一種航天器綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計

何熊文

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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一種航天器綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計

何熊文

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

對航天器綜合電子系統(tǒng)的通用功能需求進行分析，設(shè)計了基于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)標(biāo)準(zhǔn)的綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)。體系架構(gòu)包含應(yīng)用層、應(yīng)用支持層、傳送層和亞網(wǎng)層，可通過各層的業(yè)務(wù)及協(xié)議組合實現(xiàn)系統(tǒng)功能。從標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)及協(xié)議的選擇過程、業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計、解決的關(guān)鍵技術(shù)問題等方面進行詳細闡述。該體系架構(gòu)可為航天器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供技術(shù)支撐，實現(xiàn)器載接口及協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，促進航天器設(shè)備和軟件的通用化，并為航天器提供更為靈活、強大的功能。

航天器綜合電子系統(tǒng)；空間通信協(xié)議；器載通信協(xié)議；器載接口業(yè)務(wù)

1 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對航天器的易用性提出了新的需求。單個航天器的智能化程度也將逐步得到提升，實現(xiàn)自主任務(wù)規(guī)劃、自主決策、自主健康管理等工作，從而簡化器地操作接口，減輕地面操作人員的運控負擔(dān)，使得航天器的應(yīng)用更加便捷。不同類型的航天器之間將逐漸實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)不可視軌道段信息的快速下傳，以及多器協(xié)同工作等。上述智能化及網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用需求，需要一套標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)及協(xié)議提供支撐，以形成覆蓋空間鏈路與器載鏈路的統(tǒng)一信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)可以對各種智能化應(yīng)用屏蔽底層鏈路及協(xié)議的不同，使應(yīng)用可以專注于智能化相關(guān)算法的具體實現(xiàn)。層次化的協(xié)議可以實現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)、器載網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，支持協(xié)議的更換和擴展，以適應(yīng)技術(shù)不斷發(fā)展的需要。作為航天器的信息處理和系統(tǒng)管理中樞，綜合電子系統(tǒng)是上述需求具體實現(xiàn)的主要載體，其業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)長期以來一直致力于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，在空間通信協(xié)議[1]、器載通信協(xié)議[2]等方面發(fā)布了許多建議書，已在全球超過800個航天器中得到應(yīng)用。歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)也在空間通信方面制定了一系列協(xié)議，例如用于標(biāo)準(zhǔn)化器地操作接口的遙控和遙測包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS)[3]，以及在美國軍用標(biāo)準(zhǔn)1553B總線協(xié)議上制定的ECSS 1553B總線通信協(xié)議[4]。中國現(xiàn)有航天器已逐步應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如在空間鏈路方面應(yīng)用了遙控空間鏈路協(xié)議[5]、高級在軌系統(tǒng)(AOS)[6]、空間包協(xié)議[7]等，在器載鏈路方面應(yīng)用了ECSS 1553B總線通信協(xié)議，以及SpaceWire總線協(xié)議。不過，航天器在鏈路層以上的協(xié)議制定差異性仍然較大，應(yīng)用層與底層沒有進行良好的分層，而是直接與鏈路層交互。由于中間層的缺失，應(yīng)用層的功能在具體實現(xiàn)時須要關(guān)注太多底層的協(xié)議，這樣既不利于航天器內(nèi)部不同網(wǎng)絡(luò)間實現(xiàn)互聯(lián)互通，也不利于多個航天器之間的協(xié)同工作，而且對應(yīng)的設(shè)備、器載軟件、地面測試軟件等都難以通用，不利于實現(xiàn)航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

針對上述問題，本文重點研究在中國航天器中如何根據(jù)需求有選擇性地應(yīng)用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)，建立標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)，形成統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計

綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)的總體設(shè)計思路，是對綜合電子系統(tǒng)的通用功能需求進行分析，分解得到基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)，再對CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)進行分析和選擇，將基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)及配套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，支持通過業(yè)務(wù)及協(xié)議的組合實現(xiàn)各功能，為智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供技術(shù)支撐。

2.1 通用功能需求分析

通過對遙感、導(dǎo)航、通信、載人航天、深空探測等多個領(lǐng)域進行需求分析，可以歸納出綜合電子系統(tǒng)的通用需求包括7項頂層功能，分別為遙控、遙測、時間管理、內(nèi)務(wù)管理、熱控管理、電源管理、解鎖與轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制。

(1)遙控是地面控制航天器的重要途徑，包括器地通信操作、實時指令分發(fā)、延時指令分發(fā)，為其他應(yīng)用過程提供數(shù)據(jù)注入通道等。

(2)遙測是地面獲取航天器各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及遙控操作結(jié)果的重要途徑，包括遙測采集、遙測組織、遙測下傳等功能。

(3)時間管理用于實現(xiàn)器地時間的同步，以及器內(nèi)各設(shè)備之間的時間同步，包括集中校時、均勻校時、GPS校時、時間發(fā)布、時間碼產(chǎn)生等功能。

(4)內(nèi)務(wù)管理用于實現(xiàn)對航天器的健康管理，包括器載參數(shù)監(jiān)視、事件報告、事件動作、內(nèi)存管理、在軌維護、重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)、自測試、系統(tǒng)重構(gòu)等功能。

(5)熱控管理包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制、故障檢測及處置、熱控管理參數(shù)設(shè)置等功能。

(6)電源管理包括電源調(diào)節(jié)、功率分配、電量計控制、蓄電池組過溫保護等功能。

(7)解鎖與轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制包括火工品起爆控制，以及天線和太陽翼等帶機構(gòu)部件的驅(qū)動控制等功能。

除了上述通用需求外，不同領(lǐng)域的航天器對綜合電子系統(tǒng)還有一些特殊需求，例如自主任務(wù)規(guī)劃功能、自主導(dǎo)航功能、器間路由功能、應(yīng)急返回功能和環(huán)境控制管理功能等。

對上述通用功能進行分解可知，各頂層功能大多采用器地接口協(xié)議、器內(nèi)各分系統(tǒng)之間的接口協(xié)議與地面或其他設(shè)備進行通信。同時，各功能也需要一些共性的業(yè)務(wù)，如遙控、內(nèi)務(wù)管理、熱控管理、電源管理等都要發(fā)送指令，遙測、內(nèi)務(wù)管理、熱控管理、電源管理都要獲取遙測數(shù)據(jù)進行判別。對于一些與智能化相關(guān)的功能，如自主任務(wù)規(guī)劃、自主決策等，也要獲取遙測及發(fā)送指令，且不同功能之間要進行消息通信，以實現(xiàn)協(xié)同。這些共性的業(yè)務(wù)及協(xié)議，可以通過標(biāo)準(zhǔn)化供各頂層功能使用，從而將頂層功能與底層的業(yè)務(wù)和協(xié)議實現(xiàn)良好的分離，使業(yè)務(wù)和協(xié)議達到各航天器通用的目的，便于未來實現(xiàn)航天器內(nèi)設(shè)備的互連，以及不同航天器間的互連。

2.2 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)的分析和選擇

需求分析中涉及的遙測獲取、發(fā)送指令、消息通信、時間訪問等基礎(chǔ)功能，可以通過CCSDS等標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)及協(xié)議實現(xiàn)，涉及到的CCSDS領(lǐng)域主要包括航天器器載接口業(yè)務(wù)(SOIS)領(lǐng)域、空間鏈路業(yè)務(wù)(SLS)領(lǐng)域、空間互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)(SIS)領(lǐng)域。CCSDS SOIS定義的分層體系架構(gòu)能有效屏蔽底層硬件變化對上層帶來的影響，并提供一組器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)支撐上層應(yīng)用。CCSDS SLS和CCSDS SIS領(lǐng)域的相關(guān)業(yè)務(wù)及協(xié)議，可提供器地及器間的通信業(yè)務(wù)。但是，CCSDS的上述領(lǐng)域重點關(guān)注底層的業(yè)務(wù)，對于頂層應(yīng)用(如遙控、遙測、內(nèi)務(wù)管理、時間管理、熱控管理、電源管理)支持較少，而ECSS的PUS標(biāo)準(zhǔn)定義了16類業(yè)務(wù)，將地面和航天器應(yīng)用層級別的接口進行了標(biāo)準(zhǔn)化，且其業(yè)務(wù)可以通過組合滿足頂層應(yīng)用的功能，是CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的有效補充。ECSS 1553B協(xié)議可以結(jié)合CCSDS SOIS領(lǐng)域的亞網(wǎng)層業(yè)務(wù)，共同提供鏈路相關(guān)功能。

基于上述考慮，可將CCSDS SOIS、CCSDS SLS、CCSDS SIS領(lǐng)域的業(yè)務(wù)及協(xié)議與ECSS PUS、ECSS 1553B進行整合。具體到各領(lǐng)域而言，涉及的一些業(yè)務(wù)和協(xié)議還可進一步選擇，主要的一些考慮如下。

1)CCSDS空間通信協(xié)議的選擇

CCSDS空間通信協(xié)議由SLS領(lǐng)域及SIS領(lǐng)域各工作組開發(fā)，按照CCSDS空間通信協(xié)議參考模型，包含物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。

(1)物理層協(xié)議根據(jù)目前的需求可選擇射頻與調(diào)制系統(tǒng)協(xié)議與規(guī)范。

(2)鏈路層協(xié)議一共包括4種，分別為遙測空間鏈路協(xié)議、遙控空間鏈路協(xié)議、AOS空間鏈路協(xié)議、鄰近空間鏈路協(xié)議。由于AOS空間鏈路協(xié)議定義的業(yè)務(wù)覆蓋了遙測空間鏈路協(xié)議，因此在實際應(yīng)用時遙測下行可直接應(yīng)用AOS空間鏈路協(xié)議。上行遙控一般應(yīng)用遙控空間鏈路協(xié)議，涉及到有圖像、話音上行的航天器(如空間站)時，也可應(yīng)用AOS空間鏈路協(xié)議。鄰近空間鏈路協(xié)議主要用于軌道器和著陸器等的通信，暫未在軌應(yīng)用。因此，在SLS領(lǐng)域中優(yōu)先選用的鏈路層協(xié)議為遙控空間鏈路協(xié)議和AOS空間鏈路協(xié)議。

(3)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包含空間包協(xié)議、封裝業(yè)務(wù)、IP協(xié)議等?？臻g包協(xié)議的優(yōu)點是簡單，開銷??；缺點是地址空間少，不太適用于多航天器通信和航天器與地面網(wǎng)絡(luò)直接互聯(lián)。因此，目前可優(yōu)先考慮應(yīng)用空間包協(xié)議，后續(xù)將IP協(xié)議納入，以支持地面網(wǎng)絡(luò)擴展到空間。

(4)傳輸層協(xié)議包含空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議(SCPS-TP)、利克里德傳輸協(xié)議(LTP)、傳輸控制協(xié)議(TCP)、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)等，目前可暫不應(yīng)用，待后續(xù)需要時擴展。

(5)應(yīng)用層協(xié)議包括文件傳輸協(xié)議(CFDP)、無損壓縮、圖像壓縮、束協(xié)議(BP)、異步消息傳輸業(yè)務(wù)(AMS)等。其中：AMS既可用于空間通信中的消息傳輸，也可用于器載通信，可實現(xiàn)空間、器內(nèi)一體化通信，應(yīng)優(yōu)先采用，其他協(xié)議可在后續(xù)應(yīng)用。

2)CCSDS器載通信協(xié)議的選擇

CCSDS器載通信協(xié)議主要由SOIS領(lǐng)域各工作組開發(fā)，按照CCSDS的SOIS器載參考模型，包含亞網(wǎng)層、傳送層、應(yīng)用支持層，各層業(yè)務(wù)根據(jù)需求的不同有不同的應(yīng)用場景及應(yīng)用方法[8]。

(1)亞網(wǎng)層包含包業(yè)務(wù)、存儲器訪問業(yè)務(wù)、同步業(yè)務(wù)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)、測試業(yè)務(wù)。包業(yè)務(wù)主要用于在一個器載鏈路上傳輸多種類型的包，存儲器訪問業(yè)務(wù)用于訪問設(shè)備內(nèi)的存儲器或寄存器，同步業(yè)務(wù)可提供本地時間，這3個業(yè)務(wù)是底層必不可少的支撐性業(yè)務(wù)，因此全部采用。設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)、測試業(yè)務(wù)可用于設(shè)備的即插即用，并不是必須的業(yè)務(wù)，可暫不采用。

(2)傳送層在SOIS模型中是可選的，但考慮到要將空間通信與器載通信進行融合，同時提供在多種鏈路上進行數(shù)據(jù)路由的機制，支持不同總線終端之間的設(shè)備遠程訪問、消息傳輸及遠程存儲器訪問，因此應(yīng)采用。由于空間通信協(xié)議中應(yīng)用的是空間包協(xié)議，此處也應(yīng)用空間包協(xié)議。

(3)應(yīng)用支持層在SOIS模型中包含命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)、時間訪問業(yè)務(wù)、消息傳輸業(yè)務(wù)、文件及包存儲業(yè)務(wù)、設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)。①命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)由設(shè)備訪問業(yè)務(wù)、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)組成，主要用于設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取及指令發(fā)送。②時間訪問業(yè)務(wù)用于獲取器上時間。③消息傳輸業(yè)務(wù)用于航天器內(nèi)部同一設(shè)備內(nèi)不同應(yīng)用程序之間、不同設(shè)備的應(yīng)用程序之間的消息通信，使用AMS的子集實現(xiàn)。④文件及包存儲業(yè)務(wù)主要用于文件及包的管理。⑤設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)主要用于即插即用。由于前三種業(yè)務(wù)涉及設(shè)備訪問、時間獲取、消息通信等所具備的基礎(chǔ)功能，因此全部采用。而文件管理和即插即用功能暫不涉及，因此暫不采用后兩種業(yè)務(wù)。

3)ECSS協(xié)議的選擇

ECSS PUS協(xié)議是CCSDS協(xié)議在應(yīng)用層上的補充，ECSS 1553B協(xié)議是CCSDS協(xié)議在鏈路層上的補充，因此都予以采用,同時可根據(jù)需求對PUS業(yè)務(wù)進行選擇和裁剪[9]。

2.3 業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)對需求以及標(biāo)準(zhǔn)的分析結(jié)果，本文設(shè)計的綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)如圖1所示。

(1)應(yīng)用層：包含遙測、遙控、熱控管理、電源電源管理、內(nèi)務(wù)管理、時間管理、解鎖與轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制等頂層功能，可使用底層的業(yè)務(wù)組合實現(xiàn)。

(2)應(yīng)用支持層：包含SOIS定義的設(shè)備訪問業(yè)務(wù)[10]、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)[11]、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)[12]、時間訪問業(yè)務(wù)[13]、消息傳輸業(yè)務(wù)[14]等，SIS定義的AMS[15]及ECSS PUS定義的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)。

(3)傳送層：一般只在有多個子網(wǎng)且子網(wǎng)間的應(yīng)用程序需要相互通信時才使用，包括傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。此處使用空間包協(xié)議進行選路，并對空間包協(xié)議進行擴展，在其副導(dǎo)頭增加源/目的地址信息，未來可擴展支持UDP/IP等協(xié)議。

(4)亞網(wǎng)層：包含空間鏈路和器載鏈路，提供一系列業(yè)務(wù)供上層的傳送層和應(yīng)用支持層業(yè)務(wù)調(diào)用?？臻g鏈路主要由上行遙控協(xié)議和通信操作規(guī)程-1(COP-1)協(xié)議[16]、下行AOS協(xié)議提供。器載鏈路包括包業(yè)務(wù)[17]、存儲器訪問業(yè)務(wù)[18]、同步業(yè)務(wù)[19]。對于每種鏈路，可通過相應(yīng)的匯聚協(xié)議及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議支持亞網(wǎng)層標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，從而對上層屏蔽底層鏈路的不同。目前，亞網(wǎng)層支持的鏈路包括1553B總線、串口、存儲器加載接口、串行數(shù)字量接口等。

2.4 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

在上述業(yè)務(wù)與協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要解決了以下3個關(guān)鍵技術(shù)問題：①PUS業(yè)務(wù)與SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系；②SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系；③SOIS業(yè)務(wù)與底層硬件之間的關(guān)系。

2.4.1 PUS業(yè)務(wù)與SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系

PUS業(yè)務(wù)可使用SOIS應(yīng)用支持層業(yè)務(wù)作為支撐業(yè)務(wù)，其自身更關(guān)注于算法處理。對SOIS業(yè)務(wù)的主要用法為：①利用設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)完成數(shù)據(jù)的采集；②利用設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)完成設(shè)備指令的發(fā)送；③利用消息傳輸業(yè)務(wù)完成包的分發(fā)；④利用時間訪問業(yè)務(wù)完成器上時間的獲取。例如：PUS器載監(jiān)視業(yè)務(wù)可使用設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)完成被監(jiān)視參數(shù)的采集；PUS器載操作調(diào)度業(yè)務(wù)使用時間訪問業(yè)務(wù)完成器上時間的獲取，通過消息傳輸業(yè)務(wù)將滿足發(fā)送時間要求的遙控包發(fā)送到目的地；PUS設(shè)備指令分發(fā)業(yè)務(wù)使用設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)完成開關(guān)指令、存儲器加載指令的分發(fā)等。

對照組患者采用常規(guī)腦出血治療,依據(jù)患者影像診斷采用常規(guī)治療,采用醒腦注射液治療,并且作止血、防感染操作。

通過對每項PUS業(yè)務(wù)進行數(shù)據(jù)流分析，將其算法與SOIS業(yè)務(wù)的關(guān)系利用數(shù)據(jù)流的方式描述，可依次得出每個PUS業(yè)務(wù)與所需的SOIS業(yè)務(wù)之間的接口關(guān)系。

2.4.2 SOIS業(yè)務(wù)之間的關(guān)系

通過全局的命名機制可建立SOIS各業(yè)務(wù)之間的映射關(guān)系，其層次關(guān)系如圖2所示。

圖2中比較核心的命名主要包括節(jié)點ID、虛擬設(shè)備ID、物理設(shè)備ID、應(yīng)用過程標(biāo)識(APID)、鏈路標(biāo)識、亞網(wǎng)地址、存儲器區(qū)域等，具體的命名方法如下。

(1)對每個應(yīng)用過程可以分配一個節(jié)點ID，用于消息傳輸業(yè)務(wù)；

(2)對每個設(shè)備分配一個物理設(shè)備ID，設(shè)備的主份及備份分別有一個物理設(shè)備ID，但可通過一個虛擬設(shè)備ID進行標(biāo)識；

(3)通過物理值ID或虛擬值ID區(qū)分設(shè)備中的一個參數(shù)或者發(fā)往設(shè)備的一條指令；

(4)對APID進行分段設(shè)計，使之既可以標(biāo)識設(shè)備，也可以標(biāo)識設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用過程；

(5)對每條鏈路分配一個鏈路標(biāo)識，鏈路上的每個終端分配一個亞網(wǎng)地址；

(6)通過存儲器區(qū)域標(biāo)識存儲設(shè)備中的某一塊存儲區(qū)域。

上述命名的尋址方法為：

(1)在消息傳輸業(yè)務(wù)中可依據(jù)節(jié)點ID查表得到節(jié)點對應(yīng)的APID；

(2)在設(shè)備訪問業(yè)務(wù)中可依據(jù)物理設(shè)備ID查表得到要訪問的設(shè)備APID以及底層所需業(yè)務(wù)，當(dāng)對應(yīng)的設(shè)備須采用底層的存儲器訪問業(yè)務(wù)時，通過物理設(shè)備ID和物理值ID查表可進一步得到對應(yīng)的存儲器區(qū)域和起始地址；

(3)在空間包協(xié)議中可依據(jù)APID查表得到設(shè)備的鏈路標(biāo)識和亞網(wǎng)地址；

(4)在包業(yè)務(wù)中通過鏈路標(biāo)識可以查表得到對應(yīng)的鏈路，通過亞網(wǎng)地址可以查表得到對應(yīng)的鏈路地址；

(5)在存儲器訪問業(yè)務(wù)中，由存儲器區(qū)域可找到對應(yīng)的設(shè)備名，便于通過驅(qū)動程序訪問設(shè)備。

依據(jù)上述尋址方法以及各業(yè)務(wù)的功能流程，可建立各層業(yè)務(wù)之間的關(guān)系。

2.4.3 SOIS業(yè)務(wù)與底層硬件之間的關(guān)系

通過SOIS亞網(wǎng)層的業(yè)務(wù)可屏蔽底層鏈路以及硬件的不同，對上層提供統(tǒng)一的接口，其中匯聚層及設(shè)備驅(qū)動程序起著關(guān)鍵的作用。

(1)對每個支持包業(yè)務(wù)的鏈路設(shè)計專門的匯聚協(xié)議及接口，使之支持包的傳輸，同時對鏈路的硬件接口設(shè)計配套的設(shè)備驅(qū)動程序，建立匯聚協(xié)議與驅(qū)動程序之間的聯(lián)系，從而可打通包業(yè)務(wù)、匯聚協(xié)議、驅(qū)動程序之間的接口，對上層提供包傳輸功能，達到鏈路更換不影響上層業(yè)務(wù)的效果。

(2)對于通過存儲器訪問業(yè)務(wù)訪問的本地設(shè)備，同樣設(shè)計配套的設(shè)備驅(qū)動程序，將存儲器訪問業(yè)務(wù)與設(shè)備驅(qū)動程序建立聯(lián)系，使上層通過統(tǒng)一的接口對設(shè)備進行訪問。

(3)對于同步業(yè)務(wù)，可將其與本地的時鐘設(shè)備驅(qū)動程序建立聯(lián)系，完成時間的獲取功能。

上述做法解決了SOIS亞網(wǎng)層業(yè)務(wù)與底層硬件之間的接口問題，在應(yīng)用支持層可通過前面的命名與尋址方法將消息傳輸業(yè)務(wù)、設(shè)備訪問業(yè)務(wù)等與底層亞網(wǎng)層的業(yè)務(wù)結(jié)合，提供更高級別的設(shè)備抽象。

2.5 頂層功能與業(yè)務(wù)及協(xié)議的對應(yīng)關(guān)系

各頂層功能可以通過架構(gòu)中的業(yè)務(wù)及協(xié)議組合實現(xiàn)，對每項頂層功能進行數(shù)據(jù)流分析后，可得到頂層功能與業(yè)務(wù)及協(xié)議的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。其他擴展功能(如自主任務(wù)規(guī)劃)也可以應(yīng)用本體系架構(gòu)設(shè)計的業(yè)務(wù)及協(xié)議，加上應(yīng)用特定的算法予以實現(xiàn)。

表1 頂層功能與業(yè)務(wù)及協(xié)議的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship of top-level function with services and protocols

3 應(yīng)用效果

為了驗證上述業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計的可行性，本文將架構(gòu)中應(yīng)用層以下的各業(yè)務(wù)及協(xié)議，全部采用軟件構(gòu)件予以實現(xiàn)，并根據(jù)綜合電子系統(tǒng)硬件平臺的需求進行組裝以及測試驗證。多項測試用例的設(shè)計及驗證表明，應(yīng)用本文設(shè)計的業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)，與傳統(tǒng)航天器相比，可提供更加豐富、實用、強大的功能，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

1)數(shù)據(jù)傳輸機制更為靈活

傳統(tǒng)航天器通過串行數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)傳送時，其傳送的時間間隔、數(shù)據(jù)長度、傳送目的地大都是固定的，難以靈活變化。而在本文的體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用CCSDS的空間包協(xié)議、SOIS亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)及匯聚層，系統(tǒng)支持串行數(shù)據(jù)接口傳送的時間間隔由用戶按需控制，傳送的數(shù)據(jù)長度及目的地實現(xiàn)按需傳送。平臺和載荷設(shè)備可通過任意一個串行數(shù)據(jù)接口接入，數(shù)據(jù)可以是原始數(shù)據(jù)或者空間包格式數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)可通過預(yù)先配置，將原始數(shù)據(jù)進行打包處理，然后再進行路由。當(dāng)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的空間包格式數(shù)據(jù)時，用戶可以選擇合適的長度，以及不同的目的地，系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)的目的地進行自動識別，并根據(jù)系統(tǒng)的路由策略將數(shù)據(jù)路由到其目的地，例如其他器載設(shè)備、其他航天器或者地面。上述機制可顯著提高系統(tǒng)的靈活性、可擴展性。

2)支持接口更換，不影響上層應(yīng)用軟件

傳統(tǒng)航天器通過某個接口進行數(shù)據(jù)傳送時，如果更換了接口，航天器一般須要進行軟件的修改，重新進行數(shù)據(jù)的設(shè)置。在本文的體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用CCSDS的空間包協(xié)議、SOIS亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)以及匯聚層，用戶可以通過不同的接口接入系統(tǒng)。即使用戶改變接入接口，例如由串行數(shù)據(jù)接口變?yōu)?553B總線接口、串口或其他接口，只要設(shè)定好目的地，系統(tǒng)即可根據(jù)目的地自動路由。該機制相當(dāng)于即插即用的初級階段，在后續(xù)加入設(shè)備自動識別機制后，可進一步提升即插即用的能力。

3)支持系統(tǒng)計算能力的按需擴展

在本文的體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用CCSDS的消息傳輸業(yè)務(wù)、設(shè)備訪問業(yè)務(wù)、設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)、設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)，與底層空間包協(xié)議、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)及匯聚層配合后，在底層硬件的支持下，可實現(xiàn)處理器數(shù)量的靈活擴展。當(dāng)一個處理器的計算能力不夠時，可以通過增加處理器模塊的數(shù)量實現(xiàn)任務(wù)的遷移，并進行分布式計算，從而增強系統(tǒng)的整體計算能力。在這個過程中，不同處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸全部通過消息傳輸業(yè)務(wù)完成，并根據(jù)通信雙方位置的不同采用不同的業(yè)務(wù)。

(1)當(dāng)同一個處理器模塊內(nèi)部的進程之間通信時，消息傳輸業(yè)務(wù)通過本地緩沖區(qū)完成消息的交換；

(2)當(dāng)一個設(shè)備內(nèi)的處理器模塊之間的進程進行通信時，消息傳輸業(yè)務(wù)經(jīng)由傳送層、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)、內(nèi)總線匯聚層完成數(shù)據(jù)傳輸；

(3)當(dāng)通過1553B總線連接的2個設(shè)備內(nèi)的進程進行通信時，消息傳輸業(yè)務(wù)經(jīng)由傳送層、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)、1553B總線匯聚層完成數(shù)據(jù)傳輸。

通過這種方式，可以對應(yīng)用層完全屏蔽底層鏈路的不同，從而方便應(yīng)用程序的開發(fā)。

4)系統(tǒng)上下行支持標(biāo)準(zhǔn)化的大塊數(shù)據(jù)傳輸

在本文的體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用CCSDS的遙控協(xié)議、AOS協(xié)議、COP-1協(xié)議、空間包協(xié)議、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)、匯聚層，為地面用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化的傳輸機制。用戶可以一次性地將上注數(shù)據(jù)組成最大65 542 byte的空間包，交由遙控協(xié)議進行自動分段，并按照COP-1協(xié)議對幀的傳送結(jié)果進行自動確認，這樣既可以提供對用戶的友好界面，又可以大幅提升上注效率，從而避免了以往的兩大弊端：①需要人工將大數(shù)據(jù)包拆分為多個小數(shù)據(jù)包，分別計算出注入地址后逐個上注，處理繁復(fù)；②在每注一幀后，等待遙測下行確認注入正確，才能上注下一幀，效率很低。此外，通過傳送層將空間通信與器內(nèi)通信互聯(lián)，這樣發(fā)往其他目的地的數(shù)據(jù)可以由傳送層直接進行路由，無須提交到上層，并且可以實現(xiàn)在多種物理鏈路上進行路由。

5)支持業(yè)務(wù)組合實現(xiàn)系統(tǒng)功能

在本文的體系結(jié)構(gòu)中，各功能可以通過多種業(yè)務(wù)的組合實現(xiàn)。例如：遙測功能中的遙測采集可以利用設(shè)備數(shù)據(jù)池業(yè)務(wù)，經(jīng)由設(shè)備訪問業(yè)務(wù)或設(shè)備虛擬化業(yè)務(wù)、空間包協(xié)議、亞網(wǎng)層包業(yè)務(wù)或亞網(wǎng)層存儲器訪問業(yè)務(wù)獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)。遙測的組織可利用ECSS PUS常規(guī)/診斷參數(shù)報告業(yè)務(wù)產(chǎn)生遙測包。遙測下傳可應(yīng)用AOS協(xié)議完成幀組織及虛擬信道調(diào)度，經(jīng)由硬件傳送至地面。上述基礎(chǔ)業(yè)務(wù)將為系統(tǒng)各項功能的開發(fā)提供極大的便利，后續(xù)的其他智能化功能也可基于上述基礎(chǔ)業(yè)務(wù)開發(fā)，促進器載軟件的重用，并減少用戶的開發(fā)工作量。

4 結(jié)束語

本文提出的航天器綜合電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)，充分吸納了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)的最新成果，應(yīng)用該體系架構(gòu)開展航天器空間通信協(xié)議及器載通信協(xié)議的設(shè)計，將有助于實現(xiàn)器地/器間操作接口的標(biāo)準(zhǔn)化，以及器內(nèi)各分系統(tǒng)之間接口的標(biāo)準(zhǔn)化，為后續(xù)航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化提供有力的支撐。

隨著對天地一體化需求的深入論證，對于地面協(xié)議如何與航天器協(xié)議進行融合還有待進一步研究。空間包協(xié)議由于地址的受限且與地面協(xié)議難以兼容，無法作為器間、器地、器內(nèi)的互聯(lián)協(xié)議。目前，一種可能的方式是通過IP協(xié)議將空間通信協(xié)議與地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議融合，同時針對空間鏈路高動態(tài)、長延時及可能中斷的特性，將容忍延遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)協(xié)議加入，形成天地一體化的協(xié)議體系。其中，網(wǎng)絡(luò)路由算法、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)管理、信息安全等還有待進一步研究。

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(編輯：夏光)

Service and Protocol Architecture Design of Spacecraft Avionics System

HE Xiongwen

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

Common functional requirements of spacecraft avionics system are analyzed and a service and protocol architecture based on CCSDS standard and ECSS standard has been designed. The architecture consists of 4 layers，including application layer，application support layer，transfer layer，subnetwork layer. The service and protocol of each layer can be combined to implement system functions. The detailed description of the architecture is given,including selection process of the standard services and protocols,service and protocol architecture design,and key technical issues solved. Application of the architecture shows that the architecture can provide the technical support for spacecraft intelligentization and network service,benefit the standardization of onboard interface and protocols as well as the universal use of devices and software on board,and provide more flexible and powerful function.

spacecraft avionics system；space communication protocol； onboard communication protocol； onboard interface service

2016-07-06；

2016-12-01

何熊文，男，高級工程師，從事星載綜合電子系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計和軟件開發(fā)工作。Email：hexw501@hotmail.com。

V446.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.011