遙控和遙感包應用標準pus的歷史、現(xiàn)狀和特性

遙控和遙感包應用標準pus的歷史、現(xiàn)狀和特性

1包協(xié)議格式定義的缺失遠程控制和跟蹤是地面操作人員最基本的控制和監(jiān)控手段。經(jīng)過多年的發(fā)展,在空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議上,空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)定義了遙測數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、高級在軌系統(tǒng)(AOS)、鄰近空間鏈路協(xié)議4種標準。上述標準主要對數(shù)據(jù)鏈路層及其以下層次的協(xié)議進行了規(guī)定,其中包括數(shù)據(jù)幀的格式、交互操作等。對于與用戶相關的高層應用數(shù)據(jù),CCSDS標準只規(guī)定了外包裝格式,例如在空間包協(xié)議中規(guī)定了包的主導頭格式,但沒有對應用數(shù)據(jù)的格式進行規(guī)定,這樣帶來的問題是各航天器有著特定的遙控遙測應用數(shù)據(jù)格式,既不利于地面用戶的操作,也不利于航天器上設備及軟件的通用化。針對上述問題,歐洲航天局(ESA)從20世紀90年代開始對遙控遙測的標準化操作進行了研究,于1994年形成包應用標準(PUS)第一版,并在2003年根據(jù)航天器的應用情況進行了修訂,形成了第二版。目前,已有“羅塞塔”(Rosetta)、“X射線多反射鏡”(XMM)、“火星快車”(MarsExpress)等航天器采用了該標準,ESA還強制規(guī)定其后續(xù)所有航天器都采用這一標準。CCSDS的任務操作與信息管理業(yè)務領域工作組在2009年專門成立了興趣小組,對PUS進行研究,擬對其進行再次修訂后納入到CCSDS建議書中。目前,中國各航天器在地面操作以及遙控遙測的高層格式定義上,仍然處于航天器特定、未進行標準化的局面,由此帶來了一系列問題,如重復的遙控遙測應用層格式制定、重復的設備研制、軟件無法通用。本文對PUS標準在航天器中的應用方法研究,將有助于進一步實現(xiàn)遙控遙測的標準化,促進軟件和設備的重用。2航天器操作接口PUS標準是歐洲空間標準化合作組織(ECSS)標準系列中的一個,它定義了地面和航天器之間的應用層級別的接口,用來滿足電氣組裝、測試及飛行操作的需求。該標準主要內容包括:①描述了地面對航天器操作的基本概念,涵蓋了對航天器監(jiān)視與控制的基本需求;②定義了16類業(yè)務,用于滿足地面操作的需要。這一標準詳細描述了地面如何利用這些業(yè)務進行標準化的操作,并且詳細定義了業(yè)務請求(遙控包)和業(yè)務報告(遙測包)的數(shù)據(jù)格式。2.1pus業(yè)務PUS定義的業(yè)務如下。(1)控制確認業(yè)務提供對遙控包每個執(zhí)行階段成功與否的確認,包含接收、開始執(zhí)行、執(zhí)行中和執(zhí)行完成共4個階段的確認。(2)設備指令銷售業(yè)務提供3種指令的分發(fā)功能,包括分發(fā)開關指令、存儲器加載指令和直接指令。(3)提供地面設備狀態(tài)信息該業(yè)務與參數(shù)統(tǒng)計報告以及事件報告業(yè)務一起,為地面提供設備狀態(tài)信息。航天器上有一組預定義的參數(shù)用于報告產生,這些定義也可以由地面修改、刪除或增加。(4)參數(shù)值的測定用于向地面報告一個采樣間隔內航天器上參數(shù)的最大值、最小值、平均值和標準偏差值。當航天器不在地面站覆蓋范圍時,使用該業(yè)務產生報告可以減少存儲的數(shù)據(jù)量。(5)航天器的正常運行情況用于報告各種事件,如航天器故障或異常、航天器自主行為、各種操作的正常運行情況等。該業(yè)務共提供正常進展、低等級、中等級和高等級4個級別的事件報告子業(yè)務。(6)存儲管理業(yè)務用于航天器上不同內存區(qū)域(如RAM或大容量存儲器)的管理,包括對相鄰內存區(qū)域或幾個不相鄰內存區(qū)域的內容進行加載、下卸和檢查。(7)進程功能的體現(xiàn)提供一個標準的業(yè)務請求,用于執(zhí)行應用進程的功能。這些功能是非標準的,如有效載荷儀器或平臺分系統(tǒng)的操作控制,它們有自己的請求和報告數(shù)據(jù)結構。(8)時間管理業(yè)務提供控制時間報告產生速率的功能,包括改變時間報告產生頻率和時間報告2個子業(yè)務。(9)令調度表提供延時遙控和程控功能,維持一個指令調度表。業(yè)務用戶可以請求增加指令,或者使能/禁止/刪除/時移/報告指令調度表中所有指令或一部分指令。(10)監(jiān)視清單下的事件報告提供監(jiān)視航天器上參數(shù)的功能。業(yè)務維持一個監(jiān)視清單,在參數(shù)變化時產生事件報告。地面可以實施增加參數(shù)、修改參數(shù)監(jiān)視信息、重置、報告清單信息、使能禁止參數(shù)監(jiān)視等操作。(11)空間傳輸是一種新的模式用于傳輸大的業(yè)務數(shù)據(jù)單元。該業(yè)務把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成很多部分,每個部分被裝在一個空間包中傳輸。這一業(yè)務提供確認和重傳機制,保證數(shù)據(jù)的正確傳送。(12)包分銷控制業(yè)務用于控制遙測源包到地面的傳送,地面可對特定業(yè)務類型的包進行使能禁止操作。(13)存儲和訪問業(yè)務提供包的存儲功能,并在地面系統(tǒng)請求時進行存儲數(shù)據(jù)的下傳。該業(yè)務支持按時間段刪除存儲數(shù)據(jù)、按時間段下傳存儲數(shù)據(jù)和使能禁止存儲等功能。(14)測試業(yè)務用于地面系統(tǒng)與航天器應用程序之間進行端對端的“連接測試”。(15)運營業(yè)務地面系統(tǒng)可以定義一組能加載到一個應用進程的操作程序,應用進程可以管理這些程序的存儲及其隨后在地面控制下的執(zhí)行。(16)整體控制指標作為對監(jiān)視業(yè)務和事件報告業(yè)務的一個擴展。該業(yè)務可定義一個動作,當給定的事件被監(jiān)測到時,業(yè)務自主執(zhí)行該動作。該動作可以是標準定義或任務特定的遙控指令。上述每一類業(yè)務都包含若干子業(yè)務,航天器在應用時,可以根據(jù)需求對上述業(yè)務以及子業(yè)務進行選擇和裁剪。2.2pus遙感包的數(shù)據(jù)域導頭PUS在CCSDS標準定義的空間包格式基礎上,對空間包的數(shù)據(jù)域導頭以及應用數(shù)據(jù)的格式進行了詳細定義,包括遙控包和遙測包。PUS遙控包的數(shù)據(jù)域導頭結構如表1所示。在表1的導頭結構中,通過業(yè)務類型和業(yè)務子類型唯一確定一種業(yè)務,通過應答指示航天器對遙控包的執(zhí)行過程進行確認,源標識為可選字段,用于確定遙控包的發(fā)送方(例如地面或航天器)。PUS遙測包的數(shù)據(jù)域導頭如表2所示。與遙控包數(shù)據(jù)域導頭相比,遙測包數(shù)據(jù)域導頭增加了3個字段。它們分別為:①包-子計數(shù),是一個獨立的包計數(shù)器,該計數(shù)器與業(yè)務類型和業(yè)務子類型關聯(lián),在對應類型的包產生時增加;②目的標識,即遙測源包的目的地;③時間,標識包的產生時間,采用CCSDS規(guī)定的時間碼格式。除了對包主導頭及包數(shù)據(jù)域導頭的結構進行定義外,PUS標準對每種業(yè)務對應的數(shù)據(jù)域也進行了詳細定義。3pus使用需求PUS標準是基于CCSDS定義的空間包而制定的,應用時一般需要低層數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的支持。為了在中國航天器上應用PUS,需解決如下幾個方面的問題。(1)在現(xiàn)行遙控遙測體制上,如何支持遙控包和遙測包的傳輸。(2)應用PUS后,如何選擇PUS業(yè)務滿足現(xiàn)有航天器對遙控注入數(shù)據(jù)類型和遙測下行數(shù)據(jù)類型的要求。(3)如何實現(xiàn)遙控包的接收、分發(fā)以及遙測包的產生和傳輸問題。下面分別從遙控應用和遙測應用兩方面,對這些問題的解決方法進行分析。3.1控制應用程序3.1.1直接指令幀注入數(shù)據(jù)在遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議方面,目前中國大多數(shù)航天器采用PCM遙控,指令格式分為直接指令幀和注入數(shù)據(jù)幀2種。這兩種幀通過方式字進行區(qū)分,注入數(shù)據(jù)的格式則由各航天器自行定義。如果在不改變PCM遙控體制的基礎上應用PUS,則可以采用下面的方法。(1)直接指令幀延續(xù)原有格式,仍通過方式字區(qū)分。(2)在注入數(shù)據(jù)幀的格式中,數(shù)據(jù)域為一個或多個PUS遙控包的組合,由于目前航天器中還通過方式字確定長度,長度為有限且固定的幾種,因此,當有效數(shù)據(jù)的長度不足方式字規(guī)定的長度時,采用填充包進行填充,如圖1所示。如果航天器采用分包遙控,則采用下面的方法。(1)PUS遙控包采用CCSDS遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)定的虛擬信道包業(yè)務,放入遙控幀的數(shù)據(jù)域中,如圖2所示。(2)直接指令可采用兩種方式來區(qū)分注入數(shù)據(jù)。一為采用專用的虛擬信道進行區(qū)分,在傳輸幀數(shù)據(jù)域中放入指令編碼;二為采用PUS遙控包中專用的應用過程標識(ApplicationProcessID,APID)進行區(qū)分,業(yè)務類型和子類型分別設為2和3,即應用PUS的設備指令分發(fā)業(yè)務中的分發(fā)直接命令,在包數(shù)據(jù)域里放入指令編碼。3.1.2pus業(yè)務與其它指令的對應關系通過對目前中國遙感、導航、深空探測、通信、載人航天等領域內航天器常用遙控指令類型進行梳理,歸納出10類常用的指令,與PUS業(yè)務的對應關系如表3所示。從表3可以看出,大多數(shù)遙控注入數(shù)據(jù)類型都有相應的PUS業(yè)務與之對應。PUS標準支持對業(yè)務的裁剪,并規(guī)定業(yè)務類型值為128之后的業(yè)務由用戶自行定義。因此,可以根據(jù)航天器需求從PUS標準中選擇所需業(yè)務,并針對航天器特殊的遙控注入數(shù)據(jù)類型定義新的業(yè)務,以滿足需求。3.1.3數(shù)管系統(tǒng)控制電路采用PUS遙控包后,航天器上設備對遙控包的接收和處理與以往有所不同,以航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通用規(guī)范給出的分級分布式數(shù)管系統(tǒng)拓撲架構為例,一種可行的遙控包接收及處理過程如圖3所示。在圖3中,對于具備包處理能力的智能終端,中心計算機(CTU)根據(jù)APID對遙控包進行分發(fā),總線上傳輸?shù)臑闃藴实腜US遙控包,各分系統(tǒng)終端依據(jù)APID、業(yè)務類型、業(yè)務子類型對遙控數(shù)據(jù)類型進行區(qū)分。對于不具備包處理能力的終端,也可由CTU對包進行解析后,通過總線分發(fā)指令到設備。3.2測量應用3.2.1ccsds包包協(xié)議對于遙測數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議,中國航天器中采用的協(xié)議包括PCM遙測和CCSDS的AOS協(xié)議。由于PCM遙測很難實現(xiàn)包的靈活調度,建議采用AOS協(xié)議。通過AOS協(xié)議提供的包傳輸業(yè)務進行PUS遙測包的傳輸,目前在中國航天器上的應用已較為成熟,此處不再贅述。3.2.2pus業(yè)務數(shù)據(jù)分析通過對目前中國各類航天器下行遙測數(shù)據(jù)類型進行梳理,得到常用的遙測數(shù)據(jù)類型與PUS業(yè)務的對應關系,如表4所示。從表4可以看出,PUS業(yè)務能滿足大多數(shù)遙測數(shù)據(jù)類型的需求。通過應用標準的PUS業(yè)務,可以通過業(yè)務類型與業(yè)務子類型對遙測數(shù)據(jù)類別進行區(qū)分,便于航天器上以及地面的處理。例如,所有分系統(tǒng)的事件都采用事件報告業(yè)務產生,航天器可通過對業(yè)務類型和業(yè)務子類型的識別監(jiān)測所有事件,并根據(jù)事件-動作業(yè)務預先定義的動作(如產生遙控指令)自動進行事件處理,實現(xiàn)故障監(jiān)測以及恢復的自動化處理。3.2.3ctu測量包采用PUS業(yè)務后,各終端的交互將基于PUS包進行。一種可行的PUS遙測包產生及下行過程,如圖4所示。由圖4可知,具備包處理能力的智能終端,可根據(jù)需要周期性或突發(fā)性產生不同類型的PUS遙測包,通過總線傳輸?shù)紺TU。每個分系統(tǒng)終端可以有1個或多個APID,通過業(yè)務類型和業(yè)務子類型區(qū)分遙測數(shù)據(jù)類型。CTU通過總線按照一定的調度策略獲得這些遙測包。對于目前航天器中常用的1553B總線,其基于包的傳輸協(xié)議可參考ESA定義的1553B總線協(xié)議。不具備包處理能力的終端,可產生原始數(shù)據(jù),通過總線傳輸?shù)紺TU,CTU根據(jù)預先定義的包類型及應用過程標識,負責將數(shù)據(jù)包裝成PUS包,或從不同終端的數(shù)據(jù)中挑出數(shù)據(jù)并包裝成PUS包。PUS遙測包的下行,則按照航天器特定的包調度策略和虛擬信道調度策略進行調度,生成的傳輸幀通過下行信道下行。4需要進一步研究的其他問題中國傳統(tǒng)遙控遙測體制對高層應用數(shù)據(jù)未實現(xiàn)標準化的弊端,在越來越多的航天器任務應用中已明顯體