劉 洋， 李家琦， 李宗德

(上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203)

有限上行資源下遙控指令序列高效上注方案設計?

劉 洋， 李家琦， 李宗德

(上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203)

針對目前衛(wèi)星上行遙控速率低，有限過境時間內(nèi)上傳指令多的難題，設計多指令數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列結(jié)合專用任務指令的遙控上注方案。方案能夠?qū)崿F(xiàn)多任務模式下大量任務指令的高效上注，提高了衛(wèi)星遙控弧段內(nèi)上行資源利用率，簡化了地面遙控操作。

遙控； 壓縮封裝； 數(shù)據(jù)注入； 專用任務指令

引 言

隨著航天器功能的日趨強大和復雜，對航天器及內(nèi)部單機控制越來越精細和靈活，地面測控系統(tǒng)需要加工大量的遙控指令和注入數(shù)據(jù)來保證每項任務的正常實施，因而對遙控信道資源的占用率也越來越高。對遙控指令逐條設計發(fā)送或多指令按順序排成指令數(shù)據(jù)鏈的發(fā)送方式花費時間長，需要耗費大量的人力和信道資源，也給任務的正常執(zhí)行帶來一定的風險。所以隨著航天任務的日漸增多，設計遙控指令的高效、靈活的上注方法越來越必要。

文獻[1]在雙星計劃中采用單遙控幀封裝多遙控數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)注入方式，能夠比較有效地提高遙控上注效率，但缺點是一旦上注不能取消或改變，靈活性較差。文獻[2]在不修改當前遙控體制的情況下，使用分包遙控的方式來提高上行信道利用率，但對指令包的信息沒有特別封裝處理，指令冗余信息較多，對上行信道的利用率提高有限。本文采用數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列結(jié)合專用任務指令的遙控上注方式，通過任務需求和特點分析，精簡遙控上注數(shù)據(jù)內(nèi)容，提高數(shù)據(jù)注入效率；同時通過外部修改指令能夠?qū)ι献⒌娜蝿罩噶钸M行控制和修改，增強了指令任務的靈活性。

1 指令序列上注

地面對航天器的程控方式一般有兩種：間接指令方式和注入數(shù)據(jù)方式。間接指令長度較短，其數(shù)據(jù)域長度為幾十字節(jié)，主要是一些單機或軟件狀態(tài)切換、參數(shù)設置等控制指令；注入數(shù)據(jù)長度較長，其數(shù)據(jù)域長度可達幾百字節(jié)，用于注入軌道數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、軟件代碼等較長的數(shù)據(jù)。完成一次控制任務或載荷任務需要多個單機多條間接指令按照一定的流程依次執(zhí)行，現(xiàn)有的指令鏈上注方式效率不高，原因是指令鏈中指令間填充的發(fā)送最小保護間隔填充碼也會占用大量的信道資源。目前比較有效的解決方案是采用指令序列的注入方式，通過對間接指令進行統(tǒng)一封裝和處理，將短幀指令變?yōu)殚L幀注入數(shù)據(jù)，該方法能大量降低遙控指令發(fā)送最小保護填充碼的使用，提高資源利用率。某科學試驗衛(wèi)星的指令序列格式如圖1所示。

圖1 指令序列格式

數(shù)據(jù)長度：2字節(jié)，從類型至指令n信息(包括類型和指令n信息)。

類型：2字節(jié)，指令序列類別標識，通過該字段區(qū)分衛(wèi)星的各類指令任務，不同類型的指令任務可并行執(zhí)行。

任務數(shù)：1字節(jié)，單條指令序列中可包含多項任務，通過對任務的分類和編號，可以靈活控制或修改任務實施過程。

任務信息：對每項任務包含的指令進行標識，包括任務的起始和結(jié)束指令編號。

任務指令列表：指令的執(zhí)行信息，如指令包或指令碼和參數(shù)等內(nèi)容。

2 數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列

常規(guī)指令序列的封裝方法是直接將指令包的內(nèi)容完整封裝到指令序列中，這種封裝方式簡單易行，便于地面軟件的操作，但由于包含了指令包包頭、檢驗等輔助信息，會有較多的指令冗余信息，占用較多遙控信道資源。為改善此方法的不足，特采用多指令數(shù)據(jù)壓縮封裝的方法，將遙控指令中的關鍵和必要信息提取出來，精簡指令封裝信息內(nèi)容，提高指令上注效率。

基于數(shù)據(jù)壓縮的指令信息的具體內(nèi)容如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列格式

指令信息中只包含遙控指令的唯一標識信息和執(zhí)行信息。本例中遙控指令包采用了ECSS的PUS協(xié)議[3～5]對遙控指令進行設計，通過使用PUS協(xié)議中的PUS服務和PUS子服務兩個字段對每個遙控指令進行唯一標識，通過2字節(jié)的信息確定了指令內(nèi)容。指令執(zhí)行時間為相對于指令執(zhí)行起點(序列中第一條指令)的時間絕對秒值。由于指令序列內(nèi)的指令為短時間內(nèi)的任務指令集合，指令間相互時間差不大，2字節(jié)的長度完全能夠表示指令的執(zhí)行時間信息，相比于常規(guī)的4字節(jié)表示時間方式節(jié)省了2字節(jié)的空間。指令參數(shù)即指令的參數(shù)內(nèi)容，對于無參指令此字段不填任何信息。

壓縮數(shù)據(jù)的指令序列注入方式減少了遙控指令包包頭等包裝字段的冗余信息，對于單條指令減少8個字節(jié)以上的數(shù)據(jù)長度，對于無參指令，壓縮效率在60%以上。

由于指令序列所要執(zhí)行的任務信息由圖1中的“類型”字段所標識，指令信息的數(shù)據(jù)壓縮對任務信息沒有影響。對于指令序列中的單條指令，PUS服務和PUS子服務已唯一確定了其內(nèi)容，指令參數(shù)內(nèi)容在數(shù)據(jù)壓縮后也依然保留，因此指令信息壓縮后并沒有丟失或減少指令的執(zhí)行單元、受控目標及操作信息的內(nèi)容，星務軟件對指令的解析和判斷不會受影響，指令序列的可靠性不會降低。

3 專用指令任務的設計和實現(xiàn)

當指令序列包含的內(nèi)容較多時，采用指令逐條加工設置的指令序列生成方法存在以下問題：

①由于指令數(shù)量多，對于每條指令需要確認參數(shù)和執(zhí)行時間，導致指令序列加工時間長，且容易出現(xiàn)人為設置錯誤；

②指令序列修改復雜，即使有專人負責對指令序列檢查校對，當發(fā)現(xiàn)指令順序或時序關系錯誤時，對指令序列的修改也較繁瑣，甚至可能需要重新制作；

③指令序列內(nèi)容多，需要系統(tǒng)分配較多的存儲空間，對系統(tǒng)資源要求較多。

為了增強指令序列上注的可靠性以保證任務的正確執(zhí)行，需要采用一些方法來彌補以上不足。從實際衛(wèi)星工作任務模式的分析中發(fā)現(xiàn)，對于衛(wèi)星許多特定工作模式下的任務序列，在很長的一段工作時間內(nèi)，大多數(shù)的單機工作流程都是嚴格固化的，即部分指令的參數(shù)設置和指令執(zhí)行時間的相互關系都是固定值。這樣的一系列操作就可合成為一條專用指令，當指令上注后，由星務計算機根據(jù)指令選擇預先設置好的任務流程并順序執(zhí)行其中的各條指令。通過這種設計方法，不但減少了指令設置和加工的時間，也大大降低了指令序列的復雜度，提高了指令的可靠性。這種由多條固定流程的指令序列操作合成的新指令稱為專用任務指令。

專用任務指令的形式如表2所示。

表2 專用任務指令格式

指令碼：專用任務指令的指令標識；

時間碼：指令的執(zhí)行時間，為相對于衛(wèi)星零點的絕對秒值；

參數(shù)1～n：專用任務指令中帶參指令的參數(shù)值，根據(jù)指令的排列位置順序設置。

合成的專用任務指令能夠大大簡化指令序列的制作過程，同時縮短了遙控指令的長度，節(jié)省了指令上注時間。對于總參數(shù)長度為100字節(jié)的20條間接指令，將其合成為一條專用任務指令后，至少能夠減少400字節(jié)的星上存儲空間和50s的上注時間。

4 專用任務指令的在軌動態(tài)調(diào)整

專用任務指令內(nèi)部各條獨立指令的相對執(zhí)行時間都是固定的，但是在某些特殊應用場合或應用條件下，需要適當修改某一條或少數(shù)幾條指令的相對執(zhí)行時間。例如，某些星上儀器經(jīng)過長時間的使用，部分組件性能會下降，這時可能需要延長開機的時間來彌補性能的下降，這就需要將關機指令的執(zhí)行時間延后。在這種情況下，需要能夠?qū)υ撝噶畹南鄬?zhí)行時間進行修改。如果直接通過注入新數(shù)據(jù)去修改星上存儲的指令參數(shù)，那將需要較長的上行時間，操作也較復雜，為此，針對專用任務指令再設計一條專用任務指令的調(diào)整指令。

專用任務指令的調(diào)整指令形式如表3所示。

表3 專用任務指令的調(diào)整指令格式

任務信息：即專用任務指令的標識，以2字節(jié)長度表示。由于專用任務指令包含的指令數(shù)量可能較多，為防止傳輸過程中的誤碼引起專用任務指令的配置出現(xiàn)差錯，應盡量使專用任務指令的標識之間有較大的碼距，建議專用任務指令標識的碼距不小于3。

指令有效標識：用于表示專用任務指令中單條指令是否執(zhí)行，當有效標識取值為55H時，表示該單條指令執(zhí)行；當有效標識取值為AAH時，表示該條指令不執(zhí)行。

指令執(zhí)行時間：用以表示指令的執(zhí)行時間。此字段的時間為相對時間，即相對于專用任務指令執(zhí)行時間的絕對秒值。例如，專用任務指令的延時執(zhí)行時間為2015年3月20日12時10分10秒，某單條指令的執(zhí)行時間取值為50，則該條指令的執(zhí)行時間為2015年3月20日12時11分0秒。

專用任務指令的調(diào)整指令的使用，提高了專用任務指令應用的實用性和靈活性。通過指令有效標識，能夠?qū)Ｓ萌蝿罩噶钪械闹噶钸M行取舍。通過對指令時間信息的設置，能夠調(diào)整專用任務指令的執(zhí)行流程。當專用任務指令執(zhí)行時，星務軟件會對專用任務指令中所有指令的執(zhí)行時間進行巡檢和判斷，按指令執(zhí)行時間的順序依次執(zhí)行指令。當衛(wèi)星根據(jù)任務規(guī)劃需要調(diào)整專用任務指令的內(nèi)部指令執(zhí)行順序時，通過上注調(diào)整指令修改指令時間信息即可。例如指令A和指令B的執(zhí)行時間信息初始設定為20和40，即專用任務指令開始后20秒執(zhí)行指令A，40秒執(zhí)行指令B，指令A的執(zhí)行先于指令B 20秒。當任務需要調(diào)換指令A和指令B的執(zhí)行順序時，只需上注調(diào)整指令將指令A和指令B的時間信息分別修改為40和20即可。

通過采用指令序列結(jié)合專用任務指令的遙控上注方式，指令上注的效率可大大提高。以某太陽同步軌道科學衛(wèi)星的某項載荷觀測任務為例，一次觀測任務需要36條指令，每一天進行14次觀測任務，每次需上注3天的觀測任務，共需上注1512條指令。如果采用指令序列結(jié)合專用任務指令的上注方式，只需要7條長幀指令即可。不同上注方式的效果如表4所示。

表4 不同方式上注效果比較

從幾種上注方式的比較中可以看出，指令序列結(jié)合專用任務指令的上注方式相比其它方法在上注效率方面有很大的提高，能在較短的時間內(nèi)上注較多的指令任務內(nèi)容，既節(jié)省了遙控信道資源，又提高了指令注入效率。

圖2 指令高效上注流程設計及實現(xiàn)

5 通用衛(wèi)星指令高效上注流程設計及實現(xiàn)

指令序列結(jié)合專用任務指令的遙控上注方法設計流程及實現(xiàn)過程如圖2所示。

①在衛(wèi)星研制和設計階段，根據(jù)衛(wèi)星的應用需求確定出所需的工作模式。

②將不同工作模式下的單機工作流程梳理并確定下來。

③總結(jié)整星、單機操作和設置的所有指令。

④將操作時序和相對時間關系確定的指令歸納出來。

⑤按照工作流程和順序?qū)⑻暨x出的指令合并為專用任務指令，并由星務軟件順序?qū)崿F(xiàn)其功能。

⑥設計專用任務指令的調(diào)整指令，以便后期對其靈活配置。

⑦在軌運行階段使用專用任務指令及其調(diào)整指令設計指令序列實現(xiàn)遙控指令的高效上注，從而實現(xiàn)衛(wèi)星工作模式的順利執(zhí)行。

目前，數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列的遙控上注方法已在某天基觀測衛(wèi)星項目中得到了充分驗證，并且應用效果較好。指令序列結(jié)合專用任務指令的遙控上注方法已在某科學實驗衛(wèi)星的初樣階段得到了測試驗證，對遙控注入的效率有較大提高。

6 結(jié)束語

本文采用指令序列上注模式解決了衛(wèi)星在軌任務期間短周期內(nèi)多指令上注的問題，有效地提高了衛(wèi)星遙控弧段內(nèi)的上行資源利用率。通過增加專用任務指令和專用任務調(diào)整指令的方法，進一步地簡化地面遙控指令的加工流程，減少占用的遙控信道資源，節(jié)省遙控上注時間，降低星上遙控存儲需求，同時能夠靈活地調(diào)整指令任務的執(zhí)行過程。

[1]呂良慶.一種基于CCSDS標準的數(shù)據(jù)注入策略[J].航天器工程，2005，14(1)：11～17.

[2]張亞航，趙思陽，何熊文.基于傳統(tǒng)遙控體制的分包遙控方案設計[J].飛行器測控學報，2012，31(增刊)：81～85.

[3]Ground Systems and Operations—Telemetry and Telecommand Packet Utilization[S].Netherlands，ECSS-E-70-41A，January 30，2003.

[4]Valera S，Melton B，Parkes A.Status of ECSS Standards for Ground Systems and Operations[C]//ESA EGSE Workshop.ESA ESTEC Noordwijk，Netherlands，F(xiàn)ebruary 11～12，2003.

[5]何熊文，張 猛.遙控和遙測包應用標準在航天器中的使用方法[J].航天器工程，2012，21(3)：54～60.

Design of High-efficiency Telecommand Up load M ethod under Lim ited Up link Channel

Liu Yang， Li Jiaqi， Li Zongde

Multi-commands compression and encapsulation with special mission instruction are brought forward to solve the problem that plenty of telecommands are difficult to upload in a short time under limited uplink channel.By this means，the efficiency of data injection is improved greatly and the operation ofmission center is simplified.The applications of themethod show the effectiveness of design on making full use of uplink channel.

Telecommand； Compression and encapsulation； Data injection； Specialmission instruction

V556

A

CN11-1780(2014)06-0045-05

863計劃課題；全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星總體及平臺研制(2011AA12A101)

2014-08-13 收修改稿日期：2014-08-25

劉 洋 1980年生，工學博士，主要從事衛(wèi)星測控總體設計、自動測試系統(tǒng)設計等的研究。

李家琦 1985年生，工程師，主要研究方向為測控協(xié)議設計，自動測試軟件開發(fā)。

李宗德 1988年生，工程師，主要研究方向為測控系統(tǒng)軟硬件開發(fā)。