何熊文 張猛

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

遙控和遙測是地面操作人員對航天器實施控制以及監(jiān)視的最基本手段。經(jīng)過多年的發(fā)展，在空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議上，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）定義了遙測數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議［1］、遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議［2］、高級在軌系統(tǒng)（AOS）［3］、鄰近空間鏈路協(xié)議［4］4種標(biāo)準(zhǔn)。上述標(biāo)準(zhǔn)主要對數(shù)據(jù)鏈路層及其以下層次的協(xié)議進行了規(guī)定，其中包括數(shù)據(jù)幀的格式、交互操作等。對于與用戶相關(guān)的高層應(yīng)用數(shù)據(jù)，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了外包裝格式，例如在空間包協(xié)議［5］中規(guī)定了包的主導(dǎo)頭格式，但沒有對應(yīng)用數(shù)據(jù)的格式進行規(guī)定，這樣帶來的問題是各航天器有著特定的遙控遙測應(yīng)用數(shù)據(jù)格式，既不利于地面用戶的操作，也不利于航天器上設(shè)備及軟件的通用化。

針對上述問題，歐洲航天局（ESA）從20 世紀(jì)90年代開始對遙控遙測的標(biāo)準(zhǔn)化操作進行了研究，于1994年形成包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（PUS）第一版，并在2003年根據(jù)航天器的應(yīng)用情況進行了修訂，形成了第二版［6］。目前，已有“羅塞塔”（Rosetta）、“X 射線多反射鏡”（XMM）、“火星快車”（Mars Express）等航天器采用了該標(biāo)準(zhǔn)，ESA 還強制規(guī)定其后續(xù)所有航天器都采用這一標(biāo)準(zhǔn)。CCSDS的任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)領(lǐng)域工作組在2009年專門成立了興趣小組，對PUS進行研究，擬對其進行再次修訂后納入到CCSDS建議書中。

目前，中國各航天器在地面操作以及遙控遙測的高層格式定義上，仍然處于航天器特定、未進行標(biāo)準(zhǔn)化的局面，由此帶來了一系列問題，如重復(fù)的遙控遙測應(yīng)用層格式制定、重復(fù)的設(shè)備研制、軟件無法通用。本文對PUS標(biāo)準(zhǔn)在航天器中的應(yīng)用方法研究，將有助于進一步實現(xiàn)遙控遙測的標(biāo)準(zhǔn)化，促進軟件和設(shè)備的重用。

2 PUS主要特性

PUS標(biāo)準(zhǔn)是歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（ECSS）標(biāo)準(zhǔn)系列中的一個，它定義了地面和航天器之間的應(yīng)用層級別的接口，用來滿足電氣組裝、測試及飛行操作的需求。該標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：①描述了地面對航天器操作的基本概念，涵蓋了對航天器監(jiān)視與控制的基本需求；②定義了16類業(yè)務(wù)，用于滿足地面操作的需要。這一標(biāo)準(zhǔn)詳細描述了地面如何利用這些業(yè)務(wù)進行標(biāo)準(zhǔn)化的操作，并且詳細定義了業(yè)務(wù)請求（遙控包）和業(yè)務(wù)報告（遙測包）的數(shù)據(jù)格式。

2．1 PUS業(yè)務(wù)

PUS定義的業(yè)務(wù)如下。

（1）遙控確認業(yè)務(wù)：提供對遙控包每個執(zhí)行階段成功與否的確認，包含接收、開始執(zhí)行、執(zhí)行中和執(zhí)行完成共4個階段的確認。

（2）設(shè)備指令分發(fā)業(yè)務(wù)：提供3種指令的分發(fā)功能，包括分發(fā)開關(guān)指令、存儲器加載指令和直接指令。

（3）內(nèi)務(wù)和診斷數(shù)據(jù)報告業(yè)務(wù)：該業(yè)務(wù)與參數(shù)統(tǒng)計報告以及事件報告業(yè)務(wù)一起，為地面提供設(shè)備狀態(tài)信息。航天器上有一組預(yù)定義的參數(shù)用于報告產(chǎn)生，這些定義也可以由地面修改、刪除或增加。

（4）參數(shù)統(tǒng)計報告業(yè)務(wù)：用于向地面報告一個采樣間隔內(nèi)航天器上參數(shù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值。當(dāng)航天器不在地面站覆蓋范圍時，使用該業(yè)務(wù)產(chǎn)生報告可以減少存儲的數(shù)據(jù)量。

（5）事件報告業(yè)務(wù)：用于報告各種事件，如航天器故障或異常、航天器自主行為、各種操作的正常運行情況等。該業(yè)務(wù)共提供正常進展、低等級、中等級和高等級4個級別的事件報告子業(yè)務(wù)。

（6）內(nèi)存管理業(yè)務(wù)：用于航天器上不同內(nèi)存區(qū)域（如RAM 或大容量存儲器）的管理，包括對相鄰內(nèi)存區(qū)域或幾個不相鄰內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)容進行加載、下卸和檢查。

（7）功能管理業(yè)務(wù)：提供一個標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)請求，用于執(zhí)行應(yīng)用進程的功能。這些功能是非標(biāo)準(zhǔn)的，如有效載荷儀器或平臺分系統(tǒng)的操作控制，它們有自己的請求和報告數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（8）時間管理業(yè)務(wù)：提供控制時間報告產(chǎn)生速率的功能，包括改變時間報告產(chǎn)生頻率和時間報告2個子業(yè)務(wù)。

（9）操作調(diào)度業(yè)務(wù)：提供延時遙控和程控功能，維持一個指令調(diào)度表。業(yè)務(wù)用戶可以請求增加指令，或者使能／禁止／刪除／時移／報告指令調(diào)度表中所有指令或一部分指令。

（10）監(jiān)視業(yè)務(wù)：提供監(jiān)視航天器上參數(shù)的功能。業(yè)務(wù)維持一個監(jiān)視清單，在參數(shù)變化時產(chǎn)生事件報告。地面可以實施增加參數(shù)、修改參數(shù)監(jiān)視信息、重置、報告清單信息、使能禁止參數(shù)監(jiān)視等操作。

（11）大數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)：用于傳輸大的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元。該業(yè)務(wù)把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成很多部分，每個部分被裝在一個空間包中傳輸。這一業(yè)務(wù)提供確認和重傳機制，保證數(shù)據(jù)的正確傳送。

（12）包傳送控制業(yè)務(wù)：用于控制遙測源包到地面的傳送，地面可對特定業(yè)務(wù)類型的包進行使能禁止操作。

（13）存儲和獲取業(yè)務(wù)：提供包的存儲功能，并在地面系統(tǒng)請求時進行存儲數(shù)據(jù)的下傳。該業(yè)務(wù)支持按時間段刪除存儲數(shù)據(jù)、按時間段下傳存儲數(shù)據(jù)和使能禁止存儲等功能。

（14）測試業(yè)務(wù)：用于地面系統(tǒng)與航天器應(yīng)用程序之間進行端對端的“連接測試”。

（15）操作程序業(yè)務(wù)：地面系統(tǒng)可以定義一組能加載到一個應(yīng)用進程的操作程序，應(yīng)用進程可以管理這些程序的存儲及其隨后在地面控制下的執(zhí)行。

（16）事件-動作業(yè)務(wù)：作為對監(jiān)視業(yè)務(wù)和事件報告業(yè)務(wù)的一個擴展。該業(yè)務(wù)可定義一個動作，當(dāng)給定的事件被監(jiān)測到時，業(yè)務(wù)自主執(zhí)行該動作。該動作可以是標(biāo)準(zhǔn)定義或任務(wù)特定的遙控指令。

上述每一類業(yè)務(wù)都包含若干子業(yè)務(wù)，航天器在應(yīng)用時，可以根據(jù)需求對上述業(yè)務(wù)以及子業(yè)務(wù)進行選擇和裁剪。

2．2 PUS數(shù)據(jù)格式

PUS在CCSDS 標(biāo)準(zhǔn)定義的空間包格式基礎(chǔ)上，對空間包的數(shù)據(jù)域?qū)ь^以及應(yīng)用數(shù)據(jù)的格式進行了詳細定義，包括遙控包和遙測包。

PUS遙控包的數(shù)據(jù)域?qū)ь^結(jié)構(gòu)如表1 所示。在表1的導(dǎo)頭結(jié)構(gòu)中，通過業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型唯一確定一種業(yè)務(wù)，通過應(yīng)答指示航天器對遙控包的執(zhí)行過程進行確認，源標(biāo)識為可選字段，用于確定遙控包的發(fā)送方（例如地面或航天器）。

PUS遙測包的數(shù)據(jù)域?qū)ь^如表2所示。與遙控包數(shù)據(jù)域?qū)ь^相比，遙測包數(shù)據(jù)域?qū)ь^增加了3個字段。它們分別為：①包-子計數(shù)，是一個獨立的包計數(shù)器，該計數(shù)器與業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型關(guān)聯(lián)，在對應(yīng)類型的包產(chǎn)生時增加；②目的標(biāo)識，即遙測源包的目的地；③時間，標(biāo)識包的產(chǎn)生時間，采用CCSDS規(guī)定的時間碼格式。

除了對包主導(dǎo)頭及包數(shù)據(jù)域?qū)ь^的結(jié)構(gòu)進行定義外，PUS標(biāo)準(zhǔn)對每種業(yè)務(wù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)域也進行了詳細定義。

表1 PUS遙控包數(shù)據(jù)域?qū)ь^結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of PUS telecommand packet data field header

表2 PUS遙測包數(shù)據(jù)域?qū)ь^結(jié)構(gòu)Table 2 Structure of PUS telemetry packet data field header

3 PUS應(yīng)用方法

PUS標(biāo)準(zhǔn)是基于CCSDS定義的空間包而制定的，應(yīng)用時一般需要低層數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的支持。為了在中國航天器上應(yīng)用PUS，需解決如下幾個方面的問題。

（1）在現(xiàn)行遙控遙測體制上，如何支持遙控包和遙測包的傳輸。

（2）應(yīng)用PUS后，如何選擇PUS業(yè)務(wù)滿足現(xiàn)有航天器對遙控注入數(shù)據(jù)類型和遙測下行數(shù)據(jù)類型的要求。

（3）如何實現(xiàn)遙控包的接收、分發(fā)以及遙測包的產(chǎn)生和傳輸問題。

下面分別從遙控應(yīng)用和遙測應(yīng)用兩方面，對這些問題的解決方法進行分析。

3．1 遙控應(yīng)用

3．1．1 遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議選擇

在遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議方面，目前中國大多數(shù)航天器采用PCM 遙控，指令格式分為直接指令幀和注入數(shù)據(jù)幀2 種［7］。這兩種幀通過方式字進行區(qū)分，注入數(shù)據(jù)的格式則由各航天器自行定義。如果在不改變PCM 遙控體制的基礎(chǔ)上應(yīng)用PUS，則可以采用下面的方法。

（1）直接指令幀延續(xù)原有格式，仍通過方式字區(qū)分。（2）在注入數(shù)據(jù)幀的格式中，數(shù)據(jù)域為一個或多個PUS遙控包的組合，由于目前航天器中還通過方式字確定長度，長度為有限且固定的幾種，因此，當(dāng)有效數(shù)據(jù)的長度不足方式字規(guī)定的長度時，采用填充包進行填充，如圖1所示。

圖1 PCM 遙控注入數(shù)據(jù)幀格式Fig．1 Uplink data frame structure of PCM telecommand

如果航天器采用分包遙控，則采用下面的方法。

（1）PUS遙控包采用CCSDS遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)定的虛擬信道包業(yè)務(wù)，放入遙控幀的數(shù)據(jù)域中，如圖2所示。

（2）直接指令可采用兩種方式來區(qū)分注入數(shù)據(jù)。一為采用專用的虛擬信道進行區(qū)分，在傳輸幀數(shù)據(jù)域中放入指令編碼；二為采用PUS遙控包中專用的應(yīng)用過程標(biāo)識（Application Process ID，APID）進行區(qū)分，業(yè)務(wù)類型和子類型分別設(shè)為2 和3，即應(yīng)用PUS的設(shè)備指令分發(fā)業(yè)務(wù)中的分發(fā)直接命令，在包數(shù)據(jù)域里放入指令編碼。

圖2 分包遙控注入數(shù)據(jù)幀格式Fig．2 Uplink data frame structure of packet telecommand

3．1．2 PUS業(yè)務(wù)選擇

通過對目前中國遙感、導(dǎo)航、深空探測、通信、載人航天等領(lǐng)域內(nèi)航天器常用遙控指令類型進行梳理，歸納出10類常用的指令，與PUS業(yè)務(wù)的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。從表3可以看出，大多數(shù)遙控注入數(shù)據(jù)類型都有相應(yīng)的PUS業(yè)務(wù)與之對應(yīng)。PUS標(biāo)準(zhǔn)支持對業(yè)務(wù)的裁剪，并規(guī)定業(yè)務(wù)類型值為128之后的業(yè)務(wù)由用戶自行定義。因此，可以根據(jù)航天器需求從PUS標(biāo)準(zhǔn)中選擇所需業(yè)務(wù)，并針對航天器特殊的遙控注入數(shù)據(jù)類型定義新的業(yè)務(wù)，以滿足需求。

表3 常用遙控注入數(shù)據(jù)與PUS業(yè)務(wù)對應(yīng)關(guān)系Table 3 Relationship between common telecommand data and PUS services

3．1．3 遙控包的接收及處理

采用PUS遙控包后，航天器上設(shè)備對遙控包的接收和處理與以往有所不同，以航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通用規(guī)范［8］給出的分級分布式數(shù)管系統(tǒng)拓撲架構(gòu)為例，一種可行的遙控包接收及處理過程如圖3所示。在圖3中，對于具備包處理能力的智能終端，中心計算機（CTU）根據(jù)APID 對遙控包進行分發(fā)，總線上傳輸?shù)臑闃?biāo)準(zhǔn)的PUS遙控包，各分系統(tǒng)終端依據(jù)APID、業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)子類型對遙控數(shù)據(jù)類型進行區(qū)分。對于不具備包處理能力的終端，也可由CTU 對包進行解析后，通過總線分發(fā)指令到設(shè)備。

圖3 遙控包接收及處理過程Fig．3 Telecommand packet reception and handling process

3．2 遙測應(yīng)用

3．2．1 遙測數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議選擇

對于遙測數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，中國航天器中采用的協(xié)議包括PCM 遙測［9］和CCSDS的AOS協(xié)議。由于PCM 遙測很難實現(xiàn)包的靈活調(diào)度，建議采用AOS協(xié)議。通過AOS協(xié)議提供的包傳輸業(yè)務(wù)進行PUS遙測包的傳輸，目前在中國航天器上的應(yīng)用已較為成熟，此處不再贅述。

3．2．2 PUS業(yè)務(wù)選擇

通過對目前中國各類航天器下行遙測數(shù)據(jù)類型進行梳理，得到常用的遙測數(shù)據(jù)類型與PUS業(yè)務(wù)的對應(yīng)關(guān)系，如表4所示。

表4 常用遙測數(shù)據(jù)與PUS業(yè)務(wù)對應(yīng)關(guān)系Table 4 Relationship between common telemetry data and PUS services

從表4可以看出，PUS業(yè)務(wù)能滿足大多數(shù)遙測數(shù)據(jù)類型的需求。通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的PUS業(yè)務(wù)，可以通過業(yè)務(wù)類型與業(yè)務(wù)子類型對遙測數(shù)據(jù)類別進行區(qū)分，便于航天器上以及地面的處理。例如，所有分系統(tǒng)的事件都采用事件報告業(yè)務(wù)產(chǎn)生，航天器可通過對業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型的識別監(jiān)測所有事件，并根據(jù)事件-動作業(yè)務(wù)預(yù)先定義的動作（如產(chǎn)生遙控指令）自動進行事件處理，實現(xiàn)故障監(jiān)測以及恢復(fù)的自動化處理。

3．2．3 遙測包產(chǎn)生及傳輸

采用PUS業(yè)務(wù)后，各終端的交互將基于PUS包進行。一種可行的PUS遙測包產(chǎn)生及下行過程，如圖4所示。

圖4 遙測包處理過程Fig．4 Telemetry packet handling process

由圖4可知，具備包處理能力的智能終端，可根據(jù)需要周期性或突發(fā)性產(chǎn)生不同類型的PUS遙測包，通過總線傳輸?shù)紺TU。每個分系統(tǒng)終端可以有1個或多個APID，通過業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型區(qū)分遙測數(shù)據(jù)類型。CTU 通過總線按照一定的調(diào)度策略獲得這些遙測包。對于目前航天器中常用的1553B 總線，其基于包的傳輸協(xié)議可參考ESA定義的1553B總線協(xié)議［10］。不具備包處理能力的終端，可產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)，通過總線傳輸?shù)紺TU，CTU 根據(jù)預(yù)先定義的包類型及應(yīng)用過程標(biāo)識，負責(zé)將數(shù)據(jù)包裝成PUS包，或從不同終端的數(shù)據(jù)中挑出數(shù)據(jù)并包裝成PUS包。PUS遙測包的下行，則按照航天器特定的包調(diào)度策略和虛擬信道調(diào)度策略進行調(diào)度，生成的傳輸幀通過下行信道下行。

4 結(jié)束語

中國傳統(tǒng)遙控遙測體制對高層應(yīng)用數(shù)據(jù)未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的弊端，在越來越多的航天器任務(wù)應(yīng)用中已明顯體現(xiàn)出來，并制約著航天器的快速發(fā)展。采用PUS標(biāo)準(zhǔn)，將有助于實現(xiàn)中國航天器遙控遙測系統(tǒng)的全面標(biāo)準(zhǔn)化，有利于地面測試設(shè)備及測試軟件、航天器設(shè)備及軟件的通用化和產(chǎn)品化，從而縮短航天器研制周期，節(jié)約研制成本，提高開發(fā)效率。

本文提出的PUS標(biāo)準(zhǔn)在中國航天器遙控遙測中的使用方法，還有一些問題需要進一步研究。例如：當(dāng)總線終端有多個PUS遙測包待傳輸，或者多個終端有緊急數(shù)據(jù)待傳輸時，如何通過合理的總線調(diào)度策略滿足不同的傳輸需求；PUS遙測包下行的調(diào)度策略；PUS標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件化軟件實現(xiàn)等。

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