融合北斗短報文與CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計

張海威，胡喆斯，2，邢 楠

（1 西安衛(wèi)星測控中心宇航動力學(xué)國家重點實驗室 西安 710043；2 西安交通大學(xué) 西安 710043）

引言

2020年7月，我國全面建成北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星具有獨(dú)立的雙向通信功能、保密性好、覆蓋范圍大、同時具有兼容導(dǎo)航功能、組網(wǎng)方便等優(yōu)點，具備衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)（Radio Determina?tion Satellite System,RDSS)定位轉(zhuǎn)發(fā)和通信轉(zhuǎn)發(fā)能力，可以為雙向授時、報文通信及地面測運(yùn)控系統(tǒng)之間的時間同步與數(shù)據(jù)傳輸提供轉(zhuǎn)發(fā)信道。

國內(nèi)較早開展了基于北斗短報文的研究和應(yīng)用工作。何雨帆開展了通過遙感九號搭載北斗一號短報文終端進(jìn)行測控試驗[1]。關(guān)新鋒研究了基于北斗短報文的天基測控方法，并進(jìn)行了系統(tǒng)總體方案設(shè)計和測控數(shù)據(jù)流程設(shè)計[2]。劉保國分析了北斗三號全球短報文用于低軌衛(wèi)星的測控能力[3]。文獻(xiàn)[4]提出了建立基于北斗短報文的衛(wèi)星健康監(jiān)控體系。隨著我國在軌衛(wèi)星數(shù)量急劇增加，基于北斗星座全球組網(wǎng)覆蓋的優(yōu)勢利用北斗短報文技術(shù)進(jìn)行測控通信是對當(dāng)前衛(wèi)星測控的有效補(bǔ)充，可以實現(xiàn)低軌衛(wèi)星“隨遇接入、按需測控、實時可見，時時在線”。鑒于國內(nèi)對利用北斗短報文進(jìn)行衛(wèi)星測控還處于探索試驗階段，為避免出現(xiàn)后續(xù)各方設(shè)計不統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)不規(guī)范導(dǎo)致測控信息處理復(fù)雜等問題的出現(xiàn)，有必要對基于北斗短報文技術(shù)的遙測遙控信息進(jìn)行規(guī)范設(shè)計。

目前，美國NASA、歐洲ESA 的衛(wèi)星系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用CCSDS XTCE 標(biāo)準(zhǔn)。XTCE(XML Tele‐metric and Command Exchange)[5?8]是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）于2005 年發(fā)布的遙測遙控信息描述標(biāo)準(zhǔn)。作為一種標(biāo)準(zhǔn)化語言，其目標(biāo)是完整、準(zhǔn)確地描述遙測遙控信息，實現(xiàn)同構(gòu)或異構(gòu)航天任務(wù)的遙測遙控信息在各系統(tǒng)、各部門乃至各個國家的航天局之間實現(xiàn)無縫對接、交換。國內(nèi)，左江濤、蘇舉、曲藝、劉洋等人研究了基于XTCE 遙測組幀技術(shù)[9?12]，并且國軍標(biāo)及國內(nèi)大量的衛(wèi)星遙測遙控信息傳輸設(shè)計均參考了CCSDS XTCE標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，本文在深入分析CCSDS XTCE 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于衛(wèi)星遙測遙控設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合北斗短報文的信息傳輸特點，綜合考慮了在軌衛(wèi)星的運(yùn)行特點，提出了融合北斗短報文與CCSDS XTCE 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢的衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方法，對豐富北斗短報文技術(shù)的使用場景，提升衛(wèi)星的精細(xì)化使用水平，具有重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。

1 北斗短報文應(yīng)用現(xiàn)狀

依據(jù)文獻(xiàn)[13]，北斗短報文數(shù)據(jù)包為可變長度數(shù)據(jù)幀，可有效滿足通信信息量較小但短時突發(fā)數(shù)據(jù)處理要求較高，且大量用戶同時使用的各類應(yīng)用需求。

①北斗終端收發(fā)信息的頻度與軌道類型有關(guān)，北斗GEO衛(wèi)星采用區(qū)域短報文業(yè)務(wù)類型，最大數(shù)據(jù)速率為1 次/秒，單次為14 000 bit；高軌IGSO 和中軌MEO衛(wèi)星均采用全球短報文業(yè)務(wù)類型為1次/3秒。

②北斗短報文通信固定入站數(shù)據(jù)速率8 kbps，出站數(shù)據(jù)速率16 kbps。高/低軌波束分別最大可支持8 kbps/2 kbps 數(shù)據(jù)速率的測控通信。

③北斗短報文高低軌通用兼容的電文幀長度為70 Byte，即560 bit。對于幀長度在70 Byte 限制內(nèi)的數(shù)據(jù)直接采用短報文方式實現(xiàn)；對于幀長度超過70 Byte的，可以拆包后通過短報文進(jìn)行傳輸。

目前常用的是北斗用戶機(jī)數(shù)據(jù)接口要求（4.0協(xié)議），民用的短報文通信協(xié)議格式如圖1所示。

圖1 民用的短報文通信協(xié)議格式Fig.1 Beidou short message civilian communication protocol format

圖中，“指令/遙測”表征終端或地面識別當(dāng)前報文類別的標(biāo)志?！皥笪拈L度”表征整個報文的字節(jié)長度，包含從指令到校驗和的短報文消息總長度，可用來判斷接收的報文數(shù)據(jù)是否缺失?！坝脩舻刂贰北碚鲌笪膫鬏敃r使用的當(dāng)前終端ID號?！靶ｒ灪汀北碚鲝那懊嫠牟糠诌M(jìn)行校驗運(yùn)算，采用CRC 循環(huán)冗余校驗，以保證數(shù)據(jù)的正確性?！皥笪膬?nèi)容”表征傳送或接收的用戶數(shù)據(jù)信息，主要包含五部分：①“信息類別”表征傳輸信息的緊急程度、傳輸方式為漢字或代碼等；②“用戶地址”表征目標(biāo)用戶的ID 號；③“電文長度”表征電文內(nèi)容中的數(shù)據(jù)長度；④“是否應(yīng)答/加密”表征地面依據(jù)此標(biāo)志是否進(jìn)行應(yīng)答和加解密；⑤“電文內(nèi)容”表征實際上注的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2 衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)設(shè)計

CCSDS XTCE 是以XML Schema 的形式來定義航天器遙測遙控描述信息的，是關(guān)于具體遙測遙控數(shù)據(jù)信息的元-元信息模型定義。具體的XTCE 文檔是遵守由XTCE 模型定義的Schema 的XML 文件。XTCE 標(biāo)準(zhǔn)本身設(shè)計時已經(jīng)考慮了對包括星座、星群、空間站等異構(gòu)航天器任務(wù)的支持，是對航天器本身層次設(shè)計的自然映射。

我國衛(wèi)星的分包遙測和遙控標(biāo)準(zhǔn)均是在參考CCSDS分包遙測遙控標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上形成的。

2.1 CCSDS遙測格式

分包遙測過程示意圖如圖2所示：

圖2 衛(wèi)星分包遙測系統(tǒng)及格式Fig.2 Satellite packet telemetry system and format

衛(wèi)星遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)源為星上產(chǎn)生遙測數(shù)據(jù)的物理實體（單機(jī)），可以對應(yīng)一個或多個設(shè)備甚至是某個分系統(tǒng)。因此數(shù)據(jù)源與解析值不是一一對應(yīng)的，而是采用虛擬信道（VC）按照數(shù)據(jù)特性和傳輸要求進(jìn)行組幀。通過設(shè)置不同虛擬信道的優(yōu)先級，可以為衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供不同等級的服務(wù)。

考慮到XTCE關(guān)于遙測規(guī)定已有大量文獻(xiàn)可供參考，本文在此基礎(chǔ)上，以不影響北斗系統(tǒng)導(dǎo)航、定位和授時主任務(wù)，并充分考慮北斗短報文數(shù)據(jù)傳輸速率和內(nèi)容的資源約束限制為目標(biāo)，對符合北斗短報文傳輸規(guī)范的衛(wèi)星分包遙測進(jìn)行設(shè)計，便于減輕數(shù)據(jù)傳輸壓力，提高信息傳輸效率。通過北斗短報文傳輸?shù)男l(wèi)星遙測內(nèi)容應(yīng)與常規(guī)遙測有較大區(qū)別。

2.2 遙測數(shù)據(jù)設(shè)計原則

基于北斗短報文的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)的設(shè)計，需遵循以下原則：

①考慮到衛(wèi)星遙測的兼容性和通用性，對現(xiàn)有衛(wèi)星遙測設(shè)計不做大的更改，通過在虛擬信道VCID 中設(shè)置新的標(biāo)識，用來識別北斗短報文傳輸?shù)倪b測格式及內(nèi)容；

②充分考慮北斗短報文的容量限制，采用特定格式編排，減少填充和無效數(shù)據(jù)，提高信息傳遞效率和安全性；原則上，通過短報文傳輸?shù)年P(guān)鍵遙測數(shù)據(jù)，幀長不超過每次短報文發(fā)送的最長限制，需要多包進(jìn)行傳輸時，由多包續(xù)傳標(biāo)識進(jìn)行標(biāo)記；

③通過北斗短報文下傳數(shù)據(jù)中應(yīng)包含衛(wèi)星測控、電源、姿態(tài)等關(guān)鍵狀態(tài)信息；遙測數(shù)據(jù)采集，以各分系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)信息為主，以模擬量數(shù)據(jù)為輔；

④遙測組幀采用星上主動收集各分系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，進(jìn)行主動存儲，如無下傳需求，則可定時由新數(shù)據(jù)進(jìn)行自主覆蓋；僅在需要通過北斗短報文傳輸數(shù)據(jù)時，占據(jù)物理信道，完成數(shù)據(jù)采集、存儲和發(fā)送。

2.3 遙測數(shù)據(jù)設(shè)計方法

考慮到北斗短報文通信能力限制和衛(wèi)星遙測編排的一致性，采用CCSDS 推薦的信道訪問數(shù)據(jù)單元（CADU）格式，由虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU）附加同步序列組成，典型代表如圖3所示。

圖3 符合北斗短報文的遙測數(shù)據(jù)格式Fig.3 Beidou short message telemetry communication format

①同步序列。

②版本號：表示CCSDS 虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU）。

③SCID：航天器標(biāo)識。

④VCID：虛擬信道標(biāo)識，通過設(shè)置約定字符表示該數(shù)據(jù)單元為北斗短報文遙測數(shù)據(jù)幀。

⑤包識別：版本號表示CCSDS 數(shù)據(jù)源包；類型：表示遙測包；續(xù)傳標(biāo)識：表示多包續(xù)傳的序號；應(yīng)用過程標(biāo)識符：通過設(shè)計特定標(biāo)識來表示北斗短報文格式的遙測數(shù)據(jù)。

⑥時間碼：表示本包數(shù)據(jù)采集時間。

⑦數(shù)據(jù)域。

⑧CRC 校驗：利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的r 位監(jiān)督碼（即CRC 碼），并附在信息后邊，構(gòu)成一個新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共(k+r)位，最后發(fā)送出去；在接收端，則根據(jù)信息碼和CRC 碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗，以確定傳送中是否出錯。

此外，為進(jìn)一步規(guī)范北斗短報文遙測傳遞信息內(nèi)容，對遙測信息傳輸?shù)囊?guī)則同樣需要統(tǒng)一，包括：

①遙測包結(jié)構(gòu)、采樣周期、碼速率。

②遙測參數(shù)結(jié)構(gòu)：字節(jié)序、位序。

③遙測參數(shù)編碼方式。

④遙測參數(shù)處理方法：模擬量處理方法、數(shù)字量處理方法。

⑤遙測參數(shù)物理意義。

⑥遙測參數(shù)正常值范圍。

3 衛(wèi)星遙控數(shù)據(jù)設(shè)計

3.1 CCSDS遙控格式

類似地，分包遙控通過分層體制，再封裝包頭后形成遙控包，加上幀頭和差錯控制域形成數(shù)據(jù)傳輸幀。通過將其調(diào)制到物理信道上，向衛(wèi)星發(fā)送。如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星遙控系統(tǒng)及格式Fig.4 Satellite telecommand system and format

3.2 遙控數(shù)據(jù)設(shè)計原則

基于北斗短報文的遙控數(shù)據(jù)設(shè)計，需遵循以下原則：

①采用指令幀格式進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，減少衛(wèi)星設(shè)計更改。

②通過設(shè)置約定“方式字”進(jìn)行北斗短報文指令識別。

③采用“星上存儲+地面觸發(fā)”方式，大幅簡化地面上注指令的長度和內(nèi)容；即通過設(shè)計和優(yōu)化星上自主執(zhí)行動作指令序列，如構(gòu)建故障條件下自主轉(zhuǎn)對日巡航狀態(tài)等指令鏈，通過北斗短報文發(fā)送觸發(fā)指令，實現(xiàn)星上調(diào)姿、業(yè)務(wù)操作、安全控制等動作，優(yōu)化衛(wèi)星自主工作過程。

④通過短報文發(fā)送的遙控指令，幀長不超過每次短報文發(fā)送的最長限制。

⑤在不與現(xiàn)有的測控工作相沖突情況下，地面終端可通過短報文進(jìn)行衛(wèi)星操控。

3.3 遙控數(shù)據(jù)設(shè)計方法

考慮到衛(wèi)星遙控指令的一致性，對圖1 中的“報文內(nèi)容”采用圖5的方式進(jìn)行編排。

圖5 符合北斗短報文的遙控指令協(xié)議格式Fig.5 Beidou short message telecommand communication format

①衛(wèi)星同步字：用于識別衛(wèi)星類型。

②方式字：通過設(shè)置約定字符用來識別北斗短報文指令。

③數(shù)據(jù)域：裝載某種用途的遙控塊數(shù)據(jù)。

塊識別：表示一個遙控塊的開始。

塊號：遙控塊的序列號，用于標(biāo)識多塊上注指令序號。

有效數(shù)據(jù)區(qū)長度：表示塊數(shù)據(jù)區(qū)域有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

④校驗：對數(shù)據(jù)域的內(nèi)容進(jìn)行正確性校驗。

⑤CRC校驗：對整幀數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性校驗。

4 信息加密傳輸技術(shù)

北斗短報文系統(tǒng)具有良好的加密功能，可保證用戶數(shù)據(jù)通信安全。但是，用戶與北斗中心、在軌衛(wèi)星與北斗衛(wèi)星之間缺少相應(yīng)的加解密手段，即對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和對在軌衛(wèi)星進(jìn)行解密之間的數(shù)據(jù)雙向交互，對圖3 與圖5 的數(shù)據(jù)域進(jìn)行加解密，具體過程如圖6所示。

圖6 北斗短報文加解密過程Fig.6 Beidou short message encryption and decryption process

如上圖所示，采用北斗短報文方式進(jìn)行測控時，存在著“用戶-北斗衛(wèi)星-在軌衛(wèi)星”雙向數(shù)據(jù)通道。加解密流程主要包括“用戶-北斗衛(wèi)星-在軌衛(wèi)星”雙向數(shù)據(jù)通道，其間需要保證地面與衛(wèi)星之間的密鑰匹配。

考慮北斗短報文的資源約束，星地密鑰同步的方法與傳統(tǒng)加解密方式應(yīng)有較大區(qū)別[14?16]。

①通過在遙測遙控VCDU 數(shù)據(jù)域中，開辟專門的字節(jié)，用來標(biāo)記加密后的數(shù)據(jù)長度。

②采用星上存儲密鑰+定時更新的方式，實現(xiàn)星地密鑰的同步。

③對于巨型星座而言，采用星間公鑰+星地私鑰的方式，確保加解密過程的可用性。

5 信息可靠傳輸技術(shù)

依據(jù)文獻(xiàn)[4]中基于北斗短報文的衛(wèi)星數(shù)據(jù)流向，通過在遙測遙控數(shù)據(jù)格式中開辟專門的字節(jié)，用以校驗分包遙測遙控數(shù)據(jù)的正確性與完整性。通過在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)性判別和丟包補(bǔ)發(fā)，保證遙測遙控數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（1）遙測格式中，“續(xù)傳標(biāo)識”用以表征衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)下傳的連續(xù)性，“CRC 校驗”用以保證本幀遙測數(shù)據(jù)的正確性。

地面接收到衛(wèi)星下行遙測數(shù)據(jù)后，按照北斗短報文數(shù)據(jù)格式解析出電文內(nèi)容，按照“續(xù)傳標(biāo)識”的子包序號組裝成長文數(shù)據(jù)，組包成功后地面正確解析；若組包不成功，存在數(shù)據(jù)子包缺失，根據(jù)“續(xù)傳標(biāo)識”定位丟失子包序號，并通過地面判斷本包數(shù)據(jù)的重要程度，如有需要則進(jìn)行丟失數(shù)據(jù)子包補(bǔ)發(fā)。

（2）遙控格式中，“塊號”用以表征衛(wèi)星接收上行遙控數(shù)據(jù)的連續(xù)性，“CRC 校驗”用以保證本幀遙控數(shù)據(jù)的正確性。

衛(wèi)星接收到上行遙控數(shù)據(jù)后，按照北斗短報文數(shù)據(jù)格式解析出電文內(nèi)容，并按照“塊號”序號組裝成整幀數(shù)據(jù)，組包成功后向地面端發(fā)送遙測信息，確認(rèn)遙控數(shù)據(jù)包完整接收；若組包不成功，存在數(shù)據(jù)子包缺失，根據(jù)“塊號”定位丟失子包序號，地面進(jìn)行丟失子包數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)。

6 結(jié)束語

本文綜合了CCSDS XTCE 標(biāo)準(zhǔn)和北斗短報文雙向通信功能的特征，提出了融合二者優(yōu)點的衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計了基于北斗短報文體制的在軌衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容，可以方便及時地監(jiān)控在軌衛(wèi)星使用狀態(tài)，對提高在軌衛(wèi)星科學(xué)使用提供了重要途徑。