ECSS包應用標準的發展思路分析*

呂良慶 周玉霞 王維嘉

（1中國科學院復雜航天系統電子信息技術重點實驗室/中國科學院國家空間科學中心，北京，100190；2中國航天標準化研究所，北京，100071）

在上世紀80年代末，空間數據系統咨詢委員 會 （Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）提出了遙測包和遙控包的標準建議書及其概念原理的綠皮書，到2001年為止，進行了幾次升級。歐洲空間局 （European Space Agency，ESA）標準批準委員會 （Standards Approval Board，STAB）隨即也推出了自己的兼容標準。這些標準規定了星地應用過程之間傳遞遙測遙控包的通信協議，但是沒有規定如何部署和應用。這使得項目在使用CCSDS包時，需要有自己的解決方案，從而導致定制的星載包管理系統和地面監控支持的應用增多、擴散而難以控制的局面。為此，ESA的操作和地面支持系統標準委員會（Committee for Operations and EGSE Standards，COES）負責開發并于1994年推出了第一個包應用標準 （Packet Utilization Standard，PUS），成為此后所有ESA任務中的事實標準。

經過多年的應用實踐，PUS標準積累了一些改進意見。同時CCSDS的包標準也在發展，提出了空間包的概念。而隨著制定空間標準的職責從ESA轉移到歐洲空間標準化合作組織（European Cooperation for Space Standardization，ECSS），也需要重新發布PUS標準。為此在經歷了一個長期的審查過程后，在2003年發布了PUS的A版 本 （Telemetry and Telecommand Packet Utilization：ECSS-E-70-41A，以下簡稱PUS A版）。又經過了十幾年的發展和經驗積累，在2016年發布了PUS的C版本（ECSSE-70-41C，以下簡稱PUS C版）。

PUS中最主要的一個術語是“service”，在翻譯成中文時，有“業務”和“服務”兩種譯法，它們在概念內涵上是有區別的。“業務”是為表現能力而執行的功能實體，關注其內在的執行過程。“服務”是處于系統架構上層通過某項業務表現出來的對用戶預期的外在響應，它可以是某項業務及其之下層次的多項業務能力的疊加表現。本文斟酌使用這兩個詞，以區別原文中“service”不同的內涵。

1 PUS A版的主要思想

PUS A版定義了地面可以監控的標準業務的集合，從操作概念、業務模型和相關的遙測、遙控包結構3個方面來描述。

操作概念分為全局概念 （包括應用過程、包設計、遙控指令、遙測報告等），例行操作（例如：遙控遙測驗證、遙測報告、星載軟件管理、星載運行規劃、星載監控、星載存儲和檢索以及數據包轉寄控制），非例行操作 （例如軟件維護和故障排除）。業務模型圍繞遙控包和遙測包的結構定義，進行服務規格的說明。上述內容主要來自CCSDS和一些以往的實踐經驗。

PUS A版定義了16項標準業務模型，詳見表1。每項業務模型以最小能力集和附加能力集的概念，描述該項業務應具備的基礎能力和可擴展能力。每項能力以遙控或遙測包的形式提供業務對外的服務，定義為不同的服務子類型，在包的副導頭中通過［業務類型號，服務子類型號］區分。例如參數統計報告業務的“報告統計參數”指令包是［4，1］，而“參數統計報告”遙測包是［4，2］。

表1 PUS A版的標準業務模型[4]

PUS規定的標準業務可以根據任務的需要選用，部署在系統中所需要的層次，其復雜程度可以通過不同能力集的組合進行剪裁，并允許任務特定業務的加入和擴展。

2 PUS C版的主要思想

PUS C版給出了PUS服務類型模型，主要分為3個層次，即基礎模型，業務類型模型和空間系統服務模型，如圖1所示。

圖1 PUSC版的PUS服務類型模型[5]

圖1中的PUS基礎模型 （PUS foundation model）描述了星地之間提供支持和服務的關系，主要思想來自CCSDS已經規定的內容。為了描述這種關系，規定了一些基本概念和規則，可以分為一般業務類型抽象級別和部署抽象級別。類型抽象級別定義了幾個主要概念（業務、子業務、消息、請求、報告、能力等）和運用規則，每個概念的類型定義說明了這個概念的邏輯含義和進行編碼時應該包含的內容，以便在實例化時，可以進行類型編碼和定義。部署抽象級別主要說明了各個概念類型相互之間的位置包含關系、通信關系等。

業務類型模型（Service type model）是能夠提供服務的業務規格描述，又可以分為標準業務模型（standardized service type model）和任務特定業務模型 （mission-specific service type model），在具體任務中可以剪裁和增加，明確在任務的 “PUS定義文件”中，供相關方遵照使用。PUS C版中規定的標準業務模型在PUS A版的基礎上增加了4項（見表2）。

表2 PUS C版的標準業務模型[5]

空間系統服務模型是指按照任務“PUS定義文件”中選擇好的各式各類業務類型，將其實例化，部署到系統中。模型中最重要的內容就是系統業務拓撲結構圖，即任務系統架構的設計。不同層次的空間系統服務模型包含的內容不盡相同，可以是上層架構分解的內容，又可作為下層內容分解的出發點。而頂層的空間系統服務模型包含任務背景下的全局星地系統架構。

3 PUS C版對PUS A版的主要發展

經過十幾年的實踐經驗積累，PUS C版對PUS A版進行了比較大的修改和調整，除了為與PUS A版兼容而保留了相應的業務編號和名稱外，對描述方式、每個業務模型的規格，以及請求、報告的包格式都進行了重新梳理。

PUS C版最主要的變化是模型描述的思路。PUS A版的模型化主要是針對CCSDS空間包概念，規定了以遙控包和遙測包包裝的業務對外的服務能力，對業務模型只給出了外在的規格要求，而沒有規定業務模型內部的設計規格。PUS C版不僅提出了圖1的服務類型模型，還規定了每個標準業務模型內部詳細的設計規格，并在此基礎上全面梳理了業務外在服務能力的表現（請求和報告的包格式）的約定。

PUS A版定義了服務子類型的概念，但并不是各項業務的簡單劃分，而是以能力集的概念來表現業務對外提供的服務能力。這些能力以[業務類型號，服務子類型號]的形式來標識不同的遙控包和遙測包。PUS C版明確子業務的概念就是業務的劃分，而不是業務外在服務的能力集合，并據此規定了每個標準業務中包含的子業務。同時以請求和報告的概念泛化了遙控和遙測的概念，以“消息”概念作為請求包和報告包的傳輸載體，編號方式變為 [業務號，消息號]。這樣一來，一方面能夠兼容按照PUS A版已經建立的遙控包、遙測包庫和相應的基礎設施，另一方面為PUS C版擴展定義請求包和報告包提供了一致的概念方式。

為了兼容PUS A版，PUS C版繼承了PUS A版定義的16項標準業務模型，并且對它們進行了內涵的調整和擴充，體現在名稱的變化和子業務的劃分上，增加的4項標準業務模型與原有業務不沖突。例如ST[18] “星載操作規程”到“星載控制規程”在名稱上的變化，反映了該業務的實踐經驗積累，并且針對這項業務，在2010年推出了“星載控制規程”標準（ECSS-E-ST-70-01）。ST[12]星載監視業務中，PUS A版只提出了參數監視，PUS C版則提出了參數監視基礎上的功能監視的規格。

在標準章節編排方式上，PUS C版將業務模型規格的描述與請求包和報告包的格式定義分成了2個獨立的章節，而在PUS A版的章節安排上，二者是在一起描述的。這種編排方式的變化導致PUS C版的篇幅從PUS A版的228頁猛增到626頁，也反映了思路上的變化，從以描述外在的數據格式為主，轉向了關注業務模型內在的規格說明。而且這種分開描述的方式也有利于業務模型和請求包、報告包的實例化，以及各自獨立的擴展和積累。如果這種模型化思路不變的話，那么下一個PUS版本中，我們看到的變化將主要是標準業務模型和請求包、報告包的擴展。

4 PUS的應用建議

PUS標準業務模型的建立是基于ESA的實踐和文化思維方式背景的。由于ESA的多國聯盟的性質，其星載系統架構多具有分布式集中控制的特點，即系統不同的組成部分分布式研制和部署，通過一個集中的數據管理系統集成在一起。這種集成由于ESA的標準和生產制造的統一，為建立歸一化的系統構建方式鋪平了道路，也是PUS標準業務得以建立、發展、積累和繼承使用的背景和基礎。

而我國的衛星建設單位并不統一，而且各級各類的星載數據管理系統和設備的設計也各有其架構和特點，反映了不同組織機構的發展背景和特色。也正因如此，國內要統一星載數據管理系統的設計，不是一件簡單容易的事情，更多的是通過協調統一接口方式的辦法解決互聯互通問題，而不是統一星載設計規格。這也導致國內使用PUS標準時，必然會出現不同的思路和理解，以及結合不同的設計實例進行改造的局面。

為適應這一現實情況，各組織機構在使用PUS標準時，需要結合自身已有的系統架構和設計經驗，對PUS標準業務進行本地化改造。改造時，應保證請求包和報告包代表的外在服務形式，以及內在設計規格的能力表現這兩方面的一致性，繼承使用組織機構已有的架構設計，參照PUS進行標準化改造和完善設計。

另一方面，PUS A版在開篇就明確說明，其定義的標準業務模型在實際使用時，并不具有固定的層次關系，而且是一個業務模型菜單，可以供特定任務按照自己的任務需求和架構進行具體的部署和剪裁。在實際使用時，PUS通常被認為主要規定的是星載應用層的標準業務，與地面的支持服務具有一定的對應關系。但是PUS C版的發展，模糊了這一層次結構，例如ST[02] “設備命令分發”更名為“設備訪問”，內涵從“向設備分發指令”擴展到 “設備的數據采集”內容，且通信方式包括了邏輯尋址和物理尋址兩種方式，有層次下移的意思。因此，在本地化改造和規范的時候，還是需要在架構設計上具有靈活性和可擴展性，而不是固定不變的。

5 結語

PUS的發展反映了十幾年來歐空局在星載應用業務方面的技術進步和積累，其背后的一個理念就是架構的歸一化設計思想。這種歸一化并沒有統一具體的實例化設計和實施，而是通過標準化、規格化手段給出了一致的外在服務和業務內部的設計規格，既有利于已有知識、設計和實例的兼容、繼承和重用，同時又能夠適應外在需求和技術進步帶來的變化。