中國首份CCSDS標準建議書編制及應用

何熊文 詹盼盼 徐明偉 顧明 程博文 齊征 閻冬 朱劍冰 楊麗君

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084)

未來空間任務的發展對航天器的網絡化、智能化提出了更高的要求，航天器需要具備器地、器間、器內一體化組網的能力，并為用戶提供更多更好的智能化服務。這些需求導致航天器軟件的功能大幅增加，其復雜度大幅提升，需要開發與之配套的航天器通用軟件體系結構以降低復雜度，提升重用率和提高開發效率。

以國際空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)、歐洲空間標準化組織(ECSS)為主的國際空間標準化組織，在空間網絡器內、器間、器地通信過程的標準化方面做了大量的工作，力求提高航天器的組網通信能力。同時，地面互聯網工程指導組(IETF)的相關標準也開始應用于空間。與組網通信相關的標準協議涉及到幾十種，其層次劃分結構、相關接口并不統一，如何融合形成統一的空間數據系統體系結構，已成為一個世界性難題，為此，CCSDS設立了專門的系統體系結構工作組，至今仍在開展研究。在與協議配套的航天器軟件體系結構方面，由于與航天器需求、接口和協議、硬件息息相關，長期處于定制開發狀態，目前尚缺乏很完備的統一可重用軟件體系結構，NASA和ESA均為此作了大量的努力，但仍未從根本上解決問題。NASA和ESA于2015年在CCSDS立項了2份空間數據系統軟件體系結構橘皮書(即試驗性規范)：①NASA主導的橘皮書《作為CCSDS星載參考體系結構的NASA cFS飛行軟件》，目前仍處于編寫階段，尚未有初稿；②ESA主導的橘皮書《作為CCSDS星載參考體系結構的ESA SAVIOR飛行軟件》，由于沒有完成工程實現最終放棄。

20世紀80年代以來，中國開始對CCSDS標準建議書進行了一系列的研究，并積極參與CCSDS相關工作。中國空間技術研究院(CAST)、中國科學院國家空間科學中心(NSSC)和北京跟蹤與通信技術研究所作為CCSDS觀察員組織，針對標準開展了大量研究，并在所研制航天器系統中推廣應用；清華大學、南京大學、哈爾濱工業大學等高校也積極開展CCSDS標準研究工作。其中，CAST在空間數據系統協議體系結構和軟件體系結構方面開展了長期的研究、技術攻關和驗證工作，于2015年在CCSDS工作組會議上進行報告后引起國際高度關注，并受邀制定中國首份CCSDS標準建議書(橘皮書)——《作為CCSDS星載參考體系結構的CAST飛行軟件》[1]。該項橘皮書的編制歷時6年，在2016年提交初稿后經過工作組多次討論、CCSDS工程指導組(CESG)投票、CCSDS管理委員會(CMC)投票等過程，在2021年11月正式發布。為了能夠為中國相關專家后續編寫CCSDS標準建議書提供參考，本文總結了該CCSDS橘皮書編制及應用情況，并給出編制的啟示。

1 CCSDS橘皮書編制

1.1 橘皮書編制背景

CCSDS成立于1982年，是國際上最權威的空間數據系統相關標準制定機構，其制定了400余份標準建議書，已在全世界超過1000個航天器中應用。CCSDS的研究范疇包含空間網絡互聯業務(SIS)、空間鏈路業務(SLS)、航天器接口業務(SOIS)、任務操作和信息管理業務(MOIMS)、交互支持業務(CSS)、系統工程(SE)共6個技術領域，如圖1所示[2]。其研究的成果主要以標準建議書的形式呈現，具體包括白皮書(原始草稿)、紅皮書(評審稿)、藍皮書(推薦標準)、綠皮書(原理性說明等)、黃皮書(記錄文件)、紫皮書(推薦實踐稿)、橘皮書(試驗規范)、銀皮書(過時文件)等。

圖1 CCSDS技術領域

由于各領域獨立開展工作，其制定的標準建議書相互之間可能會出現不協調的情況，需要SE領域進行統一協調。目前，SE領域正在制定空間數據系統體系結構相關標準，以理清各領域之間的關系，尤其是SOIS領域與MOIMS領域、SLS領域、SIS領域的接口關系。在上述背景下，中國的CCSDS橘皮書重點說明SOIS領域與SLS領域和SIS領域各業務及協議之間的接口關系，以及在工程中如何與實際系統應用相結合。

1.2 橘皮書主導思想及原則

編制一份CCSDS標準建議書，不同于編寫通常的技術報告文檔。橘皮書作為國際組織的實踐指導標準，偏重于提供協議和業務的實現、驗證、應用情況，但并不是直接羅列相關業務、協議的設計實現具體方案或研制流程。編制橘皮書的指導思想和期望目標，是通過總結實踐過程和經驗給出一種成功的實施實例，更進一步分析、驗證CCSDS相關業務和協議體系的合理性、必要性、有效性、可操作性及應用價值；提出業務之間的關系和接口設計，以及在實際系統、設備中落實方法等核心關鍵，以起到指導CCSDS相關領域深化演進和工程實踐、解答專業難點的作用。

經過反復研究、討論、提煉，編制組最終確定以下編制原則和方法。①對體系結構清晰簡明展示，給出整體、直觀、結構化的介紹，而不過多描述內部設計和研制過程。②對核心關鍵問題重點分析說明，突出關鍵機制和核心關系，解釋清楚技術路線和難點解決方法。③以實現和應用的典型示例，使標準建議書使用者既容易理解體系結構的工作原理，又方便理解工程實現和應用方法。在上述編制原則指導下，最終確定了橘皮書前述的主要內容，即重點說明SOIS領域與其他領域之間的關系、SOIS領域各業務之間的關系、與硬件設備的關系這3個核心關系問題。

1.3 橘皮書章節結構

橘皮書的章節結構，既符合CCSDS標準建議書體例，又體現了編制指導思想，重點突出核心關鍵。正文共分為7個部分，分別為：①介紹。包括目的、范圍、術語，結構說明、參考文獻。②CAST飛行軟件體系結構概述。對背景、基本分層結構和接口進行整體說明。③業務和協議標準的選擇與整合。說明該體系結構中選擇和整合的標準和業務，包括需求與組合關系，以及SOIS與包應用標準(PUS)、SIS協議、SLS協議的關系。④SOIS各業務之間的聯系。提出命名機制和主要業務關系及尋址機制，建立各層業務及協議之間的關聯。這部分是本橘皮書的關鍵內容。⑤SOIS與硬件間的接口。對綜合電子系統硬件節點對象進行分析，分別說明智能節點、簡單智能節點、非智能節點的訪問方法。⑥SOIS電子數據表單(SEDS)的應用。說明SEDS在體系結構中的應用，并提供典型示例。⑦應用業務和協議標準帶來的好處。介紹試驗驗證情況，總結標準化、靈活性、擴展性和可靠性方面的提升效果。另外，附錄包括CCSDS標準建議書原語實現的過程和方法實例、縮略語、SEDS描述參數和SEDS描述接口。

1.4 橘皮書核心內容

橘皮書核心內容為CAST飛行軟件業務和協議體系結構，以及與它們配套的軟件體系結構“伏羲”。其中，業務和協議體系結構如圖2所示。該體系結構設計是通過對多領域航天器綜合電子系統需求進行綜合分析，對CCSDS和ECSS等相關協議進行選擇后給出的，其關鍵在于各不同領域不同業務和協議之間如何進行交互，其命名和編址機制如何設計等。

注：UDP為用戶數據報協議；IPoC為IP通過CCSDS；AOS為高級在軌系統；COP-1為命令操作規程-1；DS為串行數字量；ML為存儲器加載。

與業務和協議體系結構配套的軟件體系結構的設計要點如下。

(1)分層。通過分層，將復雜問題分解到具體的層次中處理，使之簡單化。建立一個分層的體系結構，對各層的業務及業務接口進行標準化。這樣，一方面屏蔽底層硬件接口和協議變化帶來的影響，使得單層的變化不影響其他層，并支持技術的升級換代；另一方面，將一些通用的功能采用標準的業務實現，以提高軟件的可重用性。

(2)操作系統接口標準化和驅動程序統一框架。為了支持不同操作系統的更換，CAST飛行軟件體系結構采用標準化的操作系統接口，制定設備驅動程序框架，支持綜合電子系統各種不同設備類型接口的驅動，并具備可擴展能力，使得軟件能適應不同的設備控制需求。

(3)統一的信息傳輸機制。基于CCSDS，ECSS，IETF部分協議建立統一的信息傳輸機制，實現器地、器內、器間通信一體化及標準化設計，支持協議的變更和升級，支持上層應用的靈活信息傳輸。

(4)標準化的構件及構件接口。定義標準化的構件及構件接口，將標準的業務及協議采用軟件構件實現，使得新任務軟件的開發可以通過組裝標準化的構件及任務特殊需求構件達到軟件快速開發的目的，從而縮短軟件研制周期。在業務及協議構件的設計時，必須要考慮不同項目的不同需求，盡量將項目的共性需求抽象出來，并識別項目的個性需求，采用參數化的設計將其隔離，提高軟件構件的靈活性和可重用性。

設計完成的軟件體系結構如圖3所示。

注：API為應用程序編程接口；BSP為板級支持包；CPU為中央處理單元；ROM為只讀存儲器；RAM為隨機訪問存儲器；AN為模擬量；ONOFF為開關命令；TTE為時間觸發以太網。

2 CCSDS橘皮書應用

2.1 橘皮書應用情況

橘皮書中提出的體系結構目前已開始在遙感、載人、導航等領域中應用。在某遙感衛星中，經需求分析，通過CCSDS和ECSS等標準業務及協議的選型，確定本衛星采用哪些業務和協議，形成適合本衛星的協議體系結構，將體系結構中標準化的軟件構件功能對標該衛星的遙控、遙測、校時、總線、熱控、能源等功能需求和特定的自主任務管理等需求，對CAST飛行軟件體系結構進行裁剪、組裝和適配，形成符合本衛星需求的軟件體系結構，進一步明確了需要根據衛星特點進行額外定制開發的軟件構件。軟件體系結構的應用過程為：以分層結構為基礎，在亞網層-空間子網，選用AOS空間數據鏈路協議[3]、遙控空間數據鏈路協議[4]構件滿足上行幀解析和下行幀組裝調度的需求；在亞網層-星載子網，選用包業務[5]構件、存儲器訪問業務[6]構件、同步業務[7]構件，定制開發內總線和CAN總線鏈路協議構件及驅動，以滿足飛行軟件與航天器內其他設備通信的需求；在傳遞層，選用空間包協議[8]滿足空間包路由轉發的需求；在應用支持層，選用消息傳輸業務[9]、命令與數據獲取業務[10-12]、時間訪問業務[13]和ESA制定的PUS[14]業務等軟件構件滿足空間包的協議跨層傳輸、航天器內指令分發、數據采集和時間訪問的需求；在應用管理層，選用遙控、遙測、熱控和能源等管理業務滿足用戶應用數據的處理需求。與此同時，通過選用PUS業務軟件構件和定制開發自主任務管理構件，滿足衛星自主任務管理的需求。經統計，遙感衛星中一共選用了33個業務及協議軟件構件進行配置，定制開發了7個軟件構件，軟件代碼重復利用率達到70%(大部分功能均通過軟件體系結構已有構件進行配置完成)。此外，在標準的業務、協議、接口支持下，實現了軟件體系結構對本衛星軟件的通用支持和從傳統軟件開發模式向基于軟件體系結構和軟件構件的組裝開發模式的轉變。

除了在遙感領域的成功應用之外，在載人、導航等領域的航天器中也開始了橘皮書體系結構的應用。項目團隊負責了協議體系和軟件體系結構設計，設計中繼承和延續了CCSDS橘皮書中的設計理念和方法，使用CCSDS，ECSS，IETF相融合的標準體系進行選擇和優化，以軟件構件的形式實現相關的協議標準，再通過高效的軟件構件之間的接口完成數據信息和控制信息的傳輸交互。

2.2 后續推廣應用

橘皮書體系結構通過在層次化的結構中實現標準的業務，構建了航天器綜合電子系統通用的軟件框架和基礎服務平臺。在標準的業務、協議、接口關系支持下，實現對航天器飛行軟件的通用支持，可應用于未來大多數航天器，為智能化和網絡化應用提供支撐。該體系結構的應用，能夠避免大量重復的設計、實現、測試工作，在便利地滿足空間任務需求的同時有效降低成本和風險。

由于應用了CCSDS的大量業務和協議并將其采用軟件構件的方式予以實現，飛行軟件的整個開發模式將發生根本性的變革，從傳統模式轉化為基于軟件體系結構和軟件構件的組裝開發模式，大幅提高軟件開發效率，提升軟件的可靠性。后續推廣應用主要體現在以下幾個方面。

(1)系統設計階段。重點根據不同航天器在協議、總線、業務、硬件配置方面的特殊需求，從橘皮書中推薦的業務和協議體系結構中選擇所需的業務及協議，并且按需進行參數配置，必要時提出航天器專用的業務及協議。該階段由于使用了CCSDS的業務和協議，可減少通用功能的設計活動，使得系統設計更聚焦于特殊需求相關的內容。

(2)軟件研制階段。基于橘皮書提出的軟件體系結構，在設計開發及使用過程中，主要的工作從軟件程序的設計、更改轉變為對各項標準業務構件參數的設計和配置。每項CCSDS業務都包含大量對屬性和運行規則的描述參數。在全局命名規則的統一設定下，根據飛行軟件的功能需求、硬件環境和設備與用戶對象等的屬性和要求，對各項通用軟件構件及專用軟件構件進行組裝和配置初始化參數，并在軟件構件組裝及仿真驗證工具的支持下，對系統的信息流、性能進行仿真，必要時修改構件的參數配置及連接關系。由于設計基于標準化的體系結構，用戶重點關注標準軟件構件的參數配置及組裝，而無需進行重復的軟件設計，通過分層及對標準業務和協議的重復使用，還可降低系統驗證的復雜度，并持續提升可靠性。此外，由于已經將CCSDS標準業務和協議通過軟件構件實現，且其能通過組合滿足不同的需求，因此用戶可以重復使用已有的軟件構件，只需要開發航天器特殊需求相關的少量軟件構件即可。

(3)軟件測試階段。可以復用橘皮書所提構件對應的測試用例，只需要設計航天器特殊需求對應的測試用例即可，而且繼承復用的軟件構件內部測試項目可以不重復進行，測試工作量大為減少。

(4)軟件維護階段。由于采用了分層的體系結構，不同層應用了標準的業務、協議，當需要更換某一種業務或協議時，只需要將其對應的軟件構件進行替換即可，對其他層不會造成影響，從而可以方便地對軟件進行升級維護。

3 CCSDS橘皮書編制啟示

3.1 長時間的技術攻關和積累是基礎

中國首份CCSDS橘皮書是CAST總體設計部項目團隊進行攻關多年后總結形成的成果。項目團隊提出了空間和星內一體化網絡協議體系結構，以及與之配套的靈活而統一的全新飛行軟件體系結構“伏羲”，研究并實現了42種業務和協議軟件構件，為編制CCSDS國際標準奠定了深厚的技術基礎。

橘皮書對協議體系結構以及軟件體系結構進行了詳細闡述，彌補了原有CCSDS SOIS參考體系結構的缺陷，解決了CCSDS各領域間各層難以接通和融合的工程化應用問題，整合了空間通信與星載通信的國際國內先進標準，通過采用統一的星載網絡對象尋址命名機制、標準化通信接口、通用通信服務機制等技術方法，建立了支持天地一體化網絡環境的統一的信息網絡服務機制，為航天器智能化和網絡化提供了重要技術支撐。

3.2 積極參與國際組織會議并展示成果

20世紀80年代末CAST的總體設計部部分專家開始接觸CCSDS，空間數據系統團隊逐步開始學習、研究和應用國際先進標準體系，形成了大量的研究成果和工程經驗。例如：CAST已在大部分航天器中應用了AOS、遙控和空間包協議(SPP)等協議，在火星環繞器和火星車之間應用了鄰近空間鏈路協議(Proximity-1)，在載人航天器中應用了IPoC[15]。在應用過程中逐漸從與國際同行的跟跑到并駕齊驅，甚至部分研究成果已經實現反超。例如：團隊整合了CCSDS定義的遙控、AOS、SOIS、SPP、AMS[16]，以及ESA制定的PUS、時分復用1553B總線協議、UDP/IP、IPoC、TTE[17]等多種航天器協議，建立了統一空間子網與星載子網的分層次信息服務機制及協議體系結構，在國際上率先提出了SOIS的完整合理的工程實現方法，解決了CCSDS目前尚未解決的其他標準與SOIS接口、SOIS各業務間接口、SOIS與硬件接口等難題。

航天強國的實現并不只是在于自己閉門造車搞研究提升技術水平，也在于在國際航天業內的影響力和話語權。項目團隊深知這一點，從2015年起，團隊多位核心成員通過電話會議和現場參會探討等方式廣泛深入參與CCSDS等國際組織的技術研討，在保護核心知識產權的基礎上，將協議體系結構及軟件體系結構的設計思路和理念與國際同行進行深入交流。中國航天工作者深入的專業研究和敬業的工作精神得到了國際同行的高度認可。

3.3 在國際標準中體現亮點工作和主張

從研究工作成果和經驗提煉轉化為國際標準，需要結合標準的類型特點和任務要求，對標準的作用和目的有自己的分析和定位，形成明確的指導思想和編制原則。所編制標準能否達到預期的價值和效果，關鍵在于對已有技術攻關成果經驗的總結提煉，明確在標準中需要展示表達的核心內容和技術脈絡。一方面，需要圍繞本技術領域的核心重點、困惑難點梳理具有共性、需要指導、可標準化的問題及解決方法；另一方面，從自身工作中提煉關鍵、具有特色、可供指導借鑒的技術內容，在設計好的結構框架下針對性介紹。此外，還要注意符合保密要求。在橘皮書的編制中，經過深入研究和反復論證，項目團隊提出了明確的大綱和方案，針對業界關注的各標準業務接口問題，抓住關鍵難點，重點說明SOIS與其他業務之間關系、SOIS各業務之間的關系、與硬件設備的關系這3個核心問題，從而取得了較好的效果。

CCSDS標準建議書的編制過程相對較長，從意向提出到正式發布往往要持續數年。在橘皮書的編制過程中，項目團隊持續深化研究工作，積極與國際同行交流并表達自己主張，在SOIS領域工作與標準建議書編制之間形成良性互動，不但推動標準的進展，而且在國際上提出中國的建議，進一步提升了地位和話語權。

3.4 確保橘皮書的質量

橘皮書的形成，歷經大綱討論、項目立項、人員選擇、內容編寫、中英翻譯、國內專家評審把關、CCSDS工作組評審把關、CCSDS首席編輯把關、CCSDS CESG和CMC審查等過程。確保標準的質量貫穿于以上每個環節，以下對幾個重要的方面進行說明。

(1)立項時機成熟，項目論證充分。橘皮書立項時，該參考體系結構已由項目團隊研發5年，并研制完成了原理樣機，因此立項時充分討論了該橘皮書的必要性、可行性、用途、技術領域范圍、技術成熟度及相關性。

(2)重視標準編制，人員嚴細選擇。項目團隊均為資深飛行軟件研發人員，具備豐富的專業知識、工程經驗及標準編制經驗，項目團隊曾分別編制我國國標、國軍標等并悉知相關法規文件規定。

(3)嚴格審查把關，落實審查意見。橘皮書從立項到發布經過多次CCSDS工作組研討、國內專家(中國航天標準化研究所組織)等嚴格把關審查，對標準內容、格式、技術問題依據、完整性、協調性、英文的準確性等進行認真、嚴格、充分的審查，并對匯總意見處理進行了重點審查。

4 結束語

中國首份CCSDS橘皮書的編制過程雖然艱辛，但最終在項目團隊的共同努力下得以正式發布。這也標志著中國在CCSDS的角色由觀察者向標準的主導制定者轉變邁出了關鍵性的一步。以該CCSDS橘皮書的發布為契機，后續可在航天器中進一步推廣應用橘皮書中的先進體系結構，提升航天器的功能性能，推動不同領域航天器互聯互通以提升整體應用效能。另外，可針對CCSDS SOIS領域目前已有建議書的不足，進一步主導制定新的或者修訂已有的標準建議書。

致謝

橘皮書的編制得到了中國空間技術研究院總體設計部趙和平研究員、譚維熾研究員、劉崇華研究員、郭堅研究員、孫勇研究員在技術上的指導和支持，得到了北京跟蹤與通信技術研究所陳運軍研究員、中國科學院國家空間科學中心黃永輝研究員和呂良慶研究員在編制內容上的建議，得到了中國空間技術研究院總體設計部刁偉明老師、中國航天標準化研究所周玉霞研究員在標準化方面的支持，在此一并表示感謝。