航天器空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)簡析

高寧 王恒 席濤 李楠

（宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安，710043）

我國航天活動日益頻繁，隨著載人航天、月球探測、火星探測計劃的不斷進展，傳統(tǒng)的空間信息傳輸方式已不適應(yīng)未來空間活動的要求，主要表現(xiàn)為航天活動越來越復(fù)雜，深空探測、交會對接、星間鏈路以及分布式衛(wèi)星編隊和星座出現(xiàn)了群控、數(shù)據(jù)插入與融合等技術(shù)[1-2]。與此同時，隨著航天器電子系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展以及測控、數(shù)管、數(shù)據(jù)傳輸、存儲等相關(guān)系統(tǒng)的進步，航天裝備的復(fù)雜程度和信息集成度越來越高，越來越向著技術(shù)體制一體化的方向發(fā)展，更高的信息利用率和傳輸效率等需求大大提升，對綜合、通用、統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的需求日益迫切。

在現(xiàn)階段開展航天器空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)研究，進行空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的總體設(shè)計，整體規(guī)劃空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議體系，規(guī)范協(xié)議層次、協(xié)議種類、協(xié)議內(nèi)容以及協(xié)議之間的關(guān)系，一方面，有利于建立統(tǒng)一的技術(shù)體制，促進工程大系統(tǒng)間各鏈路協(xié)議的統(tǒng)一，打通不同任務(wù)、不用型號、不同用戶之間的技術(shù)壁壘；另一方面，為航天信息的獲取、存儲與分發(fā)提供統(tǒng)一的平臺，促進航天信息的統(tǒng)一管理、高效共享和綜合利用，對我國信息化建設(shè)將起到不可估量的促進作用[1-2]。

1 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的概念與組成

空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議主要研究將一個飛行器與其地面支持系統(tǒng)或另一個飛行器連接起來的全部點到點的通信鏈路技術(shù)，包括射頻與調(diào)制、空間鏈路編碼與同步、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)。

空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議由5 層組成，從高層到低層分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，如圖1 所示。其中，數(shù)據(jù)鏈路層由數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層、同步和信道編碼子層組成。對各層的定義與功能要求如下。

圖1 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組成

a）應(yīng)用層：為用戶提供端到端的應(yīng)用服務(wù)。如文件傳輸、消息傳輸、數(shù)據(jù)壓縮、遙控遙測及用戶應(yīng)用過程定義的其他服務(wù)等。

b）傳輸層：為上層用戶提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。其主要功能是當(dāng)下一層（網(wǎng)絡(luò)層）的服務(wù)質(zhì)量不能滿足要求時，用以提升服務(wù)質(zhì)量，以滿足上一層用戶的要求。

c）網(wǎng)絡(luò)層：為上層提供在整個空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的路由服務(wù)。包括航天器器載系統(tǒng)（或稱航天器子網(wǎng)）和地面網(wǎng)絡(luò)（或稱地面子網(wǎng)）。

d）數(shù)據(jù)鏈路層：包含數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層、同步和信道編碼子層2 個子層。其主要功能是對網(wǎng)絡(luò)層及以上層提供多種類型的服務(wù)，支持不同類型、不同長度、不同QoS 的數(shù)據(jù)通過底層的物理層傳輸。

e）物理層：為上層提供由地面站到航天器或航天器與航天器之間的射頻信道以及相應(yīng)的操作。

2 國外空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)

2.1 CCSDS 標(biāo)準(zhǔn)體系

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會[3-4]（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）是一個國際性空間組織，于1982 年成立，主要負責(zé)開發(fā)和采納適合于空間通信和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的各種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理規(guī)范。CCSDS 包含CCSDS 管理委員會（CMC）和CCSDS 工程指導(dǎo)組（CESG）2個部分。其中，CMC 是CCSDS 的最高決策機構(gòu)，CESG 包括系統(tǒng)工程域（SEA）、空間鏈路業(yè)務(wù)域（SLS）、航天器星載接口業(yè)務(wù)域（SOIS）、空間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)域（SIS）、任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)域（MOIMS）、交互支持業(yè)務(wù)域（CSS）6 個業(yè)務(wù)領(lǐng)域（Area），各業(yè)務(wù)領(lǐng)域間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 CCSDS 技術(shù)領(lǐng)域及相互關(guān)系

空間鏈路業(yè)務(wù)域負責(zé)開發(fā)空間鏈路通信系統(tǒng)（包括星地鏈路、星間鏈路）中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)，用于端到端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以及用于定軌的測距技術(shù)[5]。其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及到以下幾個方向。

a）射頻與調(diào)制：用于在可用頻段實現(xiàn)地球周圍航天器以及深空航天器遙控、遙測以及測距信號的高效雙向傳輸，盡量在更窄的帶寬內(nèi)實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)回傳。

b）信道編碼及同步：為遙測遙控信息傳輸服務(wù)，包括空地、空空鏈路。未來將實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率、更高的鏈路性能，并進一步降低成本、重量和功耗。

c）空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議：為遙測遙控信息傳輸服務(wù)，包括空地、空空鏈路。

d）空間包及封裝協(xié)議：將用戶提供的數(shù)據(jù)單元不加改變的包裝成一個符合空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議格式要求的空間包或者包裝包，一個單獨的包至多包含一個數(shù)據(jù)單元，通過空間鏈路使用空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議傳輸一系列變長的、有限的、字節(jié)對齊的數(shù)據(jù)單元。

e）數(shù)據(jù)壓縮：降低有效數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)量，以便實現(xiàn)對空間鏈路帶寬和在軌存儲能力的最大化利用。

f）空間數(shù)據(jù)鏈路安全：在CCSDS 空間鏈路中為上行鏈路和下行鏈路的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層提供安全功能操作。包括認證、完整性校驗，抗重放攻擊以及加密等。

g）光通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層：考慮到光通信鏈路的獨特性，例如超高數(shù)據(jù)速率，地面站地理位置的分散性，以及大氣（天氣）影響等，建立實現(xiàn)光鏈路物理層和數(shù)據(jù)鏈路層互操作以及交互支持的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)通用框架。

目前已經(jīng)發(fā)布的部分建議書見表1。

表1 部分CCSDS 空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)

2.2 ECSS 標(biāo)準(zhǔn)

歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（簡稱ECSS）于1993 年正式成立，是歐洲空間局（ESA）、歐洲各國航天局和歐洲工業(yè)協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)化合作組織，其成員包括主要國家航天局及其工業(yè)部門，ESA是其牽頭單位。其成立的主要目的在于：解決歐洲空間共同體內(nèi)各國在空間項目的合作中，由于使用不同的空間標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致的空間項目研制成本的增高、效率降低、競爭力減弱等問題[6]。

ECSS 最新標(biāo)準(zhǔn)體系分為項目管理、產(chǎn)品保證、工程和可持續(xù)4 個子體系[7-8]，如圖3 所示。根據(jù)空間數(shù)據(jù)鏈路的概念與范圍，ECSS 標(biāo)準(zhǔn)體系中與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)屬于空間工程子體系中的E50 通信標(biāo)準(zhǔn)分支，共16 項，見表2。

表2 ECSS 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 ECSS 體系框架示意圖

2.3 國外空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

按照應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層的不同層次，對國外的空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進行簡要介紹，見表3～表7。

表3 空間數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)用層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表4 空間數(shù)據(jù)鏈路傳輸層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表5 空間數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表6 空間數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表7 空間數(shù)據(jù)鏈路物理層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3 對我國開展空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議研究的建議

我國的空間信息傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展相對滯后，主要表現(xiàn)為空空、空地和鄰近空間3 個部分傳輸協(xié)議尚未進行一體化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，在開展空間任務(wù)時需要進行星地之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；協(xié)議之間的互操作效率較低；不同衛(wèi)星與地面之間采用的傳輸協(xié)議各不相同，且大多都是專用協(xié)議，這種情況在地面部分造成系統(tǒng)的兼容性、擴展性和可靠性較差，浪費了許多不必要的人力、物力資源，同時由于缺少符合國際標(biāo)準(zhǔn)的空間信息傳輸協(xié)議，更不利于將來與國際航天機構(gòu)進行合作交流[9]。

我國早年航天測控標(biāo)準(zhǔn)主要源于IRIG 標(biāo)準(zhǔn)、ESA 標(biāo)準(zhǔn)以及CCSDS 早期標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不多，僅對遙控、遙測、數(shù)據(jù)管理、測距、射頻及調(diào)制、跟蹤等具體專業(yè)進行了規(guī)定，但是標(biāo)準(zhǔn)項目不夠系統(tǒng)，不能完全體現(xiàn)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議最新的發(fā)展趨勢。同時，我國與ECSS、CCSDS 的體制、管理和研制模式是有區(qū)別的。由于歷史原因，我國空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)主要著眼于系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備的研制，存在大量產(chǎn)品規(guī)范，主要集中于物理層，而忽略了各類產(chǎn)品需要共同遵守的基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前我國已經(jīng)非常重視空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，正在不斷完善我國空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。對比國外空間數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，對我國開展相關(guān)研究的建議如下。

a）加強對空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)群體系化建設(shè)的規(guī)劃。CCSDS 協(xié)議采用分層架構(gòu)，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)成體系，各標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系界定清楚，我國空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)群的規(guī)劃可借鑒CCSDS 的相關(guān)經(jīng)驗。

b）空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定要符合自身實際情況。ECSS 除了直接引用CCSDS 的成熟標(biāo)準(zhǔn)之外，還在CCSDS 的基礎(chǔ)上根據(jù)自己的實際進行裁剪與進一步規(guī)定，這種做法值得借鑒。

c）注重標(biāo)準(zhǔn)的制定，更注重標(biāo)準(zhǔn)的使用。雖然標(biāo)準(zhǔn)一般是推薦使用，不具有強制性，但ECSS標(biāo)準(zhǔn)體系政策更注重標(biāo)準(zhǔn)的使用，這更有航天信息的共享和利用，我們也應(yīng)積極推薦使用標(biāo)準(zhǔn)。

d）對于國際尚未成熟的深空測控通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，我國應(yīng)積極開展相關(guān)技術(shù)研究，以指導(dǎo)深空領(lǐng)域測控通信工作的開展。

e）國家測控網(wǎng)與民商用測控網(wǎng)以及國際測控網(wǎng)間的合作是未來的發(fā)展趨勢，因此編制空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議應(yīng)與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，將有助于促進在空間領(lǐng)域的軍民融合、國際交互支持，提升我國的航天地位和國際話語權(quán)。