CCSDS子網包業務在航天器綜合電子系統中的應用研究

閻冬 程博文 何熊文

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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CCSDS子網包業務在航天器綜合電子系統中的應用研究

閻冬 程博文 何熊文

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

針對未來航天器中多元化的數據對可靠性、時延等傳輸服務質量有不同要求的場景，研究了空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)制定的子網包業務的特點、作用及基本的工作原理，通過分析可知，應用CCSDS子網包業務可以有效克服當前星載數據管理系統的局限性，滿足未來航天器數據處理的更高要求。文章提出了其在航天器綜合電子系統中的應用場景、可行性、方法和工作模式，對子網包業務在未來綜合電子系統中應用的優勢進行了展望。

空間數據系統咨詢委員會；子網包業務；航天器星載接口業務；綜合電子系統

1 引言

隨著計算科學和信息技術的發展，以及各個行業對信息要求的不斷提高，經過航天器獲取、存儲、處理及傳輸的數據也由原來單一的數據類型、較小的數據長度，變成了多元的數據類型及多個數量級增長的數據。因此，對于航天器中信息加工處理的綜合電子系統，勢必要努力開展技術創新，不斷提升能力。綜合電子系統的能力提升主要體現在豐富業務功能提供、標準軟硬件接口配置、多元信息融合、大格式數據處理、高可靠性保障等方面。

傳統的星載數據管理系統及早期的綜合電子系統，僅能夠提供較少的業務種類，獲取本航天器的較為單一的數據，在航天器內部存儲、轉發，最終將一部分數據下傳到地面，是一種點到點的數據系統，只適用于單個航天器與地面系統的任務環境，屬于“煙囪式”的數據傳輸模式。隨著星載業務的快速發展，這套系統表現出一些明顯的弊端：①它并不具有空間網絡環境中的數據傳輸及信息處理能力，無法實現多航天器信息融合的需求[1]；②受限于當時的鏈路條件，長度較大的數據無法直接通過星載鏈路傳輸，只能在應用層將數據打包為較小的數據長度，并且與鏈路密切相關的數據鏈路層功能簡單，無法提供更加豐富多樣的數據傳輸保障服務；③當時的星載軟件開發并沒有遵循層次化結構及構件化的開發模式，軟件開發人員在設計應用層程序時常常需要關注底層鏈路和硬件接口，使整個系統成為從頂層到底層的“捆綁式”結構，無法實現便利的重用。隨著航天器硬件處理能力的提高和星載鏈路的多樣化，上述的缺點限制了航天器綜合電子系統進一步發展，亟需一種包含更先進的軟件和處理流程的信息處理系統。

空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)提出的子網包業務(Subnetwork Packet Service)標準[2]，為克服當前航天器數據管理系統的缺點提供了解決思路，也為保障數據傳輸提供了豐富的服務支持。本文針對該業務的特點及在航天器綜合電子系統中的應用進行了研究，將該業務本地化，可以有效開展新一代星載數據管理系統的開發和設計。

2 子網包業務的特點和作用

子網包業務是CCSDS提出的航天器星載接口業務[3](Spacecraft Onboard Interface Service，SOIS)中子網層的一項業務。SOIS的目的是提供一個標準的層次化星載軟件框架，不同應用之間的交互完全通過一些模塊化的標準星載數據業務來實現。每一層的業務軟件具有獨立編譯運行的能力，不同的業務軟件之間具有松耦合特性，同層或者相鄰層次之間的軟件交互則通過每個業務提供的標準業務接口開展。這種模塊化的構件設計使軟件具有較好的重用性，能夠實現快速開發。

子網包業務也遵循了這種設計理念[4]，它所在的子網層在SOIS的軟件架構中位于傳輸層以下，對上層應用程序屏蔽底層種類繁多的鏈路所提供的各異的功能，為上層提供一個統一的數據處理和發送接口。子網包業務在SOIS層次關系中的位置如圖1所示。

圖1 子網包業務在SOIS層次關系中的位置Fig.1 Subnetwork packet service location in SOIS

子網包業務主要功能和特點如下[5]：

(1)鏈路冗余切換能力：底層鏈路多種多樣，傳輸能力千差萬別，故障概率也有所不同。一旦某條鏈路出現故障，無法提供數據傳輸服務，子網包業務將進行鏈路冗余切換，及時將錯誤信息傳遞給傳輸層，然后根據傳輸層的鏈路重配置指令，將后續數據通過其它可用鏈路傳輸。整個過程只在傳輸層和子網層進行動作，而應用層的用戶數據產生端根本沒有任何影響，它仍繼續按照之前指定的數據發送規則發送數據。

(2)區分服務的能力：綜合電子系統能夠支持的業務日益增多，系統中存在種類多樣的數據類型，而每種類型的數據對傳輸性能有不同的要求，有的數據對時延要求極高，必須在特定的時間間隔內傳輸到目的端才能夠被正確接收[6]。由統一的中間件管理程序對不同類型數據指定其優先級，子網包業務根據待傳輸數據的優先級關系進行區分服務。對于某些對時間性能要求更高的數據，子網包業務可以為其預留帶寬，保證能夠在規定的時刻發送。例如，大部分圖像數據實時性要求不高，而網絡數據實時性要求很高[7]。

(3)數據分段能力：由于底層鏈路提供的傳輸能力不同，一次發送可以支持的最大數據單元(MTU)也有所不同，子網包業務提供數據分段的能力，上層應用程序無須關心底層的MTU大小，可以直接按照中間件支持的最大數據長度組包下傳。子網包業務在發送端根據數據傳輸所選擇鏈路的MTU進行數據分段，并在接收方的匯聚層將分段的數據包重新進行重組后，再發送給上層應用。

(4)個性化服務質量保障能力：不同類型的數據對傳輸可靠性、時間性等要求有所不同，有些數據對傳輸可靠性要求較高，如果傳輸出錯，需要發送端重新發送該數據，而有些數據對發送時間要求較嚴，如前面提到的，必須在特定時刻發出。子網包業務為這些數據提供個性化的服務質量保障，能夠提供4種類型的服務質量。第一種是盡最大努力的服務質量，該類型服務質量提供非預留、非重傳的數據傳輸，因此，并不保證傳輸的可靠性和時間性能，而是按照優先級關系進行服務。第二種是確定的服務質量，具有重傳機制，對數據傳輸可靠性提供保障。第三種是預留的服務質量，具有帶寬預留的能力，對數據傳輸的時間確定性提供保障。第四種是保障的服務質量，同時具有帶寬預留、重傳的服務能力，既能夠保證數據傳輸的可靠性，又能夠保證時間確定性。

(5)分段順序保證能力：子網包業務對數據包分段按照分段的順序傳輸提供保障。如果接收方收到的分段未按照分段順序，則根據其選擇的服務質量進行丟棄或重傳。

(6)安全性：子網包業務通過數據類型判斷、數據長度驗證、數據內容校驗認證等機制保證系統的信息安全。

3 子網包業務的基本原理

子網包業務的執行過程主要可以分為三個部分：子網包發送過程、子網包接收過程和子網包錯誤處理過程。

1)子網包發送

從應用層發送的屬性各異的數據，通過子網包業務標準的接口進入子網包業務處理程序。根據傳輸層分配的傳輸鏈路，子網包業務開始對數據進行與鏈路相關的數據處理和發送。下面以1553B鏈路為例，介紹子網包業務數據處理和發送過程。

首先，子網包業務對屬性各異的數據按照優先級的高低關系排列發送列表。然后，將數據根據鏈路能夠提供的MTU進行分段處理，該MTU數值與鏈路的實際傳輸能力及數據鏈路層驅動程序的處理能力等因素有關。原始數據被分段成為多個長度較小的數據，為了能夠正確、可靠地將這些分段數據從源端傳輸到目的端，需要給這些分段數據添加協議控制信息(Protocol Control Information，PCI)，PCI中既要包含原始數據的信息，該數據分段在完整數據中的位置信息，也要包含該數據的服務質量信息，以及能夠保證數據可靠性的驗證信息。添加了PCI的數據分段，成為一個子網包業務協議數據單元(Protocol Data Unit，PDU)。數據分段過程見圖2所示。最后，PDU數據按照數據鏈路層鏈路協議進行處理后通過驅動程序發送，鏈路協議可以根據實際需要選擇，如MIL-STD-1553B協議，ECSS 1553B協議[8]等。ECSS 1553B有帶寬資源預留的設計內容[9]，可以為有時間確定性要求的數據提供支持。

圖2 子網包業務數據分段及組裝過程Fig.2 Process of subnetwork packet service splitting and uniting

2)子網包接收

本過程與子網包發送過程一一對應，但執行順序相反。首先，從鏈路驅動程序中獲取鏈路數據，經過數據鏈路層協議處理后，得到子網包業務PDU。然后接收到某數據全部分段后，進行數據組裝。這個過程包括了數據分段內容檢驗、數據分段順序檢查、數據組裝等過程。數據組裝過程見圖2所示。如果處理過程正確，則直接提交接收方上層應用進行處理。如果處理過程中發現錯誤，檢查數據攜帶的服務質量要求信息，如果有重傳的需求，則需要通知發送端重傳該數據。

3)子網包錯誤處理

這個處理過程僅針對服務質量類型為確定的服務質量或者保障的服務質量的數據，這些數據對可靠性要求較高，當在接收端發現傳輸過程出錯時，有重傳的需求。數據發送端接收到重傳的請求，檢索已發送列表，并將出錯信息進行重傳。這也給發送過程提出了要求，即要對這兩種服務質量類型的數據進行一定時間周期的保存。

4 子網包業務在綜合電子系統中的應用分析

1)遙控

子網包業務具有數據傳輸可靠性保證機制，在接收端通過數據內容校驗、分段檢查等方法保證傳輸可靠性，一旦發生傳輸錯誤，會將錯誤數據丟棄。對某些可靠性需求更高的指令數據，可將其設定為確定的服務質量或者保障的服務質量，出錯時會在本層進行數據重傳，而不需要用戶重新發送指令。

2)周期性數據傳輸

對于周期性遙測采集及周期性指令發送的場景，這些數據被設定為預留的服務質量或者保障的服務質量，子網包業務在底層鏈路協議的支持下為這些數據預留鏈路帶寬，確保這些數據在確定的時刻可以在鏈路上傳輸。

3)星內星間數據傳輸

對于應用層多種類型的數據(圖像數據、音視頻數據等)，網絡層多樣的數據包格式(空間包數據格式、IP協議數據格式等)，子網包業務都能夠支持。通過統一的數據發送接口，在處理時使用內部信息對收到的數據進行封裝，徹底將傳輸層及以上部分與鏈路完全隔離。

4)系統容錯

航天器在空間的運行環境極不穩定，綜合電子系統底層鏈路存在臨時性失效或者永久性物理損壞的風險，子網包業務針對這種情況，進行鏈路切換，使用冗余鏈路或者其它類型的鏈路進行數據傳輸，而子網層所發生的這些變化卻對上層的應用程序毫無影響。

CCSDS子網包業務已經完成軟件實現并在樣機上運行，運行結果符合預期設計，一些典型的性能情況如表1所示。

表1 CSSDS子網包業務應用前后性能對比

5 結束語

本文通過研究CCSDS子網包業務的指導原則，將該業務與我國航天器設計的具體情況相結合，能夠有效克服我國航天器數據管理應用中的缺點和局限性，可以有效開展下一代星載數據管理系統的開發和設計。本文設計的子網包業務提供了統一的數據發送接口，將上層豐富多樣的應用數據與下層各種各樣的鏈路隔離開，既適合航天器內部數據傳輸，又能夠支持未來星間數據傳輸。未來航天任務日益復雜，往往需要多元信息處理和融合。多種類型的數據對傳輸可靠性、時延、服務質量(QoS)等有不同的要求，這就要求航天器綜合電子系統能夠對不同類型的數據進行個性化服務，子網包業務恰好迎合了這一需求。子網包業務能夠增強綜合電子系統的包容性、可靠性及服務能力，在未來航天器綜合電子系統中應該加以推廣應用。

References)

[1]Cooper S.CCSDS mission operations services in space[C].// Proceedings of 12th Conference on Data Systems in Aerospace.Paris：ESA，2012

[2]CCSDS.CCSDS 851.0-M-1 Spacecraft onboard interface services-subnetwork packet service[S].Washington D.C.:CCSDS,2009

[3]CCSDS.CCSDS 850.0-G-2 Spacecraft onboard interface services[S].Washington D.C.:CCSDS,2013

[4]Gunes S,Notebaert O,Farges P,et al.CCSDS SOIS subnetwork services:a first reference implementation[C]// Proceedings of Data Systems in Aerospace.Paris：ESA，2008

[5]Notebaert O.Benefits of the standardization efforts for on-board data interfaces and services[C]// Proceedings of the 9th International Conference on Space Operations.Rome：SpaceOps，2006

[6]Fowell D,Scott L,Plummer C,et al.CCSDS SOIS time-critical onboard application services[C]// Proceedings of the 9th International Conference on Space Operations.Rome：SpaceOps，2006

[7]宋永醇.CCSDS在遙測系統中的應用[J].遙測遙控，2012，33(3)：6-10

Song Yongchun.The application of CCSDS in telemetry system[J].Journal of Telemetry,Tracking and Command，2012，33(3)：6-10 (in Chinese)

[8]ECSS.Interface and communication protocol for MIL-STD-1553B data bus onboard spacecraft,ECSS-E-ST-50-13C[R].Noordwijk:ECSS,2008

[9]Notebaert O,Gunes S,Shi J,et al.Application of the MilBus extension standard,ECSS-E-ST-50C[C]// Proceedings of 12th Conference on Data Systems in Aerospace.Paris：ESA，2012

(編輯：張小琳)

Research on CCSDS Subnetwork Packet Service in Spacecraft Integrated Electronic System

YAN Dong CHENG Bowen HE Xiongwen

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

For the high demand of diverse data transmission quality of service (QoS) in the future spacecraft,this paper analyses the characteristics,functions and basic working principles of CCSDS subnetwork packet service.Through the analysis,we can know that CCSDS subnetwork packet service can remove the limitation of current on-board data handling system effectively,satisfy the high demand of future spacecraft data transmission.We study the application scenarios,feasibility and working mode,and then make a preliminary prospect for the application advantages of CCSDS subnetwork packet service in the future spacecraft integrated electronic system.

CCSDS；subnetwork packet service；SOIS；integrated electronic system

2015-09-25；

2015-11-10

國家自然科學基金(91438102)

閻冬，男，博士，工程師，研究方向為航天器數據管理技術與星間網絡技術。Email：yandong200@163.com。

TP393.04

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.010