ECSS的包应用标准及其应用

徐浩王同桓刘振星雷勇毛一岚

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2中国航天科技集团公司，北京 100048）

ECSS的包应用标准及其应用

徐浩1王同桓1刘振星2雷勇1毛一岚1

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2中国航天科技集团公司，北京 100048）

对经过约30年在轨验证的欧洲空间标准化合作组织（ECSS）的包应用标准（PUS）作了系统性的阐述，研究了PUS在地面用户和在轨运行航天器的交互支持和操作控制方面的应用，包括PUS标准化的使用范围和应用规范等。对比和分析了空间数据系统咨询委员会（CCSDS）的相关标准，提出了ECSS PUS应用的功能映射关系和网络体系结构，并进一步给出了利用ECSS PUS进行航天器常规任务管理、自主任务管理、自主健康管理等的应用建议，可为国内航天机构引入ECSS PUS运行和管理思路提供参考。

包应用标准；应用业务；自主管理

1 引言

20世纪90年代以来，随着欧洲航天器发射任务的迅猛增加和航天器商业化产业运营模式的成熟，航天器研制方与航天器用户面临了各自亟待解决的难题。对于航天器研制方，欧洲航天局（ESA）发射的航天器大部分用于盈利性的商业运营［1］，硬件产品的快速集成已经不是制约研制周期和生产成本的主要因素。但作为航天器和用户连接最直接的应用层软件，研制方却必须定制不同版本的应用层软件产品，以满足不同层次用户的需求，应用层的软件产品自然成为了控制研制周期和生产成本的关键环节。对于航天器用户，由于航天器上应用层软件版本依据特定任务定制，因此直接导致航天器上应用程序接口的多样化与复杂化。另外，每个航天器均配置了不同的操作控制程序，使用方式复杂，导致用户无法做到对航天器的协同管理。为了解决以上问题，作为ESA标准化组织的欧洲空间标准化合作组织（ECSS），经过多轮的征集和研讨，设定以下几点作为基本目标:①降低生产和操作航天器及地面系统的生产成本和运营风险；②提供地面和航天器协同工作的应用层交互支持的标准化接口；③为航天器的自主操作与控制提供标准业务支持；④实现航天器载软件的可重用和航天器操作流程的共享。ESA于1994年颁布了ECSS包应用标准（PUS），该标准随后取得了重大成功，不仅圆满地解决了航天器研制方和用户面临的上述问题，还带来了航天器使用效能的显著提升。

经过30年的发展，ECSS PUS中的系列化标准业务通过实际运行航天器的验证，已经十分成熟，并正持续应用到目前和未来的空间飞行任务中，显著降低了航天器和地面系统研制、生产和操作控制的成本和风险，成为ECSS最成功的标准案例［2］。基于PUS的成功应用，空间数据系统咨询委员会（CCSDS）也在研讨和吸纳ECSS PUS的优秀成果，并加紧制定一系列标准，用于面向用户的航天器操作、控制及任务实施标准，第一个业务标准将于2015年颁布［3］。因此，对ECSS PUS的研究和探讨，将有助于从标准化业务的角度理解欧洲航天器研制、用户操作体验和航天器自主化水平等方面的关联关系［4-6］。

本文主要介绍了ECSS PUS与CCSSDS相关标准的关系，分析了ECSS PUS的应用，并提出了对我国航天器研制的启示与建议。

2 国外研究情况

2.1 ESA

ECSS PUS的实现遵循的流程［6］见图1。

图1 ECSS PUS流程Fig.1 ECSS PUS flow

1）航天器操作概念的标准化

ECSS PUS首先定义了一类操作的概念，有利于用户采用一种标准化的方式实施相关的操作，以达到设定的目标。操作概念包括日常维护操作，如遥测遥控验证、遥测报告、航天器软件管理、航天器操作调度、航天器监视、航天器数据存储等；还包括特殊操作，如故障恢复、诊断数据报告、离线测试等。对于一个特定的任务，只使用必要的操作即可。

2）非限定性的航天器数据系统结构

ECSS PUS的实现，不对航天器数据系统结构作任何限制，对实现方式也没有任何约束，可以是软件实现，也可以是固件实现，甚至是硬件实现，这就为不同领域、不同生产规模的航天机构在不同自主化水平的航天器上应用PUS提供了灵活的空间。ECSS PUS是基于应用过程的概念，很多结构完全不同的航天器数据系统均包含相同的应用过程，都可用应用过程标识（APID）进行标识。CCSDS定义应用过程为“能够接收遥控包和产生遥测源包的独立的航天器载应用实体，不同的应用过程可以控制相同的航天器要素，也可以分别控制不同的航天器要素，如内存、单机设备、指令调度等”。一个航天器上的处理器可以维持多个应用过程，一个应用过程的实现也可以分布在不同的微处理器上。

3）标准化航天器操作业务模型的建立

ECSS PUS制定了一整套地面应用与航天器操作之间交互的规范，共定义了16类通用业务。业务模型给出了用户和航天器交互支持必需的各类功能集合，每类业务又包含若干子业务，子业务用于细化业务的应用功能和扩展业务的使用范围，特定的业务与子业务集合满足了用户实现航天器控制操作的各类应用需求。一个特定空间任务的实现，只要选择满足需求的业务集合即可。PUS对每类业务均设定了可扩展的标准接口，以满足具备特殊需求的用户自我制定扩展业务。

表1列举了PUS定义的各类业务。其中，除了3类未使用业务（业务7、10、16）外，目前有16类通用业务可用，且ECSS会随着航天技术的进步和使用需求的增长而不断对业务进行扩充。根据业务的应用范畴，可对16类业务进行归类。图2是丹麦TERMA公司生产的航天器操作软件提供的一种业务分类方式［7］。每类业务均有各自的使用特性，航天器设计部门可根据用户需求组合使用。

4）业务模型的直接输出物

ECSS PUS针对每类业务均定义了航天器监视与操作控制消息（SM&C）。SM&C具体包括地面用户对航天器操作或航天器自主操作时的各类消息格式（遥测遥控消息数据格式、功能管理消息数据格式、指令调度管理消息数据格式），消息的实现是基于CCSDS遥控包和遥测源包的基本格式，以确保与CCSDS各类协议的无缝衔接，能够使PUS顺利接入航天器子网和空间链路网络。

CCSDS定义的包副导头是可选的，而PUS则将该区域开辟为使用各类业务的格式定义，决定了提供业务的性质，因此该区域是必需的。业务与子业务的组合可用（x，y）表示，x和y分别为业务类型和子业务类型，组合代表的功能与航天器上实际的应用程序模块相对应，遥控包进行应用过程的选择和控制，遥测源包则反映了应用过程的执行结果。ECSS PUS并不限制航天器上实现应用程序的结构、方式和编程语言，可以根据航天机构各自的特点自行规划和实现，以图3中的遥控包为例进行数据格式的说明。

表1 PUS推荐业务Table 1 PUS recommended services

图2 TERMA公司业务分类方式Fig.2 Service classification of TERMA

图3 PUS消息格式说明Fig.3 PUS message form illustration

2.2 CCSDS

ECSS PUS取得的巨大成功和商业效益，在全球范围内引起了广泛的关注。2009年，CCSDS专门成立了研讨小组（归属于任务操作和信息管理业务领域），对PUS进行了专项研讨，拟对其再次修订后纳入CCSDS建议书中。PUS主要用于地面系统与航天器的交互支持，CCSDS在此基础上还将业务扩展为地面系统与地面系统、航天器与航天器之间的交互支持。

CCSDS SM&C工作组负责相关标准的制定，但与ECSS SM&C工作组的实施思路不同。CCSDS SM&C工作组将业务实施所涉及的操作概念标准、业务模型标准、操作信息数据结构标准分层分级的制定［8］，而ECSS SM&C工作组则是将以上三类标准合订为一本标准进行出版（即ECSS PUS）。截至目前，CCSDS在形成协议标准方面，主要成果为2010年颁布任务操作业务概念（MOSC）标准［9］，但与空间任务操作紧密相关的各类业务模型标准和操作信息数据结构标准，均未正式颁布，其中CCSDS只发展了监视与控制业务，其他业务还在规划中。规划中的业务标准包括时间业务、软件管理业务、规划业务、调度业务、自主操作业务、数据产品管理业务、位置业务、飞行动力学业务和终端缓冲区管理业务等。

表2对CCSDS MOSC业务和ECSS PUS业务进行了对比。可以看出，MOSC业务覆盖了全部的PUS业务，体现出MOSC业务对PUS成果的认可及扩展。通过绘制ECSS PUS和CCSDS MOSC的发展路线（见图4），可获得ESA和CCSDS关于空间任务实施操作的发展趋势。由图4可见，CCSDS空间包数据结构和空间任务操作业务共同的思想，使得CCSDS MOSC和ECSS PUS有基础且有条件进行融合［2］，最终成为统一体，使未来基于PUS的航天器和基于MOSC的地面系统成为航天领域的主流配置。

表2 CCSDS MOSC业务和ECSS PUS业务对比Table 2 Comparison between CCSDS MOSC and ECSS PUSservices

图4 ECSS PUS与CCSDS MOSC的发展路线Fig.4 Development road of ECSS PUS and CCSDS MOSC

3 ECSS PUS应用分析

鉴于ECSS PUS的成功应用（如表3所示），以及CCSDS MOSC还未颁布正式的业务标准，且ECSS PUS和CCSDS MOSC的共同目标是一致的，即为用户提供标准、自主管理及友好的航天器任务操作接口，本文重点对ECSS PUS的应用进行了研究。

ECSS PUS的典型特点为“可裁剪性”，如表3中的“金星快车”探测器，对自主性要求较强，裁剪性地选择了参数统计报告业务、事件报告业务、航天器指令调度业务、航天器监视业务和事件操作业务，即ECSS PUS是空间任务操作的全集，每个特定的空间任务需要的操作为ECSS PUS的子集，根据任务需求选取必要的业务，不必实现ECSS PUS的全部业务。图5给出了航天器任务功能实施与ECSS PUS业务选择的映射关系。

表3 应用ECSS PUS的航天器示例Table 3 Spacecraft using ECSS PUS

图5 航天器任务功能实施与ECSS PUS业务选择的映射关系Fig.5 Relationship between spacecraft mission and ECSS PUS service selection

ECSS PUS以航天器网络的应用层程序模块为载体，地面系统对航天器的操作通过空间链路网络实现。实现ECSS PUS的基本网络体系结构如图6所示［3］。由图6可知，应用层之前的消息传送均基于CCSDS源包或PUS源包。地面系统与航天器数据系统的链接依赖于空间链路协议，如遥测空间链路协议、遥控空间链路协议、高级在轨系统（AOS）空间链路协议等［10-12］。PUS源包可以通过航天器载接口业务（SOIS），也可以直接进入应用层。若采用SOIS航天器载子网结构，要同步配置子网层、子网支持层的系列化标准业务，包括CCSDS 850.0-G-1等［13］。若航天器不具备SOIS结构，则可以直接进入应用层。PUS业务隶属于应用层，应用层的各类应用过程实体承载着不同的业务模块，应用过程之间的关联与业务的映射组合对应了航天器不同的应用功能。这些应用功能的实现不是传统的依特定空间任务定制，而是依据用户任务需求对标准化业务的排列组合，可以选取构件化的软件模块作为应用功能的基本元素，并没有因任务不同而开发额外的定制程序，一旦标准业务构件数据库形成，则各类空间飞行任务均可共享（除非用户有特殊需求），因此可显著降低航天器的研制周期、生产成本和运营难度，为航天器研制方和地面用户带来双重效益。

图6 实现ECSS PUS的基本网络体系结构Fig.6 Basic network architecture of ECSS PUS

4 启示与建议

ECSS PUS作为目前欧洲航天机构普遍采用的用户与航天器交互操作的使用规范，取得了广泛的成功，为航天器用户和研制方带来了明显的商业效益和使用效能的提升。为此，CCSDS也对PUS的各项成果进行了吸收与采纳，并预备产生扩展性的国际标准。结合ECSS PUS的空间应用背景，可归纳其主要价值体现为以下两个方面。

（1）从运行约30年的成效来看，ECSS PUS在简化用户操作航天器流程，降低用户控制航天器难度，节约用户运营管理航天器成本，缩短航天器研制周期，降低航天器在轨运行风险（反复验证的应用层业务，使得功能实现十分可靠）等方面起到了重要的作用。

（2）为提高航天器的自主管理提供了技术手段。大量的标准化业务为航天器自主运行和控制提供应用层的接口和调度策略；灵活的扩展业务为特殊需求的自主控制操作提供可定制接口，能满足用户对航天器操作的友好性和地面管理航天器的便利性需求。

因此，ECSS PUS可为国内航天器研制单位提供有价值的参考。目前，在我国航天器的研制中，对国际空间数据系统标准的应用主要体现在空间网络的链路层、网络层及物理层的CCSDS标准，应用层标准的实现主要体现在图像压缩和编码等类似标准。由于这些标准并不能直接与用户的操作控制进行衔接，因此航天器操作控制层面的性能有待提升。特别是低轨遥感领域，卫星的非可控弧段时长占据整个弧段的90%以上，卫星自主操作就显得尤为重要。ECSS PUS为低轨遥感卫星提供了面向用户的操作接口，能够在应用层显著简化地面操作的复杂性，作为公认的应用层标准，得到了航天器总体设计单位越来越多的重视，并在航天器研制中被逐步推广应用。围绕着ECSS PUS的应用领域，在后续的研究中，应着重考虑基于空间子网SOIS的ECSS PUS的实施途径。

（

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［1］郭振伟，遇今，顾敏.航天器可靠性“系统保证”理念及相关技术探讨［C］//2012年航天可靠性学术交流会论文集.北京:中国航天标准化研究所，2012:97-101 Guo Zhenwei，Yu Jin，Gu Min.Idea and technique of spacecraft reliability“system guarantee”［C］//Proceedings of Space Reliability Academic Conference 2012.Beijing:China Aerospace Standard Institute，2012:97-101（in Chinese）

［2］Mario Merry，Sam Cooper，Brigitte Behal.What has CCSDS SM&C to do with ECSS PUS［C］//Proceedings of Space Operations 2010 Conference.Noordwijk: ECSS，2010:1-7

［3］Sam Cooper，Mario Merri.CCSDS mission operations［EB/OL］.［2013-06-05］.http://www.congrex.nl/1 1c22/docs/11C22_ADCSS/08---mission-operationservices---future-trends.pdf

［4］European Cooperation for Space Standardization.ESA PSS-07-101 Space engineering:packet utilisation standard［S］.Noordwijk:ECSS，1994

［5］European Cooperation for Space Standardization.ECSSE-70-41A Space engineering:ground systems and operations telemetry and telecommand packet utilization［S］.Noordwijk:ECSS，2003

［6］M Merri，B Melton，S Valera.The ECCS packet utilization standard and its support tool［C］//Proceedings of Space Operations 2002 Conference.Noordwijk:ECSS，2002:6-11

［7］TERMA.On-board operations software［R］.Lystrup: Space Engineering and Knowledge，1999

［8］Sam Cooper，Mario Merri.CCSDS mission operation services in space［C］//Proceedings of Space Operations 2012 Conference.Noordwijk:ECSS，2012:1065-1069

［9］CCSDS.CCSDS 520.0-G-3 Mission operations services concept［S］.Washington D.C.:CCSDS，2010

［10］CCSDS.CCSDS 132.0-B-1 TM space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2003

［11］CCSDS.CCSDS 232.0-B-1 TC space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2003

［12］CCSDS.CCSDS 732.0-B-2 AOS space data link protocol［S］.Washington D.C.:CCSDS，2006

［13］CCSDS.CCSDS 850.0-G-1 Spacecraft onboard interface services［S］.Washington D.C.:CCSDS，2007

（编辑：夏光）

Research on ECSS PUS and Its Applications

XU Hao1WANG Tonghuan1LIU Zhenxing2LEI Yong1MAO Yilan1
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100048，China）

Application standards for cross support and controlling are provided between ground users and spacecraft by the ECSS（European Cooperation for Space Standardization）PUS（packet utilization standard）which is validated through thirty-year orbit verification.The ECSS PUS is introduced systematically including standardized application range and specification，and is compared with the related CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）standards.The application function mapping and network system structure are proposed，and the application advice is also given，such as common mission management，autonomous mission management and autonomous health management，which may provide some references for bringing the ECSS PUS to space institute in China.

PUS；application service；autonomous management

V446.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.017

2014-01-09；

2014-03-11

徐浩，男，博士，高级工程师，从事遥感卫星空间数据系统总体设计工作。Email：xuhao2010@gmail.com。