遙控和遙感包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)pus的歷史、現(xiàn)狀和特性

遙控和遙感包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)pus的歷史、現(xiàn)狀和特性

1包協(xié)議格式定義的缺失遠(yuǎn)程控制和跟蹤是地面操作人員最基本的控制和監(jiān)控手段。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,在空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議上,空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)定義了遙測(cè)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路協(xié)議、高級(jí)在軌系統(tǒng)(AOS)、鄰近空間鏈路協(xié)議4種標(biāo)準(zhǔn)。上述標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層及其以下層次的協(xié)議進(jìn)行了規(guī)定,其中包括數(shù)據(jù)幀的格式、交互操作等。對(duì)于與用戶相關(guān)的高層應(yīng)用數(shù)據(jù),CCSDS標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了外包裝格式,例如在空間包協(xié)議中規(guī)定了包的主導(dǎo)頭格式,但沒有對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行規(guī)定,這樣帶來(lái)的問(wèn)題是各航天器有著特定的遙控遙測(cè)應(yīng)用數(shù)據(jù)格式,既不利于地面用戶的操作,也不利于航天器上設(shè)備及軟件的通用化。針對(duì)上述問(wèn)題,歐洲航天局(ESA)從20世紀(jì)90年代開始對(duì)遙控遙測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化操作進(jìn)行了研究,于1994年形成包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS)第一版,并在2003年根據(jù)航天器的應(yīng)用情況進(jìn)行了修訂,形成了第二版。目前,已有“羅塞塔”(Rosetta)、“X射線多反射鏡”(XMM)、“火星快車”(MarsExpress)等航天器采用了該標(biāo)準(zhǔn),ESA還強(qiáng)制規(guī)定其后續(xù)所有航天器都采用這一標(biāo)準(zhǔn)。CCSDS的任務(wù)操作與信息管理業(yè)務(wù)領(lǐng)域工作組在2009年專門成立了興趣小組,對(duì)PUS進(jìn)行研究,擬對(duì)其進(jìn)行再次修訂后納入到CCSDS建議書中。目前,中國(guó)各航天器在地面操作以及遙控遙測(cè)的高層格式定義上,仍然處于航天器特定、未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的局面,由此帶來(lái)了一系列問(wèn)題,如重復(fù)的遙控遙測(cè)應(yīng)用層格式制定、重復(fù)的設(shè)備研制、軟件無(wú)法通用。本文對(duì)PUS標(biāo)準(zhǔn)在航天器中的應(yīng)用方法研究,將有助于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遙控遙測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化,促進(jìn)軟件和設(shè)備的重用。2航天器操作接口PUS標(biāo)準(zhǔn)是歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)標(biāo)準(zhǔn)系列中的一個(gè),它定義了地面和航天器之間的應(yīng)用層級(jí)別的接口,用來(lái)滿足電氣組裝、測(cè)試及飛行操作的需求。該標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括:①描述了地面對(duì)航天器操作的基本概念,涵蓋了對(duì)航天器監(jiān)視與控制的基本需求;②定義了16類業(yè)務(wù),用于滿足地面操作的需要。這一標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)描述了地面如何利用這些業(yè)務(wù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的操作,并且詳細(xì)定義了業(yè)務(wù)請(qǐng)求(遙控包)和業(yè)務(wù)報(bào)告(遙測(cè)包)的數(shù)據(jù)格式。2.1pus業(yè)務(wù)PUS定義的業(yè)務(wù)如下。(1)控制確認(rèn)業(yè)務(wù)提供對(duì)遙控包每個(gè)執(zhí)行階段成功與否的確認(rèn),包含接收、開始執(zhí)行、執(zhí)行中和執(zhí)行完成共4個(gè)階段的確認(rèn)。(2)設(shè)備指令銷售業(yè)務(wù)提供3種指令的分發(fā)功能,包括分發(fā)開關(guān)指令、存儲(chǔ)器加載指令和直接指令。(3)提供地面設(shè)備狀態(tài)信息該業(yè)務(wù)與參數(shù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告以及事件報(bào)告業(yè)務(wù)一起,為地面提供設(shè)備狀態(tài)信息。航天器上有一組預(yù)定義的參數(shù)用于報(bào)告產(chǎn)生,這些定義也可以由地面修改、刪除或增加。(4)參數(shù)值的測(cè)定用于向地面報(bào)告一個(gè)采樣間隔內(nèi)航天器上參數(shù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值。當(dāng)航天器不在地面站覆蓋范圍時(shí),使用該業(yè)務(wù)產(chǎn)生報(bào)告可以減少存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。(5)航天器的正常運(yùn)行情況用于報(bào)告各種事件,如航天器故障或異常、航天器自主行為、各種操作的正常運(yùn)行情況等。該業(yè)務(wù)共提供正常進(jìn)展、低等級(jí)、中等級(jí)和高等級(jí)4個(gè)級(jí)別的事件報(bào)告子業(yè)務(wù)。(6)存儲(chǔ)管理業(yè)務(wù)用于航天器上不同內(nèi)存區(qū)域(如RAM或大容量存儲(chǔ)器)的管理,包括對(duì)相鄰內(nèi)存區(qū)域或幾個(gè)不相鄰內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)容進(jìn)行加載、下卸和檢查。(7)進(jìn)程功能的體現(xiàn)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求,用于執(zhí)行應(yīng)用進(jìn)程的功能。這些功能是非標(biāo)準(zhǔn)的,如有效載荷儀器或平臺(tái)分系統(tǒng)的操作控制,它們有自己的請(qǐng)求和報(bào)告數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。(8)時(shí)間管理業(yè)務(wù)提供控制時(shí)間報(bào)告產(chǎn)生速率的功能,包括改變時(shí)間報(bào)告產(chǎn)生頻率和時(shí)間報(bào)告2個(gè)子業(yè)務(wù)。(9)令調(diào)度表提供延時(shí)遙控和程控功能,維持一個(gè)指令調(diào)度表。業(yè)務(wù)用戶可以請(qǐng)求增加指令,或者使能/禁止/刪除/時(shí)移/報(bào)告指令調(diào)度表中所有指令或一部分指令。(10)監(jiān)視清單下的事件報(bào)告提供監(jiān)視航天器上參數(shù)的功能。業(yè)務(wù)維持一個(gè)監(jiān)視清單,在參數(shù)變化時(shí)產(chǎn)生事件報(bào)告。地面可以實(shí)施增加參數(shù)、修改參數(shù)監(jiān)視信息、重置、報(bào)告清單信息、使能禁止參數(shù)監(jiān)視等操作。(11)空間傳輸是一種新的模式用于傳輸大的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元。該業(yè)務(wù)把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成很多部分,每個(gè)部分被裝在一個(gè)空間包中傳輸。這一業(yè)務(wù)提供確認(rèn)和重傳機(jī)制,保證數(shù)據(jù)的正確傳送。(12)包分銷控制業(yè)務(wù)用于控制遙測(cè)源包到地面的傳送,地面可對(duì)特定業(yè)務(wù)類型的包進(jìn)行使能禁止操作。(13)存儲(chǔ)和訪問(wèn)業(yè)務(wù)提供包的存儲(chǔ)功能,并在地面系統(tǒng)請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的下傳。該業(yè)務(wù)支持按時(shí)間段刪除存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、按時(shí)間段下傳存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和使能禁止存儲(chǔ)等功能。(14)測(cè)試業(yè)務(wù)用于地面系統(tǒng)與航天器應(yīng)用程序之間進(jìn)行端對(duì)端的“連接測(cè)試”。(15)運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)地面系統(tǒng)可以定義一組能加載到一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程的操作程序,應(yīng)用進(jìn)程可以管理這些程序的存儲(chǔ)及其隨后在地面控制下的執(zhí)行。(16)整體控制指標(biāo)作為對(duì)監(jiān)視業(yè)務(wù)和事件報(bào)告業(yè)務(wù)的一個(gè)擴(kuò)展。該業(yè)務(wù)可定義一個(gè)動(dòng)作,當(dāng)給定的事件被監(jiān)測(cè)到時(shí),業(yè)務(wù)自主執(zhí)行該動(dòng)作。該動(dòng)作可以是標(biāo)準(zhǔn)定義或任務(wù)特定的遙控指令。上述每一類業(yè)務(wù)都包含若干子業(yè)務(wù),航天器在應(yīng)用時(shí),可以根據(jù)需求對(duì)上述業(yè)務(wù)以及子業(yè)務(wù)進(jìn)行選擇和裁剪。2.2pus遙感包的數(shù)據(jù)域?qū)ь^PUS在CCSDS標(biāo)準(zhǔn)定義的空間包格式基礎(chǔ)上,對(duì)空間包的數(shù)據(jù)域?qū)ь^以及應(yīng)用數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行了詳細(xì)定義,包括遙控包和遙測(cè)包。PUS遙控包的數(shù)據(jù)域?qū)ь^結(jié)構(gòu)如表1所示。在表1的導(dǎo)頭結(jié)構(gòu)中,通過(guò)業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型唯一確定一種業(yè)務(wù),通過(guò)應(yīng)答指示航天器對(duì)遙控包的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行確認(rèn),源標(biāo)識(shí)為可選字段,用于確定遙控包的發(fā)送方(例如地面或航天器)。PUS遙測(cè)包的數(shù)據(jù)域?qū)ь^如表2所示。與遙控包數(shù)據(jù)域?qū)ь^相比,遙測(cè)包數(shù)據(jù)域?qū)ь^增加了3個(gè)字段。它們分別為:①包-子計(jì)數(shù),是一個(gè)獨(dú)立的包計(jì)數(shù)器,該計(jì)數(shù)器與業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型關(guān)聯(lián),在對(duì)應(yīng)類型的包產(chǎn)生時(shí)增加;②目的標(biāo)識(shí),即遙測(cè)源包的目的地;③時(shí)間,標(biāo)識(shí)包的產(chǎn)生時(shí)間,采用CCSDS規(guī)定的時(shí)間碼格式。除了對(duì)包主導(dǎo)頭及包數(shù)據(jù)域?qū)ь^的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義外,PUS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每種業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)域也進(jìn)行了詳細(xì)定義。3pus使用需求PUS標(biāo)準(zhǔn)是基于CCSDS定義的空間包而制定的,應(yīng)用時(shí)一般需要低層數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的支持。為了在中國(guó)航天器上應(yīng)用PUS,需解決如下幾個(gè)方面的問(wèn)題。(1)在現(xiàn)行遙控遙測(cè)體制上,如何支持遙控包和遙測(cè)包的傳輸。(2)應(yīng)用PUS后,如何選擇PUS業(yè)務(wù)滿足現(xiàn)有航天器對(duì)遙控注入數(shù)據(jù)類型和遙測(cè)下行數(shù)據(jù)類型的要求。(3)如何實(shí)現(xiàn)遙控包的接收、分發(fā)以及遙測(cè)包的產(chǎn)生和傳輸問(wèn)題。下面分別從遙控應(yīng)用和遙測(cè)應(yīng)用兩方面,對(duì)這些問(wèn)題的解決方法進(jìn)行分析。3.1控制應(yīng)用程序3.1.1直接指令幀注入數(shù)據(jù)在遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路協(xié)議方面,目前中國(guó)大多數(shù)航天器采用PCM遙控,指令格式分為直接指令幀和注入數(shù)據(jù)幀2種。這兩種幀通過(guò)方式字進(jìn)行區(qū)分,注入數(shù)據(jù)的格式則由各航天器自行定義。如果在不改變PCM遙控體制的基礎(chǔ)上應(yīng)用PUS,則可以采用下面的方法。(1)直接指令幀延續(xù)原有格式,仍通過(guò)方式字區(qū)分。(2)在注入數(shù)據(jù)幀的格式中,數(shù)據(jù)域?yàn)橐粋€(gè)或多個(gè)PUS遙控包的組合,由于目前航天器中還通過(guò)方式字確定長(zhǎng)度,長(zhǎng)度為有限且固定的幾種,因此,當(dāng)有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不足方式字規(guī)定的長(zhǎng)度時(shí),采用填充包進(jìn)行填充,如圖1所示。如果航天器采用分包遙控,則采用下面的方法。(1)PUS遙控包采用CCSDS遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)定的虛擬信道包業(yè)務(wù),放入遙控幀的數(shù)據(jù)域中,如圖2所示。(2)直接指令可采用兩種方式來(lái)區(qū)分注入數(shù)據(jù)。一為采用專用的虛擬信道進(jìn)行區(qū)分,在傳輸幀數(shù)據(jù)域中放入指令編碼;二為采用PUS遙控包中專用的應(yīng)用過(guò)程標(biāo)識(shí)(ApplicationProcessID,APID)進(jìn)行區(qū)分,業(yè)務(wù)類型和子類型分別設(shè)為2和3,即應(yīng)用PUS的設(shè)備指令分發(fā)業(yè)務(wù)中的分發(fā)直接命令,在包數(shù)據(jù)域里放入指令編碼。3.1.2pus業(yè)務(wù)與其它指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)對(duì)目前中國(guó)遙感、導(dǎo)航、深空探測(cè)、通信、載人航天等領(lǐng)域內(nèi)航天器常用遙控指令類型進(jìn)行梳理,歸納出10類常用的指令,與PUS業(yè)務(wù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。從表3可以看出,大多數(shù)遙控注入數(shù)據(jù)類型都有相應(yīng)的PUS業(yè)務(wù)與之對(duì)應(yīng)。PUS標(biāo)準(zhǔn)支持對(duì)業(yè)務(wù)的裁剪,并規(guī)定業(yè)務(wù)類型值為128之后的業(yè)務(wù)由用戶自行定義。因此,可以根據(jù)航天器需求從PUS標(biāo)準(zhǔn)中選擇所需業(yè)務(wù),并針對(duì)航天器特殊的遙控注入數(shù)據(jù)類型定義新的業(yè)務(wù),以滿足需求。3.1.3數(shù)管系統(tǒng)控制電路采用PUS遙控包后,航天器上設(shè)備對(duì)遙控包的接收和處理與以往有所不同,以航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通用規(guī)范給出的分級(jí)分布式數(shù)管系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)為例,一種可行的遙控包接收及處理過(guò)程如圖3所示。在圖3中,對(duì)于具備包處理能力的智能終端,中心計(jì)算機(jī)(CTU)根據(jù)APID對(duì)遙控包進(jìn)行分發(fā),總線上傳輸?shù)臑闃?biāo)準(zhǔn)的PUS遙控包,各分系統(tǒng)終端依據(jù)APID、業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)子類型對(duì)遙控?cái)?shù)據(jù)類型進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于不具備包處理能力的終端,也可由CTU對(duì)包進(jìn)行解析后,通過(guò)總線分發(fā)指令到設(shè)備。3.2測(cè)量應(yīng)用3.2.1ccsds包包協(xié)議對(duì)于遙測(cè)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議,中國(guó)航天器中采用的協(xié)議包括PCM遙測(cè)和CCSDS的AOS協(xié)議。由于PCM遙測(cè)很難實(shí)現(xiàn)包的靈活調(diào)度,建議采用AOS協(xié)議。通過(guò)AOS協(xié)議提供的包傳輸業(yè)務(wù)進(jìn)行PUS遙測(cè)包的傳輸,目前在中國(guó)航天器上的應(yīng)用已較為成熟,此處不再贅述。3.2.2pus業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析通過(guò)對(duì)目前中國(guó)各類航天器下行遙測(cè)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行梳理,得到常用的遙測(cè)數(shù)據(jù)類型與PUS業(yè)務(wù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表4所示。從表4可以看出,PUS業(yè)務(wù)能滿足大多數(shù)遙測(cè)數(shù)據(jù)類型的需求。通過(guò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的PUS業(yè)務(wù),可以通過(guò)業(yè)務(wù)類型與業(yè)務(wù)子類型對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)類別進(jìn)行區(qū)分,便于航天器上以及地面的處理。例如,所有分系統(tǒng)的事件都采用事件報(bào)告業(yè)務(wù)產(chǎn)生,航天器可通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型的識(shí)別監(jiān)測(cè)所有事件,并根據(jù)事件-動(dòng)作業(yè)務(wù)預(yù)先定義的動(dòng)作(如產(chǎn)生遙控指令)自動(dòng)進(jìn)行事件處理,實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)以及恢復(fù)的自動(dòng)化處理。3.2.3ctu測(cè)量包采用PUS業(yè)務(wù)后,各終端的交互將基于PUS包進(jìn)行。一種可行的PUS遙測(cè)包產(chǎn)生及下行過(guò)程,如圖4所示。由圖4可知,具備包處理能力的智能終端,可根據(jù)需要周期性或突發(fā)性產(chǎn)生不同類型的PUS遙測(cè)包,通過(guò)總線傳輸?shù)紺TU。每個(gè)分系統(tǒng)終端可以有1個(gè)或多個(gè)APID,通過(guò)業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)子類型區(qū)分遙測(cè)數(shù)據(jù)類型。CTU通過(guò)總線按照一定的調(diào)度策略獲得這些遙測(cè)包。對(duì)于目前航天器中常用的1553B總線,其基于包的傳輸協(xié)議可參考ESA定義的1553B總線協(xié)議。不具備包處理能力的終端,可產(chǎn)生原始數(shù)據(jù),通過(guò)總線傳輸?shù)紺TU,CTU根據(jù)預(yù)先定義的包類型及應(yīng)用過(guò)程標(biāo)識(shí),負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包裝成PUS包,或從不同終端的數(shù)據(jù)中挑出數(shù)據(jù)并包裝成PUS包。PUS遙測(cè)包的下行,則按照航天器特定的包調(diào)度策略和虛擬信道調(diào)度策略進(jìn)行調(diào)度,生成的傳輸幀通過(guò)下行信道下行。4需要進(jìn)一步研究的其他問(wèn)題中國(guó)傳統(tǒng)遙控遙測(cè)體制對(duì)高層應(yīng)用數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的弊端,在越來(lái)越多的航天器任務(wù)應(yīng)用中已明顯體