陳剛 吳佳麗 高芫赫 楊東

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2北京應用物理與計算數(shù)學研究所,北京 100094)

21世紀以來,為滿足對復雜任務中多個航天器進行聯(lián)合控制的需求,空間數(shù)據(jù)標準咨詢委員會(CCSDS)制定了Proximity-1鄰近空間鏈路(簡稱Proximity-1協(xié)議)[1]。Proximity-1協(xié)議適用于距離在100 000 km以內火星探測器的器間通信,并于2004年首次應用于奧德賽號和勇氣號的器間通信。我國首顆火星探測器包括環(huán)繞器、著陸器、巡視器(火星車)三器,以實現(xiàn)火星全球環(huán)繞探測、火星表面巡視探測的綜合目標。受質量、能源約束以及對地通信弧段等方面的因素影響,著陸器、巡視器直接對地球通信能力較弱,這就需要借助環(huán)繞器的中繼通信,著陸器、巡視器先通過與環(huán)繞器進行器間通信傳輸器務/業(yè)務數(shù)據(jù),再借助環(huán)繞器更強的對地通信能力進行轉發(fā)。目前,我國火星探測器規(guī)劃的環(huán)繞器與巡視器間的通信距離為300～15 000 km。

由于成本高、技術復雜、經濟性不強等因素,深空探測任務遠不如近地任務那么多,并且近地、深空探測所關注的通信指標和應用需求不同:近地衛(wèi)星對通信速率、傳輸時延等性能指標要求高;深空探測器則對通信自主性、可靠性要求高,對速率、時延不太關注。這也導致兩者在測控系統(tǒng)設計方面差異較大。

現(xiàn)有的測控通信測試方案,一是關注物理層指標,如頻率、速率、糾錯等;二是關注網(wǎng)絡層指標,如拓撲優(yōu)化模型,網(wǎng)絡時延等。而Proximity-1協(xié)議的技術關鍵主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層,且國內外公開資料極少,除了少量的系統(tǒng)設計方面的研究工作,系統(tǒng)級鏈路測試方面的工作幾乎沒有借鑒資料。我國首次火星探測任務的器間通信采用了X頻段、特高頻(UHF)頻段器間通信兩種方式,其中在UHF頻段應用了Proximity-1協(xié)議,且為國內首次應用,現(xiàn)有測試方法無法滿足這種新技術的驗證需求,為驗證全雙工通信、鏈路自適應等鏈路高效自主操控的技術關鍵,本文設計了針對性的系統(tǒng)級測試和實施方法,并完成了系統(tǒng)級驗證。

1 器間通信測試需求

Proximity-1協(xié)議由物理層(Physical Layer,PL)[2]和數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer,DLL)[3-4]構成,DLL負責完成數(shù)據(jù)組幀,服務質量控制,幀同步與糾錯檢錯等功能,是Proximity-1協(xié)議的核心層。

Proximity-1協(xié)議定義了鄰近鏈路傳輸單元[3],可傳輸兩種數(shù)據(jù)幀:用戶幀,即業(yè)務數(shù)據(jù)單元(Service Data Units,SDU)[5],用于傳輸基本業(yè)務數(shù)據(jù);協(xié)議幀,即監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Supervisory Protocol Data Units,SPDU),可傳輸鄰近鏈路控制字(Proximity Link Control Word,PLCW)、狀態(tài)報告、控制指令等。

1.1 全雙工通信模式

Proximity-1協(xié)議有兩種服務質量(QoS):①加急方式(Expedited),在單工模式下采用,無自動重傳隊列(Automatic Repeat Queuing,ARQ)機制;②順序控制(Sequence Controlled,SC),在全雙工模式下采用,通過ARQ機制、標準PLCW報告方式來保證SDU幀的可靠傳輸。全雙工與ARQ機制[6-7]的結合使器間通信成為面向連接的可靠通信。ARQ協(xié)議在DLL實現(xiàn)后向糾錯(Backward Error Correction),具體功能如下。

(1)差錯檢測,接收方對數(shù)據(jù)幀進行循環(huán)冗余校驗(CRC)檢錯。

(2)反饋應答,接收方提供反饋信息,肯定確認(ACK)或否定確認(NAK),以幫助發(fā)送方判斷數(shù)據(jù)幀是否被正確接收。

(3)重傳,接收方接收錯誤/丟失數(shù)據(jù)幀時,請求發(fā)送方重傳該幀。

(4)傳輸超時控制,為解決數(shù)據(jù)幀在傳輸時出現(xiàn)丟包或ACK丟失的問題,在發(fā)送端設置超時計時器,設定超時(Timeout)時間,超過該時間沒有收到ACK,則重傳該數(shù)據(jù)幀。

1.2 通信鏈路自適應機制

Proximity-1支持通信鏈路自適應機制:信道、編碼、速率可根據(jù)信號質量進行自適應調整。

(1)信道頻率,鄰近空間鏈路UHF頻段范圍為390～450 MHz,其中前向435～450 MHz,返向390～405 MHz,共劃分出8組頻率對[2]。

(2)信道編碼,不同于ARQ,信道編碼[7]是在PL實現(xiàn)前向糾錯。Proximity-1協(xié)議包含3種編碼方式,即非編碼、卷積碼(CC)和低密度奇偶校驗碼(LDPC)。

(3)通信速率,自適應機制在PL實現(xiàn),器間通信支持8個前向速率,1 kbit/s(編碼前)和1～64 kbit/s(編碼后);12個返向速率,1～2048 kbit/s(編碼后)。

1.3 器間鏈路測試新需求

在我國探月工程中的“探測器-地球”、“探測器-中繼星-地球”兩種方案和普通的近地測控通信技術方案類似,特點是通信距離更遠或無法視距傳輸需要中繼通信,未涉及鏈路協(xié)議。全雙工、鏈路自適應等協(xié)議技術的應用也提出了綜合測試新需求,而現(xiàn)有測控測試方案僅關注物理層指標,無法滿足Proximity-1協(xié)議的鏈路層指標測試需求。

(1)全雙工通信是在遙遠的火星(地火距離最遠4億千米,地火通信單向時延22.2 min)進行器間自主通信的重要保證;而全雙工模式下的通信雙方具備實時雙向確認機制,且狀態(tài)遷移復雜頻繁,目前星間鏈路多關注于傳統(tǒng)的速率、時延等指標,對通信建立中間狀態(tài)并不關注,本文完成了相應的測試方法設計,以及對通信建立效率、中間狀態(tài)、狀態(tài)遷移等關鍵過程的驗證工作。

(2)近火點器間通信是火星任務的主要通信弧段,火星車壽命初期的返向數(shù)據(jù)量/弧段時長約為80 Mbits/8 min。默認全雙工通信建立時由于信道不穩(wěn)定,初始速率定為前向32 kbit/s、返向8 kbit/s,固定速率下返向能力遠達不到任務需求。而壽命初期近火點通信距離為300～1500 km,鏈路預算速率為2048～128 kbit/s,采用速率自適應技術的情況下才能滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。傳統(tǒng)測試方案多為1檔或少量幾檔固定速率,且均是人工判讀指令切換;針對新需求,本文設計了一種速率自適應測試方法,并在信噪比(SNR)不斷變化、雙方通信不中斷的情況下完成了速率自適應切換功能驗證。

2 器間通信測試方法

2.1 全雙工通信測試

器間通信的雙方分別記為發(fā)起方(Caller)、響應方(Responder),且在狀態(tài)建立之前,火星車無法傳輸返向遙測。因此所獲取的遙測數(shù)據(jù)僅能記錄雙方的始態(tài)/終態(tài),而不能實時跟蹤過程狀態(tài)(信道、速率等),并且由于全雙工建立過程狀態(tài)切換頻繁,傳統(tǒng)基于遙測判讀的方法有效性較低。因此本文設計一種全雙工通信測試方法,通過分解協(xié)議狀態(tài)遷移過程(見圖1),并實時監(jiān)視地面設備狀態(tài),對比推演單機產品設計的合理性、有效性。

(1)先由地面設備自環(huán)測試實時記錄收發(fā)雙方的工作狀態(tài)。

(2)在星地鏈路測試時記錄設備狀態(tài)、通過頻譜儀監(jiān)視星上狀態(tài)。

(3)比對1～2測試過程狀態(tài)遷移是否一致,記錄建立時長和傳輸時延。

圖1 通信狀態(tài)遷移過程Fig.1 State transfer in full-duplex establishment

全雙工通信測試方法如圖2所示,在全雙工通信中,收發(fā)雙方的通信參數(shù)由Caller(記為C)制定,Responder(記為R)僅需要設置處于全雙工響應狀態(tài)即可,通信參數(shù)如下:①握手信道(Hailing),前向fh1、返向fh2;②業(yè)務信道(Working),前向fw1、返向fw2。

圖2 全雙工通信測試方法Fig.2 Test method of full-duplex communication

基于上述方法,本文完成了主備份UHF收發(fā)信機的全雙工通信測試,測試結果見表1。主備份設備均滿足10 s建立時間的設計指標,但傳輸時延的測試結果不同,原因在于主備份的緩沖機制不同:主份緩沖10幀數(shù)據(jù),優(yōu)點是接收方確認PLCW幀延遲不影響傳輸效率;備份緩沖2幀數(shù)據(jù),缺點是PLCW幀延遲將造成ARQ重傳,傳輸效率降低。以信道0為例,圖3(a)～(f)給出了握手程序[1]Ⅰ～Ⅵ對應的通信雙方發(fā)射信號實測頻譜。

表1 短幀模式全雙工通信測試結果Table 1 Test results of full-duplex communication in short-frame mode

圖3 全雙工通信建立過程Fig.3 Process of the establishment of full-duplex link

2.2 信道編碼性能測試

在深空探測器中,由于信號功率低,天線增益不足,糾錯碼性能便顯得尤為重要?；鹦翘綔y器在不同鏈路中采用了多種編碼方式:CC(7,1/2),RS(255,223)＋CC(7,1/2)級聯(lián)碼[4,8],LDPC(4088,1784)。各編碼方案的糾錯性能對比見表2,編碼方案性能對比見圖4。

經過分析,BER＝1.0×10－6高于誤碼平層[7],所以使用隨機碼/固定碼測試的性能數(shù)據(jù)基本一致。星地鏈路性能測試采用圖5的系統(tǒng)結構,數(shù)據(jù)源使用固定碼,誤碼儀可據(jù)此設置比對源。利用頻譜儀可測試信號功率P和噪聲功率N0·W(或功率計)。

圖5的系統(tǒng)測試實際考核的是全鏈路性能,由于調制/解調器會帶來一定性能損失,為了能夠合理地標定編碼增益,通常會給定一個系統(tǒng)誤差Δ(一般取0.5～2 dB)。設非編碼的信噪比為Eb/N0unc,考慮到信道編碼的碼率Rc變換,編碼增益G計算如下:

其中,Eb/N0unc為未編碼信噪比門限,Eb/N0cod為編碼后信噪比門限,基于上述測試方法,以LDPC碼為例,表3給出了硬件測試數(shù)據(jù),分析結果與圖4中的仿真性能相符合,考慮解調損失的情況下,各速率下仍能達到＞8 dB的編碼增益,編碼性能滿足要求。

表2 火星探測器不同編碼方案性能分析Table 2 Performance analysis of different coding schemes

圖4 火星探測器編碼方案性能對比Fig.4 Comparison of different coding schemes

圖5 編碼性能測試系統(tǒng)Fig.5 Structure of the test system for coding scheme

表3 LDPC碼性能測試數(shù)據(jù)Table 3 Performance of LDPC codes

2.3 速率自適應測試

器間通信是火星探測器數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕侄?且受通信距離變化、天線指向影響較大。為了更好地發(fā)揮Proximity-1協(xié)議全雙工性能,利用有限的信道容量完成圖像/載荷數(shù)據(jù)傳輸,根據(jù)當前信噪比自適應調整至最高速度顯得非常重要。

目前,常見的自適應機制有兩種:一種是根據(jù)誤碼率變化來調節(jié);另一種是根據(jù)接收端信噪比估計來調節(jié)[9]。兩種方法從不同角度反映了信道好壞。本文采用第二種方法,信噪比估計一方面反映了信道的實時狀態(tài),另一方面通過及時切換通信模式,來改善誤碼性能、ARQ重傳效率,或提升系統(tǒng)容量。此外,為盡可能地模擬在軌工況,本測試方法覆蓋10檔速率的循環(huán)自適應切換,以充分驗證Proximity-1協(xié)議的速率自適應性能。器間通信速率自適應實現(xiàn)如圖6所示,精度指標優(yōu)于1 d B,器間通信速率檔自適應切換門限為3 dB。速率切換的關鍵環(huán)節(jié)是調節(jié)信號功率或噪聲功率來模擬信噪比變化,從而觸發(fā)速率自適應切換。

圖6 基于信噪比估計的速率自適應機制測試系統(tǒng)Fig.6 Test system structure of rate-adaptive scheme based on SNR estimation

本文設計的基于功率調節(jié)的速率自適應切換測試方法如圖7所示,記返向發(fā)射功率為P0,電纜接插件固定損耗為PL,可調衰減器為ΔP。設測試最大速率Rmax、最小速率Rmin,Rb為當前返向速率,在相鄰2檔速率切換時,先進行一次3 dB粗調,然后再根據(jù)信噪比估計情況進行±1 d B微調,直至速率成功切至Rb/2或2·Rb。

圖7 基于功率調節(jié)的速率自適應切換測試方法Fig.7 Test method of rate adaption based on power adjustment

在測試中,結合3個工作信道完成了速率自適應切換驗證工作,測試數(shù)據(jù)及結果見表4、5。高低速率間可雙向切換,且各速率檔切換門限均為3 dB左右,滿足設計指標要求。此外,由于測試設備靈敏度不足,低速率檔測試時功率較小且數(shù)據(jù)量變小,導致信噪比估計誤差變大、測試穩(wěn)定時間較長。

表4 速率自適應切換測試Table 4 Test schemes of rate adaption

表5 測試結果Table 5 Test results

3 結束語

我國首顆火星探測器設計應用了CCSDS的Proximity-1鄰近空間鏈路協(xié)議,其中全雙工、高性能糾錯編碼、鏈路速率自適應等技術是在遙遠的火星進行鏈路高效自主操控的關鍵環(huán)節(jié)。針對新的復雜鄰近空間鏈路的驗證工作,本文首先進行了測試需求分析;然后完成了“全雙工通信測試方法”設計、“編碼性能測試方案”設計以及“基于功率調節(jié)的速率自適應測試方法”設計等工作,減少測試用例,提升測試效率;最后基于專用配套測試設備,完成了系統(tǒng)級鏈路驗證工作。經過驗證,各測試項目均正確完成,同時也發(fā)現(xiàn)了許多協(xié)議相關的技術問題。未來將繼續(xù)開展多航天器器間通信方面的全雙工效能驗證工作,總結經驗,為后續(xù)在軌工作提供參考。