高寧 王恒 席濤 李楠

（宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710043）

我國(guó)航天活動(dòng)日益頻繁，隨著載人航天、月球探測(cè)、火星探測(cè)計(jì)劃的不斷進(jìn)展，傳統(tǒng)的空間信息傳輸方式已不適應(yīng)未來(lái)空間活動(dòng)的要求，主要表現(xiàn)為航天活動(dòng)越來(lái)越復(fù)雜，深空探測(cè)、交會(huì)對(duì)接、星間鏈路以及分布式衛(wèi)星編隊(duì)和星座出現(xiàn)了群控、數(shù)據(jù)插入與融合等技術(shù)[1-2]。與此同時(shí)，隨著航天器電子系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展以及測(cè)控、數(shù)管、數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)等相關(guān)系統(tǒng)的進(jìn)步，航天裝備的復(fù)雜程度和信息集成度越來(lái)越高，越來(lái)越向著技術(shù)體制一體化的方向發(fā)展，更高的信息利用率和傳輸效率等需求大大提升，對(duì)綜合、通用、統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的需求日益迫切。

在現(xiàn)階段開展航天器空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)研究，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的總體設(shè)計(jì)，整體規(guī)劃空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議體系，規(guī)范協(xié)議層次、協(xié)議種類、協(xié)議內(nèi)容以及協(xié)議之間的關(guān)系，一方面，有利于建立統(tǒng)一的技術(shù)體制，促進(jìn)工程大系統(tǒng)間各鏈路協(xié)議的統(tǒng)一，打通不同任務(wù)、不用型號(hào)、不同用戶之間的技術(shù)壁壘；另一方面，為航天信息的獲取、存儲(chǔ)與分發(fā)提供統(tǒng)一的平臺(tái)，促進(jìn)航天信息的統(tǒng)一管理、高效共享和綜合利用，對(duì)我國(guó)信息化建設(shè)將起到不可估量的促進(jìn)作用[1-2]。

1 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的概念與組成

空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議主要研究將一個(gè)飛行器與其地面支持系統(tǒng)或另一個(gè)飛行器連接起來(lái)的全部點(diǎn)到點(diǎn)的通信鏈路技術(shù)，包括射頻與調(diào)制、空間鏈路編碼與同步、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)。

空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議由5 層組成，從高層到低層分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，如圖1 所示。其中，數(shù)據(jù)鏈路層由數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層、同步和信道編碼子層組成。對(duì)各層的定義與功能要求如下。

圖1 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組成

a）應(yīng)用層：為用戶提供端到端的應(yīng)用服務(wù)。如文件傳輸、消息傳輸、數(shù)據(jù)壓縮、遙控遙測(cè)及用戶應(yīng)用過(guò)程定義的其他服務(wù)等。

b）傳輸層：為上層用戶提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。其主要功能是當(dāng)下一層（網(wǎng)絡(luò)層）的服務(wù)質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，用以提升服務(wù)質(zhì)量，以滿足上一層用戶的要求。

c）網(wǎng)絡(luò)層：為上層提供在整個(gè)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的路由服務(wù)。包括航天器器載系統(tǒng)（或稱航天器子網(wǎng)）和地面網(wǎng)絡(luò)（或稱地面子網(wǎng)）。

d）數(shù)據(jù)鏈路層：包含數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層、同步和信道編碼子層2 個(gè)子層。其主要功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)層及以上層提供多種類型的服務(wù)，支持不同類型、不同長(zhǎng)度、不同QoS 的數(shù)據(jù)通過(guò)底層的物理層傳輸。

e）物理層：為上層提供由地面站到航天器或航天器與航天器之間的射頻信道以及相應(yīng)的操作。

2 國(guó)外空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)

2.1 CCSDS 標(biāo)準(zhǔn)體系

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)[3-4]（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）是一個(gè)國(guó)際性空間組織，于1982 年成立，主要負(fù)責(zé)開發(fā)和采納適合于空間通信和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的各種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理規(guī)范。CCSDS 包含CCSDS 管理委員會(huì)（CMC）和CCSDS 工程指導(dǎo)組（CESG）2個(gè)部分。其中，CMC 是CCSDS 的最高決策機(jī)構(gòu)，CESG 包括系統(tǒng)工程域（SEA）、空間鏈路業(yè)務(wù)域（SLS）、航天器星載接口業(yè)務(wù)域（SOIS）、空間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)域（SIS）、任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)域（MOIMS）、交互支持業(yè)務(wù)域（CSS）6 個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域（Area），各業(yè)務(wù)領(lǐng)域間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 CCSDS 技術(shù)領(lǐng)域及相互關(guān)系

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(cè)距技術(shù)[5]。其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及到以下幾個(gè)方向。

a）射頻與調(diào)制：用于在可用頻段實(shí)現(xiàn)地球周圍航天器以及深空航天器遙控、遙測(cè)以及測(cè)距信號(hào)的高效雙向傳輸，盡量在更窄的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)回傳。

b）信道編碼及同步：為遙測(cè)遙控信息傳輸服務(wù)，包括空地、空空鏈路。未來(lái)將實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率、更高的鏈路性能，并進(jìn)一步降低成本、重量和功耗。

c）空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議：為遙測(cè)遙控信息傳輸服務(wù)，包括空地、空空鏈路。

d）空間包及封裝協(xié)議：將用戶提供的數(shù)據(jù)單元不加改變的包裝成一個(gè)符合空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議格式要求的空間包或者包裝包，一個(gè)單獨(dú)的包至多包含一個(gè)數(shù)據(jù)單元，通過(guò)空間鏈路使用空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議傳輸一系列變長(zhǎng)的、有限的、字節(jié)對(duì)齊的數(shù)據(jù)單元。

e）數(shù)據(jù)壓縮：降低有效數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)量，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)空間鏈路帶寬和在軌存儲(chǔ)能力的最大化利用。

f）空間數(shù)據(jù)鏈路安全：在CCSDS 空間鏈路中為上行鏈路和下行鏈路的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層提供安全功能操作。包括認(rèn)證、完整性校驗(yàn)，抗重放攻擊以及加密等。

g）光通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層：考慮到光通信鏈路的獨(dú)特性，例如超高數(shù)據(jù)速率，地面站地理位置的分散性，以及大氣（天氣）影響等，建立實(shí)現(xiàn)光鏈路物理層和數(shù)據(jù)鏈路層互操作以及交互支持的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)通用框架。

目前已經(jīng)發(fā)布的部分建議書見表1。

表1 部分CCSDS 空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)

2.2 ECSS 標(biāo)準(zhǔn)

歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（簡(jiǎn)稱ECSS）于1993 年正式成立，是歐洲空間局（ESA）、歐洲各國(guó)航天局和歐洲工業(yè)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)化合作組織，其成員包括主要國(guó)家航天局及其工業(yè)部門，ESA是其牽頭單位。其成立的主要目的在于：解決歐洲空間共同體內(nèi)各國(guó)在空間項(xiàng)目的合作中，由于使用不同的空間標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致的空間項(xiàng)目研制成本的增高、效率降低、競(jìng)爭(zhēng)力減弱等問(wèn)題[6]。

ECSS 最新標(biāo)準(zhǔn)體系分為項(xiàng)目管理、產(chǎn)品保證、工程和可持續(xù)4 個(gè)子體系[7-8]，如圖3 所示。根據(jù)空間數(shù)據(jù)鏈路的概念與范圍，ECSS 標(biāo)準(zhǔn)體系中與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)屬于空間工程子體系中的E50 通信標(biāo)準(zhǔn)分支，共16 項(xiàng)，見表2。

表2 ECSS 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 ECSS 體系框架示意圖

2.3 國(guó)外空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

按照應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層的不同層次，對(duì)國(guó)外的空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，見表3～表7。

表3 空間數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)用層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表4 空間數(shù)據(jù)鏈路傳輸層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表5 空間數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表6 空間數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表7 空間數(shù)據(jù)鏈路物理層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3 對(duì)我國(guó)開展空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議研究的建議

我國(guó)的空間信息傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展相對(duì)滯后，主要表現(xiàn)為空空、空地和鄰近空間3 個(gè)部分傳輸協(xié)議尚未進(jìn)行一體化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在開展空間任務(wù)時(shí)需要進(jìn)行星地之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；協(xié)議之間的互操作效率較低；不同衛(wèi)星與地面之間采用的傳輸協(xié)議各不相同，且大多都是專用協(xié)議，這種情況在地面部分造成系統(tǒng)的兼容性、擴(kuò)展性和可靠性較差，浪費(fèi)了許多不必要的人力、物力資源，同時(shí)由于缺少符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的空間信息傳輸協(xié)議，更不利于將來(lái)與國(guó)際航天機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作交流[9]。

我國(guó)早年航天測(cè)控標(biāo)準(zhǔn)主要源于IRIG 標(biāo)準(zhǔn)、ESA 標(biāo)準(zhǔn)以及CCSDS 早期標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不多，僅對(duì)遙控、遙測(cè)、數(shù)據(jù)管理、測(cè)距、射頻及調(diào)制、跟蹤等具體專業(yè)進(jìn)行了規(guī)定，但是標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目不夠系統(tǒng)，不能完全體現(xiàn)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議最新的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，我國(guó)與ECSS、CCSDS 的體制、管理和研制模式是有區(qū)別的。由于歷史原因，我國(guó)空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)主要著眼于系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備的研制，存在大量產(chǎn)品規(guī)范，主要集中于物理層，而忽略了各類產(chǎn)品需要共同遵守的基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前我國(guó)已經(jīng)非常重視空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，正在不斷完善我國(guó)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比國(guó)外空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，對(duì)我國(guó)開展相關(guān)研究的建議如下。

a）加強(qiáng)對(duì)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)群體系化建設(shè)的規(guī)劃。CCSDS 協(xié)議采用分層架構(gòu)，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)成體系，各標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系界定清楚，我國(guó)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)群的規(guī)劃可借鑒CCSDS 的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

b）空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定要符合自身實(shí)際情況。ECSS 除了直接引用CCSDS 的成熟標(biāo)準(zhǔn)之外，還在CCSDS 的基礎(chǔ)上根據(jù)自己的實(shí)際進(jìn)行裁剪與進(jìn)一步規(guī)定，這種做法值得借鑒。

c）注重標(biāo)準(zhǔn)的制定，更注重標(biāo)準(zhǔn)的使用。雖然標(biāo)準(zhǔn)一般是推薦使用，不具有強(qiáng)制性，但ECSS標(biāo)準(zhǔn)體系政策更注重標(biāo)準(zhǔn)的使用，這更有航天信息的共享和利用，我們也應(yīng)積極推薦使用標(biāo)準(zhǔn)。

d）對(duì)于國(guó)際尚未成熟的深空測(cè)控通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)應(yīng)積極開展相關(guān)技術(shù)研究，以指導(dǎo)深空領(lǐng)域測(cè)控通信工作的開展。

e）國(guó)家測(cè)控網(wǎng)與民商用測(cè)控網(wǎng)以及國(guó)際測(cè)控網(wǎng)間的合作是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，因此編制空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議應(yīng)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，將有助于促進(jìn)在空間領(lǐng)域的軍民融合、國(guó)際交互支持，提升我國(guó)的航天地位和國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。