一种CCSDS Proximity-1协议下全双工/半双工及单工的融合实现方法

针对深空探测任务中对产品小型化及低功耗的需求,各功能间的融合及模块的复用成为深空探测类产品设计中不可或缺的一环.本文提出了一种CCSDS Proximity-1协议下全双工/半双工及单工的融合实现方法,该方法通过将全双工模式、半双工模式及单工模式中的流式处理部分及特定功能部分从主框架中剥离,并进行融合设计,形成通用的VHDL结构;将其余调度控制部分集成在FPGA中的MicroBlaze结构中.通用的VHDL结构意味着资源配置最优,而MicroBlaze结构因其灵活性,可实现对不同模式的灵活切换.本方法将应用到下一代火星探测临近空间链路收发信机中,通过采用仅有1片V5的开发板,实现结果表明,CCSDS Proximity-1协议下的全双工、半双工及单工功能性能正常,且资源的消耗量仅为5%ALMs,6%DSP和8%RAM.

CCSDS Proximity-1空间链路协议吞吐量性能研究

Proximity-1空间数据链路协议是CCSDS推荐的4个空间数据链路层协议之一,是专门为邻近空间链路制定,一般用于航天器之间近距测控通信任务。为了提高临近航天器之间通信的吞吐量,本文分析了Proximity-1协议中的COP-P处理过程,并对其的不足之处进行了改进,推导出吞吐量与误码率、帧长等参数关系公式,并进行了仿真验证,得出误码率不同时,选用不同的帧长,吞吐量最多可提高20%,证明选用不同的帧长发送,可以提高系统吞吐量,为空间数据链路协议的应用提供参考。

基于CCSDS空间数据链路安全协议的星载遥控认证保护

在国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)规定的空间遥控系统数据传输体制下,对星载遥控认证保护进行了研究。选择了遥控数据认证保护层次,并设计了认证保护数据范围。针对上行遥控的认证保护机制与国际空间数据系统咨询委员会的空间遥控链路命令操作过程(COP-1)之间存在的"闭锁"风险,设计了重传请求保护机制。基于空间数据链路安全(SDLS)协议体制,提出了一种遥控认证帧结构模型。在该模型中,通过插入随机序列码段,使相同指令/数据帧经认证算法计算后,其结果的非线性度扩大;通过插入毫秒级精度的时间序列码段,抵御重放攻击,并极好地适应不同地面控制中心对航天器的并行控制。提出一种针对遥控认证保护的,涉及"常态"和"应急态"的安全关联(SA)周期管理的方法、密钥生存周期管理的方法,有效实现各虚拟信道的独立保护及密钥的科学管理。同时,提出一种开展星载遥控认证保护业务的算法设计方法。

近距-1协议在星间测距中的应用

针对近距航天器测距的需要,将CCSDS(空间数据系统咨询委员会)近距-1协议的定时业务与微波双向单程测距法相结合进行测距。该法以直序扩频技术来获得高精度传输帧ASM(附属同步标识)最后1位下降沿的时刻,并以时间码形式,通过帧数据域在测距星之间相互对传,综合考虑协议给出的信号物理特性,对所给出的方法进行了误差分析。分析表明,航天器之间距离不远,相对速度不大时,该法具有较高精度,且与数据通信共用1套设备,降低了成本。

火星探测UHF频段原位通信关键技术研究

火星是人类探索太阳系的下一个里程碑,由于地球和火星之间的距离非常遥远(最远距离约4亿千米,光行时约22 min),为了最大限度地完成火星车和地球之间的高效通信,火星车和火星环绕器之间的器间原位中继通信技术就显得尤为重要。针对大椭圆轨道下器间通信信噪比低、信号参数变化快、全自主要求高及质量功耗约束极为严苛等难点,提出了一种UHF频段器间原位通信技术,主要包括超高灵敏度高动态自适应信号解调、高精度多普勒测量、基于CCSDS Proximity-1的协议一体化集成融合和面向火星复杂环境的高集成度高收发隔离产品工程化设计,实现了捕获灵敏度优于-141 dBm、解调灵敏度(1 kbit/s)优于-134 dBm、频率动态范围优于±26 kHz、多普勒测量精度优于10 mHz、收发隔离大于180 dB、弧段内全自主高可靠高吞吐率通信及基于架构统型的系统/单机极限优化,相关指标优于美国系列火星探测器中的“Electra”。经祝融号火星车和天问一号火星环绕器、ESA“Mars Express”火星轨道器在轨实际测试,测试数据符合预期,为中国首次火星探测的圆满成功做出了重要贡献。

利用月面链路的月球车定位体制

提出一种利用月面月球车-着陆器UHF(Ultra High Frequency)近程通信链路的高精度测距、测角的新方法,实现月球车的精密定位.该体制采用直序扩频和CCSDS(Con-sultative Committee for Space Date Systems)Proximity-1协议实现月球车-着陆器之间的数据交互,利用双向异步传输帧非相干扩频测距方法实现精密测距,利用着陆器双天线形成短基线实现对月球车方位角的精密测量.讨论了用于测距的CCSDS Proximity-1协议帧结构、双向异步传输帧测距原理、方位角的载波相位差分干涉测量原理,以及建立月面着陆参考系并给出月球车精确定位的方法.研究表明,所提出的方法功能集成度高、信道资源利用率高、设备简单、性能指标满足月球探测二期月球车的月面定位、通信任务需求.

基于异步通信链路的AFF星间基线测量技术研究

星间基线的精密测量是自主编队航天器(AFF:Autonomous Formation Flyer)实现多星协同任务的关键技术。基于CCSDS Proximity-1协议,提出一种在AFF星间全双工通信链路中利用双向异步传输帧实现非相干扩频测距和时间同步的方法,给出算法的计算公式和理论误差模型。技术验证系统的实验结果表明提出的方法性能指标先进、信道资源利用率高、功能集成度高。

AFF组网通信与测距/时间同步的新体制研究

研究了自主编队航天器(AFF,autonomous formation flyer)的组网通信与测距/时间同步体制,提出了一种基于频分+码分组合多址模式和CCSDSproximity-1协议实现AFF组网通信,利用通信链路的双向异步传输帧实现AFF的任意两颗成员星之间的精密测距与时间同步的新方法。重点讨论了FDMA/CDMA组网体制下星间双向异步传输帧非相干扩频测距与时间同步的技术原理、计算公式推导和测量误差分析,给出了星间异步通信与测距技术的全功能地面实验系统设计、实验结果及其分析讨论,实测结果获得了满意的性能指标。

基于异步通信链路的星间基线精密测量技术研究

卫星成员之间信息共享、星间基线测量是分布式航天器(Distributed Spacecraft,DS)实现多星协同完成天基虚拟探测任务的关键技术。该文提出一种分布式航天器星间通信/基线测量的综合链路体制,重点研究了基于星间异步通信链路的双向异步传输帧非相干扩频测距的方法,详细给出算法的计算公式推导和模型误差分析。技术验证系统的实验结果表明该文提出的方法性能指标先进、信道利用率高、功能集成度高,为型号任务提供了一种先进的设计理念。

分离载荷近距协议的数据链路层仿真研究

一主多从式的空间探测器在功能上等同于一颗虚拟的大型卫星,协作完成航天任务,视为分离载荷,载荷之间的通信可以采取空间数据咨询委员会(CCSDS)推荐的proximity-1通信协议[1],该协议目前在国内已经开始研究,为推进proximity-1协议的应用,本文对协议内容进行解析,并提出了可用于具体模拟实现该协议数据链路层的实施方案以及实现平台。