CCSDS子网包业务在航天器综合电子系统中的应用研究

阎冬 程博文 何熊文

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)



CCSDS子网包业务在航天器综合电子系统中的应用研究

阎冬 程博文 何熊文

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

针对未来航天器中多元化的数据对可靠性、时延等传输服务质量有不同要求的场景，研究了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)制定的子网包业务的特点、作用及基本的工作原理，通过分析可知，应用CCSDS子网包业务可以有效克服当前星载数据管理系统的局限性，满足未来航天器数据处理的更高要求。文章提出了其在航天器综合电子系统中的应用场景、可行性、方法和工作模式，对子网包业务在未来综合电子系统中应用的优势进行了展望。

空间数据系统咨询委员会；子网包业务；航天器星载接口业务；综合电子系统

1 引言

随着计算科学和信息技术的发展，以及各个行业对信息要求的不断提高，经过航天器获取、存储、处理及传输的数据也由原来单一的数据类型、较小的数据长度，变成了多元的数据类型及多个数量级增长的数据。因此，对于航天器中信息加工处理的综合电子系统，势必要努力开展技术创新，不断提升能力。综合电子系统的能力提升主要体现在丰富业务功能提供、标准软硬件接口配置、多元信息融合、大格式数据处理、高可靠性保障等方面。

传统的星载数据管理系统及早期的综合电子系统，仅能够提供较少的业务种类，获取本航天器的较为单一的数据，在航天器内部存储、转发，最终将一部分数据下传到地面，是一种点到点的数据系统，只适用于单个航天器与地面系统的任务环境，属于“烟囱式”的数据传输模式。随着星载业务的快速发展，这套系统表现出一些明显的弊端：①它并不具有空间网络环境中的数据传输及信息处理能力，无法实现多航天器信息融合的需求[1]；②受限于当时的链路条件，长度较大的数据无法直接通过星载链路传输，只能在应用层将数据打包为较小的数据长度，并且与链路密切相关的数据链路层功能简单，无法提供更加丰富多样的数据传输保障服务；③当时的星载软件开发并没有遵循层次化结构及构件化的开发模式，软件开发人员在设计应用层程序时常常需要关注底层链路和硬件接口，使整个系统成为从顶层到底层的“捆绑式”结构，无法实现便利的重用。随着航天器硬件处理能力的提高和星载链路的多样化，上述的缺点限制了航天器综合电子系统进一步发展，亟需一种包含更先进的软件和处理流程的信息处理系统。

空间数据系统咨询委员会(CCSDS)提出的子网包业务(Subnetwork Packet Service)标准[2]，为克服当前航天器数据管理系统的缺点提供了解决思路，也为保障数据传输提供了丰富的服务支持。本文针对该业务的特点及在航天器综合电子系统中的应用进行了研究，将该业务本地化，可以有效开展新一代星载数据管理系统的开发和设计。

2 子网包业务的特点和作用

子网包业务是CCSDS提出的航天器星载接口业务[3](Spacecraft Onboard Interface Service，SOIS)中子网层的一项业务。SOIS的目的是提供一个标准的层次化星载软件框架，不同应用之间的交互完全通过一些模块化的标准星载数据业务来实现。每一层的业务软件具有独立编译运行的能力，不同的业务软件之间具有松耦合特性，同层或者相邻层次之间的软件交互则通过每个业务提供的标准业务接口开展。这种模块化的构件设计使软件具有较好的重用性，能够实现快速开发。

子网包业务也遵循了这种设计理念[4]，它所在的子网层在SOIS的软件架构中位于传输层以下，对上层应用程序屏蔽底层种类繁多的链路所提供的各异的功能，为上层提供一个统一的数据处理和发送接口。子网包业务在SOIS层次关系中的位置如图1所示。

图1 子网包业务在SOIS层次关系中的位置Fig.1 Subnetwork packet service location in SOIS

子网包业务主要功能和特点如下[5]：

(1)链路冗余切换能力：底层链路多种多样，传输能力千差万别，故障概率也有所不同。一旦某条链路出现故障，无法提供数据传输服务，子网包业务将进行链路冗余切换，及时将错误信息传递给传输层，然后根据传输层的链路重配置指令，将后续数据通过其它可用链路传输。整个过程只在传输层和子网层进行动作，而应用层的用户数据产生端根本没有任何影响，它仍继续按照之前指定的数据发送规则发送数据。

(2)区分服务的能力：综合电子系统能够支持的业务日益增多，系统中存在种类多样的数据类型，而每种类型的数据对传输性能有不同的要求，有的数据对时延要求极高，必须在特定的时间间隔内传输到目的端才能够被正确接收[6]。由统一的中间件管理程序对不同类型数据指定其优先级，子网包业务根据待传输数据的优先级关系进行区分服务。对于某些对时间性能要求更高的数据，子网包业务可以为其预留带宽，保证能够在规定的时刻发送。例如，大部分图像数据实时性要求不高，而网络数据实时性要求很高[7]。

(3)数据分段能力：由于底层链路提供的传输能力不同，一次发送可以支持的最大数据单元(MTU)也有所不同，子网包业务提供数据分段的能力，上层应用程序无须关心底层的MTU大小，可以直接按照中间件支持的最大数据长度组包下传。子网包业务在发送端根据数据传输所选择链路的MTU进行数据分段，并在接收方的汇聚层将分段的数据包重新进行重组后，再发送给上层应用。

(4)个性化服务质量保障能力：不同类型的数据对传输可靠性、时间性等要求有所不同，有些数据对传输可靠性要求较高，如果传输出错，需要发送端重新发送该数据，而有些数据对发送时间要求较严，如前面提到的，必须在特定时刻发出。子网包业务为这些数据提供个性化的服务质量保障，能够提供4种类型的服务质量。第一种是尽最大努力的服务质量，该类型服务质量提供非预留、非重传的数据传输，因此，并不保证传输的可靠性和时间性能，而是按照优先级关系进行服务。第二种是确定的服务质量，具有重传机制，对数据传输可靠性提供保障。第三种是预留的服务质量，具有带宽预留的能力，对数据传输的时间确定性提供保障。第四种是保障的服务质量，同时具有带宽预留、重传的服务能力，既能够保证数据传输的可靠性，又能够保证时间确定性。

(5)分段顺序保证能力：子网包业务对数据包分段按照分段的顺序传输提供保障。如果接收方收到的分段未按照分段顺序，则根据其选择的服务质量进行丢弃或重传。

(6)安全性：子网包业务通过数据类型判断、数据长度验证、数据内容校验认证等机制保证系统的信息安全。

3 子网包业务的基本原理

子网包业务的执行过程主要可以分为三个部分：子网包发送过程、子网包接收过程和子网包错误处理过程。

1)子网包发送

从应用层发送的属性各异的数据，通过子网包业务标准的接口进入子网包业务处理程序。根据传输层分配的传输链路，子网包业务开始对数据进行与链路相关的数据处理和发送。下面以1553B链路为例，介绍子网包业务数据处理和发送过程。

首先，子网包业务对属性各异的数据按照优先级的高低关系排列发送列表。然后，将数据根据链路能够提供的MTU进行分段处理，该MTU数值与链路的实际传输能力及数据链路层驱动程序的处理能力等因素有关。原始数据被分段成为多个长度较小的数据，为了能够正确、可靠地将这些分段数据从源端传输到目的端，需要给这些分段数据添加协议控制信息(Protocol Control Information，PCI)，PCI中既要包含原始数据的信息，该数据分段在完整数据中的位置信息，也要包含该数据的服务质量信息，以及能够保证数据可靠性的验证信息。添加了PCI的数据分段，成为一个子网包业务协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)。数据分段过程见图2所示。最后，PDU数据按照数据链路层链路协议进行处理后通过驱动程序发送，链路协议可以根据实际需要选择，如MIL-STD-1553B协议，ECSS 1553B协议[8]等。ECSS 1553B有带宽资源预留的设计内容[9]，可以为有时间确定性要求的数据提供支持。

图2 子网包业务数据分段及组装过程Fig.2 Process of subnetwork packet service splitting and uniting

2)子网包接收

本过程与子网包发送过程一一对应，但执行顺序相反。首先，从链路驱动程序中获取链路数据，经过数据链路层协议处理后，得到子网包业务PDU。然后接收到某数据全部分段后，进行数据组装。这个过程包括了数据分段内容检验、数据分段顺序检查、数据组装等过程。数据组装过程见图2所示。如果处理过程正确，则直接提交接收方上层应用进行处理。如果处理过程中发现错误，检查数据携带的服务质量要求信息，如果有重传的需求，则需要通知发送端重传该数据。

3)子网包错误处理

这个处理过程仅针对服务质量类型为确定的服务质量或者保障的服务质量的数据，这些数据对可靠性要求较高，当在接收端发现传输过程出错时，有重传的需求。数据发送端接收到重传的请求，检索已发送列表，并将出错信息进行重传。这也给发送过程提出了要求，即要对这两种服务质量类型的数据进行一定时间周期的保存。

4 子网包业务在综合电子系统中的应用分析

1)遥控

子网包业务具有数据传输可靠性保证机制，在接收端通过数据内容校验、分段检查等方法保证传输可靠性，一旦发生传输错误，会将错误数据丢弃。对某些可靠性需求更高的指令数据，可将其设定为确定的服务质量或者保障的服务质量，出错时会在本层进行数据重传，而不需要用户重新发送指令。

2)周期性数据传输

对于周期性遥测采集及周期性指令发送的场景，这些数据被设定为预留的服务质量或者保障的服务质量，子网包业务在底层链路协议的支持下为这些数据预留链路带宽，确保这些数据在确定的时刻可以在链路上传输。

3)星内星间数据传输

对于应用层多种类型的数据(图像数据、音视频数据等)，网络层多样的数据包格式(空间包数据格式、IP协议数据格式等)，子网包业务都能够支持。通过统一的数据发送接口，在处理时使用内部信息对收到的数据进行封装，彻底将传输层及以上部分与链路完全隔离。

4)系统容错

航天器在空间的运行环境极不稳定，综合电子系统底层链路存在临时性失效或者永久性物理损坏的风险，子网包业务针对这种情况，进行链路切换，使用冗余链路或者其它类型的链路进行数据传输，而子网层所发生的这些变化却对上层的应用程序毫无影响。

CCSDS子网包业务已经完成软件实现并在样机上运行，运行结果符合预期设计，一些典型的性能情况如表1所示。

表1 CSSDS子网包业务应用前后性能对比

5 结束语

本文通过研究CCSDS子网包业务的指导原则，将该业务与我国航天器设计的具体情况相结合，能够有效克服我国航天器数据管理应用中的缺点和局限性，可以有效开展下一代星载数据管理系统的开发和设计。本文设计的子网包业务提供了统一的数据发送接口，将上层丰富多样的应用数据与下层各种各样的链路隔离开，既适合航天器内部数据传输，又能够支持未来星间数据传输。未来航天任务日益复杂，往往需要多元信息处理和融合。多种类型的数据对传输可靠性、时延、服务质量(QoS)等有不同的要求，这就要求航天器综合电子系统能够对不同类型的数据进行个性化服务，子网包业务恰好迎合了这一需求。子网包业务能够增强综合电子系统的包容性、可靠性及服务能力，在未来航天器综合电子系统中应该加以推广应用。

References)

[1]Cooper S.CCSDS mission operations services in space[C].// Proceedings of 12th Conference on Data Systems in Aerospace.Paris：ESA，2012

[2]CCSDS.CCSDS 851.0-M-1 Spacecraft onboard interface services-subnetwork packet service[S].Washington D.C.:CCSDS,2009

[3]CCSDS.CCSDS 850.0-G-2 Spacecraft onboard interface services[S].Washington D.C.:CCSDS,2013

[4]Gunes S,Notebaert O,Farges P,et al.CCSDS SOIS subnetwork services:a first reference implementation[C]// Proceedings of Data Systems in Aerospace.Paris：ESA，2008

[5]Notebaert O.Benefits of the standardization efforts for on-board data interfaces and services[C]// Proceedings of the 9th International Conference on Space Operations.Rome：SpaceOps，2006

[6]Fowell D,Scott L,Plummer C,et al.CCSDS SOIS time-critical onboard application services[C]// Proceedings of the 9th International Conference on Space Operations.Rome：SpaceOps，2006

[7]宋永醇.CCSDS在遥测系统中的应用[J].遥测遥控，2012，33(3)：6-10

Song Yongchun.The application of CCSDS in telemetry system[J].Journal of Telemetry,Tracking and Command，2012，33(3)：6-10 (in Chinese)

[8]ECSS.Interface and communication protocol for MIL-STD-1553B data bus onboard spacecraft,ECSS-E-ST-50-13C[R].Noordwijk:ECSS,2008

[9]Notebaert O,Gunes S,Shi J,et al.Application of the MilBus extension standard,ECSS-E-ST-50C[C]// Proceedings of 12th Conference on Data Systems in Aerospace.Paris：ESA，2012

(编辑：张小琳)

Research on CCSDS Subnetwork Packet Service in Spacecraft Integrated Electronic System

YAN Dong CHENG Bowen HE Xiongwen

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

For the high demand of diverse data transmission quality of service (QoS) in the future spacecraft,this paper analyses the characteristics,functions and basic working principles of CCSDS subnetwork packet service.Through the analysis,we can know that CCSDS subnetwork packet service can remove the limitation of current on-board data handling system effectively,satisfy the high demand of future spacecraft data transmission.We study the application scenarios,feasibility and working mode,and then make a preliminary prospect for the application advantages of CCSDS subnetwork packet service in the future spacecraft integrated electronic system.

CCSDS；subnetwork packet service；SOIS；integrated electronic system

2015-09-25；

2015-11-10

国家自然科学基金(91438102)

阎冬，男，博士，工程师，研究方向为航天器数据管理技术与星间网络技术。Email：yandong200@163.com。

TP393.04

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.010