飞行器，航天任务的物理环境更复杂、功能要求更高、数据速率范围更宽。早期传统的遥测、遥控、跟踪系统和脉冲编码调制(PCM)测控管理系统已经不能适应航天任务的数据业务发展需求。为此，人们提出了一个全新的系统概念——空间数据系统，它不是传统的遥测系统、遥控系统和跟踪测定轨系统的简单相加，也不同于目前的数据管理系统。从功能上，它不仅是航天器上统一的信息系统，而且是能够与地面网络互连的天基信息网； 从体制上，它符合多信源、多用户的开放系统互联参考模型，完全不同于传统PCM体制的点对点封闭系统，是针对空间任务特殊要求开发的一整套崭新的体制标准； 在技术上，它既是现代计算机技术、网络技术、通信技术和电子技术发展的综合产物，又是航天技术发展进一步需求的结果。
3.1概述
3.1.1空间数据系统的构成

3.1概述|
空间数据系统由空间和地面两部分组成，包括空间链路、空间互联网络、航天器及其相互间的信息接口、空间任务管理和空间信息管理等。
(1) 空间链路实现空间数据系统中两个通信实体的互联，提供航天器之间、航天器与地面系统之间的通信线路。它完成物理层和数据链路层的功能。空间链路目前由无线电通信信道实现，未来还可以通过激光通信建立空间链路。
(2) 空间数据系统中的航天器可以是独立的，也可以是编队飞行的一组航天器组成的星群，共同完成特定的任务。航天器中的数据系统为航天器平台和有效载荷的应用过程提供各种数据服务，如数据的获取、处理、存储、转发和传送。只要采用同样的通信协议，航天器就可以得到其他空间组织的空间段和地面设施的交互支持。
(3) 空间数据系统中的航天器无论是否属于同一星座、同一国家或集团，在共同的协议下，可以组成空间互联网络，并与地面的互联网连接和兼容，形成天地一体的互联网络。
(4) 空间任务的管理主要以空间任务控制中心为核心来完成。空间任务控制中心对空间任务进行规划，形成任务列表，通过地面站对航天器实施测量、控制和通信。空间任务控制中心还通过地面网络连接用户信源或信宿，与应用过程交换信息。
(5) 在地面系统中，还需要进行空间任务的信息管理。信息管理的内容主要包括信息的获取、处理、存档、访问和交换。有效的信息管理可以提高空间数据系统的效能。例如，在适当的信息管理策略之下，一个空间应用过程的用户可以在其实验室中通过通信网络连接到任务控制中心，继而接入由航天器组成的空间网络，并路由到它的有效载荷所在的航天器，与其应用过程保持不间断的实时通信和操作，完成其既定任务。
3.1.2空间数据系统咨询委员会
随着空间技术的发展，不同空间组织的数据通信系统之间的交互支持随之逐渐增多。由于没有国际公认的空间数据系统标准，早期的交互支持不得不为各种系统的兼容建立特殊的接口。1982年1月，由美国NASA和欧洲ESA倡导成立的空间数据系统咨询委员会(CCSDS)正式成立。这个国际组织为研究标准化数据处理和传输技术的空间组织提供了一个论坛，并以标准建议的形式构建空间数据系统的框架和体制。
CCSDS的正式成员有美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、英国国家航天中心(BNSC)、俄罗斯联邦航天局(RSA)、巴西国家太空研究院(INPE)、日本宇宙开发事业团(NASDA)、加拿大国家航天局(CSA)、法国国家空间研究中心(CNES)、德国航空航天中心(DLR)和意大利航天局(ASI)等10个著名的空间机构。我国目前是CCSDS的观察员国。
CCSDS的宗旨是建立一个世界范围的、开放的、与CCSDS兼容的虚拟空间数据系统，用于国际交互支持、合作和空间信息交换服务。它的具体目标是： ①主持制定和推广应用与空间信息有关的国际标准； ②指导各空间组织的基础设施建设，以获得最大的交互操作性； ③指导开发可扩展、集成快、成本低和满足不同用户交互操作的通用硬件和软件； ④通过标准化的途径实现空间飞行任务的合作和成果共享； ⑤将空间飞行任务的信息系统与全球信息基础设施相结合。
CCSDS由一个管理委员会负责，下设秘书处管理日常工作，有一个技术委员会负责各类技术问题和协调。技术委员会目前有四个大组，每个大组下设若干小组，分别针对不同的方向。第一大组有8个小组，研究方向分别是分包遥测、遥测信道编码、分包遥控、时间码格式、射频与调制、高级网络、数据链路、轨道间数据中继； 第二大组有3个小组，研究方向分别是数据定义语言、数据单元逻辑与物理概念及数据结构； 第三大组有3个小组，研究方向是交互支持的定义、交互支持的需求、交互支持的地面通信； 第四大组只有一个小组，研究方向是无线电测量和轨道数据。随着开发任务的拓展，其组织结构也会不断地变化。
30多年来，CCSDS制定了一整套的空间数据系统的标准建议书，是ISO认可的空间信息技术标准。由此建立的新的空间数据系统体制得到了各主要空间国家和组织的广泛认同。迄今为止，采用CCSDS标准的空间任务已超过了300个，包括各种不同类型的航天器，如著名的国际空间站、深空探测器和各种近地轨道卫星。
CCSDS建立的空间数据系统新体制体现了空间数据系统的发展方向，其突出特点是： 
(1) 灵活方便。采用分层的结构形式将数据的采集和传输过程分离，而不是像传统方法那样将数据采集和传输以固定的方式联系在一起，因而新体制能够方便地将不同类型、不同速率、不同用户的异步数据动态地组织到一起，而用户则可以通过一种称为“虚信道”的机制透明地分享同一物理信道。
(2) 高效率。通过采用对虚信道的动态调度，使信道利用率显著提高，即在信道速率不变的情况下可以传送更多的有用信息，或者对于相同的传送数据量，可以使用较低的信道速率或较小的发射功率。
(3) 网络化。从传统的点对点的通信方式转变为网络化的通信。位于空间、地面，甚至其他天体的通信实体构成了空间数据系统网，因而特别适用于卫星星座、空间站、深空探测等多目标间互相通信和统一管理的需要。
(4) 有效利用资源。分层协议和系统结构有利于实现空间数据系统及其部件的通用化、系列化和组合化，达到硬件、软件资源的有效利用，从而缩短空间数据系统开发的研制周期，降低空间任务的开发和运行成本。
(5) 交互支持和国际合作。各国和各空间组织采用了统一的标准，因而可以互相提供交互支持，以互惠互利的方式取得显著的经济效益。
3.1.3CCSDS建议书
CCSDS对每一个技术问题的讨论结果以建议书的形式给出。建议书主要覆盖三方面内容，即空间数据通信业务、空间关口业务和空间信息交换业务，并通过两个途径转化为标准： ①被国际标准化组织批准转化为ISO标准。ISO承认CCSDS是领导有关空间信息技术标准的国际权威部门，同意CCSDS对ISO第20技术委员会第13分委会(TC20/SC13)制定的技术标准负主要责任。②被各空间组织采纳为其内部标准或与其兼容。
CCSDS建议书根据得到认可的程度区分类型，并使用不同颜色的封面： 白皮书(WB)为原始草稿，红皮书(RB)为评审稿，蓝皮书(BB)为批准稿。另外，绿皮书(GB)为技术报告，黄皮书(YB)为管理文件，粉皮书(PB)为修改建议。蓝皮书中的大部分已经转为ISO国际标准。
CCSDS空间数据系统采用了ISO互连参考模型的分层概念，并针对空间通信环境和特点进行了简化、重构和扩充。图3.11列出了不同层次的主要建议书，下面分别作简要介绍。


图3.11CCSDS建议书分层结构


在物理层，CCSDS制定了《射频和调制体制》建议书。它的第一部分规定了用于具有中等通信需求的近地和深空任务的射频和调制体制； 它的第二部分是关于数据中继卫星系统的内容。
数据链路层是空间数据系统的核心层，它包括了数据链路层协议和信道编码两方面的建议书。在协议方面开发了3个数据链路层协议： ①分包遥测和分包遥控，适用于数据速率中等、业务相对简单的常规在轨数据系统(COS)； ②高级在轨数据系统(AOS)，适用于数据速率范围宽、业务种类多，可与地面网互联的大型航天器和载人航天器； ③近距空间通信协议，适用于互相接近的航天器之间附加的空间链路。在信道编码方面开发了BCH码、卷积码，RS码、Turbo码、LDPC码以及数据链路的各种数据结构，例如，分包遥控的通信链路传输单元CLTU、分包遥测的传送帧等。
在网络层、传送层和应用层，CCSDS为空间网络的应用开发了一套与地面网络协议FTP和TCP/IP在功能上平行的建议书，即空间通信协议规范(SCPS)。这套协议包括文件协议(SCPSFP)、传送协议(SCPSTP)、安全协议(SCPSSP)和网络协议(SCPSNP)。
在传送层和应用层，CCSDS开发了一个功能强大的文件传递协议(CFDP)。该协议可以广泛用于各种航天任务，包括从相对简单的近地轨道航天器到需要多种地面设施和通信链路支持的轨道器、着陆器等任务。该协议不仅包括文件传递所需的各种功能，而且还具有文件管理的业务，以控制管理文件存储介质。在应用层，CCSDS还制定了一些面向应用的建议书，如数据压缩、时间码、空间源包协议等。
本章重点介绍数据链路层常规在轨数据系统(COS)和高级在轨数据系统(AOS)的主要内容。近距空间通信协议、行星际互联网、文件传递协议及应用层协议等可见有关建议书，本章不再赘述。
3.1.4多路复用和虚信道的基本概念
3.1.4.1多路复用

用同一信道传输多路消息信号，称为信道的“多路复用”。实现信道多路复用的基本方法是将一个信道划分为多个子信道。根据划分的具体方法，信道多路复用技术主要有以下3类。①频分复用(FDM)： 各消息信号占用互不重叠的频带，在接收端利用带通滤波器进行分路； ②时分复用(TDM)： 各消息信号在时域上占用不同的时隙，在接收端利用开关电路进行分路； ③码分复用(CDM)： 各消息信号在频域和时域上重合，但利用编码的正交特性加以区分，在接收端依靠相关器进行分路。
CCSDS空间数据系统的多路复用体制是建立在时分复用技术基础上的。时分复用分为同步时分复用和异步时分复用。时分复用的基本原理是将时间轴分成周期性出现的TDM帧。除了帧的起始标志外，每帧分成N个等长的时隙。每路消息占用一个时隙，原则上时隙长度可以是1b，8b或一个分组(包)。
1. 同步TDM
在同步TDM系统中，每一路信号占用的时隙位置是固定的。在数据传送过程中，帧按照一定的速率重复传送，一般称为“帧速率”(或“主帧速率”)信号。对于低速率的信号，采用隔若干主帧传送一次的办法处理，也可以将N个低速率信号先按照一定结构复用在一起，占用主帧中的一路的位置，这个附加的结构称为“副帧”，信号称为“副帧速率信号”，其传送的速率是主帧速率的1/N； 对于较高速率的信号，则可以在每个主帧中为其均匀地安排M个位置，每帧传送M次，使其传送速率达到帧速率的M倍。由此可见，同步时分多路复用的方法对于传送不同速率的信号，尤其是速率相差较大的信号将更加困难。
2. 异步TDM
随着航天任务复杂程度的不断提高，对数据传送的要求已经超出传统遥测遥控的范围，需要将不同业务类型、不同速率、不同用户的非同步数据组合起来，在航天器与地面之间、航天器与航天器之间建立通用的高效灵活的数据传输通道。为了满足这些要求，空间数据系统通常采用异步TDM方式，即动态的时分多路复用机制。简而言之，各种数据不是按照事先设计好的固定时隙传送，而是根据数据源、信道忙闲情况、系统数据缓存等诸多因素，按照一定的动态调度策略分享同一物理信道。
3.1.4.2虚信道
为了实现多种数据对物理层信道的时分共享，一个物理信道被分成若干个在逻辑上相互独立的数据信道，从而实现该物理信道被多个高层数据流共享，并将这些数据流应用于不同的业务。这些逻辑数据信道称为“虚信道”(VC)，其基本定义如下。
虚信道是一种使多信源多用户分享同一物理信道的传输控制机制。通过统一分配传送帧帧头的识别码，并按照用户需要和信道实际情况实施动态管理，使不同用户的应用数据分时交替占有物理信道。相当于把单一信道划分为多个虚拟支路。虚信道具有以下特性。
(1) 可以独立传送来自上一层的具有某种特殊性质的数据流。
(2) 可以独立完成上一层所规定的特定业务及其与之相关的操作过程。
(3) 可以被赋予不同的优先级。
(4) 可以分别采用不同的差错控制方法达到所需的业务等级。
(5) 可以分别采用不同的数据保护机制达到所需的数据安全要求。
(6) 可以被一个用户独占，也可以被多个用户分享。
通过动态地对虚信道进行管理调度，利用合理的复用机制和有效的纠错、检错措施，可以保障信道的高效率和高质量，满足复杂航天器的高速率、大容量、多用户的数据处理和数据传输要求。
空间数据系统通常采用两种多路复用机制，即较低层的虚信道和较高层的包信道。这两种机制配合使用，为用户传送各种不同的数据提供保障。
3.2常规在轨数据系统
3.2常规在轨数据系统|
常规在轨数据系统(COS)是CCSDS最早建立的空间数据系统标准，它的核心部分是分包遥测和分包遥控。常规在轨系统主要用于近地和深空任务中的中、低速率数据传输。
3.2.1分包遥测
3.2.1.1概述

分包遥测的概念主要是针对传统PCM遥测固定采样率、固定编排格式的局限性提出的。在新一代航天器应用中，这种固定模式的遥测已经不能满足复杂多变的数据源的传输要求。在新型航天器上，信源(分系统或设备)已经具有动态、自主地生成数据包的能力，而且不同的应用过程生成的数据源包能够有不同的数据发生率和包长度，这些源包是自主发生的，具有随机性，源包之间是异步的。这些由不同应用过程产生的不同发生概率的数据源包将由同一空地链路传回地面，然后在地面根据不同的应用过程把各个数据源包分发到不同的数据宿。图3.21描述了不同应用过程从产生源包到经过整个分包遥测系统传回地面，最后解包送给各自目的地的过程。


图3.21分包遥测数据传送举例


为了进一步理解分包遥测的概念，首先介绍数据源、应用过程、数据源包、虚信道、主信道、数据宿等概念之间的关系： 对航天器遥测系统来说，数据源是航天器上产生遥测数据的物理实体，可以是一个设备(如陀螺仪)，也可以是一个分系统(如姿控分系统)； 一个数据源可以包含多个应用过程，如姿态控制过程、轨道控制过程、故障处理过程等； 每个应用过程对应产生一种或多种不同格式、不同大小和不同发生率的数据源包，它们可以来自不同的数据源，但是每一种数据源包只能唯一对应一个应用过程； 数据源与数据宿不是一一对应的，一种数据源包可以在地面被同时分发到多个数据宿，例如多个用户都需要姿态数据源包，以支持自身的数据处理； 虚信道是把不同的数据源包按照数据特性和传输要求划分组织的，所以它既不与源、宿一一对应，也不与应用过程对应，它只是面向传输的一种动态调度机制； 因为传送层的星地操作，如重传控制，是按照虚信道进行的，所以同一传送帧只能装载一个虚信道的数据； 主信道包含多个虚信道的统一数据流，一般来说，一个主信道对应一个物理信道，如果一个物理信道包含多个同时并行的数据流，例如码分多址体制，则一个物理信道就包含了多个主信道。
分包遥测定义了两种数据流的数据结构： 即CCSDS版本1数据源包和遥测传送帧。
3.2.1.2数据源包
数据源包(简称“源包”或“包”)是由航天器上信源(分系统或设备)的一个应用过程产生的数据包，它包含一组观测数据及相应的辅助数据。这些数据从空间的应用过程传送到地面的一个或几个用户应用(信宿)。数据的速率和长度可以是固定的，也可以是变化的，这样可以使数据源生成的数据结构和数据量大小得到优化。
每一个源包依次由包主导头和包数据域两部分组成，其中，包主导头的长度为6B，包数据域长度可变，最长为65536B。整个源包长度最长为65542B。在实际应用中，源包长度要选择恰当，源包太短，传送效率低； 源包太长，要被截为多段装入传送帧，操作复杂。一般建议包长不大于3个传送帧的数据域。包数据域可包含由星载数据系统产生的空闲数据，称为“空闲包”。一个应用过程可连续产生一系列源包，称为“源包组”。版本1源包格式如图3.22所示。


图3.22源包格式


各参数域的含义简要介绍如下： 
1. 包主导头
包主导头用于数据源包识别和格式控制。
(1) 版本号
版本号为000，表示CCSDS版本1数据包； 版本号为001，表示CCSDS网络包； 版本号为010，表示互联网协议数据包； 版本号111，表示复合包。其他版本号预留给未来其他格式使用。
(2) 包识别域
类型标志： 用于区分遥测源包和遥控源包，对于遥测源包，该位为0； 对于遥控源包，该位为1，遥控源包将在3.2.2节介绍。
副导头标志： 表示该源包中，副导头是否存在。有副导头时，该位为1； 无副导头时，该位为0。在一个任务阶段，副导头是固定不变的。对于空闲包，副导头标志为0。
应用过程标识： 用于识别航天器上产生源包的数据源。在同一主信道中的不同应用过程有不同的应用过程标识。其中，全1(11111111111)表示空闲包。
(3) 包顺序控制域
包顺序控制域对源所产生的具有同样应用过程标识的各包提供顺序计数； 对于分组的源包，提供该源包在分组中的位置信息。
分组标志： 表示源包的分组状态。其取值含义为： 00表示组中的中间包； 01表示组中的首包； 10表示组中的末包； 11表示不属于源包组的源包(独立包)。属于某一组的所有包都应来自同一应用过程，并标有其特有的应用过程标识。
源包序列计数： 对标有其特有的应用过程标识的应用过程所产生的每个包进行二进制计数，其模为16384，空闲包不要求计数。在一个应用过程