空間數據系統咨詢委員會的專業領域及其發展綜述

黃薇 張樂 （北京空間科技信息研究所）

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空間數據系統咨詢委員會的專業領域及其發展綜述

黃薇 張樂 （北京空間科技信息研究所）

空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）致力于空間數據系統的標準化，以促進空間機構之間地面與空間資源的共享，降低任務開發與集成成本。經過30多年的發展，CCSDS已經發展成為該領域事實上的標準化組織，所開發的標準得到廣泛認可與應用。在此，對CCSDS的專業領域以及近期技術發展動態進行介紹與分析。

1　引言

CCSDS成立于1982年，致力于解決空間數據系統開發與操作過程中的共性問題，通過采用通用功能取代任務專用設計來降低開發費用；促進空間機構之間的互操作和互支持，通過共享設施來降低操作費用。經過30余年的發展，CCSDS已經有11個正式成員、29個觀察員，涵蓋了國際上所有重要空間機構。

CCSDS與其他相關國際組織保持著緊密的合作關系。CCSDS行使國際標準化組織（ISO）下屬航空航天標準化技術委員會的第13分技術委員會—空間數據與信息傳輸系統標準化分技術委員會（ISO/ TC20/SC13）的職能，目前已經有28份CCSDS建議書被直接轉換為國際標準化組織標準。機構間操作指導組（IOAG）在交互支持領域的頂層規劃是CCSDS標準化工作的重要指導性輸入。歐洲空間標準化合作組織（ECSS）、美國航空航天學會（AIAA）等國家或區域標準化組織也與CCSDS相互協調，保持相互之間的標準兼容性；AIAA還為CCSDS提供了秘書處支持。此外，CCSDS還積極關注對象管理組織（OMG）、國際互聯網工程任務組（IETF），國際互聯網研究任務組（IRTF）的工作成果，積極采納其開發的商業標準。

目前，CCSDS已經建立了比較完整的標準體系，發布了近90本規范性建議書，涉及空間段及地面段的信息傳輸、信息接口、信息安全、信息交換和信息處理等。雖然CCSDS出版物被稱為建議書，不具有強制性，但在實際工程中得到了廣泛認可，目前國際上已有超過750個航天任務宣稱應用了CCSDS建議。CCSDS已發展成為空間數據系統領域事實上的標準化組織。

2　CCSDS專業領域基本情況

CCSDS包括空間系統領域、空間信息學領域和空間信息通信領域3個技術領域，并進一步分為6個專業方向，每個專業方向都下設多個工作組或興趣組（即工作組前身，在下圖中用灰色標出）。工作組及興趣組根據標準化工作項目的立項與結束而動態建立、解散。

CCSDS的6個專業方向如下：

1）系統工程域。負責空間任務的通信、操作以及交互支持的總體結構設計；就與體系結構有關的選擇與其他域進行協調與合作；評估所有域的工作項目與所規定體系結構的一致性，是協調CCSDS各專業領域的“總體”。

2）任務操作與信息管理業務域。負責研究進行航天器操作、地面系統操作所需的應用過程及其信息管理標準，實現任務操作信息在“任務操作”系統與“任務應用”系統之間的順利流轉。主要涉及天地之間的操作，以及地面設施之間操作信息和導航信息交換與共享。

3）交互支持業務域。負責研究空間網絡資源共享問題，以實現交互支持，包括在不同的交互支持接口需要實現哪些業務，以及如何識別、調度和使用這些業務。目前，其工作主要集中在地面資源（尤其是地面站）交互支持，規定了遙測、遙控以及數傳業務在地面段的傳輸，以及相應的管理配置業務。

4）星載接口業務域。負責研究用于航天器內部的軟硬件通用接口業務，以簡化飛行軟件和硬件協同工作方式，通過提高軟、硬件的互操作性和可重用性來提高星載設備開發及航天器總體集成的工作效率，降低開發和集成成本。

5）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。

6）空間互聯網業務域。負責研究各種網絡環境中的通信服務與協議，包括航天器與地基資源之間，航天器之間，航天器與著陸單元之間，以及復雜航天器內部網絡環境。該業務域所關注的通信服務與協議獨立于具體的鏈路技術和應用過程，主要涉及開放系統互聯（OSI）參考模型中的網絡層、傳輸層及應用層。

3　CCSDS的技術發展

CCSDS的早期工作主要集中在空間鏈路（尤其是星地鏈路）的射頻與調制、信道編碼以及空間數據鏈路協議。CCSDS提出了虛擬信道、分包等先進的技術理念，相比傳統的脈沖編碼調制（PCM）體制，為空間數據系統的設計提供了更好的靈活性，為提高動態、多用戶空間信息傳輸效率提供了可能。經過30余年的發展，CCSDS的技術領域逐步向天、向地延伸，并關注天地一體化、網絡化。傳統的空間鏈路領域也在隨著任務需求和技術進步不斷發展。

向天的延伸

CCSDS雖然規定了統一的星地數據傳輸協議，但航天器內部軟、硬件接口開發往往以任務為導向，不同任務之間星載軟、硬件缺乏可重用性和可移植性。為解決上述問題，星載接口業務域進行了通用星載接口業務的開發工作，并提出了參考通信模型。通過采用分層方式實現了應用軟件與硬件設備的重用性：在應用支持層規定各類空間任務通用、與具體通信方式無關的應用層功能，以實現應用軟件的重用性；在子網層規定對傳輸介質進行訪問和利用的功能定義，使用相同數據鏈路協議的硬件設備可直接重用；如需改變數據鏈路協議，可通過子網協議轉換來實現對原有設備的重用。通過對子網層與應用層的標準化，實現跨子網應用之間的互操作性。從2009年起，CCSDS陸續出版了多份關于應用支持層及子網層的建議書（CCSDS 851/852/853/854/855/871/ 872/873/875/881/882系列）與技術報告（CCSDS 850.0-G-2）。

CCSDS還對無線網絡通信技術在空間任務中的應用進行了研究，于2015年出版了相關技術報告（CCSDS 880.0-G-2），根據航天器內部、航天器之間、行星表面、軌道器與表面探測器以及航天器集成測試等不同應用領域的作用距離、數據速率、節點個數等特點，提出藍牙、無線局域網（WLAN）、無線射頻識別（RFID）等商業標準的應用建議。

向地的延伸

為了在空間機構之間共享地面資源，除了在星地之間采用統一標準，還需要在地面段處理好以下環節：

1）遙測、遙控、數傳信息的地面傳輸。交互支持業務域已經開發了相關的交互支持傳輸業務和交互支持管理業務。交互支持傳輸業務基于傳輸控制協議/因特網互聯協議（TCP/IP）實現，根據傳輸方向（如前向、返向）和交互支持接口（如傳送幀、虛擬信道幀、包等）分為多個具體業務。其中返向全幀業務（CCSDS 911.1-B-3）、返向信道幀業務（CCSDS 911.2-B-2），以及前向通信鏈路傳輸單元（CLTU）業務（CCSDS 912.1-B-3）已經在國際空間任務交互支持中得到廣泛應用。為改變之前交互支持業務管理主要依靠機構間接口控制文件的局面，并為提高業務管理的標準化及自動化，CCSDS還開展了交互支持業務管理的標準化工作，并于2009年正式出版了建議書（CCSDS 910.11-B-1），英國航天局和美國航空航天局（NASA）開發了相關的原型系統。可以預見，交互支持管理業務也會在未來得到工程應用，成為實現機構間地面交互支持的基本條件之一。

2）導航類信息地面傳輸。任務操作與信息管理業務域制定了針對軌道、導航、姿態、碰撞等數據信息格式的規范性建議書（CCSDS 502/503/504/508系列）。所規定格式較適合于文件傳輸。早期版本采用基于關鍵字的格式。由于可擴展標記語言（XML）格式便于計算機自動處理又兼顧人工閱讀，且獨立于計算機平臺和軟件實現，后續版本增加了XML格式。

此外，在航天器設計、研制及運行的各個階段，需要在航天工程的多個參與方之間交換航天器遙測遙控信息的定義，例如遙測參數名稱、含義、表示方法、取值范圍和處理方法等。為此，任務操作與信息管理業務域制定了基于XML的遙測遙控信息交換標準（CCSDS 660.0-B-1）來提高交換效率。

天地一體化

目前，航天器軟件開發與地面系統軟件開發之間相互獨立進行，兩者之間主要靠接口控制文件來約束。當需要研制新的任務軟件系統時，地面段和空間段各自基于以往任務的經驗和技術狀態進行設計。在這種模式下，地面段與空間段的軟件開發相互割裂；雖然各個任務可能會需要類似的服務，但這些服務的定義方式以及技術實現方式不同，在任務之間缺乏可重用性。為了解決上述問題，任務操作與信息管理業務域開發了任務操作業務。其主要思想是將空間任務系統看作是由地面軟硬件單元和在軌軟硬件單元組成的分布式系統。地基軟件和在軌軟件有很強的相關性，從廣義角度可以將其看作是一個分布式軟件應用的兩大組成部分。遵循面向服務的體系結構（SOA）設計理念，CCSDS開發了任務操作（MO）服務框架概念，定義了用于兩個不同實體之間的交互模型，以及通用服務框架。目前已經出版了任務操作參考模型、消息抽象層、通用對象模型的建議書（CCSDS 520/521/523系列），法國國家空間研究中心（CNES），德國航空航天中心（DLR）和歐洲航天局（ESA）開發了相關原型系統。任務操作的設計原則已在國外地面系統設施建設以及空間任務中開始得到應用，包括CNES的空間創新標準倡導（ISIS）項目，ESA的歐洲地面系統-通用核（EGS-CC）項目，ESA使用“國際空間站”開展空間人機操作驗證試驗的多目標端到端自動化操作網絡（METERON）項目等。

CCSDS任務操作服務框架概念

網絡化

CCSDS從20世紀90年代末就開始空間互聯網相關標準開發，先后制定空間通信協議規范（SCPS）系列規范、下一代空間互聯網（NGSI），在CCSDS空間鏈路協議之上承載I P （IPoC）建議書，太陽系互聯網（SSI）體系結構報告，并正在開展容延遲網絡（DTN）標準項目的研究。

早期開發的空間通信協議規范借鑒了地面IP協議族的思想，針對空間通信環境進行了適應性改進。下一代空間互聯網則在數據鏈路層沿用CCSDS建議，在網絡層采用IP及其擴展技術，如資源預留協議（RSVP），移動IP等。由于缺乏工程實際需求、未得到廣泛應用，除了空間通信協議規范-傳輸協議（SCPSTP）外，其他空間通信協議規范建議書以及下一代空間互聯網建議書已廢止。

在地球周圍網絡、行星表面及其周圍網絡應用IP協議可以充分利用已有基于IP的軟硬件實現上層服務，多艙段在軌組網和有人參與的空間站為典型需求案例。2012年CCSDS出版了IPoC建議書（CCSDS 702.1-B-1），以解決在現有CCSDS空間鏈路協議之上承載IP的問題。該建議書規定IP通過封裝業務實現對各類CCSDS空間鏈路協議的使用。考慮到IP有多種版本及導頭壓縮方式（如IPv4，IPv6，UDP/ IP、TCP/IP導頭壓縮等），除通過封裝包協議標識將IP類協議與其他協議區分開外，還進一步通過IP擴展（IPE）標識區分IP子協議。該建議書僅規定協議格式和封裝過程，對于在空間網絡中使用IP的路由、安全以及服務質量問題并未涉及。但該建議書不禁止將IP用作網絡互聯協議。在地面段，可沿用CCSDS空間鏈路擴展協議，也可基于IP實現空間段與地面段的網絡互聯。

lPoC原理示意圖

應IOAG的要求，CCSDS于2014年出版了太陽系互聯網體系結構報告（CCSDS 730.1-G-1）。太陽系互聯網覆蓋地球周圍及深空，行星表面探測任務的互支持需求是太陽系互聯網最實際需求。該體系結構報告規定了太陽系互聯網的特點及能力，包括任務功能、網絡互聯及高級功能3個階段的實現途徑，各階段的基本原則，網絡操作以及業務過程。該報告還提到了實現太陽系互聯網的網絡協議基礎，即IP與DTN并存的協議體系。其中，DTN可用于所有空間網絡環境，是實現太陽系互聯網中各區域網之間互聯的核心。IP僅可用于連接性好、傳輸時延相對較低的區域空間網絡環境，如地球或行星表面及周圍的網絡。

DTN起源于1998年噴氣推進實驗室（JPL）開展的行星際互聯網（IPN）研究，后來對行星際互聯網概念進行推廣和普及，淡化其“空間應用”背景，形成了名為DTN的體系結構。CCSDS于2008年成立DTN工作組，重新審視DTN在空間環境的適應性，以及現有CCSDS建議對其支持性。DTN工作組近期工作主要集中在束協議（BP）和立克里德傳輸協議（LTP）。目前，DTN工作組已經完成BP（CCSDS 734.2-B-1）和LTP（CCSDS 734.1-B-1）的出版。工作組后續還計劃開展束安全協議，單機構管理范圍內的束協議網絡管理，以及可見弧段圖表路由（CGR）標準開發工作。

空間鏈路域

近年來，空間鏈路域中有以下幾項技術的提出值得關注：

1）高斯濾波最小頻移鍵控+偽噪聲測距（GMSK+PN）調制。即，將符合CCSDS偽碼測距標準的偽碼測距疊加在調制了高速數傳信息的高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）信號相位上。該調制方式的最大優勢是可同時支持高速數傳與偽噪聲測距（PN），從而簡化星上設備配置和工作模式。此外，該信號具有恒包絡特性，對非線性信道具有較好的適應能力。該調制方式已經被納入2015年新修訂的射頻與調制建議書（CCSDS 401.0-B-25）中，并計劃出版相關的綠皮書。

2）可變/自適應編碼調制（VCM/ACM）。對地觀測下行高速鏈路使用Ka頻段時，傳輸質量受大氣影響，波動明顯。如果按照固定編碼調制，需要綜合考慮地面站地理位置、當地雨衰等情況，按照最惡劣情況進行鏈路設計。但在信道條件好的時段，勢必造成信道資源浪費。一種解決方式是采用可變編碼調制，根據信道質量調整信息速率。調整可以實時進行（需要有上行信道配合），也可以采用預制方式（例如根據地面站仰角度數，或者地面站地理位置）。CCSDS于2012年出版了相關建議書（CCSDS 131.2-B-1），通過改變信道編碼碼率（對序列級聯卷積編碼進行刪余）和調制階數（QPSK/8QPSK /16APSK/32APSK/64APSK），在同樣帶寬實現不同的信息傳輸速率。

3）糾刪碼。由于太陽帶電粒子的影響、天氣變化、各類無線電干擾、天線指向誤差、甚至任務后期設備老化等因素的影響，空間通信環境具有刪除特性。單純依靠提高發射功率或采用更加復雜的信道編碼，很難完全解決上述問題。此外，傳統信道編碼位于物理層或數據鏈路層，無法保障應用層的數據完整性。例如，即使數據鏈路層誤幀率很低，由此造成的星載軟件代碼錯誤對任務也會有致命影響。在時延超長的深空通信環境中，事先攜帶少量冗余信息、出現“漏洞”后進行恢復，比采用星地大回路重傳的方式效率更高?；谏鲜隹紤]，CCSDS于2014年出版了實驗性建議書（CCSDS 131.5-O-1），采用基于低密度奇偶校驗（LDPC）的糾刪碼，運行于封裝業務之上，可工作在前向糾錯（FEC）或類型Ⅰ、Ⅱ混合自動請求重傳（ARQ）模式。

lP與DTN共存的協議體系

4）下一代上行鏈路。目前空間任務上行鏈路速率為千比特每秒級，未來有將上行速率提高至兆比特每秒級甚至更高的需求。首先，星載軟件功能越來越強大，需要較高的上行速率來保證軟件更新的實時性。其次，航天器下行鏈路將越來越多地采用CCSDS文件傳輸協議（CFDP）之類的協議，需要用上行鏈路傳輸反饋信息，增加了上行鏈路的帶寬需求。另外，對于深空任務這種距離變化范圍較大的任務，上行鏈路設計方式可以從根據最遠距離加余量的方式改為降低余量、提高發送速率。在距離遠的弧段，利用CCSDS文件傳輸協議或重復發送信息來補償誤碼性能的降低。提高上行鏈路速率涉及射頻體制、信道編碼、數據鏈路層協議等技術，其中核心問題是需要開發高增益、短碼長的信道編碼。CCSDS出版了綠皮書（CCSDS 230.2-G-1），描述了下一代上行鏈路的功能，應用選項以及不同選項的性能比較。并于2015年4月出版了適用于上行鏈路的短低密度奇偶校驗編碼實驗性建議書（CCSDS 231.1-O-1）。

5）空間數據鏈路層安全。安全是空間機構之間進行互操作時非常關注的問題。目前實際任務以點到點場景為主，傳送幀分別在任務中心和航天器產生與處理。在數據鏈路層提供安全業務，僅中心與航天器需要進行改進，開發代價相對較低，又可實現端到端保護。CCSDS計劃出版數據鏈路層核心安全協議及擴展過程建議書。其中核心安全協議規定安全業務的具體實現，目前主要提供加密及認證業務，其中認證范圍包括幀導頭；而加密范圍僅限于數據域，幀導頭保持明文狀態，以利于交互支持。CNES、ESA、NASA已經就核心安全協議各自獨立開發了原型系統，進行了互操作測試，CCSDS已經于2015年9月出版了建議書（CCSDS 355.0-B-1）。擴展過程規定與安全管理有關的內容，如密鑰管理，安全聯盟管理，以及管理信息在空間鏈路的傳輸，預計2015年秋季提出初稿。此外，CCSDS的遙測/遙控/高級在軌系統空間鏈路協議建議書需要增加使用安全協議時的數據格式規定和處理流程說明，已經完成相關修訂。

6）統一（下一代）空間鏈路協議。目前，CCSDS有4種空間鏈路協議適用于不同的通信場景（星間、星地）、數據速率（高速、中低速），以及業務（遙測、遙控及數傳等）。隨著航天器數目增加，數據速率增長，通信環境更加網絡化，需要對現有空間鏈路協議進行改進。2013年CCSDS春季技術會議上，NASA提出開發下一代數據鏈路協議（2014年秋季會議開始稱為“統一空間數據鏈路協議”），其基本思路是用一種空間鏈路協議替代現有4種空間鏈路協議。該協議既能傳輸低速遙控業務，也能傳輸高速數傳業務，空間任務可根據自身需求進行裁剪使用。其設計吸取現有協議的經驗教訓，從版本號、航天器標識符、幀長、虛擬信道計數等方面對現有協議能力進行了擴展，提高了在線標識能力，實現成幀與信道編碼的分離，并能夠更直接地支持上層網絡協議。2014年秋季被批準為正式項目，計劃出版相關的規范性建議書以及資料性報告。相關工作仍在進行中。

7）空間激光通信。激光通信可實現比微波通信高得多的傳輸速率，并具有終端體積小、質量輕、功耗低以及抗干擾性強等優勢，得到各空間機構的重視。NASA、ESA和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）等空間機構開展了相關的研究和演示驗證。CCSDS在2014年春季會議上成立了光通信工作組，開發適合深空骨干鏈路（如火星至地球）、星間鏈路（如低軌衛星與地球靜止軌道衛星之間）和低軌衛星直接對地鏈路的光通信調制編碼技術。目前正在開展光通信物理層、信道編碼及同步層藍皮書，以及實時氣象及大氣特征數據綠皮書的制定。其中物理層、信道編碼及同步層藍皮書將規定低復雜度、高光子效率以及高數據速率3種技術體制，用于不同的通信場景。由于ESA、NASA在高數據速率技術體制方面存在嚴重分歧，預計相關建議書的成稿會推遲至2017年。

4　總結及建議

根據CCSDS的成員范圍以及建議書應用情況可以看出，CCSDS非常具有廣泛性。CCSDS一個重要的標準化理念是：新技術的標準化工作應在對該技術有實際需求的工程開展之前完成。只有這樣，當工程項目立項時，才可能采納新標準。因此，CCSDS對潛在的任務新需求和新技術有非常敏銳的反應，其所開展的工作一定程度代表了技術發展方向，并且與工程實踐聯系緊密，具有較高的權威性與時效性。此外，CCSDS還很重視所制定建議書的可實現性。按照CCSDS章程，藍皮書（規范性建議書）只有經過兩家以上機構各自獨立開發原型系統、并通過了互操作測試之后才能正式發布。

我國早在20世紀80年代末期就開始了對CCSDS標準的研究與應用。在空間段，以高級在軌系統數據鏈路協議為代表的CCSDS空間數據鏈路協議在我國航天任務中得到了廣泛應用；在地面段，深空測控網等地面設施也開始應用空間鏈路擴展等建議。此外，我國還借鑒CCSDS建議制定了相關行業標準及企業標準。但我國的應用以及標準制定還比較集中于傳統空間鏈路域，對相關新發展動態的研究與應用相對薄弱，且存在應用標準化水平參差不齊的狀況。

建議對CCSDS的發展動態進行持續跟蹤；根據我國的任務需求以及技術積累情況，積極提出具有我國特色和知識產權的技術提案，參與CCSDS標準制定，提高我國在相關領域的話語權；與此同時，借鑒CCSDS在標準制定前瞻性、可實現性方面的思路與方法，提高我國標準化工作水平。

祁首冰/本文編輯

Professional Field and Development Review of CCSDS