ECSS的包應用標準及其應用

徐浩王同桓劉振星雷勇毛一嵐

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2中國航天科技集團公司，北京 100048）

ECSS的包應用標準及其應用

徐浩1王同桓1劉振星2雷勇1毛一嵐1

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2中國航天科技集團公司，北京 100048）

對經過約30年在軌驗證的歐洲空間標準化合作組織（ECSS）的包應用標準（PUS）作了系統性的闡述，研究了PUS在地面用戶和在軌運行航天器的交互支持和操作控制方面的應用，包括PUS標準化的使用范圍和應用規范等。對比和分析了空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）的相關標準，提出了ECSS PUS應用的功能映射關系和網絡體系結構，并進一步給出了利用ECSS PUS進行航天器常規任務管理、自主任務管理、自主健康管理等的應用建議，可為國內航天機構引入ECSS PUS運行和管理思路提供參考。

包應用標準；應用業務；自主管理

1 引言

20世紀90年代以來，隨著歐洲航天器發射任務的迅猛增加和航天器商業化產業運營模式的成熟，航天器研制方與航天器用戶面臨了各自亟待解決的難題。對于航天器研制方，歐洲航天局（ESA）發射的航天器大部分用于盈利性的商業運營［1］，硬件產品的快速集成已經不是制約研制周期和生產成本的主要因素。但作為航天器和用戶連接最直接的應用層軟件，研制方卻必須定制不同版本的應用層軟件產品，以滿足不同層次用戶的需求，應用層的軟件產品自然成為了控制研制周期和生產成本的關鍵環節。對于航天器用戶，由于航天器上應用層軟件版本依據特定任務定制，因此直接導致航天器上應用程序接口的多樣化與復雜化。另外，每個航天器均配置了不同的操作控制程序，使用方式復雜，導致用戶無法做到對航天器的協同管理。為了解決以上問題，作為ESA標準化組織的歐洲空間標準化合作組織（ECSS），經過多輪的征集和研討，設定以下幾點作為基本目標:①降低生產和操作航天器及地面系統的生產成本和運營風險；②提供地面和航天器協同工作的應用層交互支持的標準化接口；③為航天器的自主操作與控制提供標準業務支持；④實現航天器載軟件的可重用和航天器操作流程的共享。ESA于1994年頒布了ECSS包應用標準（PUS），該標準隨后取得了重大成功，不僅圓滿地解決了航天器研制方和用戶面臨的上述問題，還帶來了航天器使用效能的顯著提升。

經過30年的發展，ECSS PUS中的系列化標準業務通過實際運行航天器的驗證，已經十分成熟，并正持續應用到目前和未來的空間飛行任務中，顯著降低了航天器和地面系統研制、生產和操作控制的成本和風險，成為ECSS最成功的標準案例［2］。基于PUS的成功應用，空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）也在研討和吸納ECSS PUS的優秀成果，并加緊制定一系列標準，用于面向用戶的航天器操作、控制及任務實施標準，第一個業務標準將于2015年頒布［3］。因此，對ECSS PUS的研究和探討，將有助于從標準化業務的角度理解歐洲航天器研制、用戶操作體驗和航天器自主化水平等方面的關聯關系［4-6］。

本文主要介紹了ECSS PUS與CCSSDS相關標準的關系，分析了ECSS PUS的應用，并提出了對我國航天器研制的啟示與建議。

2 國外研究情況

2.1 ESA

ECSS PUS的實現遵循的流程［6］見圖1。

圖1 ECSS PUS流程Fig.1 ECSS PUS flow

1）航天器操作概念的標準化

ECSS PUS首先定義了一類操作的概念，有利于用戶采用一種標準化的方式實施相關的操作，以達到設定的目標。操作概念包括日常維護操作，如遙測遙控驗證、遙測報告、航天器軟件管理、航天器操作調度、航天器監視、航天器數據存儲等；還包括特殊操作，如故障恢復、診斷數據報告、離線測試等。對于一個特定的任務，只使用必要的操作即可。

2）非限定性的航天器數據系統結構

ECSS PUS的實現，不對航天器數據系統結構作任何限制，對實現方式也沒有任何約束，可以是軟件實現，也可以是固件實現，甚至是硬件實現，這就為不同領域、不同生產規模的航天機構在不同自主化水平的航天器上應用PUS提供了靈活的空間。ECSS PUS是基于應用過程的概念，很多結構完全不同的航天器數據系統均包含相同的應用過程，都可用應用過程標識（APID）進行標識。CCSDS定義應用過程為“能夠接收遙控包和產生遙測源包的獨立的航天器載應用實體，不同的應用過程可以控制相同的航天器要素，也可以分別控制不同的航天器要素，如內存、單機設備、指令調度等”。一個航天器上的處理器可以維持多個應用過程，一個應用過程的實現也可以分布在不同的微處理器上。

3）標準化航天器操作業務模型的建立

ECSS PUS制定了一整套地面應用與航天器操作之間交互的規范，共定義了16類通用業務。業務模型給出了用戶和航天器交互支持必需的各類功能集合，每類業務又包含若干子業務，子業務用于細化業務的應用功能和擴展業務的使用范圍，特定的業務與子業務集合滿足了用戶實現航天器控制操作的各類應用需求。一個特定空間任務的實現，只要選擇滿足需求的業務集合即可。PUS對每類業務均設定了可擴展的標準接口，以滿足具備特殊需求的用戶自我制定擴展業務。

表1列舉了PUS定義的各類業務。其中，除了3類未使用業務（業務7、10、16）外，目前有16類通用業務可用，且ECSS會隨著航天技術的進步和使用需求的增長而不斷對業務進行擴充。根據業務的應用范疇，可對16類業務進行歸類。圖2是丹麥TERMA公司生產的航天器操作軟件提供的一種業務分類方式［7］。每類業務均有各自的使用特性，航天器設計部門可根據用戶需求組合使用。

4）業務模型的直接輸出物

ECSS PUS針對每類業務均定義了航天器監視與操作控制消息（SM&C）。SM&C具體包括地面用戶對航天器操作或航天器自主操作時的各類消息格式（遙測遙控消息數據格式、功能管理消息數據格式、指令調度管理消息數據格式），消息的實現是基于CCSDS遙控包和遙測源包的基本格式，以確保與CCSDS各類協議的無縫銜接，能夠使PUS順利接入航天器子網和空間鏈路網絡。

CCSDS定義的包副導頭是可選的，而PUS則將該區域開辟為使用各類業務的格式定義，決定了提供業務的性質，因此該區域是必需的。業務與子業務的組合可用（x，y）表示，x和y分別為業務類型和子業務類型，組合代表的功能與航天器上實際的應用程序模塊相對應，遙控包進行應用過程的選擇和控制，遙測源包則反映了應用過程的執行結果。ECSS PUS并不限制航天器上實現應用程序的結構、方式和編程語言，可以根據航天機構各自的特點自行規劃和實現，以圖3中的遙控包為例進行數據格式的說明。

表1 PUS推薦業務Table 1 PUS recommended services

圖2 TERMA公司業務分類方式Fig.2 Service classification of TERMA

圖3 PUS消息格式說明Fig.3 PUS message form illustration

2.2 CCSDS

ECSS PUS取得的巨大成功和商業效益，在全球范圍內引起了廣泛的關注。2009年，CCSDS專門成立了研討小組（歸屬于任務操作和信息管理業務領域），對PUS進行了專項研討，擬對其再次修訂后納入CCSDS建議書中。PUS主要用于地面系統與航天器的交互支持，CCSDS在此基礎上還將業務擴展為地面系統與地面系統、航天器與航天器之間的交互支持。

CCSDS SM&C工作組負責相關標準的制定，但與ECSS SM&C工作組的實施思路不同。CCSDS SM&C工作組將業務實施所涉及的操作概念標準、業務模型標準、操作信息數據結構標準分層分級的制定［8］，而ECSS SM&C工作組則是將以上三類標準合訂為一本標準進行出版（即ECSS PUS）。截至目前，CCSDS在形成協議標準方面，主要成果為2010年頒布任務操作業務概念（MOSC）標準［9］，但與空間任務操作緊密相關的各類業務模型標準和操作信息數據結構標準，均未正式頒布，其中CCSDS只發展了監視與控制業務，其他業務還在規劃中。規劃中的業務標準包括時間業務、軟件管理業務、規劃業務、調度業務、自主操作業務、數據產品管理業務、位置業務、飛行動力學業務和終端緩沖區管理業務等。

表2對CCSDS MOSC業務和ECSS PUS業務進行了對比。可以看出，MOSC業務覆蓋了全部的PUS業務，體現出MOSC業務對PUS成果的認可及擴展。通過繪制ECSS PUS和CCSDS MOSC的發展路線（見圖4），可獲得ESA和CCSDS關于空間任務實施操作的發展趨勢。由圖4可見，CCSDS空間包數據結構和空間任務操作業務共同的思想，使得CCSDS MOSC和ECSS PUS有基礎且有條件進行融合［2］，最終成為統一體，使未來基于PUS的航天器和基于MOSC的地面系統成為航天領域的主流配置。

表2 CCSDS MOSC業務和ECSS PUS業務對比Table 2 Comparison between CCSDS MOSC and ECSS PUSservices

圖4 ECSS PUS與CCSDS MOSC的發展路線Fig.4 Development road of ECSS PUS and CCSDS MOSC

3 ECSS PUS應用分析

鑒于ECSS PUS的成功應用（如表3所示），以及CCSDS MOSC還未頒布正式的業務標準，且ECSS PUS和CCSDS MOSC的共同目標是一致的，即為用戶提供標準、自主管理及友好的航天器任務操作接口，本文重點對ECSS PUS的應用進行了研究。

ECSS PUS的典型特點為“可裁剪性”，如表3中的“金星快車”探測器，對自主性要求較強，裁剪性地選擇了參數統計報告業務、事件報告業務、航天器指令調度業務、航天器監視業務和事件操作業務，即ECSS PUS是空間任務操作的全集，每個特定的空間任務需要的操作為ECSS PUS的子集，根據任務需求選取必要的業務，不必實現ECSS PUS的全部業務。圖5給出了航天器任務功能實施與ECSS PUS業務選擇的映射關系。

表3 應用ECSS PUS的航天器示例Table 3 Spacecraft using ECSS PUS

圖5 航天器任務功能實施與ECSS PUS業務選擇的映射關系Fig.5 Relationship between spacecraft mission and ECSS PUS service selection

ECSS PUS以航天器網絡的應用層程序模塊為載體，地面系統對航天器的操作通過空間鏈路網絡實現。實現ECSS PUS的基本網絡體系結構如圖6所示［3］。由圖6可知，應用層之前的消息傳送均基于CCSDS源包或PUS源包。地面系統與航天器數據系統的鏈接依賴于空間鏈路協議，如遙測空間鏈路協議、遙控空間鏈路協議、高級在軌系統（AOS）空間鏈路協議等［10-12］。PUS源包可以通過航天器載接口業務（SOIS），也可以直接進入應用層。若采用SOIS航天器載子網結構，要同步配置子網層、子網支持層的系列化標準業務，包括CCSDS 850.0-G-1等［13］。若航天器不具備SOIS結構，則可以直接進入應用層。PUS業務隸屬于應用層，應用層的各類應用過程實體承載著不同的業務模塊，應用過程之間的關聯與業務的映射組合對應了航天器不同的應用功能。這些應用功能的實現不是傳統的依特定空間任務定制，而是依據用戶任務需求對標準化業務的排列組合，可以選取構件化的軟件模塊作為應用功能的基本元素，并沒有因任務不同而開發額外的定制程序，一旦標準業務構件數據庫形成，則各類空間飛行任務均可共享（除非用戶有特殊需求），因此可顯著降低航天器的研制周期、生產成本和運營難度，為航天器研制方和地面用戶帶來雙重效益。

圖6 實現ECSS PUS的基本網絡體系結構Fig.6 Basic network architecture of ECSS PUS

4 啟示與建議

ECSS PUS作為目前歐洲航天機構普遍采用的用戶與航天器交互操作的使用規范，取得了廣泛的成功，為航天器用戶和研制方帶來了明顯的商業效益和使用效能的提升。為此，CCSDS也對PUS的各項成果進行了吸收與采納，并預備產生擴展性的國際標準。結合ECSS PUS的空間應用背景，可歸納其主要價值體現為以下兩個方面。

（1）從運行約30年的成效來看，ECSS PUS在簡化用戶操作航天器流程，降低用戶控制航天器難度，節約用戶運營管理航天器成本，縮短航天器研制周期，降低航天器在軌運行風險（反復驗證的應用層業務，使得功能實現十分可靠）等方面起到了重要的作用。

（2）為提高航天器的自主管理提供了技術手段。大量的標準化業務為航天器自主運行和控制提供應用層的接口和調度策略；靈活的擴展業務為特殊需求的自主控制操作提供可定制接口，能滿足用戶對航天器操作的友好性和地面管理航天器的便利性需求。

因此，ECSS PUS可為國內航天器研制單位提供有價值的參考。目前，在我國航天器的研制中，對國際空間數據系統標準的應用主要體現在空間網絡的鏈路層、網絡層及物理層的CCSDS標準，應用層標準的實現主要體現在圖像壓縮和編碼等類似標準。由于這些標準并不能直接與用戶的操作控制進行銜接，因此航天器操作控制層面的性能有待提升。特別是低軌遙感領域，衛星的非可控弧段時長占據整個弧段的90%以上，衛星自主操作就顯得尤為重要。ECSS PUS為低軌遙感衛星提供了面向用戶的操作接口，能夠在應用層顯著簡化地面操作的復雜性，作為公認的應用層標準，得到了航天器總體設計單位越來越多的重視，并在航天器研制中被逐步推廣應用。圍繞著ECSS PUS的應用領域，在后續的研究中，應著重考慮基于空間子網SOIS的ECSS PUS的實施途徑。

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［1］郭振偉，遇今，顧敏.航天器可靠性“系統保證”理念及相關技術探討［C］//2012年航天可靠性學術交流會論文集.北京:中國航天標準化研究所，2012:97-101 Guo Zhenwei，Yu Jin，Gu Min.Idea and technique of spacecraft reliability“system guarantee”［C］//Proceedings of Space Reliability Academic Conference 2012.Beijing:China Aerospace Standard Institute，2012:97-101（in Chinese）

［2］Mario Merry，Sam Cooper，Brigitte Behal.What has CCSDS SM&C to do with ECSS PUS［C］//Proceedings of Space Operations 2010 Conference.Noordwijk: ECSS，2010:1-7

［3］Sam Cooper，Mario Merri.CCSDS mission operations［EB/OL］.［2013-06-05］.http://www.congrex.nl/1 1c22/docs/11C22_ADCSS/08---mission-operationservices---future-trends.pdf

［4］European Cooperation for Space Standardization.ESA PSS-07-101 Space engineering:packet utilisation standard［S］.Noordwijk:ECSS，1994

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

［6］M Merri，B Melton，S Valera.The ECCS packet utilization standard and its support tool［C］//Proceedings of Space Operations 2002 Conference.Noordwijk:ECSS，2002:6-11

［7］TERMA.On-board operations software［R］.Lystrup: Space Engineering and Knowledge，1999

［8］Sam Cooper，Mario Merri.CCSDS mission operation services in space［C］//Proceedings of Space Operations 2012 Conference.Noordwijk:ECSS，2012:1065-1069

［9］CCSDS.CCSDS 520.0-G-3 Mission operations services concept［S］.Washington D.C.:CCSDS，2010

［10］CCSDS.CCSDS 132.0-B-1 TM space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2003

［11］CCSDS.CCSDS 232.0-B-1 TC space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2003

［12］CCSDS.CCSDS 732.0-B-2 AOS space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2006

［13］CCSDS.CCSDS 850.0-G-1 Spacecraft onboard interface services［S］.Washington D.C.:CCSDS，2007

（編輯：夏光）

Research on ECSS PUS and Its Applications

XU Hao1WANG Tonghuan1LIU Zhenxing2LEI Yong1MAO Yilan1
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100048，China）

Application standards for cross support and controlling are provided between ground users and spacecraft by the ECSS（European Cooperation for Space Standardization）PUS（packet utilization standard）which is validated through thirty-year orbit verification.The ECSS PUS is introduced systematically including standardized application range and specification，and is compared with the related CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）standards.The application function mapping and network system structure are proposed，and the application advice is also given，such as common mission management，autonomous mission management and autonomous health management，which may provide some references for bringing the ECSS PUS to space institute in China.

PUS；application service；autonomous management

V446.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.017

2014-01-09；

2014-03-11

徐浩，男，博士，高級工程師，從事遙感衛星空間數據系統總體設計工作。Email：xuhao2010@gmail.com。