航天器空间数据链路标准简析

高宁 王恒 席涛 李楠

（宇航动力学国家重点实验室，西安，710043）

我国航天活动日益频繁，随着载人航天、月球探测、火星探测计划的不断进展，传统的空间信息传输方式已不适应未来空间活动的要求，主要表现为航天活动越来越复杂，深空探测、交会对接、星间链路以及分布式卫星编队和星座出现了群控、数据插入与融合等技术[1-2]。与此同时，随着航天器电子系统技术的发展以及测控、数管、数据传输、存储等相关系统的进步，航天装备的复杂程度和信息集成度越来越高，越来越向着技术体制一体化的方向发展，更高的信息利用率和传输效率等需求大大提升，对综合、通用、统一的空间数据链路协议的需求日益迫切。

在现阶段开展航天器空间数据链路协议的标准研究，进行空间数据链路协议标准的总体设计，整体规划空间数据链路协议体系，规范协议层次、协议种类、协议内容以及协议之间的关系，一方面，有利于建立统一的技术体制，促进工程大系统间各链路协议的统一，打通不同任务、不用型号、不同用户之间的技术壁垒；另一方面，为航天信息的获取、存储与分发提供统一的平台，促进航天信息的统一管理、高效共享和综合利用，对我国信息化建设将起到不可估量的促进作用[1-2]。

1 空间数据链路协议的概念与组成

空间数据链路协议主要研究将一个飞行器与其地面支持系统或另一个飞行器连接起来的全部点到点的通信链路技术，包括射频与调制、空间链路编码与同步、数据压缩等技术。

空间数据链路协议由5 层组成，从高层到低层分别为应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，如图1 所示。其中，数据链路层由数据链路协议子层、同步和信道编码子层组成。对各层的定义与功能要求如下。

图1 空间数据链路协议标准结构组成

a）应用层：为用户提供端到端的应用服务。如文件传输、消息传输、数据压缩、遥控遥测及用户应用过程定义的其他服务等。

b）传输层：为上层用户提供端到端的数据传输服务。其主要功能是当下一层（网络层）的服务质量不能满足要求时，用以提升服务质量，以满足上一层用户的要求。

c）网络层：为上层提供在整个空间数据系统中的路由服务。包括航天器器载系统（或称航天器子网）和地面网络（或称地面子网）。

d）数据链路层：包含数据链路协议子层、同步和信道编码子层2 个子层。其主要功能是对网络层及以上层提供多种类型的服务，支持不同类型、不同长度、不同QoS 的数据通过底层的物理层传输。

e）物理层：为上层提供由地面站到航天器或航天器与航天器之间的射频信道以及相应的操作。

2 国外空间数据链路标准

2.1 CCSDS 标准体系

空间数据系统咨询委员会[3-4]（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）是一个国际性空间组织，于1982 年成立，主要负责开发和采纳适合于空间通信和数据处理系统的各种通信协议和数据处理规范。CCSDS 包含CCSDS 管理委员会（CMC）和CCSDS 工程指导组（CESG）2个部分。其中，CMC 是CCSDS 的最高决策机构，CESG 包括系统工程域（SEA）、空间链路业务域（SLS）、航天器星载接口业务域（SOIS）、空间网络业务域（SIS）、任务操作与信息管理业务域（MOIMS）、交互支持业务域（CSS）6 个业务领域（Area），各业务领域间的关系如图2 所示。

图2 CCSDS 技术领域及相互关系

空间链路业务域负责开发空间链路通信系统（包括星地链路、星间链路）中物理层和数据链路层技术，用于端到端传输的数据压缩技术，以及用于定轨的测距技术[5]。其相关标准主要涉及到以下几个方向。

a）射频与调制：用于在可用频段实现地球周围航天器以及深空航天器遥控、遥测以及测距信号的高效双向传输，尽量在更窄的带宽内实现更高的数据回传。

b）信道编码及同步：为遥测遥控信息传输服务，包括空地、空空链路。未来将实现更高数据速率、更高的链路性能，并进一步降低成本、重量和功耗。

c）空间数据链路协议：为遥测遥控信息传输服务，包括空地、空空链路。

d）空间包及封装协议：将用户提供的数据单元不加改变的包装成一个符合空间数据链路协议格式要求的空间包或者包装包，一个单独的包至多包含一个数据单元，通过空间链路使用空间数据链路协议传输一系列变长的、有限的、字节对齐的数据单元。

e）数据压缩：降低有效数据速率和数据量，以便实现对空间链路带宽和在轨存储能力的最大化利用。

f）空间数据链路安全：在CCSDS 空间链路中为上行链路和下行链路的物理层和数据链路层提供安全功能操作。包括认证、完整性校验，抗重放攻击以及加密等。

g）光通信物理层和数据链路层：考虑到光通信链路的独特性，例如超高数据速率，地面站地理位置的分散性，以及大气（天气）影响等，建立实现光链路物理层和数据链路层互操作以及交互支持的标准业务通用框架。

目前已经发布的部分建议书见表1。

表1 部分CCSDS 空间数据链路标准

2.2 ECSS 标准

欧洲空间标准化合作组织（简称ECSS）于1993 年正式成立，是欧洲空间局（ESA）、欧洲各国航天局和欧洲工业协会的标准化合作组织，其成员包括主要国家航天局及其工业部门，ESA是其牵头单位。其成立的主要目的在于：解决欧洲空间共同体内各国在空间项目的合作中，由于使用不同的空间标准导致的空间项目研制成本的增高、效率降低、竞争力减弱等问题[6]。

ECSS 最新标准体系分为项目管理、产品保证、工程和可持续4 个子体系[7-8]，如图3 所示。根据空间数据链路的概念与范围，ECSS 标准体系中与之相关的标准属于空间工程子体系中的E50 通信标准分支，共16 项，见表2。

表2 ECSS 相关标准

图3 ECSS 体系框架示意图

2.3 国外空间数据链路标准内容

按照应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层的不同层次，对国外的空间数据链路协议标准进行简要介绍，见表3～表7。

表3 空间数据链路应用层相关标准

表4 空间数据链路传输层相关标准

表5 空间数据链路网络层相关标准

表6 空间数据链路层相关标准

表7 空间数据链路物理层相关标准

3 对我国开展空间数据链路协议研究的建议

我国的空间信息传输网络建设发展相对滞后，主要表现为空空、空地和邻近空间3 个部分传输协议尚未进行一体化、标准化设计，在开展空间任务时需要进行星地之间的协议转换；协议之间的互操作效率较低；不同卫星与地面之间采用的传输协议各不相同，且大多都是专用协议，这种情况在地面部分造成系统的兼容性、扩展性和可靠性较差，浪费了许多不必要的人力、物力资源，同时由于缺少符合国际标准的空间信息传输协议，更不利于将来与国际航天机构进行合作交流[9]。

我国早年航天测控标准主要源于IRIG 标准、ESA 标准以及CCSDS 早期标准。现有的国内标准中关于空间数据链路协议标准不多，仅对遥控、遥测、数据管理、测距、射频及调制、跟踪等具体专业进行了规定，但是标准项目不够系统，不能完全体现空间数据链路协议最新的发展趋势。同时，我国与ECSS、CCSDS 的体制、管理和研制模式是有区别的。由于历史原因，我国空间数据链路标准主要着眼于系统、分系统、设备的研制，存在大量产品规范，主要集中于物理层，而忽略了各类产品需要共同遵守的基础技术标准。

目前我国已经非常重视空间数据链路协议标准的编制工作，正在不断完善我国空间数据链路协议标准。对比国外空间数据链路标准协议，对我国开展相关研究的建议如下。

a）加强对空间数据链路协议标准群体系化建设的规划。CCSDS 协议采用分层架构，构建空间数据链路协议标准成体系，各标准之间的关系界定清楚，我国空间数据链路协议标准群的规划可借鉴CCSDS 的相关经验。

b）空间数据链路协议标准的制定要符合自身实际情况。ECSS 除了直接引用CCSDS 的成熟标准之外，还在CCSDS 的基础上根据自己的实际进行裁剪与进一步规定，这种做法值得借鉴。

c）注重标准的制定，更注重标准的使用。虽然标准一般是推荐使用，不具有强制性，但ECSS标准体系政策更注重标准的使用，这更有航天信息的共享和利用，我们也应积极推荐使用标准。

d）对于国际尚未成熟的深空测控通信协议标准，我国应积极开展相关技术研究，以指导深空领域测控通信工作的开展。

e）国家测控网与民商用测控网以及国际测控网间的合作是未来的发展趋势，因此编制空间数据链路协议应与国际标准接轨，将有助于促进在空间领域的军民融合、国际交互支持，提升我国的航天地位和国际话语权。