融合北斗短報文與CCSDS標準的衛星遙測遙控數據系統設計

張海威，胡喆斯，2，邢 楠

（1 西安衛星測控中心宇航動力學國家重點實驗室 西安 710043；2 西安交通大學 西安 710043）

引言

2020年7月，我國全面建成北斗導航系統。北斗衛星具有獨立的雙向通信功能、保密性好、覆蓋范圍大、同時具有兼容導航功能、組網方便等優點，具備衛星無線電定位系統（Radio Determina?tion Satellite System,RDSS)定位轉發和通信轉發能力，可以為雙向授時、報文通信及地面測運控系統之間的時間同步與數據傳輸提供轉發信道。

國內較早開展了基于北斗短報文的研究和應用工作。何雨帆開展了通過遙感九號搭載北斗一號短報文終端進行測控試驗[1]。關新鋒研究了基于北斗短報文的天基測控方法，并進行了系統總體方案設計和測控數據流程設計[2]。劉保國分析了北斗三號全球短報文用于低軌衛星的測控能力[3]。文獻[4]提出了建立基于北斗短報文的衛星健康監控體系。隨著我國在軌衛星數量急劇增加，基于北斗星座全球組網覆蓋的優勢利用北斗短報文技術進行測控通信是對當前衛星測控的有效補充，可以實現低軌衛星“隨遇接入、按需測控、實時可見，時時在線”。鑒于國內對利用北斗短報文進行衛星測控還處于探索試驗階段，為避免出現后續各方設計不統一、結構不規范導致測控信息處理復雜等問題的出現，有必要對基于北斗短報文技術的遙測遙控信息進行規范設計。

目前，美國NASA、歐洲ESA 的衛星系統中廣泛應用CCSDS XTCE 標準。XTCE(XML Tele‐metric and Command Exchange)[5?8]是空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）于2005 年發布的遙測遙控信息描述標準。作為一種標準化語言，其目標是完整、準確地描述遙測遙控信息，實現同構或異構航天任務的遙測遙控信息在各系統、各部門乃至各個國家的航天局之間實現無縫對接、交換。國內，左江濤、蘇舉、曲藝、劉洋等人研究了基于XTCE 遙測組幀技術[9?12]，并且國軍標及國內大量的衛星遙測遙控信息傳輸設計均參考了CCSDS XTCE標準。

綜上所述，本文在深入分析CCSDS XTCE 標準關于衛星遙測遙控設計規范的基礎上，結合北斗短報文的信息傳輸特點，綜合考慮了在軌衛星的運行特點，提出了融合北斗短報文與CCSDS XTCE 標準優勢的衛星遙測遙控數據系統設計方法，對豐富北斗短報文技術的使用場景，提升衛星的精細化使用水平，具有重要的應用價值和現實意義。

1 北斗短報文應用現狀

依據文獻[13]，北斗短報文數據包為可變長度數據幀，可有效滿足通信信息量較小但短時突發數據處理要求較高，且大量用戶同時使用的各類應用需求。

①北斗終端收發信息的頻度與軌道類型有關，北斗GEO衛星采用區域短報文業務類型，最大數據速率為1 次/秒，單次為14 000 bit；高軌IGSO 和中軌MEO衛星均采用全球短報文業務類型為1次/3秒。

②北斗短報文通信固定入站數據速率8 kbps，出站數據速率16 kbps。高/低軌波束分別最大可支持8 kbps/2 kbps 數據速率的測控通信。

③北斗短報文高低軌通用兼容的電文幀長度為70 Byte，即560 bit。對于幀長度在70 Byte 限制內的數據直接采用短報文方式實現；對于幀長度超過70 Byte的，可以拆包后通過短報文進行傳輸。

目前常用的是北斗用戶機數據接口要求（4.0協議），民用的短報文通信協議格式如圖1所示。

圖1 民用的短報文通信協議格式Fig.1 Beidou short message civilian communication protocol format

圖中，“指令/遙測”表征終端或地面識別當前報文類別的標志?！皥笪拈L度”表征整個報文的字節長度，包含從指令到校驗和的短報文消息總長度，可用來判斷接收的報文數據是否缺失?！坝脩舻刂贰北碚鲌笪膫鬏敃r使用的當前終端ID號?！靶ｒ灪汀北碚鲝那懊嫠牟糠诌M行校驗運算，采用CRC 循環冗余校驗，以保證數據的正確性?！皥笪膬热荨北碚鱾魉突蚪邮盏挠脩魯祿畔?，主要包含五部分：①“信息類別”表征傳輸信息的緊急程度、傳輸方式為漢字或代碼等；②“用戶地址”表征目標用戶的ID 號；③“電文長度”表征電文內容中的數據長度；④“是否應答/加密”表征地面依據此標志是否進行應答和加解密；⑤“電文內容”表征實際上注的數據內容。

2 衛星遙測數據設計

CCSDS XTCE 是以XML Schema 的形式來定義航天器遙測遙控描述信息的，是關于具體遙測遙控數據信息的元-元信息模型定義。具體的XTCE 文檔是遵守由XTCE 模型定義的Schema 的XML 文件。XTCE 標準本身設計時已經考慮了對包括星座、星群、空間站等異構航天器任務的支持，是對航天器本身層次設計的自然映射。

我國衛星的分包遙測和遙控標準均是在參考CCSDS分包遙測遙控標準的基礎上形成的。

2.1 CCSDS遙測格式

分包遙測過程示意圖如圖2所示：

圖2 衛星分包遙測系統及格式Fig.2 Satellite packet telemetry system and format

衛星遙測系統數據源為星上產生遙測數據的物理實體（單機），可以對應一個或多個設備甚至是某個分系統。因此數據源與解析值不是一一對應的，而是采用虛擬信道（VC）按照數據特性和傳輸要求進行組幀。通過設置不同虛擬信道的優先級，可以為衛星數據提供不同等級的服務。

考慮到XTCE關于遙測規定已有大量文獻可供參考，本文在此基礎上，以不影響北斗系統導航、定位和授時主任務，并充分考慮北斗短報文數據傳輸速率和內容的資源約束限制為目標，對符合北斗短報文傳輸規范的衛星分包遙測進行設計，便于減輕數據傳輸壓力，提高信息傳輸效率。通過北斗短報文傳輸的衛星遙測內容應與常規遙測有較大區別。

2.2 遙測數據設計原則

基于北斗短報文的衛星遙測數據的設計，需遵循以下原則：

①考慮到衛星遙測的兼容性和通用性，對現有衛星遙測設計不做大的更改，通過在虛擬信道VCID 中設置新的標識，用來識別北斗短報文傳輸的遙測格式及內容；

②充分考慮北斗短報文的容量限制，采用特定格式編排，減少填充和無效數據，提高信息傳遞效率和安全性；原則上，通過短報文傳輸的關鍵遙測數據，幀長不超過每次短報文發送的最長限制，需要多包進行傳輸時，由多包續傳標識進行標記；

③通過北斗短報文下傳數據中應包含衛星測控、電源、姿態等關鍵狀態信息；遙測數據采集，以各分系統的關鍵狀態信息為主，以模擬量數據為輔；

④遙測組幀采用星上主動收集各分系統工作狀態信息，進行主動存儲，如無下傳需求，則可定時由新數據進行自主覆蓋；僅在需要通過北斗短報文傳輸數據時，占據物理信道，完成數據采集、存儲和發送。

2.3 遙測數據設計方法

考慮到北斗短報文通信能力限制和衛星遙測編排的一致性，采用CCSDS 推薦的信道訪問數據單元（CADU）格式，由虛擬信道數據單元（VCDU）附加同步序列組成，典型代表如圖3所示。

圖3 符合北斗短報文的遙測數據格式Fig.3 Beidou short message telemetry communication format

①同步序列。

②版本號：表示CCSDS 虛擬信道數據單元（VCDU）。

③SCID：航天器標識。

④VCID：虛擬信道標識，通過設置約定字符表示該數據單元為北斗短報文遙測數據幀。

⑤包識別：版本號表示CCSDS 數據源包；類型：表示遙測包；續傳標識：表示多包續傳的序號；應用過程標識符：通過設計特定標識來表示北斗短報文格式的遙測數據。

⑥時間碼：表示本包數據采集時間。

⑦數據域。

⑧CRC 校驗：利用線性編碼理論，在發送端根據要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規則產生一個校驗用的r 位監督碼（即CRC 碼），并附在信息后邊，構成一個新的二進制碼序列數共(k+r)位，最后發送出去；在接收端，則根據信息碼和CRC 碼之間所遵循的規則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。

此外，為進一步規范北斗短報文遙測傳遞信息內容，對遙測信息傳輸的規則同樣需要統一，包括：

①遙測包結構、采樣周期、碼速率。

②遙測參數結構：字節序、位序。

③遙測參數編碼方式。

④遙測參數處理方法：模擬量處理方法、數字量處理方法。

⑤遙測參數物理意義。

⑥遙測參數正常值范圍。

3 衛星遙控數據設計

3.1 CCSDS遙控格式

類似地，分包遙控通過分層體制，再封裝包頭后形成遙控包，加上幀頭和差錯控制域形成數據傳輸幀。通過將其調制到物理信道上，向衛星發送。如圖4所示。

圖4 衛星遙控系統及格式Fig.4 Satellite telecommand system and format

3.2 遙控數據設計原則

基于北斗短報文的遙控數據設計，需遵循以下原則：

①采用指令幀格式進行統一設計，減少衛星設計更改。

②通過設置約定“方式字”進行北斗短報文指令識別。

③采用“星上存儲+地面觸發”方式，大幅簡化地面上注指令的長度和內容；即通過設計和優化星上自主執行動作指令序列，如構建故障條件下自主轉對日巡航狀態等指令鏈，通過北斗短報文發送觸發指令，實現星上調姿、業務操作、安全控制等動作，優化衛星自主工作過程。

④通過短報文發送的遙控指令，幀長不超過每次短報文發送的最長限制。

⑤在不與現有的測控工作相沖突情況下，地面終端可通過短報文進行衛星操控。

3.3 遙控數據設計方法

考慮到衛星遙控指令的一致性，對圖1 中的“報文內容”采用圖5的方式進行編排。

圖5 符合北斗短報文的遙控指令協議格式Fig.5 Beidou short message telecommand communication format

①衛星同步字：用于識別衛星類型。

②方式字：通過設置約定字符用來識別北斗短報文指令。

③數據域：裝載某種用途的遙控塊數據。

塊識別：表示一個遙控塊的開始。

塊號：遙控塊的序列號，用于標識多塊上注指令序號。

有效數據區長度：表示塊數據區域有效數據的字節數。

④校驗：對數據域的內容進行正確性校驗。

⑤CRC校驗：對整幀數據進行正確性校驗。

4 信息加密傳輸技術

北斗短報文系統具有良好的加密功能，可保證用戶數據通信安全。但是，用戶與北斗中心、在軌衛星與北斗衛星之間缺少相應的加解密手段，即對用戶數據進行加密和對在軌衛星進行解密之間的數據雙向交互，對圖3 與圖5 的數據域進行加解密，具體過程如圖6所示。

圖6 北斗短報文加解密過程Fig.6 Beidou short message encryption and decryption process

如上圖所示，采用北斗短報文方式進行測控時，存在著“用戶-北斗衛星-在軌衛星”雙向數據通道。加解密流程主要包括“用戶-北斗衛星-在軌衛星”雙向數據通道，其間需要保證地面與衛星之間的密鑰匹配。

考慮北斗短報文的資源約束，星地密鑰同步的方法與傳統加解密方式應有較大區別[14?16]。

①通過在遙測遙控VCDU 數據域中，開辟專門的字節，用來標記加密后的數據長度。

②采用星上存儲密鑰+定時更新的方式，實現星地密鑰的同步。

③對于巨型星座而言，采用星間公鑰+星地私鑰的方式，確保加解密過程的可用性。

5 信息可靠傳輸技術

依據文獻[4]中基于北斗短報文的衛星數據流向，通過在遙測遙控數據格式中開辟專門的字節，用以校驗分包遙測遙控數據的正確性與完整性。通過在地面進行數據連續性判別和丟包補發，保證遙測遙控數據傳輸的可靠性。

（1）遙測格式中，“續傳標識”用以表征衛星遙測數據下傳的連續性，“CRC 校驗”用以保證本幀遙測數據的正確性。

地面接收到衛星下行遙測數據后，按照北斗短報文數據格式解析出電文內容，按照“續傳標識”的子包序號組裝成長文數據，組包成功后地面正確解析；若組包不成功，存在數據子包缺失，根據“續傳標識”定位丟失子包序號，并通過地面判斷本包數據的重要程度，如有需要則進行丟失數據子包補發。

（2）遙控格式中，“塊號”用以表征衛星接收上行遙控數據的連續性，“CRC 校驗”用以保證本幀遙控數據的正確性。

衛星接收到上行遙控數據后，按照北斗短報文數據格式解析出電文內容，并按照“塊號”序號組裝成整幀數據，組包成功后向地面端發送遙測信息，確認遙控數據包完整接收；若組包不成功，存在數據子包缺失，根據“塊號”定位丟失子包序號，地面進行丟失子包數據補發。

6 結束語

本文綜合了CCSDS XTCE 標準和北斗短報文雙向通信功能的特征，提出了融合二者優點的衛星遙測遙控數據系統設計方法，優化設計了基于北斗短報文體制的在軌衛星遙測遙控數據格式和內容，可以方便及時地監控在軌衛星使用狀態，對提高在軌衛星科學使用提供了重要途徑。