CCSDS交互支持業務標準化工作綜述

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）是一個由11 個國家成員、26 個觀察員和100 多個聯絡員組成的國際合作組織，致力于建立一個全球范圍的、開放的、與CCSDS 標準兼容的虛擬空間數據系統，用于國際交互支持、合作和空間信息交換服務。2003年，該組織在總結過去20年經驗的基礎上，結合自身發展的需要，將組織機構進行重新調整，采用了國際互聯網（Internet）工程任務組（ITEF）的工作模式，由原來4 個工作組（下設若干工作小組）的模式，變更成現在的三大專業領域（domain）、6 個業務方面（Area）來開展工作。三大專業領域、6 個業務方面包括：①空間通信領域（航天器在軌業務接口業務（SOIS）、空間鏈路業務（SLS）和空間網絡業務（SIS））；②空間信息領域（任務操作與信息管理（MOIMS）、交互支持業務（CSS））；③空間系統領域（系統工程（SEA））。在每個領域中，由工作組（WG）或專業組（BOF）來編制技術說明報告（綠皮書）、推薦性標準（藍皮書）、推薦性操作規程（紫皮書）以及試驗規范（橙皮書）。

在目前開展工作的6 個業務方面中，交互支持業務（CSS）是非常活躍的一個業務，其標準化工作早在上世紀90年代初就列入工作計劃，成立相應工作組后，開展了一系列標準化工作，并于1995年前后推出了一系列概念性技術報告，系統定義了交互支持和空間鏈路擴展（SLE）的概念，并給出了交互支持參考模型。2004年前后，根據最新技術現狀發展情況，對理論性報告和規范進行了全面更新，并于2005年～2008年推出一系列SLE 任務規范和應用程序接口規范。目前，該工作組制定的藍皮書和紫皮書已全部被采納為國際標準，這些協議也已經全面應用到NASA 和ESA 的深空設施中，我國嫦娥工程中也應用了SLE 提供的兩種業務。

1 交互支持業務（CSS）工作概述

交互支持業務（CSS）通過實現不同空間機構間空間網絡資源的可用，從而達到“交互支持”的目的。其目標是定義各種交互—支持接口節點所需的服務，并規定空間機構（指那些有興趣聯合各自的基礎設施共同執行空間任務的空間機構）如何規劃和使用這些服務。

CSS 成立至今，共先后規劃了5 個工作組開展工作，具體內容見表1。其中，有2 個工作組由于完成前期的技術研究工作，并形成要求的技術報告或藍皮書發布后已經解散。現主要開展工作的工作組為：業務管理工作組（CSS-SM）、交互支持通信架構工作組（CSS-CSA）和傳輸業務工作組（CSS-CSTS），當前主要工作是完成未完成建議書草案的制定工作和已有建議書的修訂工作。

表1 CSS 工作組工作內容

CSS 業務領域現發布的技術文件情況見表2，公開發布的技術文件共23 項，正在編制的文件有3 項，其中綠皮書9 項，藍皮書8 項，紫皮書6 項，橘皮書1 項，紅皮書2 項。8 項藍皮書包括空間交互支持參考模型、業務管理規范、傳輸業務網絡協議和5 項空間鏈路擴展數據傳輸業務（分別是返向全幀、返向信道幀、返向操作控制域、前向控制鏈路傳輸單元和前向分包業務）；6項紫皮書都是傳輸業務應用程序接口規范，分別是核心規范和上述5 項傳輸業務的應用程序接口規范，這6 項文件都是2008年發布的，目前都在復審程序中，預計2015年推出修訂版。

2 CSS 已開展的工作

CSS 業務領域先后成立了5 個工作組（見表1），本章將介紹其中3 個工作組開展工作的情況，剩余的2 個傳輸業務工作組主要的研究成果是制定了一系列SLE 業務規范和應用程序接口規范，將在本文第三章展開介紹。

2.1 交互支持通信架構工作組

交互支持通信架構工作組（Cross Support Space Communications Architecture Working Group，CSS-CSA）成立時的目標有兩個：①定義一個標準的空間通信架構參考模型，包括概念和基本技術原理；②制定一項空間通信交互支持架構的推薦性建議規程，該規程定義的前向和返向業務包括遙測、遙控、測量、音頻、視頻以及時間關聯和同步等數據類型。

該工作組現已發布了1 項綠皮書，為空間通信交互支持架構描述文檔（CCSDS 901.0-G-1）；正在制定1 項紫皮書，目前為草案狀態，為空間通信交互支持架構需求文檔（CCSDS 901.x1-r-1）。需求文檔對空間通信交互支持架構給出標準化的規范和定義，描述文檔是需求文檔的支撐性材料，有助于更好的理解需求文檔，并給出一些描述信息、解釋性材料和一些圖解。

表2 CSS 領域開展的標準技術文件

表2（續）

空間通信交互支持架構是CCSDS 相關機構在提供、使用空間通信支持業務或發展空間通信交互支持業務系統時會用到的統一框架，空間通信交互支持業務包括地面上和空間上的。這些業務包括兩種類型：①單跳的、數據鏈路層業務，即空間機構A 的控制中心和飛行器通過空間機構B 的地面站實現信息的交互支持，也稱為“ABA”模式；②多跳的、網絡層業務，即利用不同空間機構以及各自的測控網搭建的（網際互聯）實現彼此信息的交互支持，也稱為“SSI”模式，如圖1所示。ABA 模式是單跳的，SSI 模式是網狀的。

圖 1 ABA 模式和SSI 模式示意圖

圖1中，NASA——美國國家航空航天局；JPL——噴氣推進試驗室；JAXA——日本宇宙航空研究開發機構；SSOC——科學操作中心；Earth——地球；GDS——哥德斯頓深空通信站；MAD——馬德里深空通信站；Spacecraft——航天器；ESA——歐洲航天局；ESOC——歐洲航天飛行中心；Cebreros——塞夫雷羅斯地面站；Relay——中繼衛星；Moon——月球；Lander——著陸器。

2.2 業務管理工作組

交互支持領域定義了一系列的空間鏈路擴展（SLE）業務，通過SLE 延伸了空間鏈路、地面終端和控制中心之間的前向和返向數據的傳輸，并可提供一系列的傳輸服務，這些服務能夠使控制中心將前向空間鏈路數據單元傳輸到航天器，并能收到從航天器返回的空間鏈路數據單元。為了便于不同的系統共同管理空間通信交互支持業務，并實現系統間的互通、互聯、互操作，需要制定相應的業務管理標準。

業務管理工作組（Service Management Working Group，CSS-SM）成立于2007年，目標是建立一個概念上的業務管理框架，使空間任務和空間通信交互支持業務之間建立連接，并通過信息搜集和交換完成交互業務的調度、配置、準備、接入和報告。該工作組共發布了3 項文件，分別是藍皮書910.11-B-1 和綠皮書910.14-G-1、902.0-G-1，正在制定一項文件902.1-R-1 目前處于草案階段。

2.3 交互支持概念和參考模型工作組

交互支持概念和參考模型工作組（Cross Support Concept and Reference Model Working Group，CSCRM）成立于2004年，目標是修訂1995年發布的1 項藍皮書910.4-B-1 和1 項綠皮書910.3-G-1，使其符合最新的技術發展現狀和交互支持業務管理概念。2006年該工作組完成了3 個文件，分別是修訂版本藍皮書910.4-B-2 和綠皮書910.3-G-3，以及新制定的綠皮書910.0-G-2，圓滿完成了工作組成立時的目標，目前該工作組已經解散。

該工作組制定的3 個文件是空間鏈路擴展業務的理論基礎，給出了SLE 的概念，定義了SLE系統的架構模型，描述了SLE 傳輸業務和SLE業務管理接口，解釋了SLE 業務的設計方案以及如何利用相應的協議實現效益最大化。通過這3 個文件可以系統地理解和認識空間鏈路擴展的概念和原理。

3 空間鏈路擴展業務概況

CCSDS SLE 協議的產生源于地面站與任務中心以及不同任務中心對信息交互共享的需求。1991年，CCSDS 開始研究在地面站、任務中心、數據處理設施以及其它與航天器通信部門之間傳送航天器遙測、遙控數據的標準化工作。由各國代表組成的CCSDS 交互支持小組定義并發布了一個交互支持參考模型（910.4-B-1《交互支持參考模型 第1 部分：空間鏈路擴展業務》），該模型定義了稱為空間鏈路擴展的一套業務以滿足航天機構之間的信息交互支持。

CCSDS 交互支持業務領域制定的推薦性標準共有藍皮書8 項，紫皮書6 項，除了一項參考模型藍皮書和一項業務管理藍皮書之外，剩余的12 項標準都是空間鏈路擴展領域的標準。目前，這14 項標準都已經發展為國際標準，本章將介紹空間鏈路擴展的概念、SLE 提供的業務情況以及該領域文檔編制的總體情況。

3.1 空間鏈路擴展概念

為了提高國際航天機構之間在地面段的交互支持和協同工作的能力，在各地面系統之間建立標準的空間數據傳輸和管理接口，CCSDS 將把為空間鏈路定義的標準擴展到地面單元之間，建立了一套用于地面站、任務中心以及能夠進行數據處理的系統，還有其他各種用戶之間交互支持時的服務標準（即空間鏈路擴展（SLE）協議）。

SLE 服務是對遙測、遙控、前向高級在軌系統服務的擴展，這種擴展主要表現在距離、信息和時間上的擴展。SLE 通過建立一套標準的接口來實現空間數據在各種地面設施之間的傳輸和管理，取代針對某種類型設備或任務的專用設計，以增強地面系統的可重用性、降低任務的開銷和風險，從而大幅度降低數據交換業務在開發、管理以及操作方面的成本。圖2和圖3可以幫助我們更好的理解SLE 的概念。

圖2和圖3中：Forward TC——前向遙測信號；Return TM——返向遙控信號；Space Link Extension Services——空間鏈路擴展業務；Data Processing——數據處理；User——用戶；Operations Control Center——操作控制中心；Domain of Space Link Services——空間鏈路業務的范圍；Domain of Space Link Extension Services——空間鏈路擴展業務的范圍。

圖2 地面站通過空間鏈路擴展業務將數據傳送給用戶

圖3 空間鏈路和空間鏈路擴展業務的范圍

從圖2中看出，SLE 業務是空間鏈路業務在地面段的擴展，它將返向遙控和前向遙測信息通過地面數據處理系統傳送到用戶。從圖3中可以看出，空間鏈路是航天器和地面系統之間的鏈路。CCSDS 在六大領域之一的空間鏈路業務（SLS）領域制定了一系列標準協議，主要包括分包遙測空間數據鏈路協議、遙控空間數據鏈路協議、鄰近-1 空間數據鏈路協議和高級在軌系統空間數據鏈路協議。空間鏈路擴展則是地面各種設施之間的鏈路，包括地面站、任務中心、數據處理系統以及各種用戶。

SLE 業務的優勢：①空間機構可以有效地和其他機構實現交互支持；②地面站方面可以向采用了CCSDS 空間鏈路協議的航天器管理者提供標準業務；③航天器數據用戶可以通過相近的接口控制負載并獲得數據，利用廣泛應用的通信技術，例如ISDN 或因特網；④通過對地面站、控制中心和終端用戶接口的標準化，允許重復應用成功任務的系統，可以大大降低各個任務分別執行系統的成本和風險；⑤SLE 業務是可升級的，只有用戶和數據提供者實際需要的業務才會被執行。

3.2 空間鏈路擴展業務內容

SLE 業務擴展了返向遙測、前向遙控以及前向高級在軌等空間鏈路業務。這些業務由CCSDS定義并被應用于對眾多地面站和航天器的操作。SLE 業務主要包括：①數據傳輸業務，負責傳輸地面站、控制中心和終端用戶實體之間的空間鏈路數據單元；②管理業務，負責控制傳輸業務時間表和計劃。SLE 業務操作又可分為兩個階段：第一階段為定義階段，大多數的管理業務在該階段發生；第二階段為應用階段，在這個階段完成數據傳輸的操作。本節我們只介紹SLE 數據傳輸業務。

3.2.1 返向SLE 業務

和連續遙測關聯的返向SLE 業務包括如下5種，返向業務如圖4所示。

a）返向全幀（RAF），通過單一的空間鏈路符號串向航天器管理者及其他需要全部幀數據的用戶提供遙測幀。

b）返向信道幀（RCF），根據RCF 業務用戶的定義提供控制信道（MC）或特定的虛擬信道（VC）。

c）返向操作控制域（ROCF），根據ROCF業務用戶的定義提供控制信道（MC）或虛擬信道操作控制域。

d）返向第二幀頭部（RFSH），根據RFSH業務用戶的定義提供控制信道（MC）或虛擬信道幀第二頭部。

e）返向空間分包（RSP），使單個用戶可以通過航天器虛擬信道上可選的應用進程標示符（APIDs）接收數據包。

圖4 返向SLE 業務示意圖

目前，SLE 數據傳輸業務工作組制定出標準的SLE 返向業務包括上述前三種（RAF、RCF 和ROCF），其中又屬RAF 和RCF 兩種業務應用最多。在嫦娥一號衛星任務中，北京中心通過SLE方式與ESA 的庫魯站、新諾舍站和瑪斯帕拉瑪斯站進行了聯調，其中衛星遙測數據使用的是RAF 業務，圓滿完成了繞月探測任務。除業務規范外，CSS 傳輸業務工作組還制定了相應的應用程序接口（API）規范，并以紫皮書的形式發布。在嫦娥一號任務中，SLE 聯調任務的實現使用的是歐空局提供的SLE API 程序包，沒有進行自主研發。

3.2.2 前向SLE 業務

與連續遙控關聯的返向SLE 業務包括如下4種，前向業務如圖5所示。

a）前向通信鏈路傳輸單元（FCLTU），使用戶可以提供對航天器向上傳輸的通信鏈路傳輸單元數據。

b）前向空間分包（FSP），使單個用戶可以提供對航天器向上傳輸的數據包，不需要同航天器的其他用戶協調。

c）前向遙控虛擬信道接入（FTCVCA），向用戶提供向上傳輸的完整虛擬信道。

d）前向遙控幀（FTCF），使用戶可以提供傳輸到通信鏈路傳輸單元（CLTUs）的遙控幀，并準備向上傳輸。

圖5 前向業務示意圖

目前，SLE 數據傳輸業務工作組制定出標準的SLE 返向業務包括上述前兩種（FCLTU 和FSP），其中又屬FCLTU 業務應用最多。在嫦娥一號衛星任務中，北京中心通過SLE 方式進行聯調時，衛星遙控數據使用的是FCLTU 業務，圓滿完成了繞月探測任務。除業務規范外，CSS傳輸業務工作組同樣制定了相應的應用程序接口（API）規范，并以紫皮書的形式發布。

3.3 空間鏈路擴展文檔

SLE 領域的標準文檔較多，具體的標準情況見表2，SLE 協議簇如圖6所示。其中，910.3-G-3 介紹了交互支持和SLE 業務的基本概念；910.4-B-2 有助于理解SLE 協議簇構成的模型和其中的基本原理；SLE 執行手冊（910.0-G-2）較為簡單，并對SLE 業務有一個綜述性的介紹；SLE 業務管理協議包括藍皮書910.11-B-1 以及902.0-G-1 和910.14-G-1 等幾個報告；SLE 數據傳輸業務是一系列藍皮書和紫皮書，具體定義了SLE 提供的各種業務和應用程序接口。

隨著我國航天事業與國際接軌，航天測控通信領域逐漸采用CCSDS 標準已經成為必然，SLE服務作為地面段的交互支持業務將獲得更廣泛的應用，有利于將我國航天測控網最終推向國際航天測控市場。本文跟蹤并系統研究了CSS 已發布的各類文檔，介紹了其標準化工作進程，以及標準化成果，并重點對SLE 業務系列標準進行深入分析和研究，希望能對我國未來深空探測和其他空間機構合作有現實的意義。

圖 6 SLE 協議簇

[1]Cross Support Reference Model—Part 1：Space Link Extension Services.Recommendation for Space Data System Standards，CCSDS 910.4-B-2.Blue Book.Issue 2.Washington,D.C.：CCSDS，October 2005

[2]Cross Support Concept—Part 1: Space Link Extension Services.Report Concerning Space Data System Standards，CCSDS 910.3-G-3.Green Book.Issue 3.Washington，D.C.:CCSDS，March 2006.

[3]Space Communication Cross Support—Service Management—Service Specification.Recommendation for Space Data System Standards,CCSDS 910.11 -B -1.Blue Book.Issue 1.Washington，D.C.：CCSDS，August 2009.

[4]Space Link Extension Services—Executive Summary.Report Concerning Space Data System Standards，CCSDS 910.0-G-0.Green Book.Issue 0.Washington，D.C.：CCSDS,March 2006.

[5]Space Communications Cross Support—Architecture Description Document.Issue 1.Report Concerning Space Data System Standards（Green Book），CCSDS 901.0-G-1.Washington，D.C.: CCSDS，November 2013.

[6]Space Communications Cross Support—Architecture Requirements Document.Issue 1.Draft Recommendation Practice for Space Data System Standards（Red Book），CCSDS 901.1-R -1.Washington，D.C.: CCSDS，October 2014.

[7]Space Link Extension—Application Program Interface for Transfer Services—Core Specification.Specification Concerning Space Data System Standards，CCSDS 914.0-M-1.Magenta Book.Issue 1.Washington,D.C.: CCSDS，October 2008.

[8]CCSDS SLE 在我國深空測控網中的應用．CCSDS 建議在我國航天領域的研究與應用第二屆專題研討會，2012.