遙控和遙測包應用標準在航天器中的使用方法

何熊文 張猛

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

遙控和遙測是地面操作人員對航天器實施控制以及監視的最基本手段。經過多年的發展，在空間數據鏈路協議上，空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）定義了遙測數據鏈路協議［1］、遙控數據鏈路協議［2］、高級在軌系統（AOS）［3］、鄰近空間鏈路協議［4］4種標準。上述標準主要對數據鏈路層及其以下層次的協議進行了規定，其中包括數據幀的格式、交互操作等。對于與用戶相關的高層應用數據，CCSDS標準只規定了外包裝格式，例如在空間包協議［5］中規定了包的主導頭格式，但沒有對應用數據的格式進行規定，這樣帶來的問題是各航天器有著特定的遙控遙測應用數據格式，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年根據航天器的應用情況進行了修訂，形成了第二版［6］。目前，已有“羅塞塔”（Rosetta）、“X 射線多反射鏡”（XMM）、“火星快車”（Mars Express）等航天器采用了該標準，ESA 還強制規定其后續所有航天器都采用這一標準。CCSDS的任務操作與信息管理業務領域工作組在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遙控遙測的標準化，促進軟件和設備的重用。

2 PUS主要特性

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，涵蓋了對航天器監視與控制的基本需求；②定義了16類業務，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務進行標準化的操作，并且詳細定義了業務請求（遙控包）和業務報告（遙測包）的數據格式。

2．1 PUS業務

PUS定義的業務如下。

（1）遙控確認業務：提供對遙控包每個執行階段成功與否的確認，包含接收、開始執行、執行中和執行完成共4個階段的確認。

（2）設備指令分發業務：提供3種指令的分發功能，包括分發開關指令、存儲器加載指令和直接指令。

（3）內務和診斷數據報告業務：該業務與參數統計報告以及事件報告業務一起，為地面提供設備狀態信息。航天器上有一組預定義的參數用于報告產生，這些定義也可以由地面修改、刪除或增加。

（4）參數統計報告業務：用于向地面報告一個采樣間隔內航天器上參數的最大值、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，使用該業務產生報告可以減少存儲的數據量。

（5）事件報告業務：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務。

（6）內存管理業務：用于航天器上不同內存區域（如RAM 或大容量存儲器）的管理，包括對相鄰內存區域或幾個不相鄰內存區域的內容進行加載、下卸和檢查。

（7）功能管理業務：提供一個標準的業務請求，用于執行應用進程的功能。這些功能是非標準的，如有效載荷儀器或平臺分系統的操作控制，它們有自己的請求和報告數據結構。

（8）時間管理業務：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個子業務。

（9）操作調度業務：提供延時遙控和程控功能，維持一個指令調度表。業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）監視業務：提供監視航天器上參數的功能。業務維持一個監視清單，在參數變化時產生事件報告。地面可以實施增加參數、修改參數監視信息、重置、報告清單信息、使能禁止參數監視等操作。

（11）大數據傳輸業務：用于傳輸大的業務數據單元。該業務把要傳輸的數據分成很多部分，每個部分被裝在一個空間包中傳輸。這一業務提供確認和重傳機制，保證數據的正確傳送。

（12）包傳送控制業務：用于控制遙測源包到地面的傳送，地面可對特定業務類型的包進行使能禁止操作。

（13）存儲和獲取業務：提供包的存儲功能，并在地面系統請求時進行存儲數據的下傳。該業務支持按時間段刪除存儲數據、按時間段下傳存儲數據和使能禁止存儲等功能。

（14）測試業務：用于地面系統與航天器應用程序之間進行端對端的“連接測試”。

（15）操作程序業務：地面系統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行。

（16）事件-動作業務：作為對監視業務和事件報告業務的一個擴展。該業務可定義一個動作，當給定的事件被監測到時，業務自主執行該動作。該動作可以是標準定義或任務特定的遙控指令。

上述每一類業務都包含若干子業務，航天器在應用時，可以根據需求對上述業務以及子業務進行選擇和裁剪。

2．2 PUS數據格式

PUS在CCSDS 標準定義的空間包格式基礎上，對空間包的數據域導頭以及應用數據的格式進行了詳細定義，包括遙控包和遙測包。

PUS遙控包的數據域導頭結構如表1 所示。在表1的導頭結構中，通過業務類型和業務子類型唯一確定一種業務，通過應答指示航天器對遙控包的執行過程進行確認，源標識為可選字段，用于確定遙控包的發送方（例如地面或航天器）。

PUS遙測包的數據域導頭如表2所示。與遙控包數據域導頭相比，遙測包數據域導頭增加了3個字段。它們分別為：①包-子計數，是一個獨立的包計數器，該計數器與業務類型和業務子類型關聯，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規定的時間碼格式。

除了對包主導頭及包數據域導頭的結構進行定義外，PUS標準對每種業務對應的數據域也進行了詳細定義。

表1 PUS遙控包數據域導頭結構Table 1 Structure of PUS telecommand packet data field header

表2 PUS遙測包數據域導頭結構Table 2 Structure of PUS telemetry packet data field header

3 PUS應用方法

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據鏈路協議的支持。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業務滿足現有航天器對遙控注入數據類型和遙測下行數據類型的要求。

（3）如何實現遙控包的接收、分發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 遙控應用

3．1．1 遙控數據鏈路協議選擇

在遙控數據鏈路協議方面，目前中國大多數航天器采用PCM 遙控，指令格式分為直接指令幀和注入數據幀2 種［7］。這兩種幀通過方式字進行區分，注入數據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）直接指令幀延續原有格式，仍通過方式字區分。（2）在注入數據幀的格式中，數據域為一個或多個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，當有效數據的長度不足方式字規定的長度時，采用填充包進行填充，如圖1所示。

圖1 PCM 遙控注入數據幀格式Fig．1 Uplink data frame structure of PCM telecommand

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遙控數據鏈路協議規定的虛擬信道包業務，放入遙控幀的數據域中，如圖2所示。

（2）直接指令可采用兩種方式來區分注入數據。一為采用專用的虛擬信道進行區分，在傳輸幀數據域中放入指令編碼；二為采用PUS遙控包中專用的應用過程標識（Application Process ID，APID）進行區分，業務類型和子類型分別設為2 和3，即應用PUS的設備指令分發業務中的分發直接命令，在包數據域里放入指令編碼。

圖2 分包遙控注入數據幀格式Fig．2 Uplink data frame structure of packet telecommand

3．1．2 PUS業務選擇

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業務的對應關系如表3所示。從表3可以看出，大多數遙控注入數據類型都有相應的PUS業務與之對應。PUS標準支持對業務的裁剪，并規定業務類型值為128之后的業務由用戶自行定義。因此，可以根據航天器需求從PUS標準中選擇所需業務，并針對航天器特殊的遙控注入數據類型定義新的業務，以滿足需求。

表3 常用遙控注入數據與PUS業務對應關系Table 3 Relationship between common telecommand data and PUS services

3．1．3 遙控包的接收及處理

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，以航天器數據管理系統通用規范［8］給出的分級分布式數管系統拓撲架構為例，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APID 對遙控包進行分發，總線上傳輸的為標準的PUS遙控包，各分系統終端依據APID、業務類型、業務子類型對遙控數據類型進行區分。對于不具備包處理能力的終端，也可由CTU 對包進行解析后，通過總線分發指令到設備。

圖3 遙控包接收及處理過程Fig．3 Telecommand packet reception and handling process

3．2 遙測應用

3．2．1 遙測數據鏈路協議選擇

對于遙測數據鏈路協議，中國航天器中采用的協議包括PCM 遙測［9］和CCSDS的AOS協議。由于PCM 遙測很難實現包的靈活調度，建議采用AOS協議。通過AOS協議提供的包傳輸業務進行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。

3．2．2 PUS業務選擇

通過對目前中國各類航天器下行遙測數據類型進行梳理，得到常用的遙測數據類型與PUS業務的對應關系，如表4所示。

表4 常用遙測數據與PUS業務對應關系Table 4 Relationship between common telemetry data and PUS services

從表4可以看出，PUS業務能滿足大多數遙測數據類型的需求。通過應用標準的PUS業務，可以通過業務類型與業務子類型對遙測數據類別進行區分，便于航天器上以及地面的處理。例如，所有分系統的事件都采用事件報告業務產生，航天器可通過對業務類型和業務子類型的識別監測所有事件，并根據事件-動作業務預先定義的動作（如產生遙控指令）自動進行事件處理，實現故障監測以及恢復的自動化處理。

3．2．3 遙測包產生及傳輸

采用PUS業務后，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。

圖4 遙測包處理過程Fig．4 Telemetry packet handling process

由圖4可知，具備包處理能力的智能終端，可根據需要周期性或突發性產生不同類型的PUS遙測包，通過總線傳輸到CTU。每個分系統終端可以有1個或多個APID，通過業務類型和業務子類型區分遙測數據類型。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，其基于包的傳輸協議可參考ESA定義的1553B總線協議［10］。不具備包處理能力的終端，可產生原始數據，通過總線傳輸到CTU，CTU 根據預先定義的包類型及應用過程標識，負責將數據包裝成PUS包，或從不同終端的數據中挑出數據并包裝成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 結束語

中國傳統遙控遙測體制對高層應用數據未實現標準化的弊端，在越來越多的航天器任務應用中已明顯體現出來，并制約著航天器的快速發展。采用PUS標準，將有助于實現中國航天器遙控遙測系統的全面標準化，有利于地面測試設備及測試軟件、航天器設備及軟件的通用化和產品化，從而縮短航天器研制周期，節約研制成本，提高開發效率。

本文提出的PUS標準在中國航天器遙控遙測中的使用方法，還有一些問題需要進一步研究。例如：當總線終端有多個PUS遙測包待傳輸，或者多個終端有緊急數據待傳輸時，如何通過合理的總線調度策略滿足不同的傳輸需求；PUS遙測包下行的調度策略；PUS標準的構件化軟件實現等。

（References）

［1］CCSDS．132．0-B-1 TM space data link protocol［S］．Washington：CCSDS，2003

［2］CCSDS．232．0-B-1 TC space data link protocol［S］．Washington：CCSDS，2003

［3］CCSDS．732．0-B-2 AOS space data link protocol［S］．Washington：CCSDS，2006

［4］CCSDS．211．0-B-4 Proximity-1space link protocoldata link layer［S］．Washington：CCSDS，2006

［5］CCSDS．133．0-B-1 Space packet protocol［S］．Washington：CCSDS，2003

［6］European Cooperation for Space Standardization．ECSSE-70-41A Space engineering：ground systems and operations-telemetry and telecommand packet utilization［S］．Noordwijk：ECSS，2003

［7］國防科學技術工業委員會．GJB 1198．1-91 衛星測控和數據管理 PCM 遙控［S］．北京：國防科學技術工業委員會，1992

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB 1198．1-91 Telemetry tracking command and data handling for satellite PCM telecom-mand［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，1992（in Chinese）

［8］國防科學技術工業委員會．GJB 5418-2005 航天器數據管理系統通用規范［S］．北京：國防科學技術工業委員會，2006

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB 5418-2005 General specification for spacecraft data handling system［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，2006（in Chinese）

［9］國防科學技術工業委員會．GJB 1198．1-92 衛星測控和數據管理 PCM 遙測［S］．北京：國防科學技術工業委員會，1992

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB 1198．1-92 Telemetry tracking command and data handling for satellite PCM telemetry［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，1992（in Chinese）

［10］European Cooperation for Space Standardization．ECSS-E-50-13Draft C interface and communication protocol for MIL-STD-1553B data bus onboard spacecraft［S］．Noordwijk：ECSS，2008