徐浩王同桓劉振星雷勇毛一嵐

（1北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）（2中國航天科技集團公司，北京 100048）

ECSS的包應(yīng)用標準及其應(yīng)用

徐浩1王同桓1劉振星2雷勇1毛一嵐1

（1北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）（2中國航天科技集團公司，北京 100048）

對經(jīng)過約30年在軌驗證的歐洲空間標準化合作組織（ECSS）的包應(yīng)用標準（PUS）作了系統(tǒng)性的闡述，研究了PUS在地面用戶和在軌運行航天器的交互支持和操作控制方面的應(yīng)用，包括PUS標準化的使用范圍和應(yīng)用規(guī)范等。對比和分析了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）的相關(guān)標準，提出了ECSS PUS應(yīng)用的功能映射關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并進一步給出了利用ECSS PUS進行航天器常規(guī)任務(wù)管理、自主任務(wù)管理、自主健康管理等的應(yīng)用建議，可為國內(nèi)航天機構(gòu)引入ECSS PUS運行和管理思路提供參考。

包應(yīng)用標準；應(yīng)用業(yè)務(wù)；自主管理

1 引言

20世紀90年代以來，隨著歐洲航天器發(fā)射任務(wù)的迅猛增加和航天器商業(yè)化產(chǎn)業(yè)運營模式的成熟，航天器研制方與航天器用戶面臨了各自亟待解決的難題。對于航天器研制方，歐洲航天局（ESA）發(fā)射的航天器大部分用于盈利性的商業(yè)運營［1］，硬件產(chǎn)品的快速集成已經(jīng)不是制約研制周期和生產(chǎn)成本的主要因素。但作為航天器和用戶連接最直接的應(yīng)用層軟件，研制方卻必須定制不同版本的應(yīng)用層軟件產(chǎn)品，以滿足不同層次用戶的需求，應(yīng)用層的軟件產(chǎn)品自然成為了控制研制周期和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于航天器用戶，由于航天器上應(yīng)用層軟件版本依據(jù)特定任務(wù)定制，因此直接導致航天器上應(yīng)用程序接口的多樣化與復(fù)雜化。另外，每個航天器均配置了不同的操作控制程序，使用方式復(fù)雜，導致用戶無法做到對航天器的協(xié)同管理。為了解決以上問題，作為ESA標準化組織的歐洲空間標準化合作組織（ECSS），經(jīng)過多輪的征集和研討，設(shè)定以下幾點作為基本目標:①降低生產(chǎn)和操作航天器及地面系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和運營風險；②提供地面和航天器協(xié)同工作的應(yīng)用層交互支持的標準化接口；③為航天器的自主操作與控制提供標準業(yè)務(wù)支持；④實現(xiàn)航天器載軟件的可重用和航天器操作流程的共享。ESA于1994年頒布了ECSS包應(yīng)用標準（PUS），該標準隨后取得了重大成功，不僅圓滿地解決了航天器研制方和用戶面臨的上述問題，還帶來了航天器使用效能的顯著提升。

經(jīng)過30年的發(fā)展，ECSS PUS中的系列化標準業(yè)務(wù)通過實際運行航天器的驗證，已經(jīng)十分成熟，并正持續(xù)應(yīng)用到目前和未來的空間飛行任務(wù)中，顯著降低了航天器和地面系統(tǒng)研制、生產(chǎn)和操作控制的成本和風險，成為ECSS最成功的標準案例［2］。基于PUS的成功應(yīng)用，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）也在研討和吸納ECSS PUS的優(yōu)秀成果，并加緊制定一系列標準，用于面向用戶的航天器操作、控制及任務(wù)實施標準，第一個業(yè)務(wù)標準將于2015年頒布［3］。因此，對ECSS PUS的研究和探討，將有助于從標準化業(yè)務(wù)的角度理解歐洲航天器研制、用戶操作體驗和航天器自主化水平等方面的關(guān)聯(lián)關(guān)系［4-6］。

本文主要介紹了ECSS PUS與CCSSDS相關(guān)標準的關(guān)系，分析了ECSS PUS的應(yīng)用，并提出了對我國航天器研制的啟示與建議。

2 國外研究情況

2.1 ESA

ECSS PUS的實現(xiàn)遵循的流程［6］見圖1。

圖1 ECSS PUS流程Fig.1 ECSS PUS flow

1）航天器操作概念的標準化

ECSS PUS首先定義了一類操作的概念，有利于用戶采用一種標準化的方式實施相關(guān)的操作，以達到設(shè)定的目標。操作概念包括日常維護操作，如遙測遙控驗證、遙測報告、航天器軟件管理、航天器操作調(diào)度、航天器監(jiān)視、航天器數(shù)據(jù)存儲等；還包括特殊操作，如故障恢復(fù)、診斷數(shù)據(jù)報告、離線測試等。對于一個特定的任務(wù)，只使用必要的操作即可。

2）非限定性的航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ECSS PUS的實現(xiàn)，不對航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作任何限制，對實現(xiàn)方式也沒有任何約束，可以是軟件實現(xiàn)，也可以是固件實現(xiàn)，甚至是硬件實現(xiàn)，這就為不同領(lǐng)域、不同生產(chǎn)規(guī)模的航天機構(gòu)在不同自主化水平的航天器上應(yīng)用PUS提供了靈活的空間。ECSS PUS是基于應(yīng)用過程的概念，很多結(jié)構(gòu)完全不同的航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)均包含相同的應(yīng)用過程，都可用應(yīng)用過程標識（APID）進行標識。CCSDS定義應(yīng)用過程為“能夠接收遙控包和產(chǎn)生遙測源包的獨立的航天器載應(yīng)用實體，不同的應(yīng)用過程可以控制相同的航天器要素，也可以分別控制不同的航天器要素，如內(nèi)存、單機設(shè)備、指令調(diào)度等”。一個航天器上的處理器可以維持多個應(yīng)用過程，一個應(yīng)用過程的實現(xiàn)也可以分布在不同的微處理器上。

3）標準化航天器操作業(yè)務(wù)模型的建立

ECSS PUS制定了一整套地面應(yīng)用與航天器操作之間交互的規(guī)范，共定義了16類通用業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)模型給出了用戶和航天器交互支持必需的各類功能集合，每類業(yè)務(wù)又包含若干子業(yè)務(wù)，子業(yè)務(wù)用于細化業(yè)務(wù)的應(yīng)用功能和擴展業(yè)務(wù)的使用范圍，特定的業(yè)務(wù)與子業(yè)務(wù)集合滿足了用戶實現(xiàn)航天器控制操作的各類應(yīng)用需求。一個特定空間任務(wù)的實現(xiàn)，只要選擇滿足需求的業(yè)務(wù)集合即可。PUS對每類業(yè)務(wù)均設(shè)定了可擴展的標準接口，以滿足具備特殊需求的用戶自我制定擴展業(yè)務(wù)。

表1列舉了PUS定義的各類業(yè)務(wù)。其中，除了3類未使用業(yè)務(wù)（業(yè)務(wù)7、10、16）外，目前有16類通用業(yè)務(wù)可用，且ECSS會隨著航天技術(shù)的進步和使用需求的增長而不斷對業(yè)務(wù)進行擴充。根據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用范疇，可對16類業(yè)務(wù)進行歸類。圖2是丹麥TERMA公司生產(chǎn)的航天器操作軟件提供的一種業(yè)務(wù)分類方式［7］。每類業(yè)務(wù)均有各自的使用特性，航天器設(shè)計部門可根據(jù)用戶需求組合使用。

4）業(yè)務(wù)模型的直接輸出物

ECSS PUS針對每類業(yè)務(wù)均定義了航天器監(jiān)視與操作控制消息（SM&C）。SM&C具體包括地面用戶對航天器操作或航天器自主操作時的各類消息格式（遙測遙控消息數(shù)據(jù)格式、功能管理消息數(shù)據(jù)格式、指令調(diào)度管理消息數(shù)據(jù)格式），消息的實現(xiàn)是基于CCSDS遙控包和遙測源包的基本格式，以確保與CCSDS各類協(xié)議的無縫銜接，能夠使PUS順利接入航天器子網(wǎng)和空間鏈路網(wǎng)絡(luò)。

CCSDS定義的包副導頭是可選的，而PUS則將該區(qū)域開辟為使用各類業(yè)務(wù)的格式定義，決定了提供業(yè)務(wù)的性質(zhì)，因此該區(qū)域是必需的。業(yè)務(wù)與子業(yè)務(wù)的組合可用（x，y）表示，x和y分別為業(yè)務(wù)類型和子業(yè)務(wù)類型，組合代表的功能與航天器上實際的應(yīng)用程序模塊相對應(yīng)，遙控包進行應(yīng)用過程的選擇和控制，遙測源包則反映了應(yīng)用過程的執(zhí)行結(jié)果。ECSS PUS并不限制航天器上實現(xiàn)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)、方式和編程語言，可以根據(jù)航天機構(gòu)各自的特點自行規(guī)劃和實現(xiàn)，以圖3中的遙控包為例進行數(shù)據(jù)格式的說明。

表1 PUS推薦業(yè)務(wù)Table 1 PUS recommended services

圖2 TERMA公司業(yè)務(wù)分類方式Fig.2 Service classification of TERMA

圖3 PUS消息格式說明Fig.3 PUS message form illustration

2.2 CCSDS

ECSS PUS取得的巨大成功和商業(yè)效益，在全球范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注。2009年，CCSDS專門成立了研討小組（歸屬于任務(wù)操作和信息管理業(yè)務(wù)領(lǐng)域），對PUS進行了專項研討，擬對其再次修訂后納入CCSDS建議書中。PUS主要用于地面系統(tǒng)與航天器的交互支持，CCSDS在此基礎(chǔ)上還將業(yè)務(wù)擴展為地面系統(tǒng)與地面系統(tǒng)、航天器與航天器之間的交互支持。

CCSDS SM&C工作組負責相關(guān)標準的制定，但與ECSS SM&C工作組的實施思路不同。CCSDS SM&C工作組將業(yè)務(wù)實施所涉及的操作概念標準、業(yè)務(wù)模型標準、操作信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標準分層分級的制定［8］，而ECSS SM&C工作組則是將以上三類標準合訂為一本標準進行出版（即ECSS PUS）。截至目前，CCSDS在形成協(xié)議標準方面，主要成果為2010年頒布任務(wù)操作業(yè)務(wù)概念（MOSC）標準［9］，但與空間任務(wù)操作緊密相關(guān)的各類業(yè)務(wù)模型標準和操作信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標準，均未正式頒布，其中CCSDS只發(fā)展了監(jiān)視與控制業(yè)務(wù)，其他業(yè)務(wù)還在規(guī)劃中。規(guī)劃中的業(yè)務(wù)標準包括時間業(yè)務(wù)、軟件管理業(yè)務(wù)、規(guī)劃業(yè)務(wù)、調(diào)度業(yè)務(wù)、自主操作業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品管理業(yè)務(wù)、位置業(yè)務(wù)、飛行動力學業(yè)務(wù)和終端緩沖區(qū)管理業(yè)務(wù)等。

表2對CCSDS MOSC業(yè)務(wù)和ECSS PUS業(yè)務(wù)進行了對比?？梢钥闯觯琈OSC業(yè)務(wù)覆蓋了全部的PUS業(yè)務(wù)，體現(xiàn)出MOSC業(yè)務(wù)對PUS成果的認可及擴展。通過繪制ECSS PUS和CCSDS MOSC的發(fā)展路線（見圖4），可獲得ESA和CCSDS關(guān)于空間任務(wù)實施操作的發(fā)展趨勢。由圖4可見，CCSDS空間包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間任務(wù)操作業(yè)務(wù)共同的思想，使得CCSDS MOSC和ECSS PUS有基礎(chǔ)且有條件進行融合［2］，最終成為統(tǒng)一體，使未來基于PUS的航天器和基于MOSC的地面系統(tǒng)成為航天領(lǐng)域的主流配置。

表2 CCSDS MOSC業(yè)務(wù)和ECSS PUS業(yè)務(wù)對比Table 2 Comparison between CCSDS MOSC and ECSS PUSservices

圖4 ECSS PUS與CCSDS MOSC的發(fā)展路線Fig.4 Development road of ECSS PUS and CCSDS MOSC

3 ECSS PUS應(yīng)用分析

鑒于ECSS PUS的成功應(yīng)用（如表3所示），以及CCSDS MOSC還未頒布正式的業(yè)務(wù)標準，且ECSS PUS和CCSDS MOSC的共同目標是一致的，即為用戶提供標準、自主管理及友好的航天器任務(wù)操作接口，本文重點對ECSS PUS的應(yīng)用進行了研究。

ECSS PUS的典型特點為“可裁剪性”，如表3中的“金星快車”探測器，對自主性要求較強，裁剪性地選擇了參數(shù)統(tǒng)計報告業(yè)務(wù)、事件報告業(yè)務(wù)、航天器指令調(diào)度業(yè)務(wù)、航天器監(jiān)視業(yè)務(wù)和事件操作業(yè)務(wù)，即ECSS PUS是空間任務(wù)操作的全集，每個特定的空間任務(wù)需要的操作為ECSS PUS的子集，根據(jù)任務(wù)需求選取必要的業(yè)務(wù)，不必實現(xiàn)ECSS PUS的全部業(yè)務(wù)。圖5給出了航天器任務(wù)功能實施與ECSS PUS業(yè)務(wù)選擇的映射關(guān)系。

表3 應(yīng)用ECSS PUS的航天器示例Table 3 Spacecraft using ECSS PUS

圖5 航天器任務(wù)功能實施與ECSS PUS業(yè)務(wù)選擇的映射關(guān)系Fig.5 Relationship between spacecraft mission and ECSS PUS service selection

ECSS PUS以航天器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層程序模塊為載體，地面系統(tǒng)對航天器的操作通過空間鏈路網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。實現(xiàn)ECSS PUS的基本網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖6所示［3］。由圖6可知，應(yīng)用層之前的消息傳送均基于CCSDS源包或PUS源包。地面系統(tǒng)與航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)的鏈接依賴于空間鏈路協(xié)議，如遙測空間鏈路協(xié)議、遙控空間鏈路協(xié)議、高級在軌系統(tǒng)（AOS）空間鏈路協(xié)議等［10-12］。PUS源包可以通過航天器載接口業(yè)務(wù)（SOIS），也可以直接進入應(yīng)用層。若采用SOIS航天器載子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，要同步配置子網(wǎng)層、子網(wǎng)支持層的系列化標準業(yè)務(wù)，包括CCSDS 850.0-G-1等［13］。若航天器不具備SOIS結(jié)構(gòu)，則可以直接進入應(yīng)用層。PUS業(yè)務(wù)隸屬于應(yīng)用層，應(yīng)用層的各類應(yīng)用過程實體承載著不同的業(yè)務(wù)模塊，應(yīng)用過程之間的關(guān)聯(lián)與業(yè)務(wù)的映射組合對應(yīng)了航天器不同的應(yīng)用功能。這些應(yīng)用功能的實現(xiàn)不是傳統(tǒng)的依特定空間任務(wù)定制，而是依據(jù)用戶任務(wù)需求對標準化業(yè)務(wù)的排列組合，可以選取構(gòu)件化的軟件模塊作為應(yīng)用功能的基本元素，并沒有因任務(wù)不同而開發(fā)額外的定制程序，一旦標準業(yè)務(wù)構(gòu)件數(shù)據(jù)庫形成，則各類空間飛行任務(wù)均可共享（除非用戶有特殊需求），因此可顯著降低航天器的研制周期、生產(chǎn)成本和運營難度，為航天器研制方和地面用戶帶來雙重效益。

圖6 實現(xiàn)ECSS PUS的基本網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic network architecture of ECSS PUS

4 啟示與建議

ECSS PUS作為目前歐洲航天機構(gòu)普遍采用的用戶與航天器交互操作的使用規(guī)范，取得了廣泛的成功，為航天器用戶和研制方帶來了明顯的商業(yè)效益和使用效能的提升。為此，CCSDS也對PUS的各項成果進行了吸收與采納，并預(yù)備產(chǎn)生擴展性的國際標準。結(jié)合ECSS PUS的空間應(yīng)用背景，可歸納其主要價值體現(xiàn)為以下兩個方面。

（1）從運行約30年的成效來看，ECSS PUS在簡化用戶操作航天器流程，降低用戶控制航天器難度，節(jié)約用戶運營管理航天器成本，縮短航天器研制周期，降低航天器在軌運行風險（反復(fù)驗證的應(yīng)用層業(yè)務(wù)，使得功能實現(xiàn)十分可靠）等方面起到了重要的作用。

（2）為提高航天器的自主管理提供了技術(shù)手段。大量的標準化業(yè)務(wù)為航天器自主運行和控制提供應(yīng)用層的接口和調(diào)度策略；靈活的擴展業(yè)務(wù)為特殊需求的自主控制操作提供可定制接口，能滿足用戶對航天器操作的友好性和地面管理航天器的便利性需求。

因此，ECSS PUS可為國內(nèi)航天器研制單位提供有價值的參考。目前，在我國航天器的研制中，對國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標準的應(yīng)用主要體現(xiàn)在空間網(wǎng)絡(luò)的鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及物理層的CCSDS標準，應(yīng)用層標準的實現(xiàn)主要體現(xiàn)在圖像壓縮和編碼等類似標準。由于這些標準并不能直接與用戶的操作控制進行銜接，因此航天器操作控制層面的性能有待提升。特別是低軌遙感領(lǐng)域，衛(wèi)星的非可控弧段時長占據(jù)整個弧段的90%以上，衛(wèi)星自主操作就顯得尤為重要。ECSS PUS為低軌遙感衛(wèi)星提供了面向用戶的操作接口，能夠在應(yīng)用層顯著簡化地面操作的復(fù)雜性，作為公認的應(yīng)用層標準，得到了航天器總體設(shè)計單位越來越多的重視，并在航天器研制中被逐步推廣應(yīng)用。圍繞著ECSS PUS的應(yīng)用領(lǐng)域，在后續(xù)的研究中，應(yīng)著重考慮基于空間子網(wǎng)SOIS的ECSS PUS的實施途徑。

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［1］郭振偉，遇今，顧敏.航天器可靠性“系統(tǒng)保證”理念及相關(guān)技術(shù)探討［C］//2012年航天可靠性學術(shù)交流會論文集.北京:中國航天標準化研究所，2012:97-101 Guo Zhenwei，Yu Jin，Gu Min.Idea and technique of spacecraft reliability“system guarantee”［C］//Proceedings of Space Reliability Academic Conference 2012.Beijing:China Aerospace Standard Institute，2012:97-101（in Chinese）

［2］Mario Merry，Sam Cooper，Brigitte Behal.What has CCSDS SM&C to do with ECSS PUS［C］//Proceedings of Space Operations 2010 Conference.Noordwijk: ECSS，2010:1-7

［3］Sam Cooper，Mario Merri.CCSDS mission operations［EB/OL］.［2013-06-05］.http://www.congrex.nl/1 1c22/docs/11C22_ADCSS/08---mission-operationservices---future-trends.pdf

［4］European Cooperation for Space Standardization.ESA PSS-07-101 Space engineering:packet utilisation standard［S］.Noordwijk:ECSS，1994

［5］European Cooperation for Space Standardization.ECSSE-70-41A Space engineering:ground systems and operations telemetry and telecommand packet utilization［S］.Noordwijk:ECSS，2003

［6］M Merri，B Melton，S Valera.The ECCS packet utilization standard and its support tool［C］//Proceedings of Space Operations 2002 Conference.Noordwijk:ECSS，2002:6-11

［7］TERMA.On-board operations software［R］.Lystrup: Space Engineering and Knowledge，1999

［8］Sam Cooper，Mario Merri.CCSDS mission operation services in space［C］//Proceedings of Space Operations 2012 Conference.Noordwijk:ECSS，2012:1065-1069

［9］CCSDS.CCSDS 520.0-G-3 Mission operations services concept［S］.Washington D.C.:CCSDS，2010

［10］CCSDS.CCSDS 132.0-B-1 TM space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2003

［11］CCSDS.CCSDS 232.0-B-1 TC space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2003

［12］CCSDS.CCSDS 732.0-B-2 AOS space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2006

［13］CCSDS.CCSDS 850.0-G-1 Spacecraft onboard interface services［S］.Washington D.C.:CCSDS，2007

（編輯：夏光）

Research on ECSS PUS and Its Applications

XU Hao1WANG Tonghuan1LIU Zhenxing2LEI Yong1MAO Yilan1
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100048，China）

Application standards for cross support and controlling are provided between ground users and spacecraft by the ECSS（European Cooperation for Space Standardization）PUS（packet utilization standard）which is validated through thirty-year orbit verification.The ECSS PUS is introduced systematically including standardized application range and specification，and is compared with the related CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）standards.The application function mapping and network system structure are proposed，and the application advice is also given，such as common mission management，autonomous mission management and autonomous health management，which may provide some references for bringing the ECSS PUS to space institute in China.

PUS；application service；autonomous management

V446.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.017

2014-01-09；

2014-03-11

徐浩，男，博士，高級工程師，從事遙感衛(wèi)星空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計工作。Email：xuhao2010@gmail.com。