何熊文

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

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一種航天器綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

何熊文

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

對(duì)航天器綜合電子系統(tǒng)的通用功能需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了基于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)標(biāo)準(zhǔn)的綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)。體系架構(gòu)包含應(yīng)用層、應(yīng)用支持層、傳送層和亞網(wǎng)層，可通過(guò)各層的業(yè)務(wù)及協(xié)議組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。從標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)及協(xié)議的選擇過(guò)程、業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。該體系架構(gòu)可為航天器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)器載接口及協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)航天器設(shè)備和軟件的通用化，并為航天器提供更為靈活、強(qiáng)大的功能。

航天器綜合電子系統(tǒng)；空間通信協(xié)議；器載通信協(xié)議；器載接口業(yè)務(wù)

1 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)航天器的易用性提出了新的需求。單個(gè)航天器的智能化程度也將逐步得到提升，實(shí)現(xiàn)自主任務(wù)規(guī)劃、自主決策、自主健康管理等工作，從而簡(jiǎn)化器地操作接口，減輕地面操作人員的運(yùn)控負(fù)擔(dān)，使得航天器的應(yīng)用更加便捷。不同類型的航天器之間將逐漸實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)不可視軌道段信息的快速下傳，以及多器協(xié)同工作等。上述智能化及網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用需求，需要一套標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)及協(xié)議提供支撐，以形成覆蓋空間鏈路與器載鏈路的統(tǒng)一信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)可以對(duì)各種智能化應(yīng)用屏蔽底層鏈路及協(xié)議的不同，使應(yīng)用可以專注于智能化相關(guān)算法的具體實(shí)現(xiàn)。層次化的協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)、器載網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，支持協(xié)議的更換和擴(kuò)展，以適應(yīng)技術(shù)不斷發(fā)展的需要。作為航天器的信息處理和系統(tǒng)管理中樞，綜合電子系統(tǒng)是上述需求具體實(shí)現(xiàn)的主要載體，其業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，在空間通信協(xié)議[1]、器載通信協(xié)議[2]等方面發(fā)布了許多建議書(shū)，已在全球超過(guò)800個(gè)航天器中得到應(yīng)用。歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)也在空間通信方面制定了一系列協(xié)議，例如用于標(biāo)準(zhǔn)化器地操作接口的遙控和遙測(cè)包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS)[3]，以及在美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)1553B總線協(xié)議上制定的ECSS 1553B總線通信協(xié)議[4]。中國(guó)現(xiàn)有航天器已逐步應(yīng)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如在空間鏈路方面應(yīng)用了遙控空間鏈路協(xié)議[5]、高級(jí)在軌系統(tǒng)(AOS)[6]、空間包協(xié)議[7]等，在器載鏈路方面應(yīng)用了ECSS 1553B總線通信協(xié)議，以及SpaceWire總線協(xié)議。不過(guò)，航天器在鏈路層以上的協(xié)議制定差異性仍然較大，應(yīng)用層與底層沒(méi)有進(jìn)行良好的分層，而是直接與鏈路層交互。由于中間層的缺失，應(yīng)用層的功能在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)須要關(guān)注太多底層的協(xié)議，這樣既不利于航天器內(nèi)部不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，也不利于多個(gè)航天器之間的協(xié)同工作，而且對(duì)應(yīng)的設(shè)備、器載軟件、地面測(cè)試軟件等都難以通用，不利于實(shí)現(xiàn)航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究在中國(guó)航天器中如何根據(jù)需求有選擇性地應(yīng)用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)，建立標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)，形成統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)的總體設(shè)計(jì)思路，是對(duì)綜合電子系統(tǒng)的通用功能需求進(jìn)行分析，分解得到基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)，再對(duì)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和選擇，將基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)及配套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，支持通過(guò)業(yè)務(wù)及協(xié)議的組合實(shí)現(xiàn)各功能，為智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供技術(shù)支撐。

2.1 通用功能需求分析

通過(guò)對(duì)遙感、導(dǎo)航、通信、載人航天、深空探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行需求分析，可以歸納出綜合電子系統(tǒng)的通用需求包括7項(xiàng)頂層功能，分別為遙控、遙測(cè)、時(shí)間管理、內(nèi)務(wù)管理、熱控管理、電源管理、解鎖與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。

(1)遙控是地面控制航天器的重要途徑，包括器地通信操作、實(shí)時(shí)指令分發(fā)、延時(shí)指令分發(fā)，為其他應(yīng)用過(guò)程提供數(shù)據(jù)注入通道等。

(2)遙測(cè)是地面獲取航天器各種運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及遙控操作結(jié)果的重要途徑，包括遙測(cè)采集、遙測(cè)組織、遙測(cè)下傳等功能。

(3)時(shí)間管理用于實(shí)現(xiàn)器地時(shí)間的同步，以及器內(nèi)各設(shè)備之間的時(shí)間同步，包括集中校時(shí)、均勻校時(shí)、GPS校時(shí)、時(shí)間發(fā)布、時(shí)間碼產(chǎn)生等功能。

(4)內(nèi)務(wù)管理用于實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的健康管理，包括器載參數(shù)監(jiān)視、事件報(bào)告、事件動(dòng)作、內(nèi)存管理、在軌維護(hù)、重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)、自測(cè)試、系統(tǒng)重構(gòu)等功能。

(5)熱控管理包括開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、故障檢測(cè)及處置、熱控管理參數(shù)設(shè)置等功能。

(6)電源管理包括電源調(diào)節(jié)、功率分配、電量計(jì)控制、蓄電池組過(guò)溫保護(hù)等功能。

(7)解鎖與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制包括火工品起爆控制，以及天線和太陽(yáng)翼等帶機(jī)構(gòu)部件的驅(qū)動(dòng)控制等功能。

除了上述通用需求外，不同領(lǐng)域的航天器對(duì)綜合電子系統(tǒng)還有一些特殊需求，例如自主任務(wù)規(guī)劃功能、自主導(dǎo)航功能、器間路由功能、應(yīng)急返回功能和環(huán)境控制管理功能等。

對(duì)上述通用功能進(jìn)行分解可知，各頂層功能大多采用器地接口協(xié)議、器內(nèi)各分系統(tǒng)之間的接口協(xié)議與地面或其他設(shè)備進(jìn)行通信。同時(shí)，各功能也需要一些共性的業(yè)務(wù)，如遙控、內(nèi)務(wù)管理、熱控管理、電源管理等都要發(fā)送指令，遙測(cè)、內(nèi)務(wù)管理、熱控管理、電源管理都要獲取遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別。對(duì)于一些與智能化相關(guān)的功能，如自主任務(wù)規(guī)劃、自主決策等，也要獲取遙測(cè)及發(fā)送指令，且不同功能之間要進(jìn)行消息通信，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同。這些共性的業(yè)務(wù)及協(xié)議，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化供各頂層功能使用，從而將頂層功能與底層的業(yè)務(wù)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)良好的分離，使業(yè)務(wù)和協(xié)議達(dá)到各航天器通用的目的，便于未來(lái)實(shí)現(xiàn)航天器內(nèi)設(shè)備的互連，以及不同航天器間的互連。

2.2 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)的分析和選擇

需求分析中涉及的遙測(cè)獲取、發(fā)送指令、消息通信、時(shí)間訪問(wèn)等基礎(chǔ)功能，可以通過(guò)CCSDS等標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)及協(xié)議實(shí)現(xiàn)，涉及到的CCSDS領(lǐng)域主要包括航天器器載接口業(yè)務(wù)(SOIS)領(lǐng)域、空間鏈路業(yè)務(wù)(SLS)領(lǐng)域、空間互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)(SIS)領(lǐng)域。CCSDS SOIS定義的分層體系架構(gòu)能有效屏蔽底層硬件變化對(duì)上層帶來(lái)的影響，并提供一組器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)支撐上層應(yīng)用。CCSDS SLS和CCSDS SIS領(lǐng)域的相關(guān)業(yè)務(wù)及協(xié)議，可提供器地及器間的通信業(yè)務(wù)。但是，CCSDS的上述領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注底層的業(yè)務(wù)，對(duì)于頂層應(yīng)用(如遙控、遙測(cè)、內(nèi)務(wù)管理、時(shí)間管理、熱控管理、電源管理)支持較少，而ECSS的PUS標(biāo)準(zhǔn)定義了16類業(yè)務(wù)，將地面和航天器應(yīng)用層級(jí)別的接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，且其業(yè)務(wù)可以通過(guò)組合滿足頂層應(yīng)用的功能，是CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的有效補(bǔ)充。ECSS 1553B協(xié)議可以結(jié)合CCSDS SOIS領(lǐng)域的亞網(wǎng)層業(yè)務(wù)，共同提供鏈路相關(guān)功能。

基于上述考慮，可將CCSDS SOIS、CCSDS SLS、CCSDS SIS領(lǐng)域的業(yè)務(wù)及協(xié)議與ECSS PUS、ECSS 1553B進(jìn)行整合。具體到各領(lǐng)域而言，涉及的一些業(yè)務(wù)和協(xié)議還可進(jìn)一步選擇，主要的一些考慮如下。

1)CCSDS空間通信協(xié)議的選擇

CCSDS空間通信協(xié)議由SLS領(lǐng)域及SIS領(lǐng)域各工作組開(kāi)發(fā)，按照CCSDS空間通信協(xié)議參考模型，包含物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。

(1)物理層協(xié)議根據(jù)目前的需求可選擇射頻與調(diào)制系統(tǒng)協(xié)議與規(guī)范。

(2)鏈路層協(xié)議一共包括4種，分別為遙測(cè)空間鏈路協(xié)議、遙控空間鏈路協(xié)議、AOS空間鏈路協(xié)議、鄰近空間鏈路協(xié)議。由于AOS空間鏈路協(xié)議定義的業(yè)務(wù)覆蓋了遙測(cè)空間鏈路協(xié)議，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)遙測(cè)下行可直接應(yīng)用AOS空間鏈路協(xié)議。上行遙控一般應(yīng)用遙控空間鏈路協(xié)議，涉及到有圖像、話音上行的航天器(如空間站)時(shí)，也可應(yīng)用AOS空間鏈路協(xié)議。鄰近空間鏈路協(xié)議主要用于軌道器和著陸器等的通信，暫未在軌應(yīng)用。因此，在SLS領(lǐng)域中優(yōu)先選用的鏈路層協(xié)議為遙控空間鏈路協(xié)議和AOS空間鏈路協(xié)議。

(3)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包含空間包協(xié)議、封裝業(yè)務(wù)、IP協(xié)議等?？臻g包協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，開(kāi)銷?。蝗秉c(diǎn)是地址空間少，不太適用于多航天器通信和航天器與地面網(wǎng)絡(luò)直接互聯(lián)。因此，目前可優(yōu)先考慮應(yīng)用空間包協(xié)議，后續(xù)將IP協(xié)議納入，以支持地面網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到空間。

(4)傳輸層協(xié)議包含空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議(SCPS-TP)、利克里德傳輸協(xié)議(LTP)、傳輸控制協(xié)議(TCP)、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)等，目前可暫不應(yīng)用，待后續(xù)需要時(shí)擴(kuò)展。

(5)應(yīng)用層協(xié)議包括文件傳輸協(xié)議(CFDP)、無(wú)損壓縮、圖像壓縮、束協(xié)議(BP)、異步消息傳輸業(yè)務(wù)(AMS)等。其中：AMS既可用于空間通信中的消息傳輸，也可用于器載通信，可實(shí)現(xiàn)空間、器內(nèi)一體化通信，應(yīng)優(yōu)先采用，其他協(xié)議可在后續(xù)應(yīng)用。

2)CCSDS器載通信協(xié)議的選擇

CCSDS器載通信協(xié)議主要由SOIS領(lǐng)域各工作組開(kāi)發(fā)，按照CCSDS的SOIS器載參考模型，包含亞網(wǎng)層、傳送層、應(yīng)用支持層，各層業(yè)務(wù)根據(jù)需求的不同有不同的應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用方法[8]。

(1)亞網(wǎng)層包含包業(yè)務(wù)、存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)、同步業(yè)務(wù)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)、測(cè)試業(yè)務(wù)。包業(yè)務(wù)主要用于在一個(gè)器載鏈路上傳輸多種類型的包，存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)用于訪問(wèn)設(shè)備內(nèi)的存儲(chǔ)器或寄存器，同步業(yè)務(wù)可提供本地時(shí)間，這3個(gè)業(yè)務(wù)是底層必不可少的支撐性業(yè)務(wù)，因此全部采用。設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)、測(cè)試業(yè)務(wù)可用于設(shè)備的即插即用，并不是必須的業(yè)務(wù)，可暫不采用。

(2)傳送層在SOIS模型中是可選的，但考慮到要將空間通信與器載通信進(jìn)行融合，同時(shí)提供在多種鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)路由的機(jī)制，支持不同總線終端之間的設(shè)備遠(yuǎn)程訪問(wèn)、消息傳輸及遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器訪問(wèn)，因此應(yīng)采用。由于空間通信協(xié)議中應(yīng)用的是空間包協(xié)議，此處也應(yīng)用空間包協(xié)議。

(3)應(yīng)用支持層在SOIS模型中包含命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)、時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)、消息傳輸業(yè)務(wù)、文件及包存儲(chǔ)業(yè)務(wù)、設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)。①命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)由設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)組成，主要用于設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取及指令發(fā)送。②時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)用于獲取器上時(shí)間。③消息傳輸業(yè)務(wù)用于航天器內(nèi)部同一設(shè)備內(nèi)不同應(yīng)用程序之間、不同設(shè)備的應(yīng)用程序之間的消息通信，使用AMS的子集實(shí)現(xiàn)。④文件及包存儲(chǔ)業(yè)務(wù)主要用于文件及包的管理。⑤設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)主要用于即插即用。由于前三種業(yè)務(wù)涉及設(shè)備訪問(wèn)、時(shí)間獲取、消息通信等所具備的基礎(chǔ)功能，因此全部采用。而文件管理和即插即用功能暫不涉及，因此暫不采用后兩種業(yè)務(wù)。

3)ECSS協(xié)議的選擇

ECSS PUS協(xié)議是CCSDS協(xié)議在應(yīng)用層上的補(bǔ)充，ECSS 1553B協(xié)議是CCSDS協(xié)議在鏈路層上的補(bǔ)充，因此都予以采用,同時(shí)可根據(jù)需求對(duì)PUS業(yè)務(wù)進(jìn)行選擇和裁剪[9]。

2.3 業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)需求以及標(biāo)準(zhǔn)的分析結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)如圖1所示。

(1)應(yīng)用層：包含遙測(cè)、遙控、熱控管理、電源電源管理、內(nèi)務(wù)管理、時(shí)間管理、解鎖與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制等頂層功能，可使用底層的業(yè)務(wù)組合實(shí)現(xiàn)。

(2)應(yīng)用支持層：包含SOIS定義的設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)[10]、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)[11]、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)[12]、時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)[13]、消息傳輸業(yè)務(wù)[14]等，SIS定義的AMS[15]及ECSS PUS定義的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)。

(3)傳送層：一般只在有多個(gè)子網(wǎng)且子網(wǎng)間的應(yīng)用程序需要相互通信時(shí)才使用，包括傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。此處使用空間包協(xié)議進(jìn)行選路，并對(duì)空間包協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，在其副導(dǎo)頭增加源/目的地址信息，未來(lái)可擴(kuò)展支持UDP/IP等協(xié)議。

(4)亞網(wǎng)層：包含空間鏈路和器載鏈路，提供一系列業(yè)務(wù)供上層的傳送層和應(yīng)用支持層業(yè)務(wù)調(diào)用?？臻g鏈路主要由上行遙控協(xié)議和通信操作規(guī)程-1(COP-1)協(xié)議[16]、下行AOS協(xié)議提供。器載鏈路包括包業(yè)務(wù)[17]、存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)[18]、同步業(yè)務(wù)[19]。對(duì)于每種鏈路，可通過(guò)相應(yīng)的匯聚協(xié)議及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議支持亞網(wǎng)層標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，從而對(duì)上層屏蔽底層鏈路的不同。目前，亞網(wǎng)層支持的鏈路包括1553B總線、串口、存儲(chǔ)器加載接口、串行數(shù)字量接口等。

2.4 解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

在上述業(yè)務(wù)與協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要解決了以下3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：①PUS業(yè)務(wù)與SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系；②SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系；③SOIS業(yè)務(wù)與底層硬件之間的關(guān)系。

2.4.1 PUS業(yè)務(wù)與SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系

PUS業(yè)務(wù)可使用SOIS應(yīng)用支持層業(yè)務(wù)作為支撐業(yè)務(wù)，其自身更關(guān)注于算法處理。對(duì)SOIS業(yè)務(wù)的主要用法為：①利用設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)完成數(shù)據(jù)的采集；②利用設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)完成設(shè)備指令的發(fā)送；③利用消息傳輸業(yè)務(wù)完成包的分發(fā)；④利用時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)完成器上時(shí)間的獲取。例如：PUS器載監(jiān)視業(yè)務(wù)可使用設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)完成被監(jiān)視參數(shù)的采集；PUS器載操作調(diào)度業(yè)務(wù)使用時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)完成器上時(shí)間的獲取，通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)將滿足發(fā)送時(shí)間要求的遙控包發(fā)送到目的地；PUS設(shè)備指令分發(fā)業(yè)務(wù)使用設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)完成開(kāi)關(guān)指令、存儲(chǔ)器加載指令的分發(fā)等。

對(duì)照組患者采用常規(guī)腦出血治療,依據(jù)患者影像診斷采用常規(guī)治療,采用醒腦注射液治療,并且作止血、防感染操作。

通過(guò)對(duì)每項(xiàng)PUS業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析，將其算法與SOIS業(yè)務(wù)的關(guān)系利用數(shù)據(jù)流的方式描述，可依次得出每個(gè)PUS業(yè)務(wù)與所需的SOIS業(yè)務(wù)之間的接口關(guān)系。

2.4.2 SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系

通過(guò)全局的命名機(jī)制可建立SOIS各業(yè)務(wù)之間的映射關(guān)系，其層次關(guān)系如圖2所示。

圖2中比較核心的命名主要包括節(jié)點(diǎn)ID、虛擬設(shè)備ID、物理設(shè)備ID、應(yīng)用過(guò)程標(biāo)識(shí)(APID)、鏈路標(biāo)識(shí)、亞網(wǎng)地址、存儲(chǔ)器區(qū)域等，具體的命名方法如下。

(1)對(duì)每個(gè)應(yīng)用過(guò)程可以分配一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID，用于消息傳輸業(yè)務(wù)；

(2)對(duì)每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)物理設(shè)備ID，設(shè)備的主份及備份分別有一個(gè)物理設(shè)備ID，但可通過(guò)一個(gè)虛擬設(shè)備ID進(jìn)行標(biāo)識(shí)；

(3)通過(guò)物理值ID或虛擬值ID區(qū)分設(shè)備中的一個(gè)參數(shù)或者發(fā)往設(shè)備的一條指令；

(4)對(duì)APID進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，使之既可以標(biāo)識(shí)設(shè)備，也可以標(biāo)識(shí)設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用過(guò)程；

(5)對(duì)每條鏈路分配一個(gè)鏈路標(biāo)識(shí)，鏈路上的每個(gè)終端分配一個(gè)亞網(wǎng)地址；

(6)通過(guò)存儲(chǔ)器區(qū)域標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)設(shè)備中的某一塊存儲(chǔ)區(qū)域。

上述命名的尋址方法為：

(1)在消息傳輸業(yè)務(wù)中可依據(jù)節(jié)點(diǎn)ID查表得到節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的APID；

(2)在設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)中可依據(jù)物理設(shè)備ID查表得到要訪問(wèn)的設(shè)備APID以及底層所需業(yè)務(wù)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備須采用底層的存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)時(shí)，通過(guò)物理設(shè)備ID和物理值ID查表可進(jìn)一步得到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器區(qū)域和起始地址；

(3)在空間包協(xié)議中可依據(jù)APID查表得到設(shè)備的鏈路標(biāo)識(shí)和亞網(wǎng)地址；

(4)在包業(yè)務(wù)中通過(guò)鏈路標(biāo)識(shí)可以查表得到對(duì)應(yīng)的鏈路，通過(guò)亞網(wǎng)地址可以查表得到對(duì)應(yīng)的鏈路地址；

(5)在存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)中，由存儲(chǔ)器區(qū)域可找到對(duì)應(yīng)的設(shè)備名，便于通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序訪問(wèn)設(shè)備。

依據(jù)上述尋址方法以及各業(yè)務(wù)的功能流程，可建立各層業(yè)務(wù)之間的關(guān)系。

2.4.3 SOIS業(yè)務(wù)與底層硬件之間的關(guān)系

通過(guò)SOIS亞網(wǎng)層的業(yè)務(wù)可屏蔽底層鏈路以及硬件的不同，對(duì)上層提供統(tǒng)一的接口，其中匯聚層及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序起著關(guān)鍵的作用。

(1)對(duì)每個(gè)支持包業(yè)務(wù)的鏈路設(shè)計(jì)專門(mén)的匯聚協(xié)議及接口，使之支持包的傳輸，同時(shí)對(duì)鏈路的硬件接口設(shè)計(jì)配套的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，建立匯聚協(xié)議與驅(qū)動(dòng)程序之間的聯(lián)系，從而可打通包業(yè)務(wù)、匯聚協(xié)議、驅(qū)動(dòng)程序之間的接口，對(duì)上層提供包傳輸功能，達(dá)到鏈路更換不影響上層業(yè)務(wù)的效果。

(2)對(duì)于通過(guò)存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)訪問(wèn)的本地設(shè)備，同樣設(shè)計(jì)配套的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序建立聯(lián)系，使上層通過(guò)統(tǒng)一的接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。

(3)對(duì)于同步業(yè)務(wù)，可將其與本地的時(shí)鐘設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序建立聯(lián)系，完成時(shí)間的獲取功能。

上述做法解決了SOIS亞網(wǎng)層業(yè)務(wù)與底層硬件之間的接口問(wèn)題，在應(yīng)用支持層可通過(guò)前面的命名與尋址方法將消息傳輸業(yè)務(wù)、設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)等與底層亞網(wǎng)層的業(yè)務(wù)結(jié)合，提供更高級(jí)別的設(shè)備抽象。

2.5 頂層功能與業(yè)務(wù)及協(xié)議的對(duì)應(yīng)關(guān)系

各頂層功能可以通過(guò)架構(gòu)中的業(yè)務(wù)及協(xié)議組合實(shí)現(xiàn)，對(duì)每項(xiàng)頂層功能進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析后，可得到頂層功能與業(yè)務(wù)及協(xié)議的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。其他擴(kuò)展功能(如自主任務(wù)規(guī)劃)也可以應(yīng)用本體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)及協(xié)議，加上應(yīng)用特定的算法予以實(shí)現(xiàn)。

表1 頂層功能與業(yè)務(wù)及協(xié)議的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship of top-level function with services and protocols

3 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證上述業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，本文將架構(gòu)中應(yīng)用層以下的各業(yè)務(wù)及協(xié)議，全部采用軟件構(gòu)件予以實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)綜合電子系統(tǒng)硬件平臺(tái)的需求進(jìn)行組裝以及測(cè)試驗(yàn)證。多項(xiàng)測(cè)試用例的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證表明，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)，與傳統(tǒng)航天器相比，可提供更加豐富、實(shí)用、強(qiáng)大的功能，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制更為靈活

傳統(tǒng)航天器通過(guò)串行數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，其傳送的時(shí)間間隔、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、傳送目的地大都是固定的，難以靈活變化。而在本文的體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用CCSDS的空間包協(xié)議、SOIS亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)及匯聚層，系統(tǒng)支持串行數(shù)據(jù)接口傳送的時(shí)間間隔由用戶按需控制，傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及目的地實(shí)現(xiàn)按需傳送。平臺(tái)和載荷設(shè)備可通過(guò)任意一個(gè)串行數(shù)據(jù)接口接入，數(shù)據(jù)可以是原始數(shù)據(jù)或者空間包格式數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)預(yù)先配置，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，然后再進(jìn)行路由。當(dāng)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的空間包格式數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可以選擇合適的長(zhǎng)度，以及不同的目的地，系統(tǒng)可對(duì)數(shù)據(jù)的目的地進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并根據(jù)系統(tǒng)的路由策略將數(shù)據(jù)路由到其目的地，例如其他器載設(shè)備、其他航天器或者地面。上述機(jī)制可顯著提高系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性。

2)支持接口更換，不影響上層應(yīng)用軟件

傳統(tǒng)航天器通過(guò)某個(gè)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，如果更換了接口，航天器一般須要進(jìn)行軟件的修改，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)置。在本文的體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用CCSDS的空間包協(xié)議、SOIS亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)以及匯聚層，用戶可以通過(guò)不同的接口接入系統(tǒng)。即使用戶改變接入接口，例如由串行數(shù)據(jù)接口變?yōu)?553B總線接口、串口或其他接口，只要設(shè)定好目的地，系統(tǒng)即可根據(jù)目的地自動(dòng)路由。該機(jī)制相當(dāng)于即插即用的初級(jí)階段，在后續(xù)加入設(shè)備自動(dòng)識(shí)別機(jī)制后，可進(jìn)一步提升即插即用的能力。

3)支持系統(tǒng)計(jì)算能力的按需擴(kuò)展

在本文的體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用CCSDS的消息傳輸業(yè)務(wù)、設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)，與底層空間包協(xié)議、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)及匯聚層配合后，在底層硬件的支持下，可實(shí)現(xiàn)處理器數(shù)量的靈活擴(kuò)展。當(dāng)一個(gè)處理器的計(jì)算能力不夠時(shí)，可以通過(guò)增加處理器模塊的數(shù)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)的遷移，并進(jìn)行分布式計(jì)算，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的整體計(jì)算能力。在這個(gè)過(guò)程中，不同處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸全部通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)完成，并根據(jù)通信雙方位置的不同采用不同的業(yè)務(wù)。

(1)當(dāng)同一個(gè)處理器模塊內(nèi)部的進(jìn)程之間通信時(shí)，消息傳輸業(yè)務(wù)通過(guò)本地緩沖區(qū)完成消息的交換；

(2)當(dāng)一個(gè)設(shè)備內(nèi)的處理器模塊之間的進(jìn)程進(jìn)行通信時(shí)，消息傳輸業(yè)務(wù)經(jīng)由傳送層、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)、內(nèi)總線匯聚層完成數(shù)據(jù)傳輸；

(3)當(dāng)通過(guò)1553B總線連接的2個(gè)設(shè)備內(nèi)的進(jìn)程進(jìn)行通信時(shí)，消息傳輸業(yè)務(wù)經(jīng)由傳送層、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)、1553B總線匯聚層完成數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)這種方式，可以對(duì)應(yīng)用層完全屏蔽底層鏈路的不同，從而方便應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。

4)系統(tǒng)上下行支持標(biāo)準(zhǔn)化的大塊數(shù)據(jù)傳輸

在本文的體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用CCSDS的遙控協(xié)議、AOS協(xié)議、COP-1協(xié)議、空間包協(xié)議、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)、匯聚層，為地面用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化的傳輸機(jī)制。用戶可以一次性地將上注數(shù)據(jù)組成最大65 542 byte的空間包，交由遙控協(xié)議進(jìn)行自動(dòng)分段，并按照COP-1協(xié)議對(duì)幀的傳送結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)確認(rèn)，這樣既可以提供對(duì)用戶的友好界面，又可以大幅提升上注效率，從而避免了以往的兩大弊端：①需要人工將大數(shù)據(jù)包拆分為多個(gè)小數(shù)據(jù)包，分別計(jì)算出注入地址后逐個(gè)上注，處理繁復(fù)；②在每注一幀后，等待遙測(cè)下行確認(rèn)注入正確，才能上注下一幀，效率很低。此外，通過(guò)傳送層將空間通信與器內(nèi)通信互聯(lián)，這樣發(fā)往其他目的地的數(shù)據(jù)可以由傳送層直接進(jìn)行路由，無(wú)須提交到上層，并且可以實(shí)現(xiàn)在多種物理鏈路上進(jìn)行路由。

5)支持業(yè)務(wù)組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能

在本文的體系結(jié)構(gòu)中，各功能可以通過(guò)多種業(yè)務(wù)的組合實(shí)現(xiàn)。例如：遙測(cè)功能中的遙測(cè)采集可以利用設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)，經(jīng)由設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)或設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)、空間包協(xié)議、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)或亞網(wǎng)層存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)。遙測(cè)的組織可利用ECSS PUS常規(guī)/診斷參數(shù)報(bào)告業(yè)務(wù)產(chǎn)生遙測(cè)包。遙測(cè)下傳可應(yīng)用AOS協(xié)議完成幀組織及虛擬信道調(diào)度，經(jīng)由硬件傳送至地面。上述基礎(chǔ)業(yè)務(wù)將為系統(tǒng)各項(xiàng)功能的開(kāi)發(fā)提供極大的便利，后續(xù)的其他智能化功能也可基于上述基礎(chǔ)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)，促進(jìn)器載軟件的重用，并減少用戶的開(kāi)發(fā)工作量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的航天器綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)，充分吸納了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)的最新成果，應(yīng)用該體系架構(gòu)開(kāi)展航天器空間通信協(xié)議及器載通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，將有助于實(shí)現(xiàn)器地/器間操作接口的標(biāo)準(zhǔn)化，以及器內(nèi)各分系統(tǒng)之間接口的標(biāo)準(zhǔn)化，為后續(xù)航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化提供有力的支撐。

隨著對(duì)天地一體化需求的深入論證，對(duì)于地面協(xié)議如何與航天器協(xié)議進(jìn)行融合還有待進(jìn)一步研究。空間包協(xié)議由于地址的受限且與地面協(xié)議難以兼容，無(wú)法作為器間、器地、器內(nèi)的互聯(lián)協(xié)議。目前，一種可能的方式是通過(guò)IP協(xié)議將空間通信協(xié)議與地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議融合，同時(shí)針對(duì)空間鏈路高動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)延時(shí)及可能中斷的特性，將容忍延遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)協(xié)議加入，形成天地一體化的協(xié)議體系。其中，網(wǎng)絡(luò)路由算法、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)管理、信息安全等還有待進(jìn)一步研究。

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(編輯：夏光)

Service and Protocol Architecture Design of Spacecraft Avionics System

HE Xiongwen

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Common functional requirements of spacecraft avionics system are analyzed and a service and protocol architecture based on CCSDS standard and ECSS standard has been designed. The architecture consists of 4 layers，including application layer，application support layer，transfer layer，subnetwork layer. The service and protocol of each layer can be combined to implement system functions. The detailed description of the architecture is given,including selection process of the standard services and protocols,service and protocol architecture design,and key technical issues solved. Application of the architecture shows that the architecture can provide the technical support for spacecraft intelligentization and network service,benefit the standardization of onboard interface and protocols as well as the universal use of devices and software on board,and provide more flexible and powerful function.

spacecraft avionics system；space communication protocol； onboard communication protocol； onboard interface service

2016-07-06；

2016-12-01

何熊文，男，高級(jí)工程師，從事星載綜合電子系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)工作。Email：hexw501@hotmail.com。

V446.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.011