航天器多種遙控體制組合設計方案研究

唐亮 王敏琪 杜英霞 宋洋 盧逸斌

(1 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)(2 上海航天電子技術研究所，上海 201109)

航天器多種遙控體制組合設計方案研究

唐亮1王敏琪2杜英霞1宋洋1盧逸斌1

(1 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)(2 上海航天電子技術研究所，上海 201109)

隨著獨立航天器向可重構、多功能方向的快速發(fā)展，以及組合式、組網(wǎng)式多航天器信息交互需求的增加，單一傳統(tǒng)遙控體制已無法滿足要求。為此，文章采用多種遙控體制組合的思想，設計了3種適應上述發(fā)展需求的遙控組合方案，即分包遙控-脈沖編碼調制(PCM)遙控組合、PCM遙控-高級在軌系統(tǒng)(AOS)組合和分包遙控-PCM遙控-AOS混合組合，并從傳輸數(shù)據(jù)量、傳輸數(shù)據(jù)類型、占用信道情況、與現(xiàn)有遙控接收設備兼容性等方面分析了其各自特點及應用場合。文章提出的3種方案可有效解決遙控功能需求問題，并已在我國某大型組合式航天器中成功應用，可為后續(xù)航天器遙控體制設計提供參考。

航天器；多種遙控體制；組合設計；遙控信息系統(tǒng)

1 引言

從航天任務發(fā)展看，獨立航天器逐步向可重構、多功能方向發(fā)展，不同任務的有效載荷在軌可按需接入航天器平臺、可定期更換；此外，航天器間相互配合以完成大型任務的需求迫切，使多個航天器多次對接組合、分離獨立，以及器間星際組網(wǎng)通信的工作模式逐步增多。然而，傳統(tǒng)航天器通常采用單任務單體制的遙控設計方案，已不能滿足上述兩方面的發(fā)展需求。國外在“國際空間站”遙控設計中提出遙控組合設計的初步想法，并進行了在軌驗證，但其仍局限于該任務內使用，不具備更大的靈活性。近幾年，國內在深空探測、載人航天等重大專項的深入開展，對遙控功能需求不斷提升和擴展，因此須要設計出一套靈活通用的遙控信息系統(tǒng)。

本文以航天器遙控信息系統(tǒng)新的需求為基礎，通過對脈沖編碼調制(PCM)遙控、分包遙控及高級在軌系統(tǒng)(AOS)特性的比較，分析了遙控體制更替的必然性及當前背景下更替帶來的問題，采用多種遙控體制組合設計的思想，提出了3種適應發(fā)展需求的設計方案，并對其各自特點進行了比較，同時介紹了它們的應用實例。

2 多遙控體制組合設計需求

隨著我國航天器數(shù)量的增加、航天任務復雜性的提高，航天器間信息交互需求的凸顯，特別是深空探測、載人航天工作的逐步開展，對航天器遙控功能提出了更高的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)受控對象

受控對象包括航天器平臺及有效載荷，傳統(tǒng)航天器受控對象在設計之初即明確，對其控制方式(指令及注數(shù))、數(shù)據(jù)格式也隨之明確，但隨著“航天器可重構”想法的提出，有效載荷在軌接入平臺、在軌維修更換使受控對象以需求為驅動不斷變化，須要考慮在不改變整器遙控方案的情況下，接入對象如何能夠自適應實時受控。

2)數(shù)據(jù)類型及傳輸速率

傳統(tǒng)航天器遙控系統(tǒng)使用獨立的上行(前向)物理信道，數(shù)據(jù)傳輸速率低；隨著大型空間飛行器，如空間站、深空探測器任務的開展，上行除傳送遙控數(shù)據(jù)外，還要進行音視頻、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)等多類型數(shù)據(jù)的傳送，數(shù)據(jù)量大，傳輸速率高，各類數(shù)據(jù)須共享同一個物理信道，并通過動態(tài)調度進行傳送。

3)多航天器信息交互

為完成大型空間任務，組合式、組網(wǎng)式航天器的使用領域和數(shù)量在逐漸增多，航天器存在自主飛行、組合體在軌運行等多種工作模式，航天器星際組網(wǎng)、互聯(lián)互通將成為空間新常態(tài)。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)制定并修訂了一套比較完善的空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，包括分包遙控及AOS等[1-4]，我國據(jù)此也建立了相應的PCM遙控、分包遙控、AOS的標準[5-7]，航天器遙控的傳統(tǒng)體制采用PCM遙控。對上述3種遙控體制進行對比分析，匯總如表1所示。

表1 不同遙控體制比較

通過對比可知，傳統(tǒng)的PCM遙控已不能適應新的遙控需求，從PCM遙控過渡到分包遙控及AOS是必然的趨勢。此外，國內航天器遙控技術的發(fā)展正在逐漸向國際標準靠攏，復雜航天器(如空間站)不僅需要常規(guī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的支持，還要使用AOS標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理，因此在遙控系統(tǒng)的實現(xiàn)中，常規(guī)遙控體制與AOS的兼容也將是必經(jīng)的一個過渡階段[8-10]。然而，PCM遙控作為傳統(tǒng)成熟的遙控體制，在我國航天器工程中已經(jīng)使用多年，目前部分在軌及新研航天器仍在使用，因此，在遙控體制更替過程中，存在以下問題：

(1)如何在不改變現(xiàn)有航天器PCM遙控接收處理設備設計的基礎上兼容新的遙控體制；

(2)如何讓不同遙控體制的航天器在組合體運行或星際組網(wǎng)時進行有效地信息交互，如在軌采用PCM遙控的航天器如何能夠與采用分包遙控的航天器進行通信。

為此，須要考慮設計一套兼容的遙控體制，即將PCM遙控、分包遙控、CCSDSAOS組合設計，既能配合航天器現(xiàn)有遙控方案工作，又能適應新的遙控需求，在遙控體制更替的特殊時期發(fā)揮特定的作用。

3 多遙控體制組合設計方案

本文提出3種多遙控體制組合設計方案，包括分包遙控-PCM遙控組合、PCM遙控-AOS組合和分包遙控-PCM遙控-AOS組合。

3.1 分包遙控-PCM遙控組合

設計思想為頂層采用PCM遙控幀格式，數(shù)據(jù)域中采用分包遙控幀格式，即將分包遙控幀封裝在PCM遙控幀格式中。該方案在頂層保留傳統(tǒng)PCM格式，可以有效兼容目前大多數(shù)遙控接收處理設備，待解析到數(shù)據(jù)域得到分包遙控幀時，又可充分利用分包遙控按需分配的特點，地面按需完成遙控數(shù)據(jù)組包，器上根據(jù)標識字，即航天器標識符(SCID)和虛擬信道標識符(VCID)將其送到指定航天器，進而完成相應的交互支持控制。

分包遙控-PCM遙控組合的數(shù)據(jù)傳輸格式如圖1所示。圖1中PCM遙控數(shù)據(jù)傳輸格式各字段定義應符合PCM遙控標準的規(guī)定。一個或多個分包遙控幀構成注入數(shù)據(jù)碼元序列；每個獨立的數(shù)據(jù)碼元序列加上方式字和地址同步字后，構成一個PCM注入數(shù)據(jù)遙控幀；連續(xù)發(fā)送若干個遙控幀，構成遙控幀序列；上行遙控信道開啟一次為一個遙控工作期，每個遙控工作期的開始有一個引導序列，用于載波、副載波穩(wěn)定接收和同步捕獲；在一個遙控工作期內間歇發(fā)送若干個遙控幀序列時，在間歇期用空閑序列填充，以維持同步。

一個遙控注入數(shù)據(jù)碼元序列固定包含2個用戶，每個用戶包括用戶勤務字、用戶數(shù)據(jù)長度和用戶數(shù)據(jù)三部分，如圖2所示。幀格式各字段定義如下。

(1)用戶勤務字：勤務字對應注入的用戶標識，注入到航天器的串行數(shù)據(jù)用戶一般有數(shù)管、制導、導航和控制(GNC)和總體電路；

(2)用戶數(shù)據(jù)長度字：長度為8bit，一個用戶數(shù)據(jù)最長為255byte；

(3)填充數(shù)據(jù)：一般填充55H或AAH；

(4)加密與認證序列：可選，由加密方案確定；

(5)CRC校驗字：長度為16bit，編碼程序的輸入是用戶1勤務字的第一字節(jié)至加密與認證序列(或填充數(shù)據(jù))的最后一個字節(jié)；

(6)用戶數(shù)據(jù)：用戶數(shù)據(jù)最長為255byte，其中的包遙控傳輸幀應符合相應標準的規(guī)定，如CCSDS232 遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、CCSDS231遙控同步和信道編碼。

圖1 分包遙控-PCM遙控組合數(shù)據(jù)傳輸格式Fig.1 Data transmission format of packet telecommand-PCM telecommand

圖2 注入數(shù)據(jù)碼元序列格式Fig.2 Format of injecting data sequence

3.2PCM遙控-AOS組合

設計思想為將傳統(tǒng)PCM遙控幀封裝在CCSDSAOS幀格式中。該方案頂層采用AOS，將其中一個VCID分配給底層的PCM遙控，其他虛擬信道可分配給音視頻等其他需要上行的數(shù)據(jù)類型。器上須要配置相應的AOS接收處理設備，根據(jù)VCID進行AOS解析轉發(fā)，即從相應虛擬信道數(shù)據(jù)區(qū)中提取PCM遙控幀，并發(fā)送給PCM遙控接收處理設備。

PCM遙控-AOS組合數(shù)據(jù)傳輸格式如圖3所示。

其中，前向鏈路AOS數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

圖3 PCM遙控-AOS組合數(shù)據(jù)傳輸格式Fig.3 Data transmission format of PCM telecommand-AOS

同步字虛擬信道主導頭數(shù)據(jù)區(qū)校驗1ACFFC1D版本號SCIDVCID虛擬信道幀計數(shù)信令域傳輸幀數(shù)據(jù)域RS校驗等

圖4 前向鏈路AOS數(shù)據(jù)幀格式

Fig.4UplinkAOSdataframeformat

AOS的使用應符合CCSDS732AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的規(guī)定，其中AOS幀格式中的部分相關字段定義如下。

(1)同步字：1ACFFC1D；

(2)版本號：“01”；

(3)SCID：長度為8bit，用來區(qū)分不同航天器的唯一標識；

(4)VCID：長度為6bit，用來對遙控、音視頻、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)等各類型數(shù)據(jù)進行虛擬信道分配；

(5)虛擬信道幀計數(shù)：除填充傳輸幀外，為每個虛擬信道上產(chǎn)生的傳輸幀分別按順序編號，數(shù)值為0～(224―1)，不對填充傳輸幀進行計數(shù)；

(6)傳輸幀數(shù)據(jù)區(qū)的PCM遙控幀應符合國標“PCM遙控”的規(guī)定[6]。

3.3 分包遙控-PCM遙控-AOS混合組合

設計思想為將前2個設計方案結合，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，即完成分包遙控到PCM遙控，PCM遙控到CCSDSAOS格式的2次封裝。數(shù)據(jù)傳輸格式如圖5所示，各字段定義同前文。

圖5 分包遙控-PCM遙控-AOS混合組合數(shù)據(jù)傳輸格式Fig.5 Data transmission format of packet telecommand-PCM telecommand-AOS

3.4 3種設計方案比較

3種組合設計方案比較見表2，它們均與現(xiàn)有航天器PCM遙控接收硬件兼容。分包遙控-PCM遙控組合適用于傳輸數(shù)據(jù)量小、上行遙控獨占信道、遙控需動態(tài)調度的任務；PCM遙控-AOS組合和分包遙控-PCM遙控-AOS混合組合適用于傳輸數(shù)據(jù)量大、上行信道要傳輸包括遙控在內的多種類型數(shù)據(jù)的任務；PCM遙控-AOS組合遙控需靜態(tài)分配，分包遙控-PCM遙控-AOS混合組合遙控可按需動態(tài)分配，它們都需要器上另行研制AOS接收處理設備。

表2 3種組合設計方案比較

4 設計應用

本文提出的3種組合設計方案已在某大型組合式飛行器設計中應用，依據(jù)不同通信鏈路的需求和特點采用了不同的組合設計方案，如圖6所示。其中：統(tǒng)一S頻段(USB)/寬波束中繼S/窄波束中繼S/空空通信鏈路，采用分包遙控-PCM遙控組合；中繼Ka鏈路為多類數(shù)據(jù)高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路，因此采用分包遙控-PCM遙控-AOS混合組合。在組合體工作模式時，組合設計方案也能較好完成多器(艙段)的信息交互，組合體遙控信息流如圖7所示。

圖6 多遙控體制組合設計應用實例Fig.6 Combination design and application of multiple telecommand systems

圖7 組合體遙控信息流Fig.7 Telecommand information flow of combined spacecraft

地面站采用分包遙控-PCM遙控組合，通過USB/寬波束中繼S/窄波束中繼S/空空通信鏈路上行傳輸程控指令/注數(shù)，由上行艙段的遙控綜合單元進行PCM解析，由上行艙段的核心處理單元進行分包遙控幀的處理。根據(jù)SCID標識，若為本艙段數(shù)據(jù)，則解析；若為其他艙段數(shù)據(jù)，則透明轉發(fā)，由相應核心處理單元進行解析。

地面站采用分包遙控-PCM遙控-AOS混合組合，通過中繼Ka鏈路上行多類數(shù)據(jù)，由器上AOS接收處理設備進行AOS數(shù)據(jù)幀解析，根據(jù)VCID標識進行分發(fā)處理。若為指令/注數(shù)，則分發(fā)給遙控綜合單元，由其進行處理，處理方式與其他鏈路相同。

5 結束語

本文分析了航天任務發(fā)展形勢及航天器遙控信息系統(tǒng)設計面臨的新需求，通過對PCM遙控、分包遙控和AOS的研究比較，闡明遙控體制更替的必要性及在當前背景下更替需要考慮的兼容過渡問題。采用多種遙控體制組合的思想，提出3種能夠解決上述問題的設計方案，并分析了它們各自的優(yōu)勢、特點及適用的場合。本文提出的組合設計方案已成功應用在當前航天器遙控設計中，并可為未來日趨靈活的航天任務遙控設計提供參考。

)

[1]CCSDS.CCSDS.232.0-B-1TCspacedatalinkprotocol[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2003

[2]CCSDS.CCSDS.732.0-B-2AOSspacedatalinkprotocol[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2006

[3]CCSDS.CCSDS.132.0-B-1TMspacedatalinkprotocol[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2003

[4]CCSDS.CCSDS.231.0-B-2TCsynchronizationandchannelcoding[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2010

[5]譚維熾,顧瑩琦.空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)[M].北京：中國科學技術出版社，2008

TanWeichi，GuYingqi.Spacedatasystem[M].Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress，2008 (inChinese)

[6]國防科學技術工業(yè)委員會.GJB1198.7A-2004 第1部分 航天器測控和數(shù)據(jù)管理-PCM遙控[S].北京：國防科學技術工業(yè)委員會，2004

CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense.GJB1198.7A-2004Telemetrytrackingcommandanddatahandlingforspacecraftpart1:PCMtelecommand[S].Beijing:CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense，2004 (inChinese)

[7]國防科學技術工業(yè)委員會.GJB1198.7A-2004第7部分 航天器測控和數(shù)據(jù)管理-分包遙控[S].北京：國防科學技術工業(yè)委員會，2004

CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense.GJB1198.7A-2004Telemetrytrackingcommandanddatahandlingforspacecraftpart7:packettelecommand[S].Beijing:CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense，2004 (inChinese)

[8]CCSDS.CCSDS.232.1-B-2Communicationsoperationprocedure-1 [S].WashingtonD.C.：CCSDS，2010

[9]CCSDS.CCSDS.211.0-B-4Proximity-1spacelinkprotocol-datalinklayer[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2006

[10]張亞航,趙思陽.基于傳統(tǒng)遙控體制的分包遙控方案設計[J].飛行器測控學報，2012，12(z1)：81-85

ZhangYahang，ZhaoSiyang.Amultilayertelecommanddesignbasedonthetraditionaltelecommandsystem[J].JournalofSpacecraftTT&CTechnology,2012，12(z1)： 81-85 (inChinese)

(編輯：夏光)

Analysis of Combination Design Scheme for Spacecraft Multiple Telecommand Systems

TANG Liang1 WANG Minqi2 DU Yingxia1 SONG Yang1 LU Yibin1

(1 Shanghai Aerospace System Engineering Institute，Shanghai 201109，China)(2 Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China)

Withtherapiddevelopmentofthereconfigurableandmulti-functionspacecraftandtheincreasingdemandforinformationinteractionofmultispacecraft，thetraditionaltelecommandsystemhasbeenunabletomeettherequirements.Therefore，threetelecommandsystemschemesareproposed(packettelecommand-PCMtelecommand，PCMtelecommand-AOSandpackettelecommand-PCMtelecommand-AOS)，whicharebasedonthecombinationdesignofmultipletelecommandsystems.Thecharacteristicsandapplicationsofthethreeschemesareanalyzedfromthetransmissiondatacapacityandstyle，theconditionofchanneloccupancyandthecompatibilitywithexistingTT&Creceivingequipment.Theschemescanmeetthetelecommandfunctionrequirementsandhavebeensuccessfullyappliedinalargecombinedspacecraftmission，andcanbeasareferenceforthefuturespacecrafttelecommandsystemdesign.

spacecraft；multipletelecommandsystems；combinationdesign；telecommandinformationsystem

2016-07-21；

2016-11-04

國家重大航天工程

唐亮，男，工程師，從事航天器總體設計工作。Email：tl_ht805@163.com。

V

ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.011