張紅軍 郭堅

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

鄰近空間鏈路協(xié)議在火星探測中的應用研究

張紅軍 郭堅

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

介紹了鄰近空間鏈路協(xié)議（Proximity-1 space link protocol）的分層模型和業(yè)務類型。從3個方面分析了在我國火星探測任務中應用鄰近空間鏈路協(xié)議的優(yōu)勢：首先提出了火星探測中在軌道器和漫游車之間建立鄰近空間鏈路的典型應用，其次分析了鄰近空間鏈路在解決遠距離傳輸信號衰減和延時問題上起到了一定的作用，最后說明了鄰近空間鏈路比高級在軌系統(tǒng)（AOS）空間數(shù)據(jù)鏈路更適合于火星探測任務。文章進一步設計了鄰近空間鏈路協(xié)議的傳輸幀結構，提出了數(shù)據(jù)傳輸幀的幾種端口路由策略以及數(shù)據(jù)鏈路的差錯控制方式。

鄰近空間鏈路協(xié)議；火星探測；協(xié)議數(shù)據(jù)單元；鄰近鏈路傳輸單元；端口路由

1 引言

進入21世紀以來，國際上先后進行了多次火星探測發(fā)射任務，都取得成功或基本成功［1］。火星探測器與地球的最遠通信距離達4億千米，導致通信過程存在巨大的信號衰減和延時。為了克服這一問題，僅依靠增大器載設備或地面站的發(fā)射機功率和天線口徑的方法受到限制，必須采取綜合技術措施予以解決［2］，應用鄰近空間鏈路就是一項有力的措施。

早在2001年，NASA就將鄰近空間鏈路應用于火星奧德賽軌道器（Mars Odyssey Orbiter）和火星漫游車（即巡視器）之間的通信。火星漫游車直接與地球通信的速率僅為幾千比特每秒，與奧德賽軌道器通信的速率可達2 Mbit/s，而奧德賽軌道器和地球通信的數(shù)據(jù)傳輸速率可達256 kbit/s，這樣實際上間接提高了漫游車和地球之間的通信速率。

2011年我國研制的螢火一號火星探測器曾搭載俄羅斯的運載火箭發(fā)射。螢火一號火星探測器應用X頻段直接和地球通信［3］，器地通信的碼速率最高達8 kbit/s［4］，通信速率明顯低于通過軌道器轉發(fā)的通信速率，比較遺憾的是由于諸多原因此次發(fā)射任務失敗了，設計實現(xiàn)的各項技術指標沒能經(jīng)過在軌飛行驗證，我國目前尚沒有在火星探測任務中應用過鄰近空間鏈路。

本文介紹了鄰近空間鏈路協(xié)議的基本結構，分析了在我國火星探測任務中應用鄰近空間鏈路的優(yōu)勢，提出了在我國火星探測任務中應用鄰近空間鏈路協(xié)議的傳輸幀數(shù)據(jù)結構、端口路由策略以及差錯控制方式，可為載人登月和其他行星探測任務提供參考。

2 鄰近空間鏈路協(xié)議簡介

2.1 分層模型

鄰近空間鏈路協(xié)議是一個雙向空間鏈路層協(xié)議，其分層模型包含兩層:物理層（Physical Layer）和數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）［5］。數(shù)據(jù)鏈路層又包含5個子層:編碼和同步子層（Coding and Synchroneous Sublayer）、幀子層（Frame Sublayer）、介質訪問控制子層（Medium Access Control Sublayer）、數(shù)據(jù)業(yè)務子層（Data Services Sublayer）和輸入輸出子層（Input/Output Layer）［6］，如圖1所示。［5］

圖1 鄰近空間鏈路協(xié)議分層模型Fig.1 Proximity-1 layered protocol model

2.2 業(yè)務類型

鄰近空間鏈路協(xié)議提供兩種業(yè)務:數(shù)據(jù)業(yè)務和時間業(yè)務。數(shù)據(jù)業(yè)務包含兩種類型:數(shù)據(jù)包和用戶定義數(shù)據(jù)［5］。本文只介紹數(shù)據(jù)業(yè)務。

數(shù)據(jù)包傳輸業(yè)務傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包包括CCSDS源數(shù)據(jù)包、空間通信協(xié)議規(guī)范-網(wǎng)絡協(xié)議（SCPS-NP）數(shù)據(jù)包、IPV4數(shù)據(jù)包以及封裝數(shù)據(jù)包。當數(shù)據(jù)包長度小于鏈路允許的幀數(shù)據(jù)域最大長度時，數(shù)據(jù)包多路復用填入傳輸幀。當數(shù)據(jù)包長度大于鏈路允許的幀數(shù)據(jù)域最大長度時，數(shù)據(jù)包分段后插入傳輸幀，接收端收到以后重新組裝成數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包傳輸業(yè)務利用端口標識來識別具體的物理端口或者邏輯端口，通過這些端口發(fā)送數(shù)據(jù)包［5］。

用戶定義數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務通過傳輸幀頭中的端口標識來傳輸單個用戶的字節(jié)數(shù)據(jù)集合。依據(jù)數(shù)據(jù)的規(guī)模，用戶數(shù)據(jù)置于一個或多個傳輸幀中。用戶定義數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務利用端口標識來識別具體的物理端口，通過這些端口發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)［5］。

鄰近鏈路數(shù)據(jù)業(yè)務提供兩種級別的業(yè)務質量:順序控制業(yè)務和加急業(yè)務。數(shù)據(jù)鏈路層可以傳輸數(shù)據(jù)包和用戶定義數(shù)據(jù)單元，這兩種數(shù)據(jù)單元均可通過順序控制業(yè)務或者加急業(yè)務傳輸［5］。

3 火星探測中的應用研究

3.1 鄰近空間鏈路的優(yōu)勢

1）典型的鄰近空間鏈路應用場景

國際上常用的火星探測模式為火星軌道器加火星漫游車，例如NASA的奧德賽探測器和好奇心號火星車，我國的月球探測任務也采用的是軌道器加漫游車的探測模式，那么后續(xù)的火星探測任務可以借鑒國際上的成功經(jīng)驗，并應用我國月球探測任務積累的寶貴技術基礎，同樣采用軌道器加漫游車的探測模式，由軌道器將漫游車的大部分數(shù)據(jù)轉發(fā)到地球。

這種軌道器和漫游車之間的鏈路是典型的鄰近空間鏈路，與空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）建議的通信鏈路完全吻合，那么應用CCSDS提出的鄰近空間鏈路協(xié)議就具有得天獨厚的優(yōu)勢，漫游車通過鄰近空間鏈路協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給軌道器，軌道器再將數(shù)據(jù)轉發(fā)到地球。

2）解決遠距離信號傳輸衰減問題的有效措施

我國已經(jīng)改造完成的喀什和佳木斯測控站具備S和X頻段［7］的測控和數(shù)據(jù)接收能力，預計于2016年將建成的南美深空測控站則具備S、X和Ka三個頻段的測控和數(shù)據(jù)接收能力［8］，屆時將形成三個測控站聯(lián)網(wǎng)組成的深空測控網(wǎng)。

同等條件下高頻信號比低頻信號的信噪比更高，可以提供的數(shù)據(jù)率更高，抗干擾能力更強［7］，火星軌道器和漫游車之間建立鄰近空間鏈路，則只需要提高軌道器發(fā)射機的頻率和功率。

在我國深空測控網(wǎng)的有力支持下，我國在后續(xù)的火星探測任務中，可以為軌道器配備Ka頻段天線（31.8～34.7 GHz［7］）和X頻段天線（7.15～8.45 GHz［7］）與地球進行通信；為漫游車配備X頻段天線和甚高頻（UHF）天線（大約400 MHz），其中X頻段天線直接與地球進行通信，UHF天線與軌道器進行通信，再由軌道器將漫游車的數(shù)據(jù)轉發(fā)到地球。

火星漫游車與軌道器之間建立鄰近空間鏈路，二者之間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達幾兆比特每秒，由于軌道器比地球上的深空網(wǎng)天線更接近于漫游車，并且地球在軌道器的視場內(nèi)的時間要長于地球在漫游車的視場內(nèi)的時間，這樣就使得軌道器能以更快的速率將更多的數(shù)據(jù)傳回地球，軌道器可以中轉漫游車和地球之間的大部分數(shù)據(jù)。

火星漫游車、軌道器及地面站之間的通信鏈路示意如圖2所示。數(shù)管綜合管理軟件完成數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)組織與傳輸，一方面接收測控應答機的上行遙控數(shù)據(jù)，另一方面將下行遙測數(shù)據(jù)或科學數(shù)據(jù)發(fā)送到測控應答機，而由測控應答機完成各自頻段上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，包括火星漫游車和軌道器之間的通信、漫游車和地面站之間的通信以及軌道器和地面站之間的通信。

3）比AOS空間數(shù)據(jù)鏈路更適合于火星探測任務

高級在軌系統(tǒng)（AOS）空間數(shù)據(jù)鏈路的特點是單向傳輸、無確認機制、無數(shù)據(jù)完整性的保證機制，即“發(fā)送端”僅能發(fā)送而不能接收，“接收端”僅能接收而不能發(fā)送，“發(fā)送端”不接收“接收端”的確認信息，無法保證鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性，更多地應用于星-地測控和通信系統(tǒng)。AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議不具備鏈路的建立和釋放功能、流量控制功能以及數(shù)據(jù)單元重傳功能［9］。

鄰近空間鏈路則是近距離、雙向、固定或移動的無線電鏈路，鏈路特征是短時延、中等強度信號、簡短獨立的會話，通常用于固定探測器、著陸器、在軌星座及軌道中繼器之間的通信［5］。鄰近空間鏈路協(xié)議具有鏈路管理、差錯控制及流量控制等功能，它可以完成通信鏈路的建立、維持及釋放，可以檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的差錯，并根據(jù)信道情況和實際需求進行相應的錯誤處理，當發(fā)送能力大于接收能力時，調節(jié)數(shù)據(jù)鏈路上的信息流量，避免鏈路阻塞。

對于火星探測漫游車和軌道器之間這種自主的雙向通信方式，需要自主完成可靠的、無差錯數(shù)據(jù)、無重復數(shù)據(jù)的通信鏈路建立、維持及釋放，完成漫游車和軌道器之間的無線通信，因此，需要采用鄰近空間鏈路。

圖2 漫游車、軌道器和地面站通信鏈路示意圖Fig.2 Communication Link between rover，orbiter and earth station

3.2 傳輸幀結構設計

1）協(xié)議數(shù)據(jù)單元

鄰近鏈路傳輸單元（PLTU）長度可變，以適應長度可變的數(shù)據(jù)內(nèi)容，如圖3所示。［5］

圖3 鄰近鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元內(nèi)外關系圖Fig.3 Proximity-1 protocol data unit context diagram

PLTU包括24 bit附加同步標識（FAF320H）和32 bit CRC校驗，數(shù)據(jù)域可包含整數(shù)字節(jié)未分段數(shù)據(jù)包、一個獨立的數(shù)據(jù)包段或者用戶定義數(shù)據(jù)。版本3傳輸幀包括5 byte幀頭和最大2043 byte幀數(shù)據(jù)域。傳輸幀頭長度固定為5 byte，包含10個強制域，按順序連續(xù)組織，見表1。［5］

表1 傳輸幀頭結構Table 1 Structure of transfer frame head

傳輸幀數(shù)據(jù)域長度可變，最短0 byte，最長2043 byte。傳輸幀數(shù)據(jù)域包含數(shù)據(jù)包、段數(shù)據(jù)單元、CCSDS保留域和用戶定義數(shù)據(jù)4種類型。

2）數(shù)據(jù)傳輸幀

數(shù)據(jù)傳輸幀結構如圖4所示。［5］

圖4 數(shù)據(jù)傳輸幀F(xiàn)ig.4 Data transfer frame

幀頭各控制域設計如下:

（1）版本號，置為“10B”，表明版本3傳輸幀。

（2）業(yè)務質量（QOS），如果為獨立數(shù)據(jù)幀，則采用加急傳輸業(yè)務，此控制域置為“1B”，如果為多個有相互關系的數(shù)據(jù)幀，則采用順序控制傳輸業(yè)務，此控制域置為“0B”。

（3）協(xié)議數(shù)據(jù)單元類型標識（SDU Type ID），置為“0B”，表明用戶數(shù)據(jù)信息。

（4）數(shù)據(jù)域結構標識（DFC ID），置為“00B”，表明數(shù)據(jù)域為數(shù)據(jù)包。

（5）航天器標識（SCID），用于區(qū)分多個航天器，不同航天器分配不同的SCID。

（6）物理通道標識（PCID），默認設置為“0B”，選擇物理通道0。

（7）端口標識（Port ID），用來區(qū)分傳輸幀中用戶數(shù)據(jù)目的地的邏輯端口，見表2。

表2 端口標識定義Table 2 Port identifier definition

（8）目的或源標識，置為“1”，表明SCID為目的航天器的標識；置為“0”，表明為SCID為源航天器的標識。

（9）幀長，傳輸幀總字節(jié)數(shù)減1，依據(jù)幀數(shù)據(jù)域的實際長度來計算此控制域的值。

（10）幀序列號，如果QOS為1，表明此傳輸幀為采用加急傳輸業(yè)務的獨立幀，不需要計數(shù)。如果QOS為0，表明此傳輸幀為順序控制幀，需要計數(shù)，取值范圍是0～255。

3.3 傳輸幀端口路由

上行遙控包括注入數(shù)據(jù)和直接指令，地面不會同時上注注入數(shù)據(jù)和直接指令，因此只需要根據(jù)端口標識發(fā)送到相應的邏輯端口即可，不需要進行特別的調度，本節(jié)只針對下行數(shù)據(jù)的端口路由調度情況進行說明。

下行各端口數(shù)據(jù)路由調度分為兩級，第一級為同步路由調度，第二級為異步路由調度。第一級路由調度（R0.0）包括Port01常規(guī)遙測數(shù)據(jù)（E1.0）和第二級調度（I1.1），其中Port01和第二級調度的比例可通過上注指令來修改。第二級路由調度（I1.1）包括Port02～Port04的數(shù)據(jù)，其中，Port02的優(yōu)先級最高，Port04次之，Port03最低。端口路由調度如圖5所示。

Port01和Port03按比例傳輸，一直循環(huán)傳輸不間斷。如果需要傳輸Port04的數(shù)據(jù)（地面發(fā)送指令控制），則停止Port03，改為Port01和Port04按比例傳輸，由地面發(fā)送指令停止Port04的傳輸，變回Port01和Port03的傳輸。如果需要傳輸Port02的數(shù)據(jù)（地面發(fā)送指令控制），則停止Port03或Port04，改為Port01和Port02按比例傳輸，Port02的數(shù)據(jù)傳輸完成后自動變回收到指令前的傳輸。

圖5 端口路由調度Fig.5 Port route assign

3.4 差錯控制方式

自動請求重傳（ARQ）是數(shù)據(jù)通信中常用的一種差錯控制方式，包括3種基本的重傳機制:停等ARQ（SW-ARQ）、后退N幀ARQ（GBN-ARQ）以及選擇重傳ARQ（SR-ARQ）［10］。

由于GBN-ARQ和SR-ARQ對緩存空間的要求比較高且實現(xiàn)算法非常復雜，導致器件成本增加。SW-ARQ是指發(fā)送端發(fā)出一幀數(shù)據(jù)后便停止發(fā)送，等待接收端的應答信號。若接收端收到正確的數(shù)據(jù)，則發(fā)送確認應答幀（ACK）給發(fā)送端，當發(fā)送端收到ACK后，繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了差錯，接收端收到有差錯的數(shù)據(jù)幀后發(fā)送否認應答幀（NAK），當發(fā)送端收到NAK后，重新發(fā)送上一幀數(shù)據(jù)。SW-ARQ算法實現(xiàn)相對簡單并且對資源占用不高。

綜合考慮各項因素，此處設計的鄰近空間鏈路協(xié)議采用SW-ARQ差錯控制方式。

4 結束語

鄰近空間鏈路協(xié)議在國際火星探測任務中已經(jīng)有了實際的應用，而我國在深空探測任務中尚未應用。本文分析了火星探測任務中的軌道器和漫游車之間的通信鏈路是一種典型的鄰近空間鏈路，漫游車應用低頻天線將數(shù)據(jù)發(fā)送給軌道器，再由軌道器應用高頻天線轉發(fā)到地球，這種通信方式一方面在一定程度上降低了器載通信設備的功率和頻率要求，另一方面又有效地提高了通信速率、克服了信號衰減。本文依據(jù)CCSDS標準，提出了我國火星探測任務中鄰近空間鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸幀的數(shù)據(jù)結構，提出了幾種數(shù)據(jù)傳輸幀的通信端口路由策略以及數(shù)據(jù)鏈路差錯控制方式，有助于在我國的火星探測任務中應用。

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（編輯：李多）

Research on Application of Proximity-1 Space Link Protocol in Mars Exploration

ZHANG Hongjun GUO Jian
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Layered model and service types of Proximity-1 space link protocol are described in this paper.The advantage of using Proximity-1 space link protocol in Mars exploration project is analysed in three aspects.Firstly，the typical application of establishing Proximity-1 space link between the orbiter and the rover is advanced.Secondly，the link plays a significant role in solving the problem of signal attenuation and delay intervening remote transmission.Finally，Proximity-1 space link is a more appropriate link used in Mars exploration than AOS space data link.In addition，the data structure of transfer frame used in Proximity-1 space link protocol is designed.The strategy for routing transfer frame from some ports and the error control method of data link are presented.

Proximity-1 space link protocol；Mars exploration；protocol data unit；proximity link transmission unit；port route

V557

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.013

2014-12-04；

2015-03-02

張紅軍，男，工程師，研究方向為遙感和深空探測星載軟件及其可靠性、空間通信鏈路。Email：zhanghjbuaa@ sina.com。