CCSDS分包遥测在航天器通信中的设计及应用

2018-04-08易予生陈春亮

电子科技 2018年4期

梁　磊，易予生，陈春亮

(1.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

随着现代科技的飞跃进步，航天器的任务、种类日趋增多，与此同时，航天器上遥控遥测任务和功能也越来越复杂。针对大量在轨运行的常规航天器和地基航天测控网，为增加天地之间通信链路的利用率，空间数据系统咨询委员会(The Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)提出了适用于无人航天器，以分包遥测为核心的常规在轨数据系统(Common Orbiting System，COS)建议书，提出将分层的方法引入遥测体制。另外，空间通信环境网络具有传输时延大、信噪比低、突发噪声强、多普勒频移大、空间链路时断时续等特点。在这样的背景下，CCSDS制定了空间通信协议规范(Space Communication Protocol Specification，SCPS)，它以TCP/IP为基础，进行适当的修改和扩充，在空间通信网络和地面通信环境之间架起通信的桥梁[1]。

CCSDS分包遥测策略及空间通信协议已经在国外航天任务中得到了广泛的应用，而在国内航天任务中的应用，仅涉及到载人航天和深空探测等领域，因此，探索CCSDS相关标准在国内航天通信环境下的普及应用势在必行。通过对CCSDS分包遥测策略进行分析和设计，实现在载人航天系列型号通信中的工程应用，并为该策略在后续航天器各型号的推广积累经验。

1　CCSDS分包遥测

1.1　分包遥测的原理

分包遥测是以分包的方式进行数据分层的动态管理，完成多信源多用户遥测数据传输的可编程脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)遥测体制。很多星上的应用过程在工作过程中能够产生数据包，不同的应用过程的源包有不同的数据发生率和包长，并且有突发数据传输的要求，这就要求遥测系统具有动态组织这些数据包的能力。较之传统PCM方式，分包遥测的优势主要表现在多信源多用户的开放性、分层服务模型、分包分层动态管理上，更适用于数据类型复杂且需要较高的国际间交互支持的现代航天器上[2]。

1.2　分包遥测的源包设计

源包中包含了待传送到地面的星上应用数据和为地面捕获、存贮、分配这些数据所需的基本信息。CCSDS定义的源包格式主要由主导头、副导头(可选)、源数据、包差错控制(可选)4个主要部分组成。如图1所示。

图1　源包格式

1.3　分包遥测的传送帧设计

传送帧提供的数据结构用于传输源包、段、闲置数据和专门定义的数据。这种传输是通过把航天器连接

到地面的数据捕获单元的下行信道上实现的。传送帧格式如图2所示。

图2　传送帧格式

2　空间通信协议规范

SCPS相对于TCP更能够适应卫星通信系统和空间通信，与TCP协议相比，它有如下特点：(1) SCPS在宽带信道上的性能明显优于TCP，适应于宽带通信；(2) SCPS适应于传输时延较大的通信环境，空间通信和卫星通信系统采用SCPS将能获得较大的性能改善；(3) SCPS采用了“链路恶化”选项，数据分组的丢失并不会造成发送数据速率下降；(4) SCPS中采用选择性否定应答(Selective Negative Acknowledgement, SNACK)选项实现相对积极的重传策略对信道误比特率较大时比TCP更有效；(5) SCPS采用窗口扩大机制，允许在接收应答之前发送大量的字节。表1 给出了相对地面链路，空间链路的具体特点，以及SCPS的所采用的改进措施。

表1　SCPS的改进措施

3　CCSDS分包遥测策略应用实例

3.1　架构设计

软件可以划分为套接字数据接收、协议解析、数据拆包、页面显示、数据记录和截屏等6个功能模块。整套软件还包括外部配置文件和日志记录文件，如图3所示。

图3　软件功能模块图

3.2　数据流设计

由于软件存在外部输入数据，即通信网络数据获取，同时，软件内部需要对数据进行解包处理，因此采用多线程来实现，数据接收、拆包解析和页面显示分别实现于3个独立线程中。软件的数据流图如图4所示，图中箭头部分为接口软件的数据流向。

数据接收与拆包解析通过共享数据区来实现数据交互，数据接收模块数据区访问由网络数据接收信号驱动，拆包解析模块对于数据区的访问频率设置为100 ms，满足型号中数据最小更新时间间隔500 ms的需求。共享区域采用互斥信号灯进行保护，以实现数据读取的完整性，同时为了减少因互斥产生的丢帧现象，互斥信号量均采用3 ms延迟允许设计。

图4　软件数据流图

3.3　CCSDS数据解包逻辑设计

天地通信链路回传遥测数据采用传送帧的格式，帧长度固定。数据包存储于图2中所示“航天器应用数据”的位置，由于包长度不定，一个数据包可能分别通过多个传送帧下传至地面；同时，由于网络套接字每次下传的数据长度不定，下传的传送帧并不完整，软件先将收到的所有传送帧数据进行缓存，然后从缓存区的首地址开始检索，分离出完整的数据帧，再将数据帧中“航天器应用数据”进行拼接和缓存，最后，对缓存区中连续的数据包进行拆包处理。完整的拆包处理流程图如图5所示。

图5　解包逻辑流程图

3.4　软件实现与分析

通过对CCSDS传输协议的解析和分包遥测数据源包内容定义的解读，实现了天地通信CCSDS接口数据解析软件的设计。软件界面共分为3部分：通信状态栏、源包信息栏和数据源码栏。软件启动前需要对相关参数进行配置，如图6所示。通过对网络握手信息的配置，确定了数据的来源，采用的链路格式，发送数据的服务器以及数据的传输方向。软件对这些信息进行了模块化的设计，通过确定上述参数，可以接收多个型号不同链路下传的数据，实现了设计的通用化。通过对传送帧和数据包相关信息的设定，可以有选择的接收感兴趣的数据类型。

配置完成后启动软件，软件根据CCSDS传输协议填充事先设置好的网络握手信息，并向数据管理服务器发送信息，以发起链接请求。当请求被允许后，数据管理服务器发送握手信息“AA AA AA AA AA AA”给解析软件，解析软件将通信建立的时间、状态记录以及握手信息记录下来并完成链接，软件开始接收订阅服务器的数据。图7中，软件已经启动，并正确的收到了订阅服务器发送的握手信息，并记录下了时间信息，通信状态为“链路已建立”。

源包信息反映了接收到源包的时间，所在帧序号，数据的包号，包内数据长度，并给出数据帧的状态，是对数据包整体信息的采集。图7中显示已经在2017年5月20日11∶34∶41正确收到了来自第2帧包号为51，长度为256 Byte的数据包，与发送的数据包信息内容一致，表明数据解包逻辑设计正确。

解包后的数据源码显示于数据源码栏，通过对比，显示界面中的源包内容“0x00～0xFF”与航天器下行的原始数据一致，表明航天器与地面的通信链路已成功连接并可正常通信。软件的架构设计合理，数据流设计正确，对数据包的解析逻辑设计正确，实现了采用CCSDS分包遥测策略的天地通信和数据的准确解析。

图6　参数配置信息

图7　软件显示界面

4　结束语

CCSDS分包遥测主要针对航天器和地面站之间的通信需求和链路环境，可以根据需要对数据动态调配，使信道得到高度有效和灵活的利用。通过文中的设计和应用，成功实现了采用空间传输协议的分包遥测策略的设计，并通过天地通信CCSDS接口数据解析软件的实例，及其模块化的参数配置方法实现了载人飞船天地通信数据的获取，数据包的解析，并提高了软件的通用性。相关的研究工作为分包遥测体制在未来载人航天三期工程和深空探测等重大型号的推广应用积累了实践经验。

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