星載標準接口業務在航天器中的應用方法

何熊文 朱劍冰 程博文 顧明 閻冬

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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星載標準接口業務在航天器中的應用方法

何熊文 朱劍冰 程博文 顧明 閻冬

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

對空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)星載標準接口業務(SOIS)的產生歷史、研究現狀以及體系結構進行了分析。針對中國航天器中星載接口協議不統一、設備和軟件通用性差等問題，探討了在中國航天器中如何應用SOIS標準。文章從星內節點協議配置、SOIS業務選擇、與空間鏈路協議配合等方面，探討了SOIS標準在中國航天器上的應用方法。應用SOIS標準，將有助于實現星載接口及協議的標準化，以及航天器上設備和軟件的通用化。

空間數據系統咨詢委員會；航天器；星載標準接口業務

1 引言

經過多年的發展，航天器星載接口呈現多樣化的發展態勢。從接口形式上分，一般包括總線接口、串口、開關指令接口、模擬量/溫度量/雙電平量采集接口、數字量采集接口、串行加載指令接口等。對于總線接口而言，既包含低速的1553B總線、CAN總線，又包括高速的1394總線、SpaceWire總線、以太網總線等。盡管國內外相關標準化組織對上述接口進行了標準化的定義，但在航天器應用過程中，仍然存在協議不統一的局面。例如，中國航天器上普遍使用的美軍標1533B總線協議[1]規定了數據鏈路層、物理層的協議，但對子地址的應用方法、傳輸的數據格式等未作規定，這樣帶來的問題是各航天器都有各自特定的1553B協議，既增加了各分系統間的協調工作量，也不利于航天器設備及軟件的通用化。此外，由于各設備的接口不同、智能化程度不同，當設備在異構網絡中進行互操作或信息共享時，若無一套統一的協議及信息傳輸機制，將給實現帶來非常大的困難。

針對上述問題，空間數據系統咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)在1999年的春季會議上新成立了一個工作組，其主要研究內容為星載信息交換以及各分系統和設備的星載接口，即航天器星載接口(Spacecraft Onboard Interface，SOIF)。在2003年的第8次SOIF會議上該工作組進行了改組，SOIF更名為SOIS，即航天器星載接口業務(Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS)。其工作組后續經過兩次重組后，包括應用支持業務工作組、子網業務工作組、星載無線接口工作組。目前子網業務工作組已完成其工作，形成5份推薦性操作規程(紫皮書)。應用支持業務工作組完成了7份紫皮書，正在開展“即插即用”相關研究，星載無線接口工作組完成了2份紫皮書及1份原理性說明(綠皮書)。英國SCISYS等公司對SOIS進行了原型驗證，歐洲航天局、法國國家空間中心、德國航空航天中心等機構于2008年成立了一個空間綜合電子開放接口體系架構(Space Avionics Open Interface Architecture，SAVIOR)研究組，基于SOIS研究其綜合電子系統體系架構，包含功能、硬件、軟件、接口協議等多個層面。美國航空航天局的戈達德航天飛行中心正在評估如何將SOIS融入其核心飛行程序(core Flight Executive，cFE)。

目前，中國各航天器在星載接口協議制定上仍然處于航天器特定設計、未進行標準化的局面，由此帶來了一系列問題，如重復的接口協議格式制定、不同接口的設備難以進行互操作、重復的設備研制、軟件無法通用等。本文對SOIS標準在航天器中的應用方法研究，將有助于實現星載接口業務的標準化，促進星載網絡的協議統一及信息共享，促進軟件和設備的重用。

2 SOIS體系架構

SOIS通過定義一組標準化的業務接口和協議，實現對傳感器、執行機構、通用航天器功能的標準化訪問，并且使星載應用程序的開發獨立于提供這些業務的機制，從而增加其在不同航天器中的重用率。

SOIS定義的體系架構[1]如圖1所示。由圖1可知，SOIS體系架構分為應用層、應用支持層、傳輸層和子網層4層。應用層為航天器特定任務相關的應用程序，這些程序使用SOIS各層所提供的標準業務。應用支持層對上提供一組標準業務，實現對設備的訪問控制、對時間的訪問、用戶間的消息傳遞、對文件及包的訪問、以及即插即用功能，并且屏蔽底層網絡的不同，支持本地及遠程的訪問及通信。傳輸層提供傳輸及網絡業務，可實現多個子網的路由及傳輸控制。子網層提供對數據鏈路的標準訪問業務，可實現數據鏈路的更換而不影響上層應用，從而對上層屏蔽底層數據鏈路的不同。

圖1 SOIS體系架構Fig.1 Architecture of SOIS

2.1 應用支持層

應用支持層包括命令與數據獲取業務、時間訪問業務、文件及包存儲業務、消息傳輸業務、設備枚舉業務等5種標準化的業務。

1)命令與數據獲取業務

命令與數據獲取業務(Command and Data Acquisition Services，CDAS)提供一組功能給用戶應用程序使用，用于對星載設備發送命令或從星載設備獲取數據，同時使用戶應用程序與設備所處位置、采用的接口以及訪問設備所使用的具體協議隔離。該業務由設備訪問業務(Device Access Service，DAS)[2]、設備虛擬化業務(Device Virtualisation Service，DVS)[3]、設備數據池業務(Device Data Pooling Service，DDPS)[4]共3種業務組成。

2)時間訪問業務

時間訪問業務(Time Access Service，TAS)[5]為用戶應用程序提供統一的本地時間訪問接口。用戶可應用TAS獲得本地時間后，進行遙測數據時間標記、事件發生時間標記、星載時間下傳等操作。

3)文件及包存儲業務

文件及包存儲業務(File and Packet Store Services，FPSS)[6]的目的是使用戶應用程序能夠訪問本地或遠程文件存儲區的文件或包存儲區的包，而無需了解訪問存儲區的細節。用戶可應用該業務作為訪問文件及包的統一接口，當訪問本地文件時，業務調用操作系統提供的文件系統完成功能。

4)消息傳輸業務

消息傳輸業務(Message Transfer Service，MTS)[7]可以提供航天器內部應用程序之間基于消息的相互通信，支持邀約—傳送、邀約—群發、訂閱—發布、請求—回復等多種消息傳輸機制。MTS使用異步消息傳輸業務(Asynchronous Message Service，AMS)[8]的一個子集作為星內消息通信協議。應用程序調用MTS投遞消息時不需要知道接收者所在的位置，由MTS對接收者的地址進行解析并投遞消息。

5)設備枚舉業務

設備枚舉業務(Device Enumeration Service，DES)[9]提供對航天器設備增加、刪除等的管理。該業務可與子網層的設備發現業務等配合，實現設備的“即插即用”。

2.2 傳輸層

傳輸層一般只在有多個子網且子網間的應用程序需要相互通信時才使用。當星上無需進行多子網路由時，可不使用該層業務。當需要進行多子網間路由時，可使用空間包協議[10]進行路由，或者使用更為復雜的TCP、UDP、IP等協議，支持傳輸及網絡業務。

2.3 子網層

子網層提供一系列業務供上層的應用程序支持層和傳輸層業務調用。子網層業務包括包業務、存儲器訪問業務、同步業務、設備發現業務、測試業務。不同的總線或其它接口可通過不同的數據鏈路匯聚協議實現上述一個或多個業務。

1)包業務

包業務[11]提供在單一子網的包傳輸功能。此處的包可以是CCSDS定義的空間包(Space Packet)，地面因特網定義的IPv4包，或者是高層的其它特定協議數據單元。包業務通過數據鏈路匯聚協議進行包的傳送和接收。

2)存儲器訪問業務

存儲器訪問業務[12]提供向設備的存儲器或寄存器讀出或寫入數據的能力。高層業務可使用該業務對目標設備進行存儲器讀、存儲器寫、存儲器讀—修改—寫操作。

3)同步業務

同步業務[13]提供在子網層向業務用戶通知事件的功能。可以是同步事件(例如計時通知)，也可以是異步事件(例如子網拓撲發生變化)。

4)設備發現業務

設備發現業務[14]提供在航天器硬件配置改變的情況下，動態識別設備的能力，可用于系統重構。例如，冷備份設備加電。

5)測試業務

測試業務[15]提供對子網節點是否在線的測試功能，同時可與其它業務配合完成設備自測試。

3 SOIS應用方法

SOIS標準通過分層次的業務制定，可滿足不同智能程度、不同接口的網絡節點或設備之間通信，其在具體應用時需要根據需求進行業務選擇，并且制定配套的協議。為了在中國航天器中應用SOIS，需解決以下幾方面問題。

(1)對于不同智能程度的設備或節點，其協議如何配置；

(2)不同種類的數據采用何種業務進行數據傳輸；

(3)SOIS與空間鏈路等其它協議如何配合。

下面分別從星內節點協議配置、SOIS業務選擇、與空間鏈路協議配合方面，對這些問題的解決方法進行分析。

3.1 星內節點協議配置

從智能程度看，航天器中通信的節點可分為3類：

(1)智能節點通信：此類節點具備較強的處理能力，支持完整的協議棧，具備消息處理能力，相互之間可以進行對等通信。協議支持節點訂閱某一類所關注的數據而無需關心數據的發送者、發布自身的數據而無需關心數據的接收者、向系統的某個節點進行數據發送以及查詢等功能。此類節點的典型代表為數管/星務中心計算機、姿軌控計算機、載荷管理計算機等。

(2)簡單智能節點通信：此類節點的智能程度比智能節點稍低，只具備空間包的處理能力。該類節點可以發送或接收空間包。此類節點的典型代表為掛接在1553B總線等接口的分系統終端(處理器能力較低，一般為8031/51處理器)。

(3)非智能節點通信：此類節點不具備空間包的處理能力，只能接收或發送原始數據，一般由智能節點或簡單智能節點進行管理。此類節點的典型代表為掛接在ON-OFF指令接口、模擬量/溫度量/雙電平量采集接口、數字量采集接口、串行加載指令接口等接口上的設備。

第一類節點的協議配置可以包含SOIS完整的業務及協議，以兩個智能節點的消息通信為例，其協議配置示例如圖2所示。圖中紫色框為CCSDS定義的紫皮書，藍色框為標準建議書，灰色框為自定義。

第二類節點的協議配置可包含SOIS的傳輸層、子網包業務、數據鏈路匯聚協議及數據鏈路協議，以一個智能節點和簡單智能節點間的包傳輸為例，其協議配置示例如圖3所示。

第三類節點的協議配置可包含SOIS的存儲器訪問業務及物理層協議，以一個智能節點和非智能節點間的通信為例，其協議配置示例如圖4所示。

圖2 智能節點協議配置Fig.2 Protocol configuration of intelligent node

傳統航天器一般需定義1553B總線協議、SpaceWire總線協議、串口通信協議等接口協議，但上述協議的制定，往往將數據鏈路層協議與上層的應用相關協議混在一起，缺乏層次劃分且難以在不同航天器間重用。應用SOIS標準后，以同時應用1553B總線和SpaceWire總線的航天器為例，若同時支持上述三類節點的通信，航天器中需制定用于星內通信的1553B總線協議(含匯聚協議、數據鏈路層協議、物理層協議)、SpaceWire總線協議(含匯聚協議、數據鏈路層協議、物理層協議)、存儲器訪問協議、空間包協議、消息傳輸協議、設備訪問協議。上述協議除匯聚協議、存儲器訪問協議、設備訪問協議外，都有標準化的國際標準定義，可基于上述標準形成國內的星內通信協議規范以及配套的協議中間件。各航天器根據其需求對協議的參數進行配置，對業務進行裁剪與選擇，對中間件進行重用，如此可規范各領域航天器的星內通信協議，便于設備間的互聯互通，便于配套軟件及測試設備的重用。

圖3 簡單智能節點協議配置Fig.3 Protocol configuration of simple intelligent node

圖4 非智能節點協議配置Fig.4 Protocol configuration of non-intelligent node

3.2 SOIS業務選擇

本節從航天器數據系統中比較常見的幾個功能，分別說明如何進行SOIS業務的選擇。

1)信息共享

在數據系統中，某些信息需要在整個網絡中共享，例如軌道姿態數據、衛星運行模式、關鍵遙測參數、關鍵事件、情報信息等。由于不同分系統所關注的信息并不相同，此時可采用消息傳輸業務的消息訂閱發布模式。智能節點提出對某個主題信息的訂閱請求，信息主題的發布者無需知道消息具體是由誰接收的，每當其進行信息發布時，消息傳輸業務將自動將其分發到所有的“訂閱者”。采用這種模式時，姿軌控計算機可發布自身的軌道姿態數據，數管計算機可發布當前的衛星運行模式、關鍵事件等信息，載荷計算機可發布處理后的圖像情報信息(如某區域發現敏感目標)，其它分系統可發布自身的遙測參數。其通信場景見圖2所示。若系統支持遠程AMS協議，可將訂閱發布的信息擴展到航天器之間，實現航天器之間的靈活信息共享，支撐多類型航天器進行任務協同。

2)總線節點遙測采集

對于智能節點，節點完成自身狀態采集及組織后，可通過消息傳輸業務的消息發送原語將自身遙測發送至負責遙測收集的智能節點(如數管計算機)。后者通過消息傳輸業務的消息接收原語獲得消息，進行后續處理，其場景見圖2所示。

對于簡單智能節點，節點在完成自身狀態采集及組織后，形成空間包，通過空間包協議將包發送至智能節點，智能節點通過命令與數據獲取業務完成數據獲取。其場景見圖3所示。

3)總線節點指令分發

總線節點指令分發，一般由智能節點(如數管計算機)通過總線分發到其它節點。若分發的目的地是智能節點，則通過消息傳輸業務的消息發送原語分發，其場景見圖2所示。若分發的目的地是簡單智能節點，則通過設備虛擬化業務或設備訪問業務的設備寫原語發送，其場景見圖3所示。

4)模擬量/數字量遙測采集

模擬量/數字量設備的遙測數據，一般由連接該設備的控制節點通過設備訪問業務的設備讀原語，配合空間包協議、包業務、存儲器訪問業務等完成采集，其場景如圖4所示。控制節點完成數據的組織后，可采用前面所述總線節點遙測采集的過程完成后續處理。

5)設備ON-OFF/ML指令發送

ON-OFF/ML指令設備，一般由連接該設備的控制節點通過設備訪問業務的設備寫原語進行指令分發，設備訪問業務根據用戶請求組織設備能識別的命令，經由空間包協議、包業務以及底層協議完成指令發送，其場景見圖4所示。對于非本機執行的ON-OFF/ML指令，節點接收到后可通過前面所述總線節點指令分發過程完成指令的分發。

6)自主健康管理

節點可通過命令與數據獲取業務以及消息傳輸業務完成整星健康相關數據的獲取，當數據超限時，通過消息傳輸業務、設備訪問業務完成指令的發送(見前面第3、5功能點)。目前SOIS并未定義自主健康管理的業務，可通過歐洲航天標準化合作組織(ECSS)定義的包應用標準(PUS)[16]中的星載監視業務、事件報告業務、事件-動作業務配合完成。AMS中關于配置服務器間的在線監測、注冊服務器的在線監測、節點心跳信息的監測，還可用于系統中多計算單元間以及計算單元內部各節點的健康監控，支持故障后的系統重構及任務遷移，方便系統進行自主健康管理。

3.3 與空間鏈路協議配合

CCSDS在數據鏈路層定義了遙測空間數據鏈路協議、遙控空間數據鏈路協議、高級在軌系統、鄰近空間鏈路協議。目前，在中國航天器中上行已開始應用遙控空間數據鏈路協議，下行應用高級在軌系統，無論上行或下行都支持空間包的傳送，因此現階段可基于空間包協議將空間鏈路與星載鏈路連通。

在遙控應用中，地面指定空間包的目的地后，通過遙控空間數據鏈路協議將遙控包發往航天器，航天器完成遙控幀的接收、解析以及遙控包的提取后，可將其交付到SOIS的傳輸層，由傳輸層根據遙控包的目的地進行星內路由。另一種可行的方法是，將遙控包直接交給應用層，由應用層對包進行解析，獲得包目的地后通過SOIS消息傳輸業務或者設備訪問業務進行包的分發。

在遙測應用中，航天器數據系統通過SOIS消息傳輸業務、設備訪問等業務將所有遙測包收集后，可經由傳輸層或者直接將遙測包發往高級在軌系統，由后者組幀下行地面。

為了使遙控與遙測包進一步標準化，可應用PUS標準進行遙控包以及遙測包的內部數據結構定義[17]。此處PUS標準中的許多業務，可以直接應用SOIS相應業務完成其功能，例如，PUS的常規事務與診斷參數報告業務可應用SOIS的數據池業務完成數據的采集。

通過綜合應用CCSDS定義的空間數據鏈路協議、ECSS定義的PUS包應用標準協議、SOIS的星內通信業務及協議，制定航天器數據系統的標準業務及協議規范，將能促進航天器空間網絡與星載網絡的協議標準化設計，推動航天器數據系統軟硬件的規范化以及產品化進程。

4 結束語

中國航天器星載接口繁多且協議不統一的弊端，在越來越多的航天器任務應用中已逐漸凸現出來，并制約著航天器快速的發展。應用SOIS標準，將有助于實現中國星載接口業務的標準化，建立統一的信息網絡服務，為后續航天器的智能數據處理以及系統重構提供有力的支撐，并促進航天器設備及軟件的通用化和產品化，從而縮短航天器研制周期，節約研制成本，提高開發效率。

本文提出的SOIS標準在中國航天器中的應用方法，還有一些問題有待進一步研究。例如，如何實現設備的“即插即用”，異步消息傳輸業務如何實現多航天器間消息通信，SOIS與容斷容延遲網絡(DTN)如何結合、如何支持無線接口等。

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He Xiongwen，Zhang Meng.Application method of telecommand and telemetry packet utilization standard in spacecraft[J].Spacecraft Engineering，2012，21(3):54-60 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Application Method of Spacecraft Onboard Interface Services in Spacecraft

HE Xiongwen ZHU Jianbing CHENG Bowen GU Ming YAN Dong

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

The past，research status and architecture of Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) spacecraft onboard interface services(SOIS) are analyzed in this paper.Aiming at the problem of inconsistent onboard interface protocols and non-universal devices and software，the applied method of SOIS in Chinese spacecraft is discussed，focusing on the configuration of onboard node protocols，the selection of SOIS services and the cooperation with space link protocols.Application of SOIS will benefit the standardization of onboard interface and protocols and the universal use of devices and software on board.

CCSDS;spacecraft;onboard interface services

2015-09-20；

2015-11-05

何熊文，男，高級工程師，從事星載數管/綜合電子系統軟件開發、協議設計、CCSDS標準研究等工作。Email：hexw501@hotmail.com。

V446.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.009