楊興龍

（遼河油田通信公司興隆臺(tái)通信站，遼寧 盤(pán)錦 124010）

1 CCSDS協(xié)議綜述

1982年，美國(guó)航宇局(NASA)，歐洲空間局(ESA)和許多其它國(guó)家的空間局成立了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)，其職責(zé)是開(kāi)發(fā)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的通信體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議與業(yè)務(wù)，使未來(lái)的空間任務(wù)能以標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與處理，促進(jìn)國(guó)際間的相互支持、合作與交流。1986年完稿的一套CCSDS COS常規(guī)建議側(cè)重于滿足常規(guī)自由飛行科學(xué)衛(wèi)星的要求，該建議引入數(shù)據(jù)分包作為標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)制，允許數(shù)據(jù)采集過(guò)程與空間數(shù)據(jù)信道的傳遞不同步。1989年，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)在成功的開(kāi)發(fā)適用于低、中數(shù)據(jù)率航天器的常規(guī)在軌系統(tǒng)(COS)體制和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，又進(jìn)一步發(fā)展了以滿足復(fù)雜航天器的需要為目標(biāo)的高級(jí)在軌系統(tǒng)(AOS)體制和標(biāo)準(zhǔn)。

2 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議

空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(如遙測(cè)、遙控和AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議)提供了在空間鏈路傳輸各種類型數(shù)據(jù)的能力，但它們的主要功能是傳輸可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)單元，如包?？臻g數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議能運(yùn)載任何包，條件是此包具有CCSDS認(rèn)可的包版本號(hào)(PVN)。PVN必須在空間鏈路標(biāo)識(shí)符文件中注冊(cè)。目前下列包是CCSDS認(rèn)可的:空間包、空間通信協(xié)議規(guī)約一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議((SCPS-NP)數(shù)據(jù)包、IP-4數(shù)據(jù)包和封裝包 (封裝其它數(shù)據(jù)單兀的特殊包)。IP-6數(shù)據(jù)包封裝在空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的封裝包中。

遙測(cè)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議通常從航天器發(fā)送遙測(cè)信息到地面(如返向鏈路)，遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議通常從地面發(fā)送指令到航天器(如前向鏈路)。如果需要在航天器和地面間的兩路在線通信(如音頻和視頻)，AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議可以只用于一條返向鏈路中或都用于前向和返向鏈路中。

3 CCSDS主網(wǎng)模型

對(duì)照ISO/OSI-RM,CCSDS規(guī)定了空間數(shù)據(jù)網(wǎng)的概念模型，即CCSDS主網(wǎng)(Principal Network),CPN是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)概念中最重要的部分，空間鏈路子網(wǎng)及地面網(wǎng)級(jí)聯(lián)而成，起空間計(jì)劃數(shù)據(jù)管理網(wǎng)的作用數(shù)據(jù)流以支持空間任務(wù)用戶。CPN是一個(gè)天地一體化概念模型，它由星載網(wǎng)、提供端到端的其結(jié)構(gòu)是由一個(gè)軌道段中的星載網(wǎng)通過(guò)CCSDS空間鏈路子網(wǎng)(CSLS)與一個(gè)地面網(wǎng)或另一個(gè)軌道段中的星載網(wǎng)相連接，如下圖所示，圖中，星載網(wǎng)類似于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，用來(lái)完成空載設(shè)備和空間鏈路子網(wǎng)間的信息傳遞?？臻g鏈路子網(wǎng)保障空一地或空一空信息傳送，包括通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的信道。地面網(wǎng)包括整個(gè)地面支持網(wǎng)絡(luò)，既有航天專用網(wǎng)，也有通用公共網(wǎng)。

CCSDS主網(wǎng)模型

4 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特征

CCSDS定義了通信網(wǎng)的概念模型和業(yè)務(wù)模型。CCSDS通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遵從國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型COSIRM，并根據(jù)航天數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)，在OSI框架內(nèi)擴(kuò)展了星載與地面計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將傳統(tǒng)的遙測(cè)、遙控、遙感、語(yǔ)音、電視、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航信息以及管理信息集成到一個(gè)雙向邏輯對(duì)稱的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。

信息傳遞的基本方式采用包交換。CCSDS的基帶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用分包格式，系統(tǒng)面向用戶的是自主信息包，而不是單個(gè)的數(shù)據(jù)。用戶按照自身的需求產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信息包，系統(tǒng)也可以為用戶包裝數(shù)據(jù)，每個(gè)包中除用戶數(shù)據(jù)塊外，還輔以必要的標(biāo)志和說(shuō)明。

引入虛擬信道概念。由于空間通信信道有干擾多、衰落現(xiàn)象嚴(yán)重等特點(diǎn)，信號(hào)傳輸多采用連續(xù)波方式。這不但有利于系統(tǒng)同步和抗干擾，同時(shí)也便于將數(shù)據(jù)傳輸及測(cè)速測(cè)距集成到一個(gè)信道上。連續(xù)波數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)多用戶共享的基本方式是時(shí)分制。CCSDS保留了固定幀長(zhǎng)度的概念，同時(shí)建立了虛擬信道的概念。虛擬信道是在時(shí)分制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多用戶共享信道的方式，其主要機(jī)制是動(dòng)態(tài)分配信道資源。

遙測(cè)體制發(fā)展為分包遙測(cè)。傳統(tǒng)的空間遙測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)特定的空間任務(wù)和負(fù)載配置而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在整個(gè)負(fù)載操作周期內(nèi)使用相同的遙測(cè)格式，當(dāng)負(fù)載改變時(shí)系統(tǒng)不易重新配置。這種固定的遙測(cè)格式對(duì)于多任務(wù)高動(dòng)態(tài)的測(cè)量任務(wù)適應(yīng)性較差。分包遙測(cè)體制按應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行分類管理，對(duì)任務(wù)中的每個(gè)應(yīng)用過(guò)程的信息進(jìn)行打包，加上包頭包尾，通過(guò)包頭區(qū)分不同應(yīng)用過(guò)程及同一應(yīng)用過(guò)程的不同數(shù)據(jù)。在傳輸時(shí)把各信息源的包穿插組成傳輸幀。分包遙測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)的這種管理形式使其具有動(dòng)態(tài)條件下信道利用率高、適用于多任務(wù)多用戶和利于國(guó)際合作的優(yōu)點(diǎn)。并且在傳輸幀頭中，含有傳統(tǒng)幀格式的幀同步碼組，給利用傳統(tǒng)地面站接收分包遙測(cè)信息帶來(lái)了擴(kuò)展的余地。

遙控用傳輸級(jí)的命令協(xié)議代替鏈路級(jí)的協(xié)議。由于空間技術(shù)的發(fā)展，從地面控制中心到航天器的數(shù)據(jù)率和傳輸量比過(guò)去增加了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，要求遙控防議提供更大的信息吞吐量。由于星載網(wǎng)和數(shù)據(jù)中繼星使用的增加，使總的往返時(shí)間和衛(wèi)星通過(guò)空間鏈路接收數(shù)據(jù)與最終傳送到衛(wèi)星目的地之間的數(shù)據(jù)丟失概率增加。傳統(tǒng)用于空間環(huán)境下的遙控協(xié)議盡管滿足了完整的、按順序傳送的基本要求，但只能通過(guò)空間鏈路工作，不能提供可靠的端對(duì)端的傳輸功能，而CCSDS開(kāi)發(fā)的分包遙控的命令操作過(guò)程(COP)不但能保證無(wú)碼位差錯(cuò)傳輸，而且能保持特定次序，遙控?cái)?shù)據(jù)無(wú)遺漏、無(wú)重復(fù)的傳輸，滿足了空間運(yùn)行環(huán)境下端對(duì)端傳送和文件轉(zhuǎn)移的需要。

5 虛擬信道復(fù)用

5.1 同步多路復(fù)用

虛擬信道在指定時(shí)隙占用物理信道，每個(gè)虛擬信道的順序是固定的且不斷重復(fù)。這種方式適合大多數(shù)業(yè)務(wù)是同步的且數(shù)據(jù)率固定的情況。因?yàn)楦鱾€(gè)虛擬信道在固定時(shí)隙傳送，即使在某一時(shí)隙沒(méi)有有效數(shù)據(jù)也必須發(fā)送填充數(shù)據(jù)以保持虛擬信道的順序和數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。當(dāng)絕大多數(shù)用戶數(shù)據(jù)為等時(shí)的、目_速率固定時(shí)，可使用該方式。

5.2 異步多路復(fù)用

各虛擬信道數(shù)據(jù)單元僅在被有效數(shù)據(jù)填滿時(shí)才會(huì)被發(fā)送。如果兩個(gè)或更多虛擬信道同時(shí)被填滿時(shí)，則根據(jù)優(yōu)先級(jí)機(jī)制來(lái)決定虛擬信道的傳輸。這種方式可以靈活的處理突發(fā)性錯(cuò)誤，信道利用率高，但對(duì)于那些優(yōu)先級(jí)較低的同步業(yè)務(wù)，有可能因?yàn)榕抨?duì)延遲過(guò)長(zhǎng)而超過(guò)它所規(guī)定的最大延遲。因此，這種方式較適合于輸入數(shù)據(jù)路數(shù)較少的情況。對(duì)于輸入路數(shù)較多且同步業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求很?chē)?yán)格的情況則不宜采用該種方式。

優(yōu)點(diǎn):即使在用戶數(shù)據(jù)量不斷變化的情況下，這種方式的效率也很高。

缺點(diǎn):會(huì)引入排隊(duì)延遲，延遲量隨用戶數(shù)據(jù)量的變化而變化，從而導(dǎo)致等時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的抖動(dòng)。在某些場(chǎng)合，這些抖動(dòng)可能難以忍受。

5.3 混合多路復(fù)用

同步/異步混合多路復(fù)用將采用一個(gè)兩個(gè)級(jí)別的多路復(fù)用方式。第一級(jí)把信道分成同步方式和異步方式。第二級(jí)分別采用前面提到的方法對(duì)兩種方式進(jìn)行相應(yīng)的處理。這種復(fù)用方式具體的配置將根據(jù)總的數(shù)據(jù)速率、等時(shí)數(shù)據(jù)量相對(duì)總數(shù)據(jù)量的比率以及異步數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求而定。

6 總結(jié)

CCSDS(空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì))，其職責(zé)是開(kāi)發(fā)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的通信體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議與業(yè)務(wù)，使未來(lái)的空間任務(wù)能以標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與處理，同時(shí)也加速空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)國(guó)際間的相互支持、合作與交流。

[1]黃薇，張紀(jì)生.CCSDSAOS建議介紹[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2000.

[2]丁英，劉增田.CCSDS標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用淺析[J].指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995.