空間數據系統發展展望

何熊文譚維熾郭堅（ 北京空間飛行器總體設計部， 中國空間技術研究院）

空間數據系統發展展望

何熊文1譚維熾2郭堅1（1 北京空間飛行器總體設計部，2 中國空間技術研究院）

隨著深空探測、星座組網飛行、天地一體化網絡等新需求的牽引，空間數據系統經過幾十年的發展，呈現多方面的發展趨勢，主要包括拓撲結構從單星向天地一體化網絡發展、處理方法由星載數據處理向綜合信息處理轉變、解決方案由長周期向快速響應及部署轉變等。其中涉及的關鍵技術也是空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）目前研究的熱點，本文從CCSDS的6個領域分別描述了CCSDS的重點研究方向，同時描述了隨著空間數據系統的發展，星載數據系統在功能、拓撲結構、協議、硬件、軟件等方面的發展趨勢。

1　空間數據系統的發展趨勢

隨著航天科技的不斷進步，航天器平臺和有效載荷的復雜度都在不斷提高。從對地觀測衛星到導航衛星，再到通信與數據中繼衛星，從近地軌道衛星到空間站，還有月球、火星探測器等深空飛行器，航天任務的物理環境更復雜，功能要求更高，數據速率范圍更寬，信息傳輸和交換的需求日益迫切，因此對航天任務的數據業務需求也提出了更高的要求，空間數據系統概念應運而生。

空間數據系統可以定義為對航天器獲取、產生以及涉及航天器的有關信息進行可靠、安全的處理、傳輸、分發的各功能部分的集成。它既不僅僅是“空間數據的系統”，即只是專為航天器提供數據服務，因為它還包含地面數據穿越空間網絡，也不全是“空間的數據系統”，只限系統處于太空，它還包含地面處理的系統，二者的結合才是空間數據系統的完整內涵?？臻g數據系統不是傳統的遙測系統、遙控系統和測軌定位系統簡單的相加，而是要統一航天器有關的信息處理、傳輸的方法和要求，進而支持航天器之間、航天器與地面之間的互聯互通；從體制上，它符合多信源、多用戶的開放系統模型，完全不同于傳統體制的點對點封閉系統，但又不是簡單地把地面互聯網搬到天上，而是針對空間特殊應用環境和空間任務特殊要求而開發的一整套嶄新的標準體制；在技術上，它是現代計算機技術、網絡技術、通信技術和電子技術等最新發展的綜合產物，又是航天技術進一步發展的結果。

經過幾十年的發展，隨著深空探測、星座組網飛行、天地一體化網絡等新需求的牽引，以及計算機技術和網絡技術的飛速發展，空間數據系統已經呈現出新的發展趨勢，從總體看主要體現在以下幾個方向。

拓撲結構由單星向天地一體化網絡發展

對于單個航天器而言，尤其是低軌航天器，由于地面測控弧段較短，無法對航天器實現全天時的測控通信，航天器的數據無法第一時間下傳地面，給航天器的在軌應急處置、數據產品的傳遞實時性、協同工作等帶來了許多問題。將不同軌道、種類、性能的航天器通過星間鏈路連接在一體，與空中、海洋、地面的設施及應用系統一起形成天地一體化的網絡，將能極大提升系統的應用效能，這也對整個空間數據系統帶來革命性的影響。通過天地一體化網絡，地面可以實現一站式無縫測控，當衛星不可見時，通過天基網絡中的衛星進行數據的接力傳送。同時，不同種類的衛星可以通過天基網絡進行協同工作，例如，分辨率低但幅寬大的高軌衛星或低軌衛星，可以對某個區域進行普查，同時對敏感區域的圖像進行目標識別，通過天基網絡將識別后的信息傳遞到其他高分辨率的衛星，由后者進行進一步詳查得到情報信息，并將情報信息通過天基網絡下傳地面，此種方式可大大提升地面獲取信息的實時性及有效性。在天基網絡中還可建立空間的數據庫，網絡中的衛星節點可以將自身的數據通過天基網絡發往網絡中的數據庫節點衛星，地面可按需從數據庫中獲取歷史數據。

正因為天地一體化網絡所帶來的巨大效益，世界各國都在大力發展天地一體化網絡。美國較早地認識到天基信息網絡對打破傳統衛星系統條塊分割式體系、構建靈活網絡等方面的優勢，在軍民領域發展了一定形態的天基信息網絡，包括行星際互聯網（IPN）、轉型通信體系（TCA）、“跟蹤與數據中繼衛星系統”（TDRSS）、低軌移動衛星星座“銥”衛星系統等。歐洲的通信衛星多為單星運行，利用地面網絡實現網絡化服務，即所謂天星地網方式，具有星間鏈路的星際互聯網較少，成系統發展的僅有數據中繼衛星。近年來，歐洲還提出了全球通信綜合衛星通信基礎設施（ISICOM）計劃。俄羅斯發展衛星的歷史較為悠久，通信、遙感、導航等應用衛星數量眾多，但其天基信息網絡發展相對較為滯后，許多通信系統均為煙囪式的獨立系統。目前僅有幾顆數據中繼衛星具備星間鏈路能力。近年來，俄羅斯重視天基系統的發展，推進通信衛星的建設，開展了激光通信試驗，并計劃用48顆低軌通信衛星構成俄羅斯的空間互聯網。我國目前在建的導航星座具備星間通信功能，可實現一站式測控，并具備自主導航功能。中繼衛星可支持遙感衛星、載人飛船等高速數據的接力傳輸，但數量較少，且支持的航天器有限。目前，各科研院所、高校都在開展天地一體化網絡建設的論證工作。

天地一體化網絡的建設在帶來益處的同時，也對空間數據系統的發展帶來了新的挑戰，例如網絡拓撲結構設計、高速激光星間鏈路的建立、天地一體化協議體系的構建、網絡信息安全機制的保障、星載高速路由交換設備的研制等。

處理方法由星載數據處理向綜合信息處理轉變

隨著用戶對衛星“好用”、“易用”的要求以及星載處理能力的提升，越來越多的地面任務可由航天器完成。以遙感衛星為例，以往衛星大多采用遙感數據直接獲取、直接下行的方式，由地面系統對數據進行加工處理，衛星本身對數據的內容并不關心。而下一代衛星則可直接面對用戶需求，對獲取的數據進行分析處理，提取其中有用的信息，按照用戶要求加工成圖像產品，并分發到相應的用戶。以往地面操作人員需了解衛星的操作細節，進行成像操作時需注入控制各個分系統的指令，注入數據量大且操作繁瑣，用戶體驗非常不好。未來，衛星將提供地面用戶簡單的操作界面并實現任務操作的標準化，將大部分地面的規劃工作在星上自主完成。例如，地面用戶輸入需成像的位置信息及成像質量要求，衛星將綜合當前衛星的軌道、能源、姿態等因素，將用戶的任務與自主產生的任務共同規劃，并按需進行優化后自主產生指令控制軌道機動、相機成像及數據下傳，真正實現由數據處理向綜合信息處理的轉變，提升航天器的智能化水平，從而大幅度便利地面用戶的使用。

云計算技術在地面應用極為廣泛，其特點包括超大規模、虛擬化、高可靠性、通用性、高可擴展性、按需服務等，其設計理念未來必將用于航天器。將云計算技術用于單一航天器時，可以通過標準的星載計算機模塊、存儲模塊與高速總線網絡構建星載云計算平臺，大型復雜的計算，如圖像在軌識別，可以通過多臺計算機協同完成，應用程序可以在多臺計算機中運行，當一臺計算機故障時，應用程序可遷移到其他計算機中運行，從而極大提高系統的容錯性和可靠性。用戶也可動態注入不同的任務，由系統自動決定在哪個計算機中運行，可提高系統的可擴展性。將云計算技術應用到整個空間網絡時，未來用戶面向的將不是衛星，而是整個衛星網絡組成的云平臺，用戶可向云平臺提供其信息獲取需求，云平臺將自主檢索信息，或者選擇衛星進行數據的獲取以及信息處理，再提交給用戶，用戶無需關心信息的來源和傳輸過程。這時的空間數據系統真正從傳統的面向信道傳輸和目前面向信源特性，轉變到提供面向用戶需求的系統服務。

解決方案由長周期向快速響應及部署轉變

下一代衛星系統功能和性能的顯著提升帶來了衛星數據系統復雜度的顯著增加，同時，快速響應及快速部署的要求給數據系統的實現帶來了新的挑戰。新的需求必然要求數據系統可在任務下達后通過標準化的硬件模塊和通用化的軟件構件快速組裝形成系統，同時，通過標準化的通信協議將航天器內部各分系統之間、航天器之間、航天器與地面系統之間快速組網。

為了滿足系統快速響應及部署的需求，空間數據系統尤其是星載數據系統的開發模式將發生極大變革，需要建立一套完整的規范、協議、體制及標準化的軟硬件產品和配套工具鏈，支持系統的快速開發、集成及測試，從而縮短系統的研制周期，為用戶提供快速、低成本的解決方案。

2　CCSDS的研究方向

CCSDS成立于1982年，至今已有30多年的歷史了，它是一個空間國際合作組織，致力于建立有助于空間信息交換的數據系統標準。在多年的發展過程中，CCSDS制定了一系列應用于空間數據系統的建議書，目前已在超過700個航天器中得到應用。CCSDS已經被國際標準化組織（ISO）承認是具有空間信息技術標準的國際權威。

CCSDS技術區域及相互關系

CCSDS的研究范疇包含6個技術領域。前面所述空間數據系統發展趨勢中涉及的核心技術也正是CCSDS目前研究的熱點，從近幾年CCSDS大會和公布的各類建議書動態看，各技術領域目前研究的主要方向如下。

1）在系統工程（SEA）領域，CCSDS已完成空間數據系統參考模型和信息安全協議架構的初步建立，下一步的重點是進行CCSDS系統體系架構的設計和信息安全架構設計。在體系架構方面，工作重點是梳理各業務領域之間的接口關系。目前，CCSDS成立了系統體系架構工作組，與其他領域聯合開展工作。其研究內容包括任務操作與信息管理業務中星載處理部分與航天器星載接口業務的接口、空間互聯網業務與航天器星載接口業務以及空間鏈路業務的接口等。在信息安全方面，工作重點是信息安全體系架構設計、密鑰管理機制和IPsec在空間網絡中的應用等。

2）在任務操作和信息管理業務（MOIMS）領域，CCSDS已完成遙測遙控信息交換標準（XTCE）、數據描述語言、標準格式數據單元和任務操作參考模型等的建立。下一步的重點方向包括航天器任務操作技術、機器人遙操作技術等。①航天器任務操作技術，包含監測和控制、功能執行、程序執行、任務規劃、時間管理、位置管理、遠程軟件維護等方面。目前，CCSDS已提出相應的原理，正在進行相應標準的制定，目的是將星地操作進行標準化，提供用戶通用的任務操作服務。②機器人遙操作技術，研究機器人遙操作的消息格式、應用程序編程接口和業務等。

3）在交互支持業務（CSS）領域，CCSDS的建議書已相對成熟，主要進行建議書的修訂和完善，同時開發與文件傳輸、任務規劃相關的交互支持建議書。

4）在航天器星載接口業務（SOIS）領域，CCSDS已完成各層業務紫皮書（推薦性實踐）的制定，尚未完成藍皮書（正式標準）。下一步的重點是即插即用技術、無線網絡技術、時間確定性網絡技術、軟件體系架構的研究。①即插即用技術，通過設備電子接口數據單的設計，采用底層設備發現、設備自動識別和數據更新的機制，向用戶及時通知設備的接入狀態并支持用戶靈活訪問。②無線網絡技術，可應用于貨物管理，環境監視，生理學監視，航天員位置定位，航天器內話音及圖像通信，過程監視及自動控制，組裝、集成與測試（AIT）和機器人操作等多種場景。③時間確定性網絡技術，研究星載子網如何通過應用時間觸發以太網（TTE）、SpaceWire-D等高速的確定性總線，為上層提供確定性的數據傳輸服務。④在軟件體系架構方面，美國航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和中國空間技術研究院（CAST）目前正在計劃分別制定應用航天器星載接口業務的星載軟件體系架構建議書。

5）在空間鏈路業務（SLS）領域，CCSDS制定的分包遙控、分包遙測、高級在軌系統、鄰近空間鏈路協議等已較為成熟，下一步的重點是下一代空間鏈路協議的制定、激光通信等工作。①下一代空間鏈路協議結合了CCSDS現有4種空間數據鏈路協議的特點，為上層應用提供一種統一的空間數據鏈路協議。②激光通信具有帶寬大、數據傳輸速率高、天線尺寸小、抗干擾、保密性好等優點，非常適合構建未來的空間骨干網，它也是目前CCSDS在空間通信方面研究的熱點。

6）在空間互聯網業務（SIS）領域，CCSDS制定的異步消息傳輸協議（AMS）、文件傳輸協議（CFDP）已較為成熟，下一步的重點是容延遲網絡（DTN）協議的相關標準制定及應用。目前CCSDS已完成DTN體系架構原理、束協議（BP）、利克里德傳輸協議（LTP）的制定，正在進行DTN路由算法、束安全協議、網絡管理等方面的研究。

從上述CCSDS的研究方向可以洞察到，各空間國家和組織共同重點關注與加強國際合作、開展深空探測、構建空間互聯網以及預測新技術在空間應用密切相關的標準技術。

3　星載數據系統的發展趨勢

星載數據系統可以看作是空間數據系統的星載組成部分，美國稱之為“命令與數據處理系統”（C&DH），歐洲人稱之為“星載數據處理系統”（OBDH），中國常稱之為“數據管理分系統”或“星務管理分系統”。星載數據系統一般包含遙測、遙控、整星健康管理、熱控管理、能源管理、時間管理、網絡管理、在軌維護等功能。隨著空間數據系統的發展，星載數據系統也在功能、拓撲結構、協議、硬件、軟件等方面不斷發展。

1）在功能層面，星載數據系統將向智能化、網絡化方向發展。智能任務規劃、自主健康管理、圖像目標識別、星間網絡管理等功能將由星載數據系統實現。

2）在拓撲層面，星載數據系統目前正向分布式綜合的方向發展。通過集成化設計，傳統需要由數十臺單機完成的功能已逐漸可由數臺集成化程度很高的單機完成。同時，由于對星載高性能計算能力以及容錯能力的需求，不同的任務可通過分布式計算的方式通過多個節點完成，其信息通過星載網絡完成交換，且在故障情況下可實現任務在不同節點間的遷移。

3）在協議層面，空間網絡的協議與地面網絡的協議將呈現進一步融合趨勢，地面網絡的IPv4、IPv6等協議將可與CCSDS定義的空間網絡協議實現互聯互通。同時，CCSDS最新研究的DTN等協議也將逐步在星載數據系統中得到應用。

4）在硬件層面，由于星載智能化處理對計算能力、通信能力、存儲能力需求的進一步提升，星載計算機的處理能力將變得更高，多核并行處理、片上系統（SoC）將逐步得到廣泛應用。星載存儲器的容量將進一步得到擴充，總線網絡將向更高速率邁進，時間觸發以太網（TTEthernet）、空間光纖（SpaceFibre）等速率可達上吉比特每秒的總線將得到廣泛應用，星內多種點對點接口、總線接口將趨于由一種統一的總線所替代，從而降低星載接口的復雜度以及測試難度，提高系統的可靠性以及開發和測試的效率。

5）在軟件層面，星載數據系統軟件的構件化水平將逐步得到提升，未來，將由傳統手工編碼的開發模式逐步過渡到基于構件組裝自動化生成代碼的開發模式，軟件的開發效率以及質量將得到進一步提升。星載嵌入式操作系統的能力將得到顯著提升，支持任務的分時分區管理，支持不同安全等級以及不同單位開發的應用程序在同一處理器運行并可進行故障的有效隔離。操作系統將支持天地一體化的網絡協議和文件系統等新的功能，對應用軟件的開發提供更多通用的服務支持，使得用戶的開發更為快捷便利。

4　結束語

地面計算機技術、網絡技術等技術的飛速發展給空間數據系統的發展帶來了新的活力，未來，地面用戶將能更方便快捷地從空間數據系統獲取信息。針對天地一體化等需求，CCSDS在激光通信、DTN網絡、星載標準接口、任務操作等方面開展了大量的研究工作，這些工作必將給空間數據系統的未來發展帶來革命性的變化，并且帶動星載數據系統功能和性能的進一步提升，地面網絡與空間網絡的互聯互通已不再遙遠，用戶將能從中獲得更好的體驗。

Development of Space Data System