黃薇 張樂 （北京空間科技信息研究所）

?

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會的專業(yè)領(lǐng)域及其發(fā)展綜述

黃薇 張樂 （北京空間科技信息研究所）

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）致力于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，以促進(jìn)空間機(jī)構(gòu)之間地面與空間資源的共享，降低任務(wù)開發(fā)與集成成本。經(jīng)過30多年的發(fā)展，CCSDS已經(jīng)發(fā)展成為該領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)化組織，所開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛認(rèn)可與應(yīng)用。在此，對CCSDS的專業(yè)領(lǐng)域以及近期技術(shù)發(fā)展動態(tài)進(jìn)行介紹與分析。

1　引言

CCSDS成立于1982年，致力于解決空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)與操作過程中的共性問題，通過采用通用功能取代任務(wù)專用設(shè)計(jì)來降低開發(fā)費(fèi)用；促進(jìn)空間機(jī)構(gòu)之間的互操作和互支持，通過共享設(shè)施來降低操作費(fèi)用。經(jīng)過30余年的發(fā)展，CCSDS已經(jīng)有11個正式成員、29個觀察員，涵蓋了國際上所有重要空間機(jī)構(gòu)。

CCSDS與其他相關(guān)國際組織保持著緊密的合作關(guān)系。CCSDS行使國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）下屬航空航天標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的第13分技術(shù)委員會—空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會（ISO/ TC20/SC13）的職能，目前已經(jīng)有28份CCSDS建議書被直接轉(zhuǎn)換為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)構(gòu)間操作指導(dǎo)組（IOAG）在交互支持領(lǐng)域的頂層規(guī)劃是CCSDS標(biāo)準(zhǔn)化工作的重要指導(dǎo)性輸入。歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（ECSS）、美國航空航天學(xué)會（AIAA）等國家或區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化組織也與CCSDS相互協(xié)調(diào)，保持相互之間的標(biāo)準(zhǔn)兼容性；AIAA還為CCSDS提供了秘書處支持。此外，CCSDS還積極關(guān)注對象管理組織（OMG）、國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF），國際互聯(lián)網(wǎng)研究任務(wù)組（IRTF）的工作成果，積極采納其開發(fā)的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，CCSDS已經(jīng)建立了比較完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)布了近90本規(guī)范性建議書，涉及空間段及地面段的信息傳輸、信息接口、信息安全、信息交換和信息處理等。雖然CCSDS出版物被稱為建議書，不具有強(qiáng)制性，但在實(shí)際工程中得到了廣泛認(rèn)可，目前國際上已有超過750個航天任務(wù)宣稱應(yīng)用了CCSDS建議。CCSDS已發(fā)展成為空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)化組織。

2　CCSDS專業(yè)領(lǐng)域基本情況

CCSDS包括空間系統(tǒng)領(lǐng)域、空間信息學(xué)領(lǐng)域和空間信息通信領(lǐng)域3個技術(shù)領(lǐng)域，并進(jìn)一步分為6個專業(yè)方向，每個專業(yè)方向都下設(shè)多個工作組或興趣組（即工作組前身，在下圖中用灰色標(biāo)出）。工作組及興趣組根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化工作項(xiàng)目的立項(xiàng)與結(jié)束而動態(tài)建立、解散。

CCSDS的6個專業(yè)方向如下：

1）系統(tǒng)工程域。負(fù)責(zé)空間任務(wù)的通信、操作以及交互支持的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；就與體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的選擇與其他域進(jìn)行協(xié)調(diào)與合作；評估所有域的工作項(xiàng)目與所規(guī)定體系結(jié)構(gòu)的一致性，是協(xié)調(diào)CCSDS各專業(yè)領(lǐng)域的“總體”。

2）任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)域。負(fù)責(zé)研究進(jìn)行航天器操作、地面系統(tǒng)操作所需的應(yīng)用過程及其信息管理標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)操作信息在“任務(wù)操作”系統(tǒng)與“任務(wù)應(yīng)用”系統(tǒng)之間的順利流轉(zhuǎn)。主要涉及天地之間的操作，以及地面設(shè)施之間操作信息和導(dǎo)航信息交換與共享。

3）交互支持業(yè)務(wù)域。負(fù)責(zé)研究空間網(wǎng)絡(luò)資源共享問題，以實(shí)現(xiàn)交互支持，包括在不同的交互支持接口需要實(shí)現(xiàn)哪些業(yè)務(wù)，以及如何識別、調(diào)度和使用這些業(yè)務(wù)。目前，其工作主要集中在地面資源（尤其是地面站）交互支持，規(guī)定了遙測、遙控以及數(shù)傳業(yè)務(wù)在地面段的傳輸，以及相應(yīng)的管理配置業(yè)務(wù)。

4）星載接口業(yè)務(wù)域。負(fù)責(zé)研究用于航天器內(nèi)部的軟硬件通用接口業(yè)務(wù)，以簡化飛行軟件和硬件協(xié)同工作方式，通過提高軟、硬件的互操作性和可重用性來提高星載設(shè)備開發(fā)及航天器總體集成的工作效率，降低開發(fā)和集成成本。

5）空間鏈路業(yè)務(wù)域。負(fù)責(zé)開發(fā)空間鏈路通信系統(tǒng)（包括星地鏈路、星間鏈路）中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)，用于端到端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以及用于定軌的測距技術(shù)。

6）空間互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)域。負(fù)責(zé)研究各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的通信服務(wù)與協(xié)議，包括航天器與地基資源之間，航天器之間，航天器與著陸單元之間，以及復(fù)雜航天器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該業(yè)務(wù)域所關(guān)注的通信服務(wù)與協(xié)議獨(dú)立于具體的鏈路技術(shù)和應(yīng)用過程，主要涉及開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層。

3　CCSDS的技術(shù)發(fā)展

CCSDS的早期工作主要集中在空間鏈路（尤其是星地鏈路）的射頻與調(diào)制、信道編碼以及空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。CCSDS提出了虛擬信道、分包等先進(jìn)的技術(shù)理念，相比傳統(tǒng)的脈沖編碼調(diào)制（PCM）體制，為空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更好的靈活性，為提高動態(tài)、多用戶空間信息傳輸效率提供了可能。經(jīng)過30余年的發(fā)展，CCSDS的技術(shù)領(lǐng)域逐步向天、向地延伸，并關(guān)注天地一體化、網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)的空間鏈路領(lǐng)域也在隨著任務(wù)需求和技術(shù)進(jìn)步不斷發(fā)展。

向天的延伸

CCSDS雖然規(guī)定了統(tǒng)一的星地數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，但航天器內(nèi)部軟、硬件接口開發(fā)往往以任務(wù)為導(dǎo)向，不同任務(wù)之間星載軟、硬件缺乏可重用性和可移植性。為解決上述問題，星載接口業(yè)務(wù)域進(jìn)行了通用星載接口業(yè)務(wù)的開發(fā)工作，并提出了參考通信模型。通過采用分層方式實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用軟件與硬件設(shè)備的重用性：在應(yīng)用支持層規(guī)定各類空間任務(wù)通用、與具體通信方式無關(guān)的應(yīng)用層功能，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的重用性；在子網(wǎng)層規(guī)定對傳輸介質(zhì)進(jìn)行訪問和利用的功能定義，使用相同數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的硬件設(shè)備可直接重用；如需改變數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，可通過子網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)對原有設(shè)備的重用。通過對子網(wǎng)層與應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)跨子網(wǎng)應(yīng)用之間的互操作性。從2009年起，CCSDS陸續(xù)出版了多份關(guān)于應(yīng)用支持層及子網(wǎng)層的建議書（CCSDS 851/852/853/854/855/871/ 872/873/875/881/882系列）與技術(shù)報告（CCSDS 850.0-G-2）。

CCSDS還對無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在空間任務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，于2015年出版了相關(guān)技術(shù)報告（CCSDS 880.0-G-2），根據(jù)航天器內(nèi)部、航天器之間、行星表面、軌道器與表面探測器以及航天器集成測試等不同應(yīng)用領(lǐng)域的作用距離、數(shù)據(jù)速率、節(jié)點(diǎn)個數(shù)等特點(diǎn)，提出藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線射頻識別（RFID）等商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用建議。

向地的延伸

為了在空間機(jī)構(gòu)之間共享地面資源，除了在星地之間采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還需要在地面段處理好以下環(huán)節(jié)：

1）遙測、遙控、數(shù)傳信息的地面?zhèn)鬏敗＝换ブС謽I(yè)務(wù)域已經(jīng)開發(fā)了相關(guān)的交互支持傳輸業(yè)務(wù)和交互支持管理業(yè)務(wù)。交互支持傳輸業(yè)務(wù)基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP）實(shí)現(xiàn)，根據(jù)傳輸方向（如前向、返向）和交互支持接口（如傳送幀、虛擬信道幀、包等）分為多個具體業(yè)務(wù)。其中返向全幀業(yè)務(wù)（CCSDS 911.1-B-3）、返向信道幀業(yè)務(wù)（CCSDS 911.2-B-2），以及前向通信鏈路傳輸單元（CLTU）業(yè)務(wù)（CCSDS 912.1-B-3）已經(jīng)在國際空間任務(wù)交互支持中得到廣泛應(yīng)用。為改變之前交互支持業(yè)務(wù)管理主要依靠機(jī)構(gòu)間接口控制文件的局面，并為提高業(yè)務(wù)管理的標(biāo)準(zhǔn)化及自動化，CCSDS還開展了交互支持業(yè)務(wù)管理的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并于2009年正式出版了建議書（CCSDS 910.11-B-1），英國航天局和美國航空航天局（NASA）開發(fā)了相關(guān)的原型系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見，交互支持管理業(yè)務(wù)也會在未來得到工程應(yīng)用，成為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間地面交互支持的基本條件之一。

2）導(dǎo)航類信息地面?zhèn)鬏?。任?wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)域制定了針對軌道、導(dǎo)航、姿態(tài)、碰撞等數(shù)據(jù)信息格式的規(guī)范性建議書（CCSDS 502/503/504/508系列）。所規(guī)定格式較適合于文件傳輸。早期版本采用基于關(guān)鍵字的格式。由于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）格式便于計(jì)算機(jī)自動處理又兼顧人工閱讀，且獨(dú)立于計(jì)算機(jī)平臺和軟件實(shí)現(xiàn)，后續(xù)版本增加了XML格式。

此外，在航天器設(shè)計(jì)、研制及運(yùn)行的各個階段，需要在航天工程的多個參與方之間交換航天器遙測遙控信息的定義，例如遙測參數(shù)名稱、含義、表示方法、取值范圍和處理方法等。為此，任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)域制定了基于XML的遙測遙控信息交換標(biāo)準(zhǔn)（CCSDS 660.0-B-1）來提高交換效率。

天地一體化

目前，航天器軟件開發(fā)與地面系統(tǒng)軟件開發(fā)之間相互獨(dú)立進(jìn)行，兩者之間主要靠接口控制文件來約束。當(dāng)需要研制新的任務(wù)軟件系統(tǒng)時，地面段和空間段各自基于以往任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這種模式下，地面段與空間段的軟件開發(fā)相互割裂；雖然各個任務(wù)可能會需要類似的服務(wù)，但這些服務(wù)的定義方式以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式不同，在任務(wù)之間缺乏可重用性。為了解決上述問題，任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)域開發(fā)了任務(wù)操作業(yè)務(wù)。其主要思想是將空間任務(wù)系統(tǒng)看作是由地面軟硬件單元和在軌軟硬件單元組成的分布式系統(tǒng)。地基軟件和在軌軟件有很強(qiáng)的相關(guān)性，從廣義角度可以將其看作是一個分布式軟件應(yīng)用的兩大組成部分。遵循面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）設(shè)計(jì)理念，CCSDS開發(fā)了任務(wù)操作（MO）服務(wù)框架概念，定義了用于兩個不同實(shí)體之間的交互模型，以及通用服務(wù)框架。目前已經(jīng)出版了任務(wù)操作參考模型、消息抽象層、通用對象模型的建議書（CCSDS 520/521/523系列），法國國家空間研究中心（CNES），德國航空航天中心（DLR）和歐洲航天局（ESA）開發(fā)了相關(guān)原型系統(tǒng)。任務(wù)操作的設(shè)計(jì)原則已在國外地面系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)以及空間任務(wù)中開始得到應(yīng)用，包括CNES的空間創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)（ISIS）項(xiàng)目，ESA的歐洲地面系統(tǒng)-通用核（EGS-CC）項(xiàng)目，ESA使用“國際空間站”開展空間人機(jī)操作驗(yàn)證試驗(yàn)的多目標(biāo)端到端自動化操作網(wǎng)絡(luò)（METERON）項(xiàng)目等。

CCSDS任務(wù)操作服務(wù)框架概念

網(wǎng)絡(luò)化

CCSDS從20世紀(jì)90年代末就開始空間互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，先后制定空間通信協(xié)議規(guī)范（SCPS）系列規(guī)范、下一代空間互聯(lián)網(wǎng)（NGSI），在CCSDS空間鏈路協(xié)議之上承載I P （IPoC）建議書，太陽系互聯(lián)網(wǎng)（SSI）體系結(jié)構(gòu)報告，并正在開展容延遲網(wǎng)絡(luò)（DTN）標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的研究。

早期開發(fā)的空間通信協(xié)議規(guī)范借鑒了地面IP協(xié)議族的思想，針對空間通信環(huán)境進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。下一代空間互聯(lián)網(wǎng)則在數(shù)據(jù)鏈路層沿用CCSDS建議，在網(wǎng)絡(luò)層采用IP及其擴(kuò)展技術(shù)，如資源預(yù)留協(xié)議（RSVP），移動IP等。由于缺乏工程實(shí)際需求、未得到廣泛應(yīng)用，除了空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議（SCPSTP）外，其他空間通信協(xié)議規(guī)范建議書以及下一代空間互聯(lián)網(wǎng)建議書已廢止。

在地球周圍網(wǎng)絡(luò)、行星表面及其周圍網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用IP協(xié)議可以充分利用已有基于IP的軟硬件實(shí)現(xiàn)上層服務(wù)，多艙段在軌組網(wǎng)和有人參與的空間站為典型需求案例。2012年CCSDS出版了IPoC建議書（CCSDS 702.1-B-1），以解決在現(xiàn)有CCSDS空間鏈路協(xié)議之上承載IP的問題。該建議書規(guī)定IP通過封裝業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)對各類CCSDS空間鏈路協(xié)議的使用?？紤]到IP有多種版本及導(dǎo)頭壓縮方式（如IPv4，IPv6，UDP/ IP、TCP/IP導(dǎo)頭壓縮等），除通過封裝包協(xié)議標(biāo)識將IP類協(xié)議與其他協(xié)議區(qū)分開外，還進(jìn)一步通過IP擴(kuò)展（IPE）標(biāo)識區(qū)分IP子協(xié)議。該建議書僅規(guī)定協(xié)議格式和封裝過程，對于在空間網(wǎng)絡(luò)中使用IP的路由、安全以及服務(wù)質(zhì)量問題并未涉及。但該建議書不禁止將IP用作網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議。在地面段，可沿用CCSDS空間鏈路擴(kuò)展協(xié)議，也可基于IP實(shí)現(xiàn)空間段與地面段的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

lPoC原理示意圖

應(yīng)IOAG的要求，CCSDS于2014年出版了太陽系互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)報告（CCSDS 730.1-G-1）。太陽系互聯(lián)網(wǎng)覆蓋地球周圍及深空，行星表面探測任務(wù)的互支持需求是太陽系互聯(lián)網(wǎng)最實(shí)際需求。該體系結(jié)構(gòu)報告規(guī)定了太陽系互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)及能力，包括任務(wù)功能、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及高級功能3個階段的實(shí)現(xiàn)途徑，各階段的基本原則，網(wǎng)絡(luò)操作以及業(yè)務(wù)過程。該報告還提到了實(shí)現(xiàn)太陽系互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)，即IP與DTN并存的協(xié)議體系。其中，DTN可用于所有空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)太陽系互聯(lián)網(wǎng)中各區(qū)域網(wǎng)之間互聯(lián)的核心。IP僅可用于連接性好、傳輸時延相對較低的區(qū)域空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如地球或行星表面及周圍的網(wǎng)絡(luò)。

DTN起源于1998年噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）開展的行星際互聯(lián)網(wǎng)（IPN）研究，后來對行星際互聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行推廣和普及，淡化其“空間應(yīng)用”背景，形成了名為DTN的體系結(jié)構(gòu)。CCSDS于2008年成立DTN工作組，重新審視DTN在空間環(huán)境的適應(yīng)性，以及現(xiàn)有CCSDS建議對其支持性。DTN工作組近期工作主要集中在束協(xié)議（BP）和立克里德傳輸協(xié)議（LTP）。目前，DTN工作組已經(jīng)完成BP（CCSDS 734.2-B-1）和LTP（CCSDS 734.1-B-1）的出版。工作組后續(xù)還計(jì)劃開展束安全協(xié)議，單機(jī)構(gòu)管理范圍內(nèi)的束協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理，以及可見弧段圖表路由（CGR）標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工作。

空間鏈路域

近年來，空間鏈路域中有以下幾項(xiàng)技術(shù)的提出值得關(guān)注：

1）高斯濾波最小頻移鍵控+偽噪聲測距（GMSK+PN）調(diào)制。即，將符合CCSDS偽碼測距標(biāo)準(zhǔn)的偽碼測距疊加在調(diào)制了高速數(shù)傳信息的高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）信號相位上。該調(diào)制方式的最大優(yōu)勢是可同時支持高速數(shù)傳與偽噪聲測距（PN），從而簡化星上設(shè)備配置和工作模式。此外，該信號具有恒包絡(luò)特性，對非線性信道具有較好的適應(yīng)能力。該調(diào)制方式已經(jīng)被納入2015年新修訂的射頻與調(diào)制建議書（CCSDS 401.0-B-25）中，并計(jì)劃出版相關(guān)的綠皮書。

2）可變/自適應(yīng)編碼調(diào)制（VCM/ACM）。對地觀測下行高速鏈路使用Ka頻段時，傳輸質(zhì)量受大氣影響，波動明顯。如果按照固定編碼調(diào)制，需要綜合考慮地面站地理位置、當(dāng)?shù)赜晁サ惹闆r，按照最惡劣情況進(jìn)行鏈路設(shè)計(jì)。但在信道條件好的時段，勢必造成信道資源浪費(fèi)。一種解決方式是采用可變編碼調(diào)制，根據(jù)信道質(zhì)量調(diào)整信息速率。調(diào)整可以實(shí)時進(jìn)行（需要有上行信道配合），也可以采用預(yù)制方式（例如根據(jù)地面站仰角度數(shù)，或者地面站地理位置）。CCSDS于2012年出版了相關(guān)建議書（CCSDS 131.2-B-1），通過改變信道編碼碼率（對序列級聯(lián)卷積編碼進(jìn)行刪余）和調(diào)制階數(shù)（QPSK/8QPSK /16APSK/32APSK/64APSK），在同樣帶寬實(shí)現(xiàn)不同的信息傳輸速率。

3）糾刪碼。由于太陽帶電粒子的影響、天氣變化、各類無線電干擾、天線指向誤差、甚至任務(wù)后期設(shè)備老化等因素的影響，空間通信環(huán)境具有刪除特性。單純依靠提高發(fā)射功率或采用更加復(fù)雜的信道編碼，很難完全解決上述問題。此外，傳統(tǒng)信道編碼位于物理層或數(shù)據(jù)鏈路層，無法保障應(yīng)用層的數(shù)據(jù)完整性。例如，即使數(shù)據(jù)鏈路層誤幀率很低，由此造成的星載軟件代碼錯誤對任務(wù)也會有致命影響。在時延超長的深空通信環(huán)境中，事先攜帶少量冗余信息、出現(xiàn)“漏洞”后進(jìn)行恢復(fù)，比采用星地大回路重傳的方式效率更高。基于上述考慮，CCSDS于2014年出版了實(shí)驗(yàn)性建議書（CCSDS 131.5-O-1），采用基于低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）的糾刪碼，運(yùn)行于封裝業(yè)務(wù)之上，可工作在前向糾錯（FEC）或類型Ⅰ、Ⅱ混合自動請求重傳（ARQ）模式。

lP與DTN共存的協(xié)議體系

4）下一代上行鏈路。目前空間任務(wù)上行鏈路速率為千比特每秒級，未來有將上行速率提高至兆比特每秒級甚至更高的需求。首先，星載軟件功能越來越強(qiáng)大，需要較高的上行速率來保證軟件更新的實(shí)時性。其次，航天器下行鏈路將越來越多地采用CCSDS文件傳輸協(xié)議（CFDP）之類的協(xié)議，需要用上行鏈路傳輸反饋信息，增加了上行鏈路的帶寬需求。另外，對于深空任務(wù)這種距離變化范圍較大的任務(wù)，上行鏈路設(shè)計(jì)方式可以從根據(jù)最遠(yuǎn)距離加余量的方式改為降低余量、提高發(fā)送速率。在距離遠(yuǎn)的弧段，利用CCSDS文件傳輸協(xié)議或重復(fù)發(fā)送信息來補(bǔ)償誤碼性能的降低。提高上行鏈路速率涉及射頻體制、信道編碼、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等技術(shù)，其中核心問題是需要開發(fā)高增益、短碼長的信道編碼。CCSDS出版了綠皮書（CCSDS 230.2-G-1），描述了下一代上行鏈路的功能，應(yīng)用選項(xiàng)以及不同選項(xiàng)的性能比較。并于2015年4月出版了適用于上行鏈路的短低密度奇偶校驗(yàn)編碼實(shí)驗(yàn)性建議書（CCSDS 231.1-O-1）。

5）空間數(shù)據(jù)鏈路層安全。安全是空間機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行互操作時非常關(guān)注的問題。目前實(shí)際任務(wù)以點(diǎn)到點(diǎn)場景為主，傳送幀分別在任務(wù)中心和航天器產(chǎn)生與處理。在數(shù)據(jù)鏈路層提供安全業(yè)務(wù)，僅中心與航天器需要進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)代價相對較低，又可實(shí)現(xiàn)端到端保護(hù)。CCSDS計(jì)劃出版數(shù)據(jù)鏈路層核心安全協(xié)議及擴(kuò)展過程建議書。其中核心安全協(xié)議規(guī)定安全業(yè)務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)，目前主要提供加密及認(rèn)證業(yè)務(wù)，其中認(rèn)證范圍包括幀導(dǎo)頭；而加密范圍僅限于數(shù)據(jù)域，幀導(dǎo)頭保持明文狀態(tài)，以利于交互支持。CNES、ESA、NASA已經(jīng)就核心安全協(xié)議各自獨(dú)立開發(fā)了原型系統(tǒng)，進(jìn)行了互操作測試，CCSDS已經(jīng)于2015年9月出版了建議書（CCSDS 355.0-B-1）。擴(kuò)展過程規(guī)定與安全管理有關(guān)的內(nèi)容，如密鑰管理，安全聯(lián)盟管理，以及管理信息在空間鏈路的傳輸，預(yù)計(jì)2015年秋季提出初稿。此外，CCSDS的遙測/遙控/高級在軌系統(tǒng)空間鏈路協(xié)議建議書需要增加使用安全協(xié)議時的數(shù)據(jù)格式規(guī)定和處理流程說明，已經(jīng)完成相關(guān)修訂。

6）統(tǒng)一（下一代）空間鏈路協(xié)議。目前，CCSDS有4種空間鏈路協(xié)議適用于不同的通信場景（星間、星地）、數(shù)據(jù)速率（高速、中低速），以及業(yè)務(wù)（遙測、遙控及數(shù)傳等）。隨著航天器數(shù)目增加，數(shù)據(jù)速率增長，通信環(huán)境更加網(wǎng)絡(luò)化，需要對現(xiàn)有空間鏈路協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。2013年CCSDS春季技術(shù)會議上，NASA提出開發(fā)下一代數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（2014年秋季會議開始稱為“統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議”），其基本思路是用一種空間鏈路協(xié)議替代現(xiàn)有4種空間鏈路協(xié)議。該協(xié)議既能傳輸?shù)退龠b控業(yè)務(wù)，也能傳輸高速數(shù)傳業(yè)務(wù)，空間任務(wù)可根據(jù)自身需求進(jìn)行裁剪使用。其設(shè)計(jì)吸取現(xiàn)有協(xié)議的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從版本號、航天器標(biāo)識符、幀長、虛擬信道計(jì)數(shù)等方面對現(xiàn)有協(xié)議能力進(jìn)行了擴(kuò)展，提高了在線標(biāo)識能力，實(shí)現(xiàn)成幀與信道編碼的分離，并能夠更直接地支持上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。2014年秋季被批準(zhǔn)為正式項(xiàng)目，計(jì)劃出版相關(guān)的規(guī)范性建議書以及資料性報告。相關(guān)工作仍在進(jìn)行中。

7）空間激光通信。激光通信可實(shí)現(xiàn)比微波通信高得多的傳輸速率，并具有終端體積小、質(zhì)量輕、功耗低以及抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢，得到各空間機(jī)構(gòu)的重視。NASA、ESA和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）等空間機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的研究和演示驗(yàn)證。CCSDS在2014年春季會議上成立了光通信工作組，開發(fā)適合深空骨干鏈路（如火星至地球）、星間鏈路（如低軌衛(wèi)星與地球靜止軌道衛(wèi)星之間）和低軌衛(wèi)星直接對地鏈路的光通信調(diào)制編碼技術(shù)。目前正在開展光通信物理層、信道編碼及同步層藍(lán)皮書，以及實(shí)時氣象及大氣特征數(shù)據(jù)綠皮書的制定。其中物理層、信道編碼及同步層藍(lán)皮書將規(guī)定低復(fù)雜度、高光子效率以及高數(shù)據(jù)速率3種技術(shù)體制，用于不同的通信場景。由于ESA、NASA在高數(shù)據(jù)速率技術(shù)體制方面存在嚴(yán)重分歧，預(yù)計(jì)相關(guān)建議書的成稿會推遲至2017年。

4　總結(jié)及建議

根據(jù)CCSDS的成員范圍以及建議書應(yīng)用情況可以看出，CCSDS非常具有廣泛性。CCSDS一個重要的標(biāo)準(zhǔn)化理念是：新技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作應(yīng)在對該技術(shù)有實(shí)際需求的工程開展之前完成。只有這樣，當(dāng)工程項(xiàng)目立項(xiàng)時，才可能采納新標(biāo)準(zhǔn)。因此，CCSDS對潛在的任務(wù)新需求和新技術(shù)有非常敏銳的反應(yīng)，其所開展的工作一定程度代表了技術(shù)發(fā)展方向，并且與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，具有較高的權(quán)威性與時效性。此外，CCSDS還很重視所制定建議書的可實(shí)現(xiàn)性。按照CCSDS章程，藍(lán)皮書（規(guī)范性建議書）只有經(jīng)過兩家以上機(jī)構(gòu)各自獨(dú)立開發(fā)原型系統(tǒng)、并通過了互操作測試之后才能正式發(fā)布。

我國早在20世紀(jì)80年代末期就開始了對CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的研究與應(yīng)用。在空間段，以高級在軌系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議為代表的CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議在我國航天任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用；在地面段，深空測控網(wǎng)等地面設(shè)施也開始應(yīng)用空間鏈路擴(kuò)展等建議。此外，我國還借鑒CCSDS建議制定了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但我國的應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)制定還比較集中于傳統(tǒng)空間鏈路域，對相關(guān)新發(fā)展動態(tài)的研究與應(yīng)用相對薄弱，且存在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化水平參差不齊的狀況。

建議對CCSDS的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行持續(xù)跟蹤；根據(jù)我國的任務(wù)需求以及技術(shù)積累情況，積極提出具有我國特色和知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)提案，參與CCSDS標(biāo)準(zhǔn)制定，提高我國在相關(guān)領(lǐng)域的話語權(quán)；與此同時，借鑒CCSDS在標(biāo)準(zhǔn)制定前瞻性、可實(shí)現(xiàn)性方面的思路與方法，提高我國標(biāo)準(zhǔn)化工作水平。

祁首冰/本文編輯

Professional Field and Development Review of CCSDS