有限上行資源下遙控指令序列高效上注方案設(shè)計(jì)?

劉 洋， 李家琦， 李宗德

(上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203)

有限上行資源下遙控指令序列高效上注方案設(shè)計(jì)?

劉 洋， 李家琦， 李宗德

(上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203)

針對(duì)目前衛(wèi)星上行遙控速率低，有限過境時(shí)間內(nèi)上傳指令多的難題，設(shè)計(jì)多指令數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列結(jié)合專用任務(wù)指令的遙控上注方案。方案能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)模式下大量任務(wù)指令的高效上注，提高了衛(wèi)星遙控弧段內(nèi)上行資源利用率，簡(jiǎn)化了地面遙控操作。

遙控； 壓縮封裝； 數(shù)據(jù)注入； 專用任務(wù)指令

引 言

隨著航天器功能的日趨強(qiáng)大和復(fù)雜，對(duì)航天器及內(nèi)部單機(jī)控制越來越精細(xì)和靈活，地面測(cè)控系統(tǒng)需要加工大量的遙控指令和注入數(shù)據(jù)來保證每項(xiàng)任務(wù)的正常實(shí)施，因而對(duì)遙控信道資源的占用率也越來越高。對(duì)遙控指令逐條設(shè)計(jì)發(fā)送或多指令按順序排成指令數(shù)據(jù)鏈的發(fā)送方式花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量的人力和信道資源，也給任務(wù)的正常執(zhí)行帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。所以隨著航天任務(wù)的日漸增多，設(shè)計(jì)遙控指令的高效、靈活的上注方法越來越必要。

文獻(xiàn)[1]在雙星計(jì)劃中采用單遙控幀封裝多遙控?cái)?shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)注入方式，能夠比較有效地提高遙控上注效率，但缺點(diǎn)是一旦上注不能取消或改變，靈活性較差。文獻(xiàn)[2]在不修改當(dāng)前遙控體制的情況下，使用分包遙控的方式來提高上行信道利用率，但對(duì)指令包的信息沒有特別封裝處理，指令冗余信息較多，對(duì)上行信道的利用率提高有限。本文采用數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列結(jié)合專用任務(wù)指令的遙控上注方式，通過任務(wù)需求和特點(diǎn)分析，精簡(jiǎn)遙控上注數(shù)據(jù)內(nèi)容，提高數(shù)據(jù)注入效率；同時(shí)通過外部修改指令能夠?qū)ι献⒌娜蝿?wù)指令進(jìn)行控制和修改，增強(qiáng)了指令任務(wù)的靈活性。

1 指令序列上注

地面對(duì)航天器的程控方式一般有兩種：間接指令方式和注入數(shù)據(jù)方式。間接指令長(zhǎng)度較短，其數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度為幾十字節(jié)，主要是一些單機(jī)或軟件狀態(tài)切換、參數(shù)設(shè)置等控制指令；注入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度可達(dá)幾百字節(jié)，用于注入軌道數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、軟件代碼等較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。完成一次控制任務(wù)或載荷任務(wù)需要多個(gè)單機(jī)多條間接指令按照一定的流程依次執(zhí)行，現(xiàn)有的指令鏈上注方式效率不高，原因是指令鏈中指令間填充的發(fā)送最小保護(hù)間隔填充碼也會(huì)占用大量的信道資源。目前比較有效的解決方案是采用指令序列的注入方式，通過對(duì)間接指令進(jìn)行統(tǒng)一封裝和處理，將短幀指令變?yōu)殚L(zhǎng)幀注入數(shù)據(jù)，該方法能大量降低遙控指令發(fā)送最小保護(hù)填充碼的使用，提高資源利用率。某科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星的指令序列格式如圖1所示。

圖1 指令序列格式

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：2字節(jié)，從類型至指令n信息(包括類型和指令n信息)。

類型：2字節(jié)，指令序列類別標(biāo)識(shí)，通過該字段區(qū)分衛(wèi)星的各類指令任務(wù)，不同類型的指令任務(wù)可并行執(zhí)行。

任務(wù)數(shù)：1字節(jié)，單條指令序列中可包含多項(xiàng)任務(wù)，通過對(duì)任務(wù)的分類和編號(hào)，可以靈活控制或修改任務(wù)實(shí)施過程。

任務(wù)信息：對(duì)每項(xiàng)任務(wù)包含的指令進(jìn)行標(biāo)識(shí)，包括任務(wù)的起始和結(jié)束指令編號(hào)。

任務(wù)指令列表：指令的執(zhí)行信息，如指令包或指令碼和參數(shù)等內(nèi)容。

2 數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列

常規(guī)指令序列的封裝方法是直接將指令包的內(nèi)容完整封裝到指令序列中，這種封裝方式簡(jiǎn)單易行，便于地面軟件的操作，但由于包含了指令包包頭、檢驗(yàn)等輔助信息，會(huì)有較多的指令冗余信息，占用較多遙控信道資源。為改善此方法的不足，特采用多指令數(shù)據(jù)壓縮封裝的方法，將遙控指令中的關(guān)鍵和必要信息提取出來，精簡(jiǎn)指令封裝信息內(nèi)容，提高指令上注效率。

基于數(shù)據(jù)壓縮的指令信息的具體內(nèi)容如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列格式

指令信息中只包含遙控指令的唯一標(biāo)識(shí)信息和執(zhí)行信息。本例中遙控指令包采用了ECSS的PUS協(xié)議[3～5]對(duì)遙控指令進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過使用PUS協(xié)議中的PUS服務(wù)和PUS子服務(wù)兩個(gè)字段對(duì)每個(gè)遙控指令進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，通過2字節(jié)的信息確定了指令內(nèi)容。指令執(zhí)行時(shí)間為相對(duì)于指令執(zhí)行起點(diǎn)(序列中第一條指令)的時(shí)間絕對(duì)秒值。由于指令序列內(nèi)的指令為短時(shí)間內(nèi)的任務(wù)指令集合，指令間相互時(shí)間差不大，2字節(jié)的長(zhǎng)度完全能夠表示指令的執(zhí)行時(shí)間信息，相比于常規(guī)的4字節(jié)表示時(shí)間方式節(jié)省了2字節(jié)的空間。指令參數(shù)即指令的參數(shù)內(nèi)容，對(duì)于無參指令此字段不填任何信息。

壓縮數(shù)據(jù)的指令序列注入方式減少了遙控指令包包頭等包裝字段的冗余信息，對(duì)于單條指令減少8個(gè)字節(jié)以上的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，對(duì)于無參指令，壓縮效率在60%以上。

由于指令序列所要執(zhí)行的任務(wù)信息由圖1中的“類型”字段所標(biāo)識(shí)，指令信息的數(shù)據(jù)壓縮對(duì)任務(wù)信息沒有影響。對(duì)于指令序列中的單條指令，PUS服務(wù)和PUS子服務(wù)已唯一確定了其內(nèi)容，指令參數(shù)內(nèi)容在數(shù)據(jù)壓縮后也依然保留，因此指令信息壓縮后并沒有丟失或減少指令的執(zhí)行單元、受控目標(biāo)及操作信息的內(nèi)容，星務(wù)軟件對(duì)指令的解析和判斷不會(huì)受影響，指令序列的可靠性不會(huì)降低。

3 專用指令任務(wù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

當(dāng)指令序列包含的內(nèi)容較多時(shí)，采用指令逐條加工設(shè)置的指令序列生成方法存在以下問題：

①由于指令數(shù)量多，對(duì)于每條指令需要確認(rèn)參數(shù)和執(zhí)行時(shí)間，導(dǎo)致指令序列加工時(shí)間長(zhǎng)，且容易出現(xiàn)人為設(shè)置錯(cuò)誤；

②指令序列修改復(fù)雜，即使有專人負(fù)責(zé)對(duì)指令序列檢查校對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)指令順序或時(shí)序關(guān)系錯(cuò)誤時(shí)，對(duì)指令序列的修改也較繁瑣，甚至可能需要重新制作；

③指令序列內(nèi)容多，需要系統(tǒng)分配較多的存儲(chǔ)空間，對(duì)系統(tǒng)資源要求較多。

為了增強(qiáng)指令序列上注的可靠性以保證任務(wù)的正確執(zhí)行，需要采用一些方法來彌補(bǔ)以上不足。從實(shí)際衛(wèi)星工作任務(wù)模式的分析中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于衛(wèi)星許多特定工作模式下的任務(wù)序列，在很長(zhǎng)的一段工作時(shí)間內(nèi)，大多數(shù)的單機(jī)工作流程都是嚴(yán)格固化的，即部分指令的參數(shù)設(shè)置和指令執(zhí)行時(shí)間的相互關(guān)系都是固定值。這樣的一系列操作就可合成為一條專用指令，當(dāng)指令上注后，由星務(wù)計(jì)算機(jī)根據(jù)指令選擇預(yù)先設(shè)置好的任務(wù)流程并順序執(zhí)行其中的各條指令。通過這種設(shè)計(jì)方法，不但減少了指令設(shè)置和加工的時(shí)間，也大大降低了指令序列的復(fù)雜度，提高了指令的可靠性。這種由多條固定流程的指令序列操作合成的新指令稱為專用任務(wù)指令。

專用任務(wù)指令的形式如表2所示。

表2 專用任務(wù)指令格式

指令碼：專用任務(wù)指令的指令標(biāo)識(shí)；

時(shí)間碼：指令的執(zhí)行時(shí)間，為相對(duì)于衛(wèi)星零點(diǎn)的絕對(duì)秒值；

參數(shù)1～n：專用任務(wù)指令中帶參指令的參數(shù)值，根據(jù)指令的排列位置順序設(shè)置。

合成的專用任務(wù)指令能夠大大簡(jiǎn)化指令序列的制作過程，同時(shí)縮短了遙控指令的長(zhǎng)度，節(jié)省了指令上注時(shí)間。對(duì)于總參數(shù)長(zhǎng)度為100字節(jié)的20條間接指令，將其合成為一條專用任務(wù)指令后，至少能夠減少400字節(jié)的星上存儲(chǔ)空間和50s的上注時(shí)間。

4 專用任務(wù)指令的在軌動(dòng)態(tài)調(diào)整

專用任務(wù)指令內(nèi)部各條獨(dú)立指令的相對(duì)執(zhí)行時(shí)間都是固定的，但是在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合或應(yīng)用條件下，需要適當(dāng)修改某一條或少數(shù)幾條指令的相對(duì)執(zhí)行時(shí)間。例如，某些星上儀器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用，部分組件性能會(huì)下降，這時(shí)可能需要延長(zhǎng)開機(jī)的時(shí)間來彌補(bǔ)性能的下降，這就需要將關(guān)機(jī)指令的執(zhí)行時(shí)間延后。在這種情況下，需要能夠?qū)υ撝噶畹南鄬?duì)執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行修改。如果直接通過注入新數(shù)據(jù)去修改星上存儲(chǔ)的指令參數(shù)，那將需要較長(zhǎng)的上行時(shí)間，操作也較復(fù)雜，為此，針對(duì)專用任務(wù)指令再設(shè)計(jì)一條專用任務(wù)指令的調(diào)整指令。

專用任務(wù)指令的調(diào)整指令形式如表3所示。

表3 專用任務(wù)指令的調(diào)整指令格式

任務(wù)信息：即專用任務(wù)指令的標(biāo)識(shí)，以2字節(jié)長(zhǎng)度表示。由于專用任務(wù)指令包含的指令數(shù)量可能較多，為防止傳輸過程中的誤碼引起專用任務(wù)指令的配置出現(xiàn)差錯(cuò)，應(yīng)盡量使專用任務(wù)指令的標(biāo)識(shí)之間有較大的碼距，建議專用任務(wù)指令標(biāo)識(shí)的碼距不小于3。

指令有效標(biāo)識(shí)：用于表示專用任務(wù)指令中單條指令是否執(zhí)行，當(dāng)有效標(biāo)識(shí)取值為55H時(shí)，表示該單條指令執(zhí)行；當(dāng)有效標(biāo)識(shí)取值為AAH時(shí)，表示該條指令不執(zhí)行。

指令執(zhí)行時(shí)間：用以表示指令的執(zhí)行時(shí)間。此字段的時(shí)間為相對(duì)時(shí)間，即相對(duì)于專用任務(wù)指令執(zhí)行時(shí)間的絕對(duì)秒值。例如，專用任務(wù)指令的延時(shí)執(zhí)行時(shí)間為2015年3月20日12時(shí)10分10秒，某單條指令的執(zhí)行時(shí)間取值為50，則該條指令的執(zhí)行時(shí)間為2015年3月20日12時(shí)11分0秒。

專用任務(wù)指令的調(diào)整指令的使用，提高了專用任務(wù)指令應(yīng)用的實(shí)用性和靈活性。通過指令有效標(biāo)識(shí)，能夠?qū)Ｓ萌蝿?wù)指令中的指令進(jìn)行取舍。通過對(duì)指令時(shí)間信息的設(shè)置，能夠調(diào)整專用任務(wù)指令的執(zhí)行流程。當(dāng)專用任務(wù)指令執(zhí)行時(shí)，星務(wù)軟件會(huì)對(duì)專用任務(wù)指令中所有指令的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行巡檢和判斷，按指令執(zhí)行時(shí)間的順序依次執(zhí)行指令。當(dāng)衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)規(guī)劃需要調(diào)整專用任務(wù)指令的內(nèi)部指令執(zhí)行順序時(shí)，通過上注調(diào)整指令修改指令時(shí)間信息即可。例如指令A(yù)和指令B的執(zhí)行時(shí)間信息初始設(shè)定為20和40，即專用任務(wù)指令開始后20秒執(zhí)行指令A(yù)，40秒執(zhí)行指令B，指令A(yù)的執(zhí)行先于指令B 20秒。當(dāng)任務(wù)需要調(diào)換指令A(yù)和指令B的執(zhí)行順序時(shí)，只需上注調(diào)整指令將指令A(yù)和指令B的時(shí)間信息分別修改為40和20即可。

通過采用指令序列結(jié)合專用任務(wù)指令的遙控上注方式，指令上注的效率可大大提高。以某太陽(yáng)同步軌道科學(xué)衛(wèi)星的某項(xiàng)載荷觀測(cè)任務(wù)為例，一次觀測(cè)任務(wù)需要36條指令，每一天進(jìn)行14次觀測(cè)任務(wù)，每次需上注3天的觀測(cè)任務(wù)，共需上注1512條指令。如果采用指令序列結(jié)合專用任務(wù)指令的上注方式，只需要7條長(zhǎng)幀指令即可。不同上注方式的效果如表4所示。

表4 不同方式上注效果比較

從幾種上注方式的比較中可以看出，指令序列結(jié)合專用任務(wù)指令的上注方式相比其它方法在上注效率方面有很大的提高，能在較短的時(shí)間內(nèi)上注較多的指令任務(wù)內(nèi)容，既節(jié)省了遙控信道資源，又提高了指令注入效率。

圖2 指令高效上注流程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

5 通用衛(wèi)星指令高效上注流程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

指令序列結(jié)合專用任務(wù)指令的遙控上注方法設(shè)計(jì)流程及實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

①在衛(wèi)星研制和設(shè)計(jì)階段，根據(jù)衛(wèi)星的應(yīng)用需求確定出所需的工作模式。

②將不同工作模式下的單機(jī)工作流程梳理并確定下來。

③總結(jié)整星、單機(jī)操作和設(shè)置的所有指令。

④將操作時(shí)序和相對(duì)時(shí)間關(guān)系確定的指令歸納出來。

⑤按照工作流程和順序?qū)⑻暨x出的指令合并為專用任務(wù)指令，并由星務(wù)軟件順序?qū)崿F(xiàn)其功能。

⑥設(shè)計(jì)專用任務(wù)指令的調(diào)整指令，以便后期對(duì)其靈活配置。

⑦在軌運(yùn)行階段使用專用任務(wù)指令及其調(diào)整指令設(shè)計(jì)指令序列實(shí)現(xiàn)遙控指令的高效上注，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星工作模式的順利執(zhí)行。

目前，數(shù)據(jù)壓縮封裝指令序列的遙控上注方法已在某天基觀測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目中得到了充分驗(yàn)證，并且應(yīng)用效果較好。指令序列結(jié)合專用任務(wù)指令的遙控上注方法已在某科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的初樣階段得到了測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)遙控注入的效率有較大提高。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用指令序列上注模式解決了衛(wèi)星在軌任務(wù)期間短周期內(nèi)多指令上注的問題，有效地提高了衛(wèi)星遙控弧段內(nèi)的上行資源利用率。通過增加專用任務(wù)指令和專用任務(wù)調(diào)整指令的方法，進(jìn)一步地簡(jiǎn)化地面遙控指令的加工流程，減少占用的遙控信道資源，節(jié)省遙控上注時(shí)間，降低星上遙控存儲(chǔ)需求，同時(shí)能夠靈活地調(diào)整指令任務(wù)的執(zhí)行過程。

[1]呂良慶.一種基于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)注入策略[J].航天器工程，2005，14(1)：11～17.

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Design of High-efficiency Telecommand Up load M ethod under Lim ited Up link Channel

Liu Yang， Li Jiaqi， Li Zongde

Multi-commands compression and encapsulation with special mission instruction are brought forward to solve the problem that plenty of telecommands are difficult to upload in a short time under limited uplink channel.By this means，the efficiency of data injection is improved greatly and the operation ofmission center is simplified.The applications of themethod show the effectiveness of design on making full use of uplink channel.

Telecommand； Compression and encapsulation； Data injection； Specialmission instruction

V556

A

CN11-1780(2014)06-0045-05

863計(jì)劃課題；全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星總體及平臺(tái)研制(2011AA12A101)

2014-08-13 收修改稿日期：2014-08-25

劉 洋 1980年生，工學(xué)博士，主要從事衛(wèi)星測(cè)控總體設(shè)計(jì)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)等的研究。

李家琦 1985年生，工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控協(xié)議設(shè)計(jì)，自動(dòng)測(cè)試軟件開發(fā)。

李宗德 1988年生，工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控系統(tǒng)軟硬件開發(fā)。