星載標(biāo)準(zhǔn)接口業(yè)務(wù)在航天器中的應(yīng)用方法

何熊文 朱劍冰 程博文 顧明 閻冬

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

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星載標(biāo)準(zhǔn)接口業(yè)務(wù)在航天器中的應(yīng)用方法

何熊文 朱劍冰 程博文 顧明 閻冬

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

對(duì)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(CCSDS)星載標(biāo)準(zhǔn)接口業(yè)務(wù)(SOIS)的產(chǎn)生歷史、研究現(xiàn)狀以及體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。針對(duì)中國(guó)航天器中星載接口協(xié)議不統(tǒng)一、設(shè)備和軟件通用性差等問(wèn)題，探討了在中國(guó)航天器中如何應(yīng)用SOIS標(biāo)準(zhǔn)。文章從星內(nèi)節(jié)點(diǎn)協(xié)議配置、SOIS業(yè)務(wù)選擇、與空間鏈路協(xié)議配合等方面，探討了SOIS標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)航天器上的應(yīng)用方法。應(yīng)用SOIS標(biāo)準(zhǔn)，將有助于實(shí)現(xiàn)星載接口及協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，以及航天器上設(shè)備和軟件的通用化。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)；航天器；星載標(biāo)準(zhǔn)接口業(yè)務(wù)

1 引言

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，航天器星載接口呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)。從接口形式上分，一般包括總線接口、串口、開(kāi)關(guān)指令接口、模擬量/溫度量/雙電平量采集接口、數(shù)字量采集接口、串行加載指令接口等。對(duì)于總線接口而言，既包含低速的1553B總線、CAN總線，又包括高速的1394總線、SpaceWire總線、以太網(wǎng)總線等。盡管?chē)?guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)上述接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的定義，但在航天器應(yīng)用過(guò)程中，仍然存在協(xié)議不統(tǒng)一的局面。例如，中國(guó)航天器上普遍使用的美軍標(biāo)1533B總線協(xié)議[1]規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層、物理層的協(xié)議，但對(duì)子地址的應(yīng)用方法、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式等未作規(guī)定，這樣帶來(lái)的問(wèn)題是各航天器都有各自特定的1553B協(xié)議，既增加了各分系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)工作量，也不利于航天器設(shè)備及軟件的通用化。此外，由于各設(shè)備的接口不同、智能化程度不同，當(dāng)設(shè)備在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行互操作或信息共享時(shí)，若無(wú)一套統(tǒng)一的協(xié)議及信息傳輸機(jī)制，將給實(shí)現(xiàn)帶來(lái)非常大的困難。

針對(duì)上述問(wèn)題，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)在1999年的春季會(huì)議上新成立了一個(gè)工作組，其主要研究?jī)?nèi)容為星載信息交換以及各分系統(tǒng)和設(shè)備的星載接口，即航天器星載接口(Spacecraft Onboard Interface，SOIF)。在2003年的第8次SOIF會(huì)議上該工作組進(jìn)行了改組，SOIF更名為SOIS，即航天器星載接口業(yè)務(wù)(Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS)。其工作組后續(xù)經(jīng)過(guò)兩次重組后，包括應(yīng)用支持業(yè)務(wù)工作組、子網(wǎng)業(yè)務(wù)工作組、星載無(wú)線接口工作組。目前子網(wǎng)業(yè)務(wù)工作組已完成其工作，形成5份推薦性操作規(guī)程(紫皮書(shū))。應(yīng)用支持業(yè)務(wù)工作組完成了7份紫皮書(shū)，正在開(kāi)展“即插即用”相關(guān)研究，星載無(wú)線接口工作組完成了2份紫皮書(shū)及1份原理性說(shuō)明(綠皮書(shū))。英國(guó)SCISYS等公司對(duì)SOIS進(jìn)行了原型驗(yàn)證，歐洲航天局、法國(guó)國(guó)家空間中心、德國(guó)航空航天中心等機(jī)構(gòu)于2008年成立了一個(gè)空間綜合電子開(kāi)放接口體系架構(gòu)(Space Avionics Open Interface Architecture，SAVIOR)研究組，基于SOIS研究其綜合電子系統(tǒng)體系架構(gòu)，包含功能、硬件、軟件、接口協(xié)議等多個(gè)層面。美國(guó)航空航天局的戈達(dá)德航天飛行中心正在評(píng)估如何將SOIS融入其核心飛行程序(core Flight Executive，cFE)。

目前，中國(guó)各航天器在星載接口協(xié)議制定上仍然處于航天器特定設(shè)計(jì)、未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的局面，由此帶來(lái)了一系列問(wèn)題，如重復(fù)的接口協(xié)議格式制定、不同接口的設(shè)備難以進(jìn)行互操作、重復(fù)的設(shè)備研制、軟件無(wú)法通用等。本文對(duì)SOIS標(biāo)準(zhǔn)在航天器中的應(yīng)用方法研究，將有助于實(shí)現(xiàn)星載接口業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)星載網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議統(tǒng)一及信息共享，促進(jìn)軟件和設(shè)備的重用。

2 SOIS體系架構(gòu)

SOIS通過(guò)定義一組標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)接口和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通用航天器功能的標(biāo)準(zhǔn)化訪問(wèn)，并且使星載應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)獨(dú)立于提供這些業(yè)務(wù)的機(jī)制，從而增加其在不同航天器中的重用率。

SOIS定義的體系架構(gòu)[1]如圖1所示。由圖1可知，SOIS體系架構(gòu)分為應(yīng)用層、應(yīng)用支持層、傳輸層和子網(wǎng)層4層。應(yīng)用層為航天器特定任務(wù)相關(guān)的應(yīng)用程序，這些程序使用SOIS各層所提供的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)。應(yīng)用支持層對(duì)上提供一組標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)控制、對(duì)時(shí)間的訪問(wèn)、用戶(hù)間的消息傳遞、對(duì)文件及包的訪問(wèn)、以及即插即用功能，并且屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的不同，支持本地及遠(yuǎn)程的訪問(wèn)及通信。傳輸層提供傳輸及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)子網(wǎng)的路由及傳輸控制。子網(wǎng)層提供對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)業(yè)務(wù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的更換而不影響上層應(yīng)用，從而對(duì)上層屏蔽底層數(shù)據(jù)鏈路的不同。

圖1 SOIS體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of SOIS

2.1 應(yīng)用支持層

應(yīng)用支持層包括命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)、時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)、文件及包存儲(chǔ)業(yè)務(wù)、消息傳輸業(yè)務(wù)、設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)等5種標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)。

1)命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)

命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)(Command and Data Acquisition Services，CDAS)提供一組功能給用戶(hù)應(yīng)用程序使用，用于對(duì)星載設(shè)備發(fā)送命令或從星載設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)使用戶(hù)應(yīng)用程序與設(shè)備所處位置、采用的接口以及訪問(wèn)設(shè)備所使用的具體協(xié)議隔離。該業(yè)務(wù)由設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)(Device Access Service，DAS)[2]、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)(Device Virtualisation Service，DVS)[3]、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)(Device Data Pooling Service，DDPS)[4]共3種業(yè)務(wù)組成。

2)時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)

時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)(Time Access Service，TAS)[5]為用戶(hù)應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的本地時(shí)間訪問(wèn)接口。用戶(hù)可應(yīng)用TAS獲得本地時(shí)間后，進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)記、事件發(fā)生時(shí)間標(biāo)記、星載時(shí)間下傳等操作。

3)文件及包存儲(chǔ)業(yè)務(wù)

文件及包存儲(chǔ)業(yè)務(wù)(File and Packet Store Services，F(xiàn)PSS)[6]的目的是使用戶(hù)應(yīng)用程序能夠訪問(wèn)本地或遠(yuǎn)程文件存儲(chǔ)區(qū)的文件或包存儲(chǔ)區(qū)的包，而無(wú)需了解訪問(wèn)存儲(chǔ)區(qū)的細(xì)節(jié)。用戶(hù)可應(yīng)用該業(yè)務(wù)作為訪問(wèn)文件及包的統(tǒng)一接口，當(dāng)訪問(wèn)本地文件時(shí)，業(yè)務(wù)調(diào)用操作系統(tǒng)提供的文件系統(tǒng)完成功能。

4)消息傳輸業(yè)務(wù)

消息傳輸業(yè)務(wù)(Message Transfer Service，MTS)[7]可以提供航天器內(nèi)部應(yīng)用程序之間基于消息的相互通信，支持邀約—傳送、邀約—群發(fā)、訂閱—發(fā)布、請(qǐng)求—回復(fù)等多種消息傳輸機(jī)制。MTS使用異步消息傳輸業(yè)務(wù)(Asynchronous Message Service，AMS)[8]的一個(gè)子集作為星內(nèi)消息通信協(xié)議。應(yīng)用程序調(diào)用MTS投遞消息時(shí)不需要知道接收者所在的位置，由MTS對(duì)接收者的地址進(jìn)行解析并投遞消息。

5)設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)

設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)(Device Enumeration Service，DES)[9]提供對(duì)航天器設(shè)備增加、刪除等的管理。該業(yè)務(wù)可與子網(wǎng)層的設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)等配合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“即插即用”。

2.2 傳輸層

傳輸層一般只在有多個(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。當(dāng)星上無(wú)需進(jìn)行多子網(wǎng)路由時(shí)，可不使用該層業(yè)務(wù)。當(dāng)需要進(jìn)行多子網(wǎng)間路由時(shí)，可使用空間包協(xié)議[10]進(jìn)行路由，或者使用更為復(fù)雜的TCP、UDP、IP等協(xié)議，支持傳輸及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

2.3 子網(wǎng)層

子網(wǎng)層提供一系列業(yè)務(wù)供上層的應(yīng)用程序支持層和傳輸層業(yè)務(wù)調(diào)用。子網(wǎng)層業(yè)務(wù)包括包業(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)。不同的總線或其它接口可通過(guò)不同的數(shù)據(jù)鏈路匯聚協(xié)議實(shí)現(xiàn)上述一個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)。

1)包業(yè)務(wù)

包業(yè)務(wù)[11]提供在單一子網(wǎng)的包傳輸功能。此處的包可以是CCSDS定義的空間包(Space Packet)，地面因特網(wǎng)定義的IPv4包，或者是高層的其它特定協(xié)議數(shù)據(jù)單元。包業(yè)務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路匯聚協(xié)議進(jìn)行包的傳送和接收。

2)存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)

存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)[12]提供向設(shè)備的存儲(chǔ)器或寄存器讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)的能力。高層業(yè)務(wù)可使用該業(yè)務(wù)對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)、存儲(chǔ)器讀—修改—寫(xiě)操作。

3)同步業(yè)務(wù)

同步業(yè)務(wù)[13]提供在子網(wǎng)層向業(yè)務(wù)用戶(hù)通知事件的功能?？梢允峭绞录?例如計(jì)時(shí)通知)，也可以是異步事件(例如子網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)生變化)。

4)設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)

設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)[14]提供在航天器硬件配置改變的情況下，動(dòng)態(tài)識(shí)別設(shè)備的能力，可用于系統(tǒng)重構(gòu)。例如，冷備份設(shè)備加電。

5)測(cè)試業(yè)務(wù)

測(cè)試業(yè)務(wù)[15]提供對(duì)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是否在線的測(cè)試功能，同時(shí)可與其它業(yè)務(wù)配合完成設(shè)備自測(cè)試。

3 SOIS應(yīng)用方法

SOIS標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)分層次的業(yè)務(wù)制定，可滿(mǎn)足不同智能程度、不同接口的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或設(shè)備之間通信，其在具體應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)需求進(jìn)行業(yè)務(wù)選擇，并且制定配套的協(xié)議。為了在中國(guó)航天器中應(yīng)用SOIS，需解決以下幾方面問(wèn)題。

(1)對(duì)于不同智能程度的設(shè)備或節(jié)點(diǎn)，其協(xié)議如何配置；

(2)不同種類(lèi)的數(shù)據(jù)采用何種業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

(3)SOIS與空間鏈路等其它協(xié)議如何配合。

下面分別從星內(nèi)節(jié)點(diǎn)協(xié)議配置、SOIS業(yè)務(wù)選擇、與空間鏈路協(xié)議配合方面，對(duì)這些問(wèn)題的解決方法進(jìn)行分析。

3.1 星內(nèi)節(jié)點(diǎn)協(xié)議配置

從智能程度看，航天器中通信的節(jié)點(diǎn)可分為3類(lèi)：

(1)智能節(jié)點(diǎn)通信：此類(lèi)節(jié)點(diǎn)具備較強(qiáng)的處理能力，支持完整的協(xié)議棧，具備消息處理能力，相互之間可以進(jìn)行對(duì)等通信。協(xié)議支持節(jié)點(diǎn)訂閱某一類(lèi)所關(guān)注的數(shù)據(jù)而無(wú)需關(guān)心數(shù)據(jù)的發(fā)送者、發(fā)布自身的數(shù)據(jù)而無(wú)需關(guān)心數(shù)據(jù)的接收者、向系統(tǒng)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送以及查詢(xún)等功能。此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的典型代表為數(shù)管/星務(wù)中心計(jì)算機(jī)、姿軌控計(jì)算機(jī)、載荷管理計(jì)算機(jī)等。

(2)簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)通信：此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的智能程度比智能節(jié)點(diǎn)稍低，只具備空間包的處理能力。該類(lèi)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送或接收空間包。此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的典型代表為掛接在1553B總線等接口的分系統(tǒng)終端(處理器能力較低，一般為8031/51處理器)。

(3)非智能節(jié)點(diǎn)通信：此類(lèi)節(jié)點(diǎn)不具備空間包的處理能力，只能接收或發(fā)送原始數(shù)據(jù)，一般由智能節(jié)點(diǎn)或簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的典型代表為掛接在ON-OFF指令接口、模擬量/溫度量/雙電平量采集接口、數(shù)字量采集接口、串行加載指令接口等接口上的設(shè)備。

第一類(lèi)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議配置可以包含SOIS完整的業(yè)務(wù)及協(xié)議，以?xún)蓚€(gè)智能節(jié)點(diǎn)的消息通信為例，其協(xié)議配置示例如圖2所示。圖中紫色框?yàn)镃CSDS定義的紫皮書(shū)，藍(lán)色框?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)建議書(shū)，灰色框?yàn)樽远x。

第二類(lèi)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議配置可包含SOIS的傳輸層、子網(wǎng)包業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)鏈路匯聚協(xié)議及數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，以一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)和簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)間的包傳輸為例，其協(xié)議配置示例如圖3所示。

第三類(lèi)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議配置可包含SOIS的存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)及物理層協(xié)議，以一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)和非智能節(jié)點(diǎn)間的通信為例，其協(xié)議配置示例如圖4所示。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)協(xié)議配置Fig.2 Protocol configuration of intelligent node

傳統(tǒng)航天器一般需定義1553B總線協(xié)議、SpaceWire總線協(xié)議、串口通信協(xié)議等接口協(xié)議，但上述協(xié)議的制定，往往將數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與上層的應(yīng)用相關(guān)協(xié)議混在一起，缺乏層次劃分且難以在不同航天器間重用。應(yīng)用SOIS標(biāo)準(zhǔn)后，以同時(shí)應(yīng)用1553B總線和SpaceWire總線的航天器為例，若同時(shí)支持上述三類(lèi)節(jié)點(diǎn)的通信，航天器中需制定用于星內(nèi)通信的1553B總線協(xié)議(含匯聚協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、物理層協(xié)議)、SpaceWire總線協(xié)議(含匯聚協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、物理層協(xié)議)、存儲(chǔ)器訪問(wèn)協(xié)議、空間包協(xié)議、消息傳輸協(xié)議、設(shè)備訪問(wèn)協(xié)議。上述協(xié)議除匯聚協(xié)議、存儲(chǔ)器訪問(wèn)協(xié)議、設(shè)備訪問(wèn)協(xié)議外，都有標(biāo)準(zhǔn)化的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義，可基于上述標(biāo)準(zhǔn)形成國(guó)內(nèi)的星內(nèi)通信協(xié)議規(guī)范以及配套的協(xié)議中間件。各航天器根據(jù)其需求對(duì)協(xié)議的參數(shù)進(jìn)行配置，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行裁剪與選擇，對(duì)中間件進(jìn)行重用，如此可規(guī)范各領(lǐng)域航天器的星內(nèi)通信協(xié)議，便于設(shè)備間的互聯(lián)互通，便于配套軟件及測(cè)試設(shè)備的重用。

圖3 簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)協(xié)議配置Fig.3 Protocol configuration of simple intelligent node

圖4 非智能節(jié)點(diǎn)協(xié)議配置Fig.4 Protocol configuration of non-intelligent node

3.2 SOIS業(yè)務(wù)選擇

本節(jié)從航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)中比較常見(jiàn)的幾個(gè)功能，分別說(shuō)明如何進(jìn)行SOIS業(yè)務(wù)的選擇。

1)信息共享

在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，某些信息需要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中共享，例如軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星運(yùn)行模式、關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)、關(guān)鍵事件、情報(bào)信息等。由于不同分系統(tǒng)所關(guān)注的信息并不相同，此時(shí)可采用消息傳輸業(yè)務(wù)的消息訂閱發(fā)布模式。智能節(jié)點(diǎn)提出對(duì)某個(gè)主題信息的訂閱請(qǐng)求，信息主題的發(fā)布者無(wú)需知道消息具體是由誰(shuí)接收的，每當(dāng)其進(jìn)行信息發(fā)布時(shí)，消息傳輸業(yè)務(wù)將自動(dòng)將其分發(fā)到所有的“訂閱者”。采用這種模式時(shí)，姿軌控計(jì)算機(jī)可發(fā)布自身的軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)管計(jì)算機(jī)可發(fā)布當(dāng)前的衛(wèi)星運(yùn)行模式、關(guān)鍵事件等信息，載荷計(jì)算機(jī)可發(fā)布處理后的圖像情報(bào)信息(如某區(qū)域發(fā)現(xiàn)敏感目標(biāo))，其它分系統(tǒng)可發(fā)布自身的遙測(cè)參數(shù)。其通信場(chǎng)景見(jiàn)圖2所示。若系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程AMS協(xié)議，可將訂閱發(fā)布的信息擴(kuò)展到航天器之間，實(shí)現(xiàn)航天器之間的靈活信息共享，支撐多類(lèi)型航天器進(jìn)行任務(wù)協(xié)同。

2)總線節(jié)點(diǎn)遙測(cè)采集

對(duì)于智能節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)完成自身狀態(tài)采集及組織后，可通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)的消息發(fā)送原語(yǔ)將自身遙測(cè)發(fā)送至負(fù)責(zé)遙測(cè)收集的智能節(jié)點(diǎn)(如數(shù)管計(jì)算機(jī))。后者通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)的消息接收原語(yǔ)獲得消息，進(jìn)行后續(xù)處理，其場(chǎng)景見(jiàn)圖2所示。

對(duì)于簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在完成自身狀態(tài)采集及組織后，形成空間包，通過(guò)空間包協(xié)議將包發(fā)送至智能節(jié)點(diǎn)，智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)完成數(shù)據(jù)獲取。其場(chǎng)景見(jiàn)圖3所示。

3)總線節(jié)點(diǎn)指令分發(fā)

總線節(jié)點(diǎn)指令分發(fā)，一般由智能節(jié)點(diǎn)(如數(shù)管計(jì)算機(jī))通過(guò)總線分發(fā)到其它節(jié)點(diǎn)。若分發(fā)的目的地是智能節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)的消息發(fā)送原語(yǔ)分發(fā)，其場(chǎng)景見(jiàn)圖2所示。若分發(fā)的目的地是簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)或設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)的設(shè)備寫(xiě)原語(yǔ)發(fā)送，其場(chǎng)景見(jiàn)圖3所示。

4)模擬量/數(shù)字量遙測(cè)采集

模擬量/數(shù)字量設(shè)備的遙測(cè)數(shù)據(jù)，一般由連接該設(shè)備的控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)的設(shè)備讀原語(yǔ)，配合空間包協(xié)議、包業(yè)務(wù)、存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)等完成采集，其場(chǎng)景如圖4所示。控制節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的組織后，可采用前面所述總線節(jié)點(diǎn)遙測(cè)采集的過(guò)程完成后續(xù)處理。

5)設(shè)備ON-OFF/ML指令發(fā)送

ON-OFF/ML指令設(shè)備，一般由連接該設(shè)備的控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)的設(shè)備寫(xiě)原語(yǔ)進(jìn)行指令分發(fā)，設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求組織設(shè)備能識(shí)別的命令，經(jīng)由空間包協(xié)議、包業(yè)務(wù)以及底層協(xié)議完成指令發(fā)送，其場(chǎng)景見(jiàn)圖4所示。對(duì)于非本機(jī)執(zhí)行的ON-OFF/ML指令，節(jié)點(diǎn)接收到后可通過(guò)前面所述總線節(jié)點(diǎn)指令分發(fā)過(guò)程完成指令的分發(fā)。

6)自主健康管理

節(jié)點(diǎn)可通過(guò)命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)以及消息傳輸業(yè)務(wù)完成整星健康相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取，當(dāng)數(shù)據(jù)超限時(shí)，通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)、設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)完成指令的發(fā)送(見(jiàn)前面第3、5功能點(diǎn))。目前SOIS并未定義自主健康管理的業(yè)務(wù)，可通過(guò)歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)定義的包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS)[16]中的星載監(jiān)視業(yè)務(wù)、事件報(bào)告業(yè)務(wù)、事件-動(dòng)作業(yè)務(wù)配合完成。AMS中關(guān)于配置服務(wù)器間的在線監(jiān)測(cè)、注冊(cè)服務(wù)器的在線監(jiān)測(cè)、節(jié)點(diǎn)心跳信息的監(jiān)測(cè)，還可用于系統(tǒng)中多計(jì)算單元間以及計(jì)算單元內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的健康監(jiān)控，支持故障后的系統(tǒng)重構(gòu)及任務(wù)遷移，方便系統(tǒng)進(jìn)行自主健康管理。

3.3 與空間鏈路協(xié)議配合

CCSDS在數(shù)據(jù)鏈路層定義了遙測(cè)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、高級(jí)在軌系統(tǒng)、鄰近空間鏈路協(xié)議。目前，在中國(guó)航天器中上行已開(kāi)始應(yīng)用遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，下行應(yīng)用高級(jí)在軌系統(tǒng)，無(wú)論上行或下行都支持空間包的傳送，因此現(xiàn)階段可基于空間包協(xié)議將空間鏈路與星載鏈路連通。

在遙控應(yīng)用中，地面指定空間包的目的地后，通過(guò)遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議將遙控包發(fā)往航天器，航天器完成遙控幀的接收、解析以及遙控包的提取后，可將其交付到SOIS的傳輸層，由傳輸層根據(jù)遙控包的目的地進(jìn)行星內(nèi)路由。另一種可行的方法是，將遙控包直接交給應(yīng)用層，由應(yīng)用層對(duì)包進(jìn)行解析，獲得包目的地后通過(guò)SOIS消息傳輸業(yè)務(wù)或者設(shè)備訪問(wèn)業(yè)務(wù)進(jìn)行包的分發(fā)。

在遙測(cè)應(yīng)用中，航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過(guò)SOIS消息傳輸業(yè)務(wù)、設(shè)備訪問(wèn)等業(yè)務(wù)將所有遙測(cè)包收集后，可經(jīng)由傳輸層或者直接將遙測(cè)包發(fā)往高級(jí)在軌系統(tǒng)，由后者組幀下行地面。

為了使遙控與遙測(cè)包進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，可應(yīng)用PUS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遙控包以及遙測(cè)包的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義[17]。此處PUS標(biāo)準(zhǔn)中的許多業(yè)務(wù)，可以直接應(yīng)用SOIS相應(yīng)業(yè)務(wù)完成其功能，例如，PUS的常規(guī)事務(wù)與診斷參數(shù)報(bào)告業(yè)務(wù)可應(yīng)用SOIS的數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)完成數(shù)據(jù)的采集。

通過(guò)綜合應(yīng)用CCSDS定義的空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、ECSS定義的PUS包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、SOIS的星內(nèi)通信業(yè)務(wù)及協(xié)議，制定航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)及協(xié)議規(guī)范，將能促進(jìn)航天器空間網(wǎng)絡(luò)與星載網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，推動(dòng)航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟硬件的規(guī)范化以及產(chǎn)品化進(jìn)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)航天器星載接口繁多且協(xié)議不統(tǒng)一的弊端，在越來(lái)越多的航天器任務(wù)應(yīng)用中已逐漸凸現(xiàn)出來(lái)，并制約著航天器快速的發(fā)展。應(yīng)用SOIS標(biāo)準(zhǔn)，將有助于實(shí)現(xiàn)中國(guó)星載接口業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化，建立統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為后續(xù)航天器的智能數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)重構(gòu)提供有力的支撐，并促進(jìn)航天器設(shè)備及軟件的通用化和產(chǎn)品化，從而縮短航天器研制周期，節(jié)約研制成本，提高開(kāi)發(fā)效率。

本文提出的SOIS標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)航天器中的應(yīng)用方法，還有一些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。例如，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“即插即用”，異步消息傳輸業(yè)務(wù)如何實(shí)現(xiàn)多航天器間消息通信，SOIS與容斷容延遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)如何結(jié)合、如何支持無(wú)線接口等。

References)

[1]CCSDS.CCSDS 850.0-G-2 Spacecraft onboard interface services[S].Washington D.C.：CCSDS，2013

[2]CCSDS.CCSDS 871.0-M-1 Spacecraft onboard interface services—device access service[S].Washington D.C.：CCSDS，2013

[3]CCSDS.CCSDS 871.2-M-1 Spacecraft onboard interface services—device virtualization service[S].Washington D.C.：CCSDS，2014

[4]CCSDS.CCSDS 871.1-M-1 Spacecraft onboard interface services—device data pooling service[S].Washington D.C.：CCSDS，2012

[5]CCSDS.CCSDS 872.0-M-1 Spacecraft onboard interface services — time access service[S].Washington D.C.：CCSDS，2012

[6]CCSDS.CCSDS 873.0-M-1 Spacecraft onboard interface services — file and packet store services[S].Washington D.C.：CCSDS，2012

[7]CCSDS.CCSDS 875.0-M-1 Spacecraft onboard interface services — message transfer service[S].Washington D.C.：CCSDS，2012

[8]CCSDS.CCSDS 735.1-B-1 Asynchronous message service[S].Washington D.C.：CCSDS，2011

[9]CCSDS.CCSDS 871.3-M-1 Spacecraft onboard interface services — device enumeration service[S].Washington D.C.：CCSDS，2014

[10]CCSDS.CCSDS 133.0-B-1 Space packet protocol[S].Washington D.C.：CCSDS，2003

[11]CCSDS.CCSDS 851.0-M-1 Spacecraft onboard interface services — subnetwork packet service[S].Washington D.C.：CCSDS，2009

[12]CCSDS.CCSDS 852.0-M-1 Spacecraft onboard interface service — subnetwork memory access service[S].Washington D.C.：CCSDS，2009

[13]CCSDS.CCSDS 853.0-M-1 Spacecraft onboard interface services — subnetwork synchronisation service[S].Washington D.C.：CCSDS，2009

[14]CCSDS.CCSDS 854.0-M-1 Spacecraft onboard interface services — subnetwork device discovery service [S].Washington D.C.：CCSDS，2009

[15]CCSDS.CCSDS 855.0-M-1 Spacecraft onboard interface services — subnetwork test service[S].Washington D.C.：CCSDS，2009

[16]European Cooperation for Space Standardization. Space engineering：ground systems and operations - telemetry and telecommand packet utilization,ECSS-E-70-41A[S].Noordwijk：ECSS，2003

[17]何熊文，張猛.遙控和遙測(cè)包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)在航天器中的應(yīng)用方法[J]，航天器工程，2012，21(3):54-60

He Xiongwen，Zhang Meng.Application method of telecommand and telemetry packet utilization standard in spacecraft[J].Spacecraft Engineering，2012，21(3):54-60 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Application Method of Spacecraft Onboard Interface Services in Spacecraft

HE Xiongwen ZHU Jianbing CHENG Bowen GU Ming YAN Dong

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

The past，research status and architecture of Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) spacecraft onboard interface services(SOIS) are analyzed in this paper.Aiming at the problem of inconsistent onboard interface protocols and non-universal devices and software，the applied method of SOIS in Chinese spacecraft is discussed，focusing on the configuration of onboard node protocols，the selection of SOIS services and the cooperation with space link protocols.Application of SOIS will benefit the standardization of onboard interface and protocols and the universal use of devices and software on board.

CCSDS;spacecraft;onboard interface services

2015-09-20；

2015-11-05

何熊文，男，高級(jí)工程師，從事星載數(shù)管/綜合電子系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)、協(xié)議設(shè)計(jì)、CCSDS標(biāo)準(zhǔn)研究等工作。Email：hexw501@hotmail.com。

V446.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.009