ECSS包應(yīng)用標準的發(fā)展思路分析*

呂良慶 周玉霞 王維嘉

（1中國科學院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點實驗室/中國科學院國家空間科學中心，北京，100190；2中國航天標準化研究所，北京，100071）

在上世紀80年代末，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員 會 （Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）提出了遙測包和遙控包的標準建議書及其概念原理的綠皮書，到2001年為止，進行了幾次升級。歐洲空間局 （European Space Agency，ESA）標準批準委員會 （Standards Approval Board，STAB）隨即也推出了自己的兼容標準。這些標準規(guī)定了星地應(yīng)用過程之間傳遞遙測遙控包的通信協(xié)議，但是沒有規(guī)定如何部署和應(yīng)用。這使得項目在使用CCSDS包時，需要有自己的解決方案，從而導(dǎo)致定制的星載包管理系統(tǒng)和地面監(jiān)控支持的應(yīng)用增多、擴散而難以控制的局面。為此，ESA的操作和地面支持系統(tǒng)標準委員會（Committee for Operations and EGSE Standards，COES）負責開發(fā)并于1994年推出了第一個包應(yīng)用標準 （Packet Utilization Standard，PUS），成為此后所有ESA任務(wù)中的事實標準。

經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐，PUS標準積累了一些改進意見。同時CCSDS的包標準也在發(fā)展，提出了空間包的概念。而隨著制定空間標準的職責從ESA轉(zhuǎn)移到歐洲空間標準化合作組織（European Cooperation for Space Standardization，ECSS），也需要重新發(fā)布PUS標準。為此在經(jīng)歷了一個長期的審查過程后，在2003年發(fā)布了PUS的A版 本 （Telemetry and Telecommand Packet Utilization：ECSS-E-70-41A，以下簡稱PUS A版）。又經(jīng)過了十幾年的發(fā)展和經(jīng)驗積累，在2016年發(fā)布了PUS的C版本（ECSSE-70-41C，以下簡稱PUS C版）。

PUS中最主要的一個術(shù)語是“service”，在翻譯成中文時，有“業(yè)務(wù)”和“服務(wù)”兩種譯法，它們在概念內(nèi)涵上是有區(qū)別的?！皹I(yè)務(wù)”是為表現(xiàn)能力而執(zhí)行的功能實體，關(guān)注其內(nèi)在的執(zhí)行過程?！胺?wù)”是處于系統(tǒng)架構(gòu)上層通過某項業(yè)務(wù)表現(xiàn)出來的對用戶預(yù)期的外在響應(yīng)，它可以是某項業(yè)務(wù)及其之下層次的多項業(yè)務(wù)能力的疊加表現(xiàn)。本文斟酌使用這兩個詞，以區(qū)別原文中“service”不同的內(nèi)涵。

1 PUS A版的主要思想

PUS A版定義了地面可以監(jiān)控的標準業(yè)務(wù)的集合，從操作概念、業(yè)務(wù)模型和相關(guān)的遙測、遙控包結(jié)構(gòu)3個方面來描述。

操作概念分為全局概念 （包括應(yīng)用過程、包設(shè)計、遙控指令、遙測報告等），例行操作（例如：遙控遙測驗證、遙測報告、星載軟件管理、星載運行規(guī)劃、星載監(jiān)控、星載存儲和檢索以及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)寄控制），非例行操作 （例如軟件維護和故障排除）。業(yè)務(wù)模型圍繞遙控包和遙測包的結(jié)構(gòu)定義，進行服務(wù)規(guī)格的說明。上述內(nèi)容主要來自CCSDS和一些以往的實踐經(jīng)驗。

PUS A版定義了16項標準業(yè)務(wù)模型，詳見表1。每項業(yè)務(wù)模型以最小能力集和附加能力集的概念，描述該項業(yè)務(wù)應(yīng)具備的基礎(chǔ)能力和可擴展能力。每項能力以遙控或遙測包的形式提供業(yè)務(wù)對外的服務(wù)，定義為不同的服務(wù)子類型，在包的副導(dǎo)頭中通過［業(yè)務(wù)類型號，服務(wù)子類型號］區(qū)分。例如參數(shù)統(tǒng)計報告業(yè)務(wù)的“報告統(tǒng)計參數(shù)”指令包是［4，1］，而“參數(shù)統(tǒng)計報告”遙測包是［4，2］。

表1 PUS A版的標準業(yè)務(wù)模型[4]

PUS規(guī)定的標準業(yè)務(wù)可以根據(jù)任務(wù)的需要選用，部署在系統(tǒng)中所需要的層次，其復(fù)雜程度可以通過不同能力集的組合進行剪裁，并允許任務(wù)特定業(yè)務(wù)的加入和擴展。

2 PUS C版的主要思想

PUS C版給出了PUS服務(wù)類型模型，主要分為3個層次，即基礎(chǔ)模型，業(yè)務(wù)類型模型和空間系統(tǒng)服務(wù)模型，如圖1所示。

圖1 PUSC版的PUS服務(wù)類型模型[5]

圖1中的PUS基礎(chǔ)模型 （PUS foundation model）描述了星地之間提供支持和服務(wù)的關(guān)系，主要思想來自CCSDS已經(jīng)規(guī)定的內(nèi)容。為了描述這種關(guān)系，規(guī)定了一些基本概念和規(guī)則，可以分為一般業(yè)務(wù)類型抽象級別和部署抽象級別。類型抽象級別定義了幾個主要概念（業(yè)務(wù)、子業(yè)務(wù)、消息、請求、報告、能力等）和運用規(guī)則，每個概念的類型定義說明了這個概念的邏輯含義和進行編碼時應(yīng)該包含的內(nèi)容，以便在實例化時，可以進行類型編碼和定義。部署抽象級別主要說明了各個概念類型相互之間的位置包含關(guān)系、通信關(guān)系等。

業(yè)務(wù)類型模型（Service type model）是能夠提供服務(wù)的業(yè)務(wù)規(guī)格描述，又可以分為標準業(yè)務(wù)模型（standardized service type model）和任務(wù)特定業(yè)務(wù)模型 （mission-specific service type model），在具體任務(wù)中可以剪裁和增加，明確在任務(wù)的 “PUS定義文件”中，供相關(guān)方遵照使用。PUS C版中規(guī)定的標準業(yè)務(wù)模型在PUS A版的基礎(chǔ)上增加了4項（見表2）。

表2 PUS C版的標準業(yè)務(wù)模型[5]

空間系統(tǒng)服務(wù)模型是指按照任務(wù)“PUS定義文件”中選擇好的各式各類業(yè)務(wù)類型，將其實例化，部署到系統(tǒng)中。模型中最重要的內(nèi)容就是系統(tǒng)業(yè)務(wù)拓撲結(jié)構(gòu)圖，即任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計。不同層次的空間系統(tǒng)服務(wù)模型包含的內(nèi)容不盡相同，可以是上層架構(gòu)分解的內(nèi)容，又可作為下層內(nèi)容分解的出發(fā)點。而頂層的空間系統(tǒng)服務(wù)模型包含任務(wù)背景下的全局星地系統(tǒng)架構(gòu)。

3 PUS C版對PUS A版的主要發(fā)展

經(jīng)過十幾年的實踐經(jīng)驗積累，PUS C版對PUS A版進行了比較大的修改和調(diào)整，除了為與PUS A版兼容而保留了相應(yīng)的業(yè)務(wù)編號和名稱外，對描述方式、每個業(yè)務(wù)模型的規(guī)格，以及請求、報告的包格式都進行了重新梳理。

PUS C版最主要的變化是模型描述的思路。PUS A版的模型化主要是針對CCSDS空間包概念，規(guī)定了以遙控包和遙測包包裝的業(yè)務(wù)對外的服務(wù)能力，對業(yè)務(wù)模型只給出了外在的規(guī)格要求，而沒有規(guī)定業(yè)務(wù)模型內(nèi)部的設(shè)計規(guī)格。PUS C版不僅提出了圖1的服務(wù)類型模型，還規(guī)定了每個標準業(yè)務(wù)模型內(nèi)部詳細的設(shè)計規(guī)格，并在此基礎(chǔ)上全面梳理了業(yè)務(wù)外在服務(wù)能力的表現(xiàn)（請求和報告的包格式）的約定。

PUS A版定義了服務(wù)子類型的概念，但并不是各項業(yè)務(wù)的簡單劃分，而是以能力集的概念來表現(xiàn)業(yè)務(wù)對外提供的服務(wù)能力。這些能力以[業(yè)務(wù)類型號，服務(wù)子類型號]的形式來標識不同的遙控包和遙測包。PUS C版明確子業(yè)務(wù)的概念就是業(yè)務(wù)的劃分，而不是業(yè)務(wù)外在服務(wù)的能力集合，并據(jù)此規(guī)定了每個標準業(yè)務(wù)中包含的子業(yè)務(wù)。同時以請求和報告的概念泛化了遙控和遙測的概念，以“消息”概念作為請求包和報告包的傳輸載體，編號方式變?yōu)?[業(yè)務(wù)號，消息號]。這樣一來，一方面能夠兼容按照PUS A版已經(jīng)建立的遙控包、遙測包庫和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面為PUS C版擴展定義請求包和報告包提供了一致的概念方式。

為了兼容PUS A版，PUS C版繼承了PUS A版定義的16項標準業(yè)務(wù)模型，并且對它們進行了內(nèi)涵的調(diào)整和擴充，體現(xiàn)在名稱的變化和子業(yè)務(wù)的劃分上，增加的4項標準業(yè)務(wù)模型與原有業(yè)務(wù)不沖突。例如ST[18] “星載操作規(guī)程”到“星載控制規(guī)程”在名稱上的變化，反映了該業(yè)務(wù)的實踐經(jīng)驗積累，并且針對這項業(yè)務(wù)，在2010年推出了“星載控制規(guī)程”標準（ECSS-E-ST-70-01）。ST[12]星載監(jiān)視業(yè)務(wù)中，PUS A版只提出了參數(shù)監(jiān)視，PUS C版則提出了參數(shù)監(jiān)視基礎(chǔ)上的功能監(jiān)視的規(guī)格。

在標準章節(jié)編排方式上，PUS C版將業(yè)務(wù)模型規(guī)格的描述與請求包和報告包的格式定義分成了2個獨立的章節(jié)，而在PUS A版的章節(jié)安排上，二者是在一起描述的。這種編排方式的變化導(dǎo)致PUS C版的篇幅從PUS A版的228頁猛增到626頁，也反映了思路上的變化，從以描述外在的數(shù)據(jù)格式為主，轉(zhuǎn)向了關(guān)注業(yè)務(wù)模型內(nèi)在的規(guī)格說明。而且這種分開描述的方式也有利于業(yè)務(wù)模型和請求包、報告包的實例化，以及各自獨立的擴展和積累。如果這種模型化思路不變的話，那么下一個PUS版本中，我們看到的變化將主要是標準業(yè)務(wù)模型和請求包、報告包的擴展。

4 PUS的應(yīng)用建議

PUS標準業(yè)務(wù)模型的建立是基于ESA的實踐和文化思維方式背景的。由于ESA的多國聯(lián)盟的性質(zhì)，其星載系統(tǒng)架構(gòu)多具有分布式集中控制的特點，即系統(tǒng)不同的組成部分分布式研制和部署，通過一個集中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成在一起。這種集成由于ESA的標準和生產(chǎn)制造的統(tǒng)一，為建立歸一化的系統(tǒng)構(gòu)建方式鋪平了道路，也是PUS標準業(yè)務(wù)得以建立、發(fā)展、積累和繼承使用的背景和基礎(chǔ)。

而我國的衛(wèi)星建設(shè)單位并不統(tǒng)一，而且各級各類的星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計也各有其架構(gòu)和特點，反映了不同組織機構(gòu)的發(fā)展背景和特色。也正因如此，國內(nèi)要統(tǒng)一星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計，不是一件簡單容易的事情，更多的是通過協(xié)調(diào)統(tǒng)一接口方式的辦法解決互聯(lián)互通問題，而不是統(tǒng)一星載設(shè)計規(guī)格。這也導(dǎo)致國內(nèi)使用PUS標準時，必然會出現(xiàn)不同的思路和理解，以及結(jié)合不同的設(shè)計實例進行改造的局面。

為適應(yīng)這一現(xiàn)實情況，各組織機構(gòu)在使用PUS標準時，需要結(jié)合自身已有的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計經(jīng)驗，對PUS標準業(yè)務(wù)進行本地化改造。改造時，應(yīng)保證請求包和報告包代表的外在服務(wù)形式，以及內(nèi)在設(shè)計規(guī)格的能力表現(xiàn)這兩方面的一致性，繼承使用組織機構(gòu)已有的架構(gòu)設(shè)計，參照PUS進行標準化改造和完善設(shè)計。

另一方面，PUS A版在開篇就明確說明，其定義的標準業(yè)務(wù)模型在實際使用時，并不具有固定的層次關(guān)系，而且是一個業(yè)務(wù)模型菜單，可以供特定任務(wù)按照自己的任務(wù)需求和架構(gòu)進行具體的部署和剪裁。在實際使用時，PUS通常被認為主要規(guī)定的是星載應(yīng)用層的標準業(yè)務(wù)，與地面的支持服務(wù)具有一定的對應(yīng)關(guān)系。但是PUS C版的發(fā)展，模糊了這一層次結(jié)構(gòu)，例如ST[02] “設(shè)備命令分發(fā)”更名為“設(shè)備訪問”，內(nèi)涵從“向設(shè)備分發(fā)指令”擴展到 “設(shè)備的數(shù)據(jù)采集”內(nèi)容，且通信方式包括了邏輯尋址和物理尋址兩種方式，有層次下移的意思。因此，在本地化改造和規(guī)范的時候，還是需要在架構(gòu)設(shè)計上具有靈活性和可擴展性，而不是固定不變的。

5 結(jié)語

PUS的發(fā)展反映了十幾年來歐空局在星載應(yīng)用業(yè)務(wù)方面的技術(shù)進步和積累，其背后的一個理念就是架構(gòu)的歸一化設(shè)計思想。這種歸一化并沒有統(tǒng)一具體的實例化設(shè)計和實施，而是通過標準化、規(guī)格化手段給出了一致的外在服務(wù)和業(yè)務(wù)內(nèi)部的設(shè)計規(guī)格，既有利于已有知識、設(shè)計和實例的兼容、繼承和重用，同時又能夠適應(yīng)外在需求和技術(shù)進步帶來的變化。