航天器空間數據鏈路標準簡析

高寧 王恒 席濤 李楠

（宇航動力學國家重點實驗室，西安，710043）

我國航天活動日益頻繁，隨著載人航天、月球探測、火星探測計劃的不斷進展，傳統的空間信息傳輸方式已不適應未來空間活動的要求，主要表現為航天活動越來越復雜，深空探測、交會對接、星間鏈路以及分布式衛星編隊和星座出現了群控、數據插入與融合等技術[1-2]。與此同時，隨著航天器電子系統技術的發展以及測控、數管、數據傳輸、存儲等相關系統的進步，航天裝備的復雜程度和信息集成度越來越高，越來越向著技術體制一體化的方向發展，更高的信息利用率和傳輸效率等需求大大提升，對綜合、通用、統一的空間數據鏈路協議的需求日益迫切。

在現階段開展航天器空間數據鏈路協議的標準研究，進行空間數據鏈路協議標準的總體設計，整體規劃空間數據鏈路協議體系，規范協議層次、協議種類、協議內容以及協議之間的關系，一方面，有利于建立統一的技術體制，促進工程大系統間各鏈路協議的統一，打通不同任務、不用型號、不同用戶之間的技術壁壘；另一方面，為航天信息的獲取、存儲與分發提供統一的平臺，促進航天信息的統一管理、高效共享和綜合利用，對我國信息化建設將起到不可估量的促進作用[1-2]。

1 空間數據鏈路協議的概念與組成

空間數據鏈路協議主要研究將一個飛行器與其地面支持系統或另一個飛行器連接起來的全部點到點的通信鏈路技術，包括射頻與調制、空間鏈路編碼與同步、數據壓縮等技術。

空間數據鏈路協議由5 層組成，從高層到低層分別為應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層，如圖1 所示。其中，數據鏈路層由數據鏈路協議子層、同步和信道編碼子層組成。對各層的定義與功能要求如下。

圖1 空間數據鏈路協議標準結構組成

a）應用層：為用戶提供端到端的應用服務。如文件傳輸、消息傳輸、數據壓縮、遙控遙測及用戶應用過程定義的其他服務等。

b）傳輸層：為上層用戶提供端到端的數據傳輸服務。其主要功能是當下一層（網絡層）的服務質量不能滿足要求時，用以提升服務質量，以滿足上一層用戶的要求。

c）網絡層：為上層提供在整個空間數據系統中的路由服務。包括航天器器載系統（或稱航天器子網）和地面網絡（或稱地面子網）。

d）數據鏈路層：包含數據鏈路協議子層、同步和信道編碼子層2 個子層。其主要功能是對網絡層及以上層提供多種類型的服務，支持不同類型、不同長度、不同QoS 的數據通過底層的物理層傳輸。

e）物理層：為上層提供由地面站到航天器或航天器與航天器之間的射頻信道以及相應的操作。

2 國外空間數據鏈路標準

2.1 CCSDS 標準體系

空間數據系統咨詢委員會[3-4]（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）是一個國際性空間組織，于1982 年成立，主要負責開發和采納適合于空間通信和數據處理系統的各種通信協議和數據處理規范。CCSDS 包含CCSDS 管理委員會（CMC）和CCSDS 工程指導組（CESG）2個部分。其中，CMC 是CCSDS 的最高決策機構，CESG 包括系統工程域（SEA）、空間鏈路業務域（SLS）、航天器星載接口業務域（SOIS）、空間網絡業務域（SIS）、任務操作與信息管理業務域（MOIMS）、交互支持業務域（CSS）6 個業務領域（Area），各業務領域間的關系如圖2 所示。

圖2 CCSDS 技術領域及相互關系

空間鏈路業務域負責開發空間鏈路通信系統（包括星地鏈路、星間鏈路）中物理層和數據鏈路層技術，用于端到端傳輸的數據壓縮技術，以及用于定軌的測距技術[5]。其相關標準主要涉及到以下幾個方向。

a）射頻與調制：用于在可用頻段實現地球周圍航天器以及深空航天器遙控、遙測以及測距信號的高效雙向傳輸，盡量在更窄的帶寬內實現更高的數據回傳。

b）信道編碼及同步：為遙測遙控信息傳輸服務，包括空地、空空鏈路。未來將實現更高數據速率、更高的鏈路性能，并進一步降低成本、重量和功耗。

c）空間數據鏈路協議：為遙測遙控信息傳輸服務，包括空地、空空鏈路。

d）空間包及封裝協議：將用戶提供的數據單元不加改變的包裝成一個符合空間數據鏈路協議格式要求的空間包或者包裝包，一個單獨的包至多包含一個數據單元，通過空間鏈路使用空間數據鏈路協議傳輸一系列變長的、有限的、字節對齊的數據單元。

e）數據壓縮：降低有效數據速率和數據量，以便實現對空間鏈路帶寬和在軌存儲能力的最大化利用。

f）空間數據鏈路安全：在CCSDS 空間鏈路中為上行鏈路和下行鏈路的物理層和數據鏈路層提供安全功能操作。包括認證、完整性校驗，抗重放攻擊以及加密等。

g）光通信物理層和數據鏈路層：考慮到光通信鏈路的獨特性，例如超高數據速率，地面站地理位置的分散性，以及大氣（天氣）影響等，建立實現光鏈路物理層和數據鏈路層互操作以及交互支持的標準業務通用框架。

目前已經發布的部分建議書見表1。

表1 部分CCSDS 空間數據鏈路標準

2.2 ECSS 標準

歐洲空間標準化合作組織（簡稱ECSS）于1993 年正式成立，是歐洲空間局（ESA）、歐洲各國航天局和歐洲工業協會的標準化合作組織，其成員包括主要國家航天局及其工業部門，ESA是其牽頭單位。其成立的主要目的在于：解決歐洲空間共同體內各國在空間項目的合作中，由于使用不同的空間標準導致的空間項目研制成本的增高、效率降低、競爭力減弱等問題[6]。

ECSS 最新標準體系分為項目管理、產品保證、工程和可持續4 個子體系[7-8]，如圖3 所示。根據空間數據鏈路的概念與范圍，ECSS 標準體系中與之相關的標準屬于空間工程子體系中的E50 通信標準分支，共16 項，見表2。

表2 ECSS 相關標準

圖3 ECSS 體系框架示意圖

2.3 國外空間數據鏈路標準內容

按照應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層的不同層次，對國外的空間數據鏈路協議標準進行簡要介紹，見表3～表7。

表3 空間數據鏈路應用層相關標準

表4 空間數據鏈路傳輸層相關標準

表5 空間數據鏈路網絡層相關標準

表6 空間數據鏈路層相關標準

表7 空間數據鏈路物理層相關標準

3 對我國開展空間數據鏈路協議研究的建議

我國的空間信息傳輸網絡建設發展相對滯后，主要表現為空空、空地和鄰近空間3 個部分傳輸協議尚未進行一體化、標準化設計，在開展空間任務時需要進行星地之間的協議轉換；協議之間的互操作效率較低；不同衛星與地面之間采用的傳輸協議各不相同，且大多都是專用協議，這種情況在地面部分造成系統的兼容性、擴展性和可靠性較差，浪費了許多不必要的人力、物力資源，同時由于缺少符合國際標準的空間信息傳輸協議，更不利于將來與國際航天機構進行合作交流[9]。

我國早年航天測控標準主要源于IRIG 標準、ESA 標準以及CCSDS 早期標準?，F有的國內標準中關于空間數據鏈路協議標準不多，僅對遙控、遙測、數據管理、測距、射頻及調制、跟蹤等具體專業進行了規定，但是標準項目不夠系統，不能完全體現空間數據鏈路協議最新的發展趨勢。同時，我國與ECSS、CCSDS 的體制、管理和研制模式是有區別的。由于歷史原因，我國空間數據鏈路標準主要著眼于系統、分系統、設備的研制，存在大量產品規范，主要集中于物理層，而忽略了各類產品需要共同遵守的基礎技術標準。

目前我國已經非常重視空間數據鏈路協議標準的編制工作，正在不斷完善我國空間數據鏈路協議標準。對比國外空間數據鏈路標準協議，對我國開展相關研究的建議如下。

a）加強對空間數據鏈路協議標準群體系化建設的規劃。CCSDS 協議采用分層架構，構建空間數據鏈路協議標準成體系，各標準之間的關系界定清楚，我國空間數據鏈路協議標準群的規劃可借鑒CCSDS 的相關經驗。

b）空間數據鏈路協議標準的制定要符合自身實際情況。ECSS 除了直接引用CCSDS 的成熟標準之外，還在CCSDS 的基礎上根據自己的實際進行裁剪與進一步規定，這種做法值得借鑒。

c）注重標準的制定，更注重標準的使用。雖然標準一般是推薦使用，不具有強制性，但ECSS標準體系政策更注重標準的使用，這更有航天信息的共享和利用，我們也應積極推薦使用標準。

d）對于國際尚未成熟的深空測控通信協議標準，我國應積極開展相關技術研究，以指導深空領域測控通信工作的開展。

e）國家測控網與民商用測控網以及國際測控網間的合作是未來的發展趨勢，因此編制空間數據鏈路協議應與國際標準接軌，將有助于促進在空間領域的軍民融合、國際交互支持，提升我國的航天地位和國際話語權。