CCSDS空间链路协议体系分析

郭锦波+余谅

【摘要】 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。

【关键词】 CCSDS 空间链路协议

一、引言

空间数据系统咨询委员会CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）成立于1982年，是由多国空间组织共同组成的国际性标准化组织，致力于空间数据系统的标准化工作。其定义的协议体系结构包括： 应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。2008年，CCSDS在提出的IP over CCSDS Space Links红皮书草案中建议将空间特性尽可能地压缩到CCSDS的物理层和数据链路层，网络层及其以上各层尽量沿用地面网IP协议。这种通信模式不但能够更有效地利用因特网基础设施，而且可以方便地利用现有的网络技术和产品， 使得空间任务的成本大幅度降低。因此，加强底层协议特别是数据链路层协议的研究，提高空间点到点的可靠数据传输能力将具有十分重要的意义。

二、CCSDS空间链路协议

2.1 CCSDS空间链路协议发展

CCSDS标准发展早期，针对当时大量在轨运行的常规航天器和地基常规航天测控网，制定了适用于低中速率的COS（Common Orbiting System，常规在轨系统）协议。90年代后，为适应新的系统和新的空间任务，尤其是国际空间站和深空探测器等高级在轨飞行器对通信质量、速率和多种业务数据处理要求的需要，CCSDS在原COS协议基础上制定了适用于中、高数据速率的AOS（Advanced Orbiting System，高级在轨系统）协议。进入21世纪，通过单一的地面平台与在轨飞行器之间或通过中继卫星之间传递信息的模式已经无法满足大量航天任务的需求，为实现大量复杂的航天任务中对多种不同类型的航天器实施联合控制的需求，CCSDS制定了Prox-1（Proximity-1，邻近空间链路）协议，主要应用于探测器、着陆器、卫星星座及中继卫星之间的近距离通信。三组不同协议共同组成了空间链路协议体系，为上层空间包协议提供点到点可靠的数据传输服务。其结构如图1所示。

2.2 常规在轨系统（COS）空间链路协议

COS协议是为解决常规任务的空间数据系统提出的建议，是基于地面测控通信平台（包括测控中心和分布全球的若干测控站）完成飞行控制、卫星通信等早期通信任务提出的建议。其核心是遥测（TM）空间链路协议和遥控（TC）空间链路协议。

2.2.1遥测（TM）空间链路协议

通常用于返向链路从航天器发送遥测信息到地面。由于新一代航天器的星上信源自主能力得到加强以及数据源包的自主性、随机性和异步性等特点，在大数据量和高效传输业务的要求下，产生了分包遥测协议，它利用不同数据源产生的可变长度数据单元的源包以更有效的方式——虚拟信道（Virtual Channel）传送遥测数据。在轨飞行器产生的变长数据包按类型划分到不同虚拟信道，相同类型的数据占用同一虚拟信道，并形成信道传输所需的传送帧，多个虚拟信道复用成一条主信道，最终通过空地物理信道传送信息。这一过程使分包遥测在单一物理信道上实现了动态复用，提高了信道利用率。

2.2.2遥控（TC）空间链路协议

通常用于前向链路从地面发送指令到航天器。CCSDS针对大量复杂指令控制的要求提出了分包遥控建议，通过一个可变长度的非持续数据流从地面控制站向航天器传送分包遥控信号。

分包遥控采用分层体系结构，包括：物理层、信道编码层、分段层、分包层、系统管理层、应用过程层。其中，分段层使用“多路访问指针”技术，在虚拟信道复用之前先进行信道复用，将用于传输信道的总带宽划分成若干个子信道，每一个子信道传输一路信号。

同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，在各子信道之间设立隔离带，所有子信道传输的信号以并行的方式工作，这样极大地优化了信道的优先级分配，提高了传输效率。

2.3 高级在轨系统（AOS）空间链路协议

AOS在分包遥测的基础上发展而来， 将分包遥测标准扩展到能传送各种类型的在线数据，在星——地、地——星、星——星链路上都可以使用。AOS 适用于高速的上行和下行链路，可服务于空—空和空—地测控通信系统，同时双向传输数据、语音、图像、视频、实验数据等不同信息，满足高速率、大容量、多用户的数据处理和传输要求。AOS定义了CCSDS 主网（CCSDS Principal Network，简称CPN）的模型概念，向空间用户提供多种数据处理业务。所有参加CCSDS的空间系统在空间和地面之间建立了一个分层的网络化数据系统。在空间系统中起空间计划数据管理网的作用，提供端到端的数据传输以支持空间的用户任务。CPN模型包括：

（1）CCSDS 扩展星载子网。此子网包含卫星、飞船和空间站等航天设备。每个航天设备内部组成一个独立的网络体系，可以以局域网、MIL-STD-1553B或者光纤网为基础互联。

（2）CCSDS 扩展地面子网。此子网由地面的设备、系统及相应的数据接口组成，用来接收由星载网收集的空间系统数据。

（3）空间链路子网。此子网为星载网和地面网之间提供通信。

CPN模型如图2所示。

2.4 邻近-1（prox-1）空间链路协议

邻近-1空间链路协议是COS和AOS思想在邻近链路上的延伸，更能适应中等信号强度、时延短、通信过程短和独立等邻近链路特点，采用先握手互设参数后通信的方法，即在通信过程开始时，先通过一个联络信道以较低速率在通信双方之间完成一个请求或协商过程，以确保各种信道参数，从而建立通信信道。联络请求可以由通信双方中的任何一方发起，如对方未响应，发起方将大约每隔5.5s重新发起。邻近-1空间链路协议包括5个子层：

（1）编码和同步（coding and synchronization）子层。负责近距空间链路传输单元（ PLTU） 的定界和验证。

（2）传输帧（Frame）子层。负责对传输帧进行处理、验证过程。

（3）介质访问控制（ Medium Access control，MAC）子层。负责控制一个点对点通信会话过程的建立、维护和结束，以及通信过程中物理层参数的变化（如码速率的变化）。

（4）数据业务（ Data services）子层。定义了发送和接收帧操作的机制，在发送和接收两端配合完成一个交互操作的过程，称为近距空间链路协议的命令操作步骤（COPP），以保证在有信道噪声等引起的差错的情况下一个通信过程也能够正常完成。

（5）输入输出（ input/output）子层。负责提供应答机和星载数据系统之间的接口。

近距空间链路协议提供数据业务和计时业务。在数据业务中，当数据包不超过链路允许的帧最大数据域时，其被直接编排进传送帧；当这些数据包超过了链路允许的帧最大数据域时，数据包被分割成若干段，再编排进传送帧。计时业务为通信单元和基于时间的测距系统所提供的时间校准数据。

Prox-1数据传输业务提供两种质量等级：顺序业务和加急业务。顺序业务确保数据在空间链路间的依次可靠传输，在单次通信对话中无间隔、错误或重复，避免了对话中的控制程序和再同步。加急业务用于上层协议提供本身的重传特征或者异常的操作情况。

三、结束语

空间通信网络由各种无线异构网组成，时延大、高误码率、链路容量有限、链路中断以及上下行链路带宽不对称等链路中的问题是空间通信异于地面网络，无法将地面IP技术复制到空间领域的主要原因。

因此，进一步加强CCSDS空间链路协议的研究，使其能直接支持IPv4或IPv6数据报而无需任何中介融合层， 完成空基网络和地基网络的无缝链接，实现空间通信与地面通信融为一体的目标将是未来研究的主要方向。

目前，CCSDS标准在我国航天通信领域还未被全面、系统地采用， 仅在少数卫星的有效载荷应用数据的传输中实施了CCSDS标准。随着我国探月工程的深入及火星探测和其它深空任务的开始，还有“北斗卫星”组网通信等各项空间任务的发展，加大对空间通信协议体系的研究将对促进我国航天事业的发展具有重大的现实意义和深远影响。

参 考 文 献

[1]周君.基于CCSDS的空间数据链路协议研究与仿真[D].长沙：国防科学技术大学，2007.

[2]蒋迎春.CCSDS空间数据通信协议研究及其OPNET仿真[D]. 长沙：国防科学技术大学，2005.

[3]任放，赵和平.CCSDS邻近空间链路协议的初步探究[J].北华航天工业学院学报.2007，10.

[4]郭蕊 .IP over CCSDS空间通信网络[J].北京工业职业技术学院学报.2011，7.

[5]蒋立正. IP over CCSDS 空间组网通信关键技术研究[D].北京： 中国科学院空间科学与应用研究中心.2009.

[6]IP over CCSDS Space Links. Draft Recommended Practice，CCSDS.702.1 -R -3. Red Book. CCSDS Press，2008.

[7]TM Space Data Link Protocol.CCSDS.132.0-B-1.Blue Book.CCSDS Press，2003.

[8]TC Space Data Link Protocol.CCSDS.232.0-B-1.Blue Book.CCSDS Press，2003.

[9]AOS Space Data Link Protocol.CCSDS.732.0-B-2.Blue Book.CCSDS Press，2006.

[10]Proximity-1 Space Link Protocol-data link layer.CCSDS.211.0-R-3.Blue Book.CCSDS Press，2006.

（1）编码和同步（coding and synchronization）子层。负责近距空间链路传输单元（ PLTU） 的定界和验证。

（2）传输帧（Frame）子层。负责对传输帧进行处理、验证过程。

（3）介质访问控制（ Medium Access control，MAC）子层。负责控制一个点对点通信会话过程的建立、维护和结束，以及通信过程中物理层参数的变化（如码速率的变化）。

（4）数据业务（ Data services）子层。定义了发送和接收帧操作的机制，在发送和接收两端配合完成一个交互操作的过程，称为近距空间链路协议的命令操作步骤（COPP），以保证在有信道噪声等引起的差错的情况下一个通信过程也能够正常完成。

（5）输入输出（ input/output）子层。负责提供应答机和星载数据系统之间的接口。

近距空间链路协议提供数据业务和计时业务。在数据业务中，当数据包不超过链路允许的帧最大数据域时，其被直接编排进传送帧；当这些数据包超过了链路允许的帧最大数据域时，数据包被分割成若干段，再编排进传送帧。计时业务为通信单元和基于时间的测距系统所提供的时间校准数据。

Prox-1数据传输业务提供两种质量等级：顺序业务和加急业务。顺序业务确保数据在空间链路间的依次可靠传输，在单次通信对话中无间隔、错误或重复，避免了对话中的控制程序和再同步。加急业务用于上层协议提供本身的重传特征或者异常的操作情况。

三、结束语

空间通信网络由各种无线异构网组成，时延大、高误码率、链路容量有限、链路中断以及上下行链路带宽不对称等链路中的问题是空间通信异于地面网络，无法将地面IP技术复制到空间领域的主要原因。

因此，进一步加强CCSDS空间链路协议的研究，使其能直接支持IPv4或IPv6数据报而无需任何中介融合层， 完成空基网络和地基网络的无缝链接，实现空间通信与地面通信融为一体的目标将是未来研究的主要方向。

目前，CCSDS标准在我国航天通信领域还未被全面、系统地采用， 仅在少数卫星的有效载荷应用数据的传输中实施了CCSDS标准。随着我国探月工程的深入及火星探测和其它深空任务的开始，还有“北斗卫星”组网通信等各项空间任务的发展，加大对空间通信协议体系的研究将对促进我国航天事业的发展具有重大的现实意义和深远影响。

参 考 文 献

[1]周君.基于CCSDS的空间数据链路协议研究与仿真[D].长沙：国防科学技术大学，2007.

[2]蒋迎春.CCSDS空间数据通信协议研究及其OPNET仿真[D]. 长沙：国防科学技术大学，2005.

[3]任放，赵和平.CCSDS邻近空间链路协议的初步探究[J].北华航天工业学院学报.2007，10.

[4]郭蕊 .IP over CCSDS空间通信网络[J].北京工业职业技术学院学报.2011，7.

[5]蒋立正. IP over CCSDS 空间组网通信关键技术研究[D].北京： 中国科学院空间科学与应用研究中心.2009.

[6]IP over CCSDS Space Links. Draft Recommended Practice，CCSDS.702.1 -R -3. Red Book. CCSDS Press，2008.

[7]TM Space Data Link Protocol.CCSDS.132.0-B-1.Blue Book.CCSDS Press，2003.

[8]TC Space Data Link Protocol.CCSDS.232.0-B-1.Blue Book.CCSDS Press，2003.

[9]AOS Space Data Link Protocol.CCSDS.732.0-B-2.Blue Book.CCSDS Press，2006.

[10]Proximity-1 Space Link Protocol-data link layer.CCSDS.211.0-R-3.Blue Book.CCSDS Press，2006.

（1）编码和同步（coding and synchronization）子层。负责近距空间链路传输单元（ PLTU） 的定界和验证。

（2）传输帧（Frame）子层。负责对传输帧进行处理、验证过程。

（3）介质访问控制（ Medium Access control，MAC）子层。负责控制一个点对点通信会话过程的建立、维护和结束，以及通信过程中物理层参数的变化（如码速率的变化）。

（4）数据业务（ Data services）子层。定义了发送和接收帧操作的机制，在发送和接收两端配合完成一个交互操作的过程，称为近距空间链路协议的命令操作步骤（COPP），以保证在有信道噪声等引起的差错的情况下一个通信过程也能够正常完成。

（5）输入输出（ input/output）子层。负责提供应答机和星载数据系统之间的接口。

近距空间链路协议提供数据业务和计时业务。在数据业务中，当数据包不超过链路允许的帧最大数据域时，其被直接编排进传送帧；当这些数据包超过了链路允许的帧最大数据域时，数据包被分割成若干段，再编排进传送帧。计时业务为通信单元和基于时间的测距系统所提供的时间校准数据。

Prox-1数据传输业务提供两种质量等级：顺序业务和加急业务。顺序业务确保数据在空间链路间的依次可靠传输，在单次通信对话中无间隔、错误或重复，避免了对话中的控制程序和再同步。加急业务用于上层协议提供本身的重传特征或者异常的操作情况。

三、结束语

空间通信网络由各种无线异构网组成，时延大、高误码率、链路容量有限、链路中断以及上下行链路带宽不对称等链路中的问题是空间通信异于地面网络，无法将地面IP技术复制到空间领域的主要原因。

因此，进一步加强CCSDS空间链路协议的研究，使其能直接支持IPv4或IPv6数据报而无需任何中介融合层， 完成空基网络和地基网络的无缝链接，实现空间通信与地面通信融为一体的目标将是未来研究的主要方向。

目前，CCSDS标准在我国航天通信领域还未被全面、系统地采用， 仅在少数卫星的有效载荷应用数据的传输中实施了CCSDS标准。随着我国探月工程的深入及火星探测和其它深空任务的开始，还有“北斗卫星”组网通信等各项空间任务的发展，加大对空间通信协议体系的研究将对促进我国航天事业的发展具有重大的现实意义和深远影响。

参 考 文 献

[1]周君.基于CCSDS的空间数据链路协议研究与仿真[D].长沙：国防科学技术大学，2007.

[2]蒋迎春.CCSDS空间数据通信协议研究及其OPNET仿真[D]. 长沙：国防科学技术大学，2005.

[3]任放，赵和平.CCSDS邻近空间链路协议的初步探究[J].北华航天工业学院学报.2007，10.

[4]郭蕊 .IP over CCSDS空间通信网络[J].北京工业职业技术学院学报.2011，7.

[5]蒋立正. IP over CCSDS 空间组网通信关键技术研究[D].北京： 中国科学院空间科学与应用研究中心.2009.

[6]IP over CCSDS Space Links. Draft Recommended Practice，CCSDS.702.1 -R -3. Red Book. CCSDS Press，2008.

[7]TM Space Data Link Protocol.CCSDS.132.0-B-1.Blue Book.CCSDS Press，2003.

[8]TC Space Data Link Protocol.CCSDS.232.0-B-1.Blue Book.CCSDS Press，2003.

[9]AOS Space Data Link Protocol.CCSDS.732.0-B-2.Blue Book.CCSDS Press，2006.

[10]Proximity-1 Space Link Protocol-data link layer.CCSDS.211.0-R-3.Blue Book.CCSDS Press，2006.