有限上行资源下遥控指令序列高效上注方案设计∗

刘 洋， 李家琦， 李宗德

(上海微小卫星工程中心 上海 201203)

有限上行资源下遥控指令序列高效上注方案设计∗

刘 洋， 李家琦， 李宗德

(上海微小卫星工程中心 上海 201203)

针对目前卫星上行遥控速率低，有限过境时间内上传指令多的难题，设计多指令数据压缩封装指令序列结合专用任务指令的遥控上注方案。方案能够实现多任务模式下大量任务指令的高效上注，提高了卫星遥控弧段内上行资源利用率，简化了地面遥控操作。

遥控； 压缩封装； 数据注入； 专用任务指令

引 言

随着航天器功能的日趋强大和复杂，对航天器及内部单机控制越来越精细和灵活，地面测控系统需要加工大量的遥控指令和注入数据来保证每项任务的正常实施，因而对遥控信道资源的占用率也越来越高。对遥控指令逐条设计发送或多指令按顺序排成指令数据链的发送方式花费时间长，需要耗费大量的人力和信道资源，也给任务的正常执行带来一定的风险。所以随着航天任务的日渐增多，设计遥控指令的高效、灵活的上注方法越来越必要。

文献[1]在双星计划中采用单遥控帧封装多遥控数据包的数据注入方式，能够比较有效地提高遥控上注效率，但缺点是一旦上注不能取消或改变，灵活性较差。文献[2]在不修改当前遥控体制的情况下，使用分包遥控的方式来提高上行信道利用率，但对指令包的信息没有特别封装处理，指令冗余信息较多，对上行信道的利用率提高有限。本文采用数据压缩封装指令序列结合专用任务指令的遥控上注方式，通过任务需求和特点分析，精简遥控上注数据内容，提高数据注入效率；同时通过外部修改指令能够对上注的任务指令进行控制和修改，增强了指令任务的灵活性。

1 指令序列上注

地面对航天器的程控方式一般有两种：间接指令方式和注入数据方式。间接指令长度较短，其数据域长度为几十字节，主要是一些单机或软件状态切换、参数设置等控制指令；注入数据长度较长，其数据域长度可达几百字节，用于注入轨道数据、星历数据、软件代码等较长的数据。完成一次控制任务或载荷任务需要多个单机多条间接指令按照一定的流程依次执行，现有的指令链上注方式效率不高，原因是指令链中指令间填充的发送最小保护间隔填充码也会占用大量的信道资源。目前比较有效的解决方案是采用指令序列的注入方式，通过对间接指令进行统一封装和处理，将短帧指令变为长帧注入数据，该方法能大量降低遥控指令发送最小保护填充码的使用，提高资源利用率。某科学试验卫星的指令序列格式如图1所示。

图1 指令序列格式

数据长度：2字节，从类型至指令n信息(包括类型和指令n信息)。

类型：2字节，指令序列类别标识，通过该字段区分卫星的各类指令任务，不同类型的指令任务可并行执行。

任务数：1字节，单条指令序列中可包含多项任务，通过对任务的分类和编号，可以灵活控制或修改任务实施过程。

任务信息：对每项任务包含的指令进行标识，包括任务的起始和结束指令编号。

任务指令列表：指令的执行信息，如指令包或指令码和参数等内容。

2 数据压缩封装指令序列

常规指令序列的封装方法是直接将指令包的内容完整封装到指令序列中，这种封装方式简单易行，便于地面软件的操作，但由于包含了指令包包头、检验等辅助信息，会有较多的指令冗余信息，占用较多遥控信道资源。为改善此方法的不足，特采用多指令数据压缩封装的方法，将遥控指令中的关键和必要信息提取出来，精简指令封装信息内容，提高指令上注效率。

基于数据压缩的指令信息的具体内容如表1所示。

表1 数据压缩封装指令序列格式

指令信息中只包含遥控指令的唯一标识信息和执行信息。本例中遥控指令包采用了ECSS的PUS协议[3～5]对遥控指令进行设计，通过使用PUS协议中的PUS服务和PUS子服务两个字段对每个遥控指令进行唯一标识，通过2字节的信息确定了指令内容。指令执行时间为相对于指令执行起点(序列中第一条指令)的时间绝对秒值。由于指令序列内的指令为短时间内的任务指令集合，指令间相互时间差不大，2字节的长度完全能够表示指令的执行时间信息，相比于常规的4字节表示时间方式节省了2字节的空间。指令参数即指令的参数内容，对于无参指令此字段不填任何信息。

压缩数据的指令序列注入方式减少了遥控指令包包头等包装字段的冗余信息，对于单条指令减少8个字节以上的数据长度，对于无参指令，压缩效率在60%以上。

由于指令序列所要执行的任务信息由图1中的“类型”字段所标识，指令信息的数据压缩对任务信息没有影响。对于指令序列中的单条指令，PUS服务和PUS子服务已唯一确定了其内容，指令参数内容在数据压缩后也依然保留，因此指令信息压缩后并没有丢失或减少指令的执行单元、受控目标及操作信息的内容，星务软件对指令的解析和判断不会受影响，指令序列的可靠性不会降低。

3 专用指令任务的设计和实现

当指令序列包含的内容较多时，采用指令逐条加工设置的指令序列生成方法存在以下问题：

①由于指令数量多，对于每条指令需要确认参数和执行时间，导致指令序列加工时间长，且容易出现人为设置错误；

②指令序列修改复杂，即使有专人负责对指令序列检查校对，当发现指令顺序或时序关系错误时，对指令序列的修改也较繁琐，甚至可能需要重新制作；

③指令序列内容多，需要系统分配较多的存储空间，对系统资源要求较多。

为了增强指令序列上注的可靠性以保证任务的正确执行，需要采用一些方法来弥补以上不足。从实际卫星工作任务模式的分析中发现，对于卫星许多特定工作模式下的任务序列，在很长的一段工作时间内，大多数的单机工作流程都是严格固化的，即部分指令的参数设置和指令执行时间的相互关系都是固定值。这样的一系列操作就可合成为一条专用指令，当指令上注后，由星务计算机根据指令选择预先设置好的任务流程并顺序执行其中的各条指令。通过这种设计方法，不但减少了指令设置和加工的时间，也大大降低了指令序列的复杂度，提高了指令的可靠性。这种由多条固定流程的指令序列操作合成的新指令称为专用任务指令。

专用任务指令的形式如表2所示。

表2 专用任务指令格式

指令码：专用任务指令的指令标识；

时间码：指令的执行时间，为相对于卫星零点的绝对秒值；

参数1～n：专用任务指令中带参指令的参数值，根据指令的排列位置顺序设置。

合成的专用任务指令能够大大简化指令序列的制作过程，同时缩短了遥控指令的长度，节省了指令上注时间。对于总参数长度为100字节的20条间接指令，将其合成为一条专用任务指令后，至少能够减少400字节的星上存储空间和50s的上注时间。

4 专用任务指令的在轨动态调整

专用任务指令内部各条独立指令的相对执行时间都是固定的，但是在某些特殊应用场合或应用条件下，需要适当修改某一条或少数几条指令的相对执行时间。例如，某些星上仪器经过长时间的使用，部分组件性能会下降，这时可能需要延长开机的时间来弥补性能的下降，这就需要将关机指令的执行时间延后。在这种情况下，需要能够对该指令的相对执行时间进行修改。如果直接通过注入新数据去修改星上存储的指令参数，那将需要较长的上行时间，操作也较复杂，为此，针对专用任务指令再设计一条专用任务指令的调整指令。

专用任务指令的调整指令形式如表3所示。

表3 专用任务指令的调整指令格式

任务信息：即专用任务指令的标识，以2字节长度表示。由于专用任务指令包含的指令数量可能较多，为防止传输过程中的误码引起专用任务指令的配置出现差错，应尽量使专用任务指令的标识之间有较大的码距，建议专用任务指令标识的码距不小于3。

指令有效标识：用于表示专用任务指令中单条指令是否执行，当有效标识取值为55H时，表示该单条指令执行；当有效标识取值为AAH时，表示该条指令不执行。

指令执行时间：用以表示指令的执行时间。此字段的时间为相对时间，即相对于专用任务指令执行时间的绝对秒值。例如，专用任务指令的延时执行时间为2015年3月20日12时10分10秒，某单条指令的执行时间取值为50，则该条指令的执行时间为2015年3月20日12时11分0秒。

专用任务指令的调整指令的使用，提高了专用任务指令应用的实用性和灵活性。通过指令有效标识，能够对专用任务指令中的指令进行取舍。通过对指令时间信息的设置，能够调整专用任务指令的执行流程。当专用任务指令执行时，星务软件会对专用任务指令中所有指令的执行时间进行巡检和判断，按指令执行时间的顺序依次执行指令。当卫星根据任务规划需要调整专用任务指令的内部指令执行顺序时，通过上注调整指令修改指令时间信息即可。例如指令A和指令B的执行时间信息初始设定为20和40，即专用任务指令开始后20秒执行指令A，40秒执行指令B，指令A的执行先于指令B 20秒。当任务需要调换指令A和指令B的执行顺序时，只需上注调整指令将指令A和指令B的时间信息分别修改为40和20即可。

通过采用指令序列结合专用任务指令的遥控上注方式，指令上注的效率可大大提高。以某太阳同步轨道科学卫星的某项载荷观测任务为例，一次观测任务需要36条指令，每一天进行14次观测任务，每次需上注3天的观测任务，共需上注1512条指令。如果采用指令序列结合专用任务指令的上注方式，只需要7条长帧指令即可。不同上注方式的效果如表4所示。

表4 不同方式上注效果比较

从几种上注方式的比较中可以看出，指令序列结合专用任务指令的上注方式相比其它方法在上注效率方面有很大的提高，能在较短的时间内上注较多的指令任务内容，既节省了遥控信道资源，又提高了指令注入效率。

图2 指令高效上注流程设计及实现

5 通用卫星指令高效上注流程设计及实现

指令序列结合专用任务指令的遥控上注方法设计流程及实现过程如图2所示。

①在卫星研制和设计阶段，根据卫星的应用需求确定出所需的工作模式。

②将不同工作模式下的单机工作流程梳理并确定下来。

③总结整星、单机操作和设置的所有指令。

④将操作时序和相对时间关系确定的指令归纳出来。

⑤按照工作流程和顺序将挑选出的指令合并为专用任务指令，并由星务软件顺序实现其功能。

⑥设计专用任务指令的调整指令，以便后期对其灵活配置。

⑦在轨运行阶段使用专用任务指令及其调整指令设计指令序列实现遥控指令的高效上注，从而实现卫星工作模式的顺利执行。

目前，数据压缩封装指令序列的遥控上注方法已在某天基观测卫星项目中得到了充分验证，并且应用效果较好。指令序列结合专用任务指令的遥控上注方法已在某科学实验卫星的初样阶段得到了测试验证，对遥控注入的效率有较大提高。

6 结束语

本文采用指令序列上注模式解决了卫星在轨任务期间短周期内多指令上注的问题，有效地提高了卫星遥控弧段内的上行资源利用率。通过增加专用任务指令和专用任务调整指令的方法，进一步地简化地面遥控指令的加工流程，减少占用的遥控信道资源，节省遥控上注时间，降低星上遥控存储需求，同时能够灵活地调整指令任务的执行过程。

[1]吕良庆.一种基于CCSDS标准的数据注入策略[J].航天器工程，2005，14(1)：11～17.

[2]张亚航，赵思阳，何熊文.基于传统遥控体制的分包遥控方案设计[J].飞行器测控学报，2012，31(增刊)：81～85.

[3]Ground Systems and Operations—Telemetry and Telecommand Packet Utilization[S].Netherlands，ECSS-E-70-41A，January 30，2003.

[4]Valera S，Melton B，Parkes A.Status of ECSS Standards for Ground Systems and Operations[C]//ESA EGSE Workshop.ESA ESTEC Noordwijk，Netherlands，February 11～12，2003.

[5]何熊文，张 猛.遥控和遥测包应用标准在航天器中的使用方法[J].航天器工程，2012，21(3)：54～60.

Design of High-efficiency Telecommand Up load M ethod under Lim ited Up link Channel

Liu Yang， Li Jiaqi， Li Zongde

Multi-commands compression and encapsulation with special mission instruction are brought forward to solve the problem that plenty of telecommands are difficult to upload in a short time under limited uplink channel.By this means，the efficiency of data injection is improved greatly and the operation ofmission center is simplified.The applications of themethod show the effectiveness of design on making full use of uplink channel.

Telecommand； Compression and encapsulation； Data injection； Specialmission instruction

V556

A

CN11-1780(2014)06-0045-05

863计划课题；全球二氧化碳监测科学实验卫星总体及平台研制(2011AA12A101)

2014-08-13 收修改稿日期：2014-08-25

刘 洋 1980年生，工学博士，主要从事卫星测控总体设计、自动测试系统设计等的研究。

李家琦 1985年生，工程师，主要研究方向为测控协议设计，自动测试软件开发。

李宗德 1988年生，工程师，主要研究方向为测控系统软硬件开发。