遥控和遥测包应用标准在航天器中的使用方法

何熊文 张猛

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

遥控和遥测是地面操作人员对航天器实施控制以及监视的最基本手段。经过多年的发展，在空间数据链路协议上，空间数据系统咨询委员会（CCSDS）定义了遥测数据链路协议［1］、遥控数据链路协议［2］、高级在轨系统（AOS）［3］、邻近空间链路协议［4］4种标准。上述标准主要对数据链路层及其以下层次的协议进行了规定，其中包括数据帧的格式、交互操作等。对于与用户相关的高层应用数据，CCSDS标准只规定了外包装格式，例如在空间包协议［5］中规定了包的主导头格式，但没有对应用数据的格式进行规定，这样带来的问题是各航天器有着特定的遥控遥测应用数据格式，既不利于地面用户的操作，也不利于航天器上设备及软件的通用化。

针对上述问题，欧洲航天局（ESA）从20 世纪90年代开始对遥控遥测的标准化操作进行了研究，于1994年形成包应用标准（PUS）第一版，并在2003年根据航天器的应用情况进行了修订，形成了第二版［6］。目前，已有“罗塞塔”（Rosetta）、“X 射线多反射镜”（XMM）、“火星快车”（Mars Express）等航天器采用了该标准，ESA 还强制规定其后续所有航天器都采用这一标准。CCSDS的任务操作与信息管理业务领域工作组在2009年专门成立了兴趣小组，对PUS进行研究，拟对其进行再次修订后纳入到CCSDS建议书中。

目前，中国各航天器在地面操作以及遥控遥测的高层格式定义上，仍然处于航天器特定、未进行标准化的局面，由此带来了一系列问题，如重复的遥控遥测应用层格式制定、重复的设备研制、软件无法通用。本文对PUS标准在航天器中的应用方法研究，将有助于进一步实现遥控遥测的标准化，促进软件和设备的重用。

2 PUS主要特性

PUS标准是欧洲空间标准化合作组织（ECSS）标准系列中的一个，它定义了地面和航天器之间的应用层级别的接口，用来满足电气组装、测试及飞行操作的需求。该标准主要内容包括：①描述了地面对航天器操作的基本概念，涵盖了对航天器监视与控制的基本需求；②定义了16类业务，用于满足地面操作的需要。这一标准详细描述了地面如何利用这些业务进行标准化的操作，并且详细定义了业务请求（遥控包）和业务报告（遥测包）的数据格式。

2．1 PUS业务

PUS定义的业务如下。

（1）遥控确认业务：提供对遥控包每个执行阶段成功与否的确认，包含接收、开始执行、执行中和执行完成共4个阶段的确认。

（2）设备指令分发业务：提供3种指令的分发功能，包括分发开关指令、存储器加载指令和直接指令。

（3）内务和诊断数据报告业务：该业务与参数统计报告以及事件报告业务一起，为地面提供设备状态信息。航天器上有一组预定义的参数用于报告产生，这些定义也可以由地面修改、删除或增加。

（4）参数统计报告业务：用于向地面报告一个采样间隔内航天器上参数的最大值、最小值、平均值和标准偏差值。当航天器不在地面站覆盖范围时，使用该业务产生报告可以减少存储的数据量。

（5）事件报告业务：用于报告各种事件，如航天器故障或异常、航天器自主行为、各种操作的正常运行情况等。该业务共提供正常进展、低等级、中等级和高等级4个级别的事件报告子业务。

（6）内存管理业务：用于航天器上不同内存区域（如RAM 或大容量存储器）的管理，包括对相邻内存区域或几个不相邻内存区域的内容进行加载、下卸和检查。

（7）功能管理业务：提供一个标准的业务请求，用于执行应用进程的功能。这些功能是非标准的，如有效载荷仪器或平台分系统的操作控制，它们有自己的请求和报告数据结构。

（8）时间管理业务：提供控制时间报告产生速率的功能，包括改变时间报告产生频率和时间报告2个子业务。

（9）操作调度业务：提供延时遥控和程控功能，维持一个指令调度表。业务用户可以请求增加指令，或者使能／禁止／删除／时移／报告指令调度表中所有指令或一部分指令。

（10）监视业务：提供监视航天器上参数的功能。业务维持一个监视清单，在参数变化时产生事件报告。地面可以实施增加参数、修改参数监视信息、重置、报告清单信息、使能禁止参数监视等操作。

（11）大数据传输业务：用于传输大的业务数据单元。该业务把要传输的数据分成很多部分，每个部分被装在一个空间包中传输。这一业务提供确认和重传机制，保证数据的正确传送。

（12）包传送控制业务：用于控制遥测源包到地面的传送，地面可对特定业务类型的包进行使能禁止操作。

（13）存储和获取业务：提供包的存储功能，并在地面系统请求时进行存储数据的下传。该业务支持按时间段删除存储数据、按时间段下传存储数据和使能禁止存储等功能。

（14）测试业务：用于地面系统与航天器应用程序之间进行端对端的“连接测试”。

（15）操作程序业务：地面系统可以定义一组能加载到一个应用进程的操作程序，应用进程可以管理这些程序的存储及其随后在地面控制下的执行。

（16）事件-动作业务：作为对监视业务和事件报告业务的一个扩展。该业务可定义一个动作，当给定的事件被监测到时，业务自主执行该动作。该动作可以是标准定义或任务特定的遥控指令。

上述每一类业务都包含若干子业务，航天器在应用时，可以根据需求对上述业务以及子业务进行选择和裁剪。

2．2 PUS数据格式

PUS在CCSDS 标准定义的空间包格式基础上，对空间包的数据域导头以及应用数据的格式进行了详细定义，包括遥控包和遥测包。

PUS遥控包的数据域导头结构如表1 所示。在表1的导头结构中，通过业务类型和业务子类型唯一确定一种业务，通过应答指示航天器对遥控包的执行过程进行确认，源标识为可选字段，用于确定遥控包的发送方（例如地面或航天器）。

PUS遥测包的数据域导头如表2所示。与遥控包数据域导头相比，遥测包数据域导头增加了3个字段。它们分别为：①包-子计数，是一个独立的包计数器，该计数器与业务类型和业务子类型关联，在对应类型的包产生时增加；②目的标识，即遥测源包的目的地；③时间，标识包的产生时间，采用CCSDS规定的时间码格式。

除了对包主导头及包数据域导头的结构进行定义外，PUS标准对每种业务对应的数据域也进行了详细定义。

表1 PUS遥控包数据域导头结构Table 1 Structure of PUS telecommand packet data field header

表2 PUS遥测包数据域导头结构Table 2 Structure of PUS telemetry packet data field header

3 PUS应用方法

PUS标准是基于CCSDS定义的空间包而制定的，应用时一般需要低层数据链路协议的支持。为了在中国航天器上应用PUS，需解决如下几个方面的问题。

（1）在现行遥控遥测体制上，如何支持遥控包和遥测包的传输。

（2）应用PUS后，如何选择PUS业务满足现有航天器对遥控注入数据类型和遥测下行数据类型的要求。

（3）如何实现遥控包的接收、分发以及遥测包的产生和传输问题。

下面分别从遥控应用和遥测应用两方面，对这些问题的解决方法进行分析。

3．1 遥控应用

3．1．1 遥控数据链路协议选择

在遥控数据链路协议方面，目前中国大多数航天器采用PCM 遥控，指令格式分为直接指令帧和注入数据帧2 种［7］。这两种帧通过方式字进行区分，注入数据的格式则由各航天器自行定义。如果在不改变PCM 遥控体制的基础上应用PUS，则可以采用下面的方法。

（1）直接指令帧延续原有格式，仍通过方式字区分。（2）在注入数据帧的格式中，数据域为一个或多个PUS遥控包的组合，由于目前航天器中还通过方式字确定长度，长度为有限且固定的几种，因此，当有效数据的长度不足方式字规定的长度时，采用填充包进行填充，如图1所示。

图1 PCM 遥控注入数据帧格式Fig．1 Uplink data frame structure of PCM telecommand

如果航天器采用分包遥控，则采用下面的方法。

（1）PUS遥控包采用CCSDS遥控数据链路协议规定的虚拟信道包业务，放入遥控帧的数据域中，如图2所示。

（2）直接指令可采用两种方式来区分注入数据。一为采用专用的虚拟信道进行区分，在传输帧数据域中放入指令编码；二为采用PUS遥控包中专用的应用过程标识（Application Process ID，APID）进行区分，业务类型和子类型分别设为2 和3，即应用PUS的设备指令分发业务中的分发直接命令，在包数据域里放入指令编码。

图2 分包遥控注入数据帧格式Fig．2 Uplink data frame structure of packet telecommand

3．1．2 PUS业务选择

通过对目前中国遥感、导航、深空探测、通信、载人航天等领域内航天器常用遥控指令类型进行梳理，归纳出10类常用的指令，与PUS业务的对应关系如表3所示。从表3可以看出，大多数遥控注入数据类型都有相应的PUS业务与之对应。PUS标准支持对业务的裁剪，并规定业务类型值为128之后的业务由用户自行定义。因此，可以根据航天器需求从PUS标准中选择所需业务，并针对航天器特殊的遥控注入数据类型定义新的业务，以满足需求。

表3 常用遥控注入数据与PUS业务对应关系Table 3 Relationship between common telecommand data and PUS services

3．1．3 遥控包的接收及处理

采用PUS遥控包后，航天器上设备对遥控包的接收和处理与以往有所不同，以航天器数据管理系统通用规范［8］给出的分级分布式数管系统拓扑架构为例，一种可行的遥控包接收及处理过程如图3所示。在图3中，对于具备包处理能力的智能终端，中心计算机（CTU）根据APID 对遥控包进行分发，总线上传输的为标准的PUS遥控包，各分系统终端依据APID、业务类型、业务子类型对遥控数据类型进行区分。对于不具备包处理能力的终端，也可由CTU 对包进行解析后，通过总线分发指令到设备。

图3 遥控包接收及处理过程Fig．3 Telecommand packet reception and handling process

3．2 遥测应用

3．2．1 遥测数据链路协议选择

对于遥测数据链路协议，中国航天器中采用的协议包括PCM 遥测［9］和CCSDS的AOS协议。由于PCM 遥测很难实现包的灵活调度，建议采用AOS协议。通过AOS协议提供的包传输业务进行PUS遥测包的传输，目前在中国航天器上的应用已较为成熟，此处不再赘述。

3．2．2 PUS业务选择

通过对目前中国各类航天器下行遥测数据类型进行梳理，得到常用的遥测数据类型与PUS业务的对应关系，如表4所示。

表4 常用遥测数据与PUS业务对应关系Table 4 Relationship between common telemetry data and PUS services

从表4可以看出，PUS业务能满足大多数遥测数据类型的需求。通过应用标准的PUS业务，可以通过业务类型与业务子类型对遥测数据类别进行区分，便于航天器上以及地面的处理。例如，所有分系统的事件都采用事件报告业务产生，航天器可通过对业务类型和业务子类型的识别监测所有事件，并根据事件-动作业务预先定义的动作（如产生遥控指令）自动进行事件处理，实现故障监测以及恢复的自动化处理。

3．2．3 遥测包产生及传输

采用PUS业务后，各终端的交互将基于PUS包进行。一种可行的PUS遥测包产生及下行过程，如图4所示。

图4 遥测包处理过程Fig．4 Telemetry packet handling process

由图4可知，具备包处理能力的智能终端，可根据需要周期性或突发性产生不同类型的PUS遥测包，通过总线传输到CTU。每个分系统终端可以有1个或多个APID，通过业务类型和业务子类型区分遥测数据类型。CTU 通过总线按照一定的调度策略获得这些遥测包。对于目前航天器中常用的1553B 总线，其基于包的传输协议可参考ESA定义的1553B总线协议［10］。不具备包处理能力的终端，可产生原始数据，通过总线传输到CTU，CTU 根据预先定义的包类型及应用过程标识，负责将数据包装成PUS包，或从不同终端的数据中挑出数据并包装成PUS包。PUS遥测包的下行，则按照航天器特定的包调度策略和虚拟信道调度策略进行调度，生成的传输帧通过下行信道下行。

4 结束语

中国传统遥控遥测体制对高层应用数据未实现标准化的弊端，在越来越多的航天器任务应用中已明显体现出来，并制约着航天器的快速发展。采用PUS标准，将有助于实现中国航天器遥控遥测系统的全面标准化，有利于地面测试设备及测试软件、航天器设备及软件的通用化和产品化，从而缩短航天器研制周期，节约研制成本，提高开发效率。

本文提出的PUS标准在中国航天器遥控遥测中的使用方法，还有一些问题需要进一步研究。例如：当总线终端有多个PUS遥测包待传输，或者多个终端有紧急数据待传输时，如何通过合理的总线调度策略满足不同的传输需求；PUS遥测包下行的调度策略；PUS标准的构件化软件实现等。

（References）

［1］CCSDS．132．0-B-1 TM space data link protocol［S］．Washington：CCSDS，2003

［2］CCSDS．232．0-B-1 TC space data link protocol［S］．Washington：CCSDS，2003

［3］CCSDS．732．0-B-2 AOS space data link protocol［S］．Washington：CCSDS，2006

［4］CCSDS．211．0-B-4 Proximity-1space link protocoldata link layer［S］．Washington：CCSDS，2006

［5］CCSDS．133．0-B-1 Space packet protocol［S］．Washington：CCSDS，2003

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

［7］国防科学技术工业委员会．GJB 1198．1-91 卫星测控和数据管理 PCM 遥控［S］．北京：国防科学技术工业委员会，1992

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB 1198．1-91 Telemetry tracking command and data handling for satellite PCM telecom-mand［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，1992（in Chinese）

［8］国防科学技术工业委员会．GJB 5418-2005 航天器数据管理系统通用规范［S］．北京：国防科学技术工业委员会，2006

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB 5418-2005 General specification for spacecraft data handling system［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，2006（in Chinese）

［9］国防科学技术工业委员会．GJB 1198．1-92 卫星测控和数据管理 PCM 遥测［S］．北京：国防科学技术工业委员会，1992

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB 1198．1-92 Telemetry tracking command and data handling for satellite PCM telemetry［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，1992（in Chinese）

［10］European Cooperation for Space Standardization．ECSS-E-50-13Draft C interface and communication protocol for MIL-STD-1553B data bus onboard spacecraft［S］．Noordwijk：ECSS，2008