CCSDS空间链路协议体系分析

在CCSDS空间链路层协议上传递IP数据报,实现空间网络和地面网络的无缝连接是未来空地通信发展的主要方向。本文以CCSDS空间链路协议的发展为出发点,分别介绍了常规在轨系统(COS)空间链路协议、高级在轨系统(AOS)空间链路协议和邻近-1(prox-1)空间链路协议的业务类型和功能,分析了协议的层结构、基本原理和关键技术,并对我国开展相关研究提出了建议。

IP over CCSDS协议适配的高速并行实现技术

天地一体化组网应用须在空间网和地面网之间部署IP over CCSDS(基于CCSDS空间链路承载IP业务)协议适配网关,以实现在高速CCSDS(空间数据系统咨询委员会)空间链路之上传输IP(互联网协议)数据包。针对此需求,提出一种IP over CCSDS协议适配的高速并行实现方法,并在Linux内核中采用多线程技术实现IP over CCSDS协议适配过程,通过实验进行测试与验证。测试表明,在处理器多核数目的范围内,协议适配处理性能随线程并发数目的增加而增加;当线程数目超过处理器核数时,受限于处理器核数和线程调度开销的影响,协议适配的性能并不能随着线程数目的增多而线性增加。后续,可利用FPGA(现场可编程门阵列)硬件逻辑电路的并行能力在硬件上实现协议适配的高速并行处理,并设计更高速率的同步接口,以从硬件上实现几千兆比特甚至几十千兆比特的高速IP over CCSDS协议适配。

面向CCSDS协议的未知协议逆向工程

空间数据系统咨询委员会(CCSDS)标准协议是国际主流的空间天地链路通信协议,面向CCSDS协议的未知协议逆向工程,可以对卫星天地链路中的未知通信流进行行为分析,也有助于发现和分析针对空间站等国际联网实体的攻击。设计了一种CCSDS协议框架下的未知协议逆向工程分析系统,主要包括系统的架构设计和流程设计。针对该流程中未知协议会话报文字段的迭代式进化树聚类所导致的算法开销过大问题,提出了一种基于反馈型动态豫迟因子的仿射传播聚类算法。仿真实验结果表明,该算法相比通常的非权算术平均聚类算法可以有效提高针对未知协议的逆向工程效率。

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。

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。

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.

基于纠删码的遥测链路丢帧恢复技术

针对遥测系统在恶劣天气条件、航天器姿态调整、天线指向偏离、脉冲干扰等各种因素影响下出现的遥测信号闪断以至接收机丢帧问题,提出一种适用于闪断信道的纠删码技术,用于恢复丢失的数据帧。首先介绍LDPC(低密度奇偶校验)纠删码的编译码算法,然后构造一种以短码长的随机码为外码、IRA(不规则重复累积)LDPC码为内码的级联纠删码,最后给出纠删码的应用策略和实现纠删码所需的CCSDS(空间数据系统咨询委员会)协议扩展。通过仿真实验和分析,得到了LDPC纠删码和级联纠删码的纠删性能,得出级联纠删码与LDPC纠删码均可获得接近理想的纠删性能的结论,且级联纠删码的构造更为灵活,可适应不同的应用环境,对CCSDS协议进行适当扩展后即可支持纠删码在CCSDS遥测链路中的应用。

CCSDS SLE系统原型方案研究

基于测控系统数据在SLE(空间链路扩展)服务提供方与使用方的传输包括2个流向——前向遥控指令和返向遥测数据——这一特点,从总体方案、软件体系结构和传输协议等3个方面对SLE系统提出设计方案。通过对CCSDS(空间数据系统咨询委员会)SLE系统的研究和CCSDS SLE传输协议原型软件的实施验证,利于将此协议应用于今后的工作中,便于实现与国外航天机构的相互合作。

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。

天地一体化互联网络中航天器网关的设计及实现

当前空间通信的发展趋势是空间通信网与地面通信网融合,建立天地一体化互联网络的信息传输系统。针对空间数据系统咨询委员会(CCSDS)推荐的基于CCSDS空间链路承载网际协议业务(IP over CCSDS)网关协议转换技术,文章提出一种实现天地一体化互联网络的航天器网关的设计思路,即通过研制航天器网关实现IP协议与CCSDS高级在轨系统(AOS)空间数据链路协议的相互转换,并对服务质量(QoS)保证方法进行了设计。针对航天器网络搭建了测试系统平台,并对高清图像、高质量话音、计算机数据和遥测数据等网络数据的传输进行了测试,测试中通过航天器网关进行传输的所有网络数据包均无丢帧现象发生,文章提出的IP over CCSDS网关可用于构建天地一体化互联网络。

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。

空间数据系统发展展望

随着深空探测、星座组网飞行、天地一体化网络等新需求的牵引,空间数据系统经过几十年的发展,呈现多方面的发展趋势,主要包括拓扑结构从单星向天地一体化网络发展、处理方法由星载数据处理向综合信息处理转变、解决方案由长周期向快速响应及部署转变等。其中涉及的关键技术也是空间数据系统咨询委员会（CCSDS）目前研究的热点,本文从CCSDS的6个领域分别描述了CCSDS的重点研究方向,同时描述了随着空间数据系统的发展,星载数据系统在功能、拓扑结构、协议、硬件、软件等方面的发展趋势。

空间数据系统咨询委员会的专业领域及其发展综述

空间数据系统咨询委员会（CCSDS）致力于空间数据系统的标准化,以促进空间机构之间地面与空间资源的共享,降低任务开发与集成成本。经过30多年的发展,CCSDS已经发展成为该领域事实上的标准化组织,所开发的标准得到广泛认可与应用。在此,对CCSDS的专业领域以及近期技术发展动态进行介绍与分析。