CN105099540A - 一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法 - Google Patents

一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法，包括步骤如下：地面端与卫星端进行数据传输；卫星系统设备/部件间进行重构数据传输与数据注入；地面端通过遥控遥测信息实时控制监测重构数据加载控制与状态。本发明能够同时支持单星与多星的乱序传输和断点续传，有效保证了数据的完整性与正确性，同时本发明支持设备间及设备内部件间的数据传输控制以及利用星上处理设备已有的测控数据传输通道与协议实现重构数据加载、状态监控与异常处理。有效保证了数据的完整性与正确性，同时本发明支持设备间及设备内部件间的数据传输控制以及利用星上处理设备已有的测控数据传输通道与协议实现重构数据加载、状态监控与异常处理。

Description

一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法
技术领域
本发明涉及一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法，可广泛应用于各类卫星处理类载荷的在轨功能重构设计与实现，属于卫星通信系统设计技术领域。
背景技术
对于卫星通信系统而言，具备系统在轨功能重构能力一方面可以通过在轨重构改变系统的原有功能，使系统具备新能力，及时响应适应市场及用户应用需求变化；另一方面，可以针对设计和实现方面的缺陷与不足，不断提高完善系统，使得系统具备在轨可修复、可改进能力。
传统功能重构方法较少关注系统级的功能重构，往往只针对特定设备/部件；重构文件数据通过星地专用传输通道传输，传输过程多采用改进的ARQ协议等加以控制，不支持跨星路由转发，不支持乱序传输、断点续传；设计的功能重构方法一般需要专用的重构控制设备，星上处理时只涉及到设备内器件间的重构数据传输，未设计通用的设备/部件间重构数据传输控制协议；重构数据加载、状态监控一般通过专用传输通道结合定制协议实现。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法，本发明能够同时支持单星与多星的乱序传输和断点续传，有效保证了数据的完整性与正确性，同时本发明支持设备间及设备内部件间的数据传输控制以及利用星上处理设备已有的测控数据传输通道与协议实现重构数据加载、状态监控与异常处理。
本发明的技术解决方案：
一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法包括步骤如下：
(1)地面端与卫星端进行数据传输：
(1a)地面端将重构源数据文件组成数据帧发送至卫星；
(1b)卫星解析接收到的地面端发送的数据帧，并对帧数据进行CRC校验以及计算数据帧偏移量，将接收数据写入对应存储区地址，写入结束后发送卫星成功接收响应到地面端；
(1c)地面端计算整个源数据文件的MD5摘要值，并将计算结果置入传输结束确认帧发送至卫星用于完成最终的确认过程；
(1d)卫星接收到地面发送端的传输结束确认帧后，计算接收到数据的MD5摘要值并与步骤(1c)发送的地面计算结果进行比对，比对无误后发送成功响应到地面端；
(2)卫星系统设备/部件间进行重构数据传输与数据注入：
(2a)判断重构数据注入对象是否为目标卫星系统重构主控设备，若是则计算注入数据整体MD5摘要值并同地面计算结果比对，若比对结果一致则发送数据加注成功状态指示至地面端，否则恢复处理状态并发送数据加注失败状态指示至地面端；若重构数据注入对象不是目标卫星系统重构主控设备，则将重构数据并按卫星设备/部件间重构数据传输帧格式组帧，根据不同的注入对象分别通过设备内通信接口、设备间通信接口依次发送重构数据传输帧至目标设备/部件；
(2b)目标设备/部件接收到重构数据传输帧后，首先判别该帧的注入对象是否为自身，若是则发送重构数据帧成功处理响应到目标卫星系统重构主控设备若不是，则发送失败处理响应到卫星系统重构主控设备；
(2b)目标卫星系统重构主控设备等待接收目标设备/部件的重构数据帧处理响应，若等待超时则尝试再次发送，若尝试多次均未收到应答且已超出最大重传次数，则不再发送，同时发送数据加注失败状态指示至地面端；若收到目标设备/部件的重构数据帧成功处理响应，则继续发送下一帧数据；
(2c)当所有注入数据传输完成后，目标卫星系统重构主控设备计算注入数据整体32位异或和校验值并发送至目标设备/部件；
(2d)目标设备/部件计算注入数据整体32位异或和校验值并同目标卫星系统重构主控设备计算结果比对，同时发送处理响应至目标卫星系统重构主控设备；
(2e)目标卫星系统重构主控设备根据目标设备/部件处理响应，生成并发送数据加注状态指示至地面端；
(3)地面端通过遥控遥测信息实时控制监测重构数据加载控制与状态。
步骤(1a)地面端将重构源数据文件组成数据帧发送至卫星的具体实施如下：
(1a1)读取源数据文件，生成待发送数据帧队列及用于快速检索发送帧的检索表，利用检索表可以快速定位并读取待发送帧；
(1a2)确定发送周期：地面发送端发送训练帧，根据发送训练帧的情况调整发送周期，发送周期的调整依据为：在每连续两帧发送周期间隔内均能顺利收到卫星接收端的成功响应；
(1a3)地面发送端按步骤(1a2)确定的周期利用检索表从待发送数据帧队列中顺序读取数据帧并进行发送；
(1a4)判断发送过程是否正常，若地面发送端收到卫星接收端的成功接收响应，则认为发送正常，从待发送帧检索表中删除卫星响应信息中接收帧号对应的检索表表项，并进入步骤(1a5)，否则认为发送异常，并返回步骤(1a2)中继续调整发送周期；
(1a5)判断待发送帧的检索表是否为空，若待发送帧检索表为空时，标志着整个源数据文件均已发送完成，此时发送端计算整个源数据文件的MD5摘要值，并将计算结果置入传输结束确认帧发送至卫星用于完成最终的确认过程，并进入步骤(1a6)；若待发送帧检索表不为空时，则继续向卫星发送数据；
(1a6)收到卫星的传输成功结束确认响应后，发送端结束整个传输过程。
步骤(1b)的具体实现方式如下：
(1b1)解析卫星接收到的地面端发送的数据帧，判别IP报文且目的IP对应的目标卫星系统重构主控设备，并判别是否为UDP报文且UDP端口号为重构业务端口，若是则唤醒侦听进程进行步骤(1b2)；
(1b2)从UDP报文中解析出重构上传数据帧，对帧数据进行CRC校验，校验无误后根据写入区段标识确定写入区段，根据帧号及数据帧长度计算偏移量，将接收数据写入对应存储区地址，写入结束后发送卫星成功接收响应到地面端；
(1b3)接收到地面发送端的传输结束确认帧后，计算写入区段中所有写入数据的MD5摘要值并与地面计算结果进行比对，比对无误后发送成功响应到地面段，一次传输过程结束。
步骤(3)地面端通过遥控遥测信息实时控制监测重构数据加载控制与状态的具体实施方式如下：
(3a)地面端通过发送遥控指令控制星上处理设备加载源文件；
(3b)地面端实时判别重构源数据文件上传、重构数据传输与注入、加载过程是否顺利完成；
(3c)发现异常时，通过发送RS422遥控指令控制星上处理设备切换至先前版本，待切换完成后再重新进行在轨功能重构工作。
本发明相对于现有技术的有益效果：
(1)本发明的重构数据传输与注入方法，设备间或特定设备内不同器件间采用统一的重构数据传输控制协议，设计充分考虑了星载设备的常见通信接口形式、器件存储能力、电路形式等特点，简化帧格式设计，降低校验算法实现复杂度，便于FPGA实现，同时又能保证传输数据的正确性、完整型。重构数据注入时，针对空间单粒子翻转问题，增加了汉明纠错码设计，可以实现注入数据的一位自动纠错、两位检错功能。
(2)本发明提出的系统重构数据加载、状态监测与异常处理方法均通过星载处理设备已有的RS422遥控、遥测通路实现，降低了实施难度，易于实现，大大降低了成本。
(3)本发明在发送数据之前首先通过训练帧的方式确定发送周期，星地传输链路具有长时延的特点，为了获取较高的传输效率，可以在传输过程的起始阶段安排发送少量的训练帧(允许重复发送，新帧内容直接覆盖旧帧，因而训练帧可直接采用某个实际的待发送帧)用于调整发送周期以获得满意的性能；发送周期的设定判据可定义为：在每连续两帧发送周期间隔内均能顺利收到卫星接收端的成功响应。
(4)本发明采用CRC算法保证单帧数据的正确性，同时利用MD5强校验算法可保证数据有序性、完整性、正确性的特性，使协议摆脱ARQ类协议要求传输帧发送顺序严格有序的设计约束，从而支持断点续传、乱序传输、重复发送。
(5)本发明设计的传输帧格式将重构数据视为一类业务，由地面发送端按卫星链路帧格式封装为UDP报文，使其能够支持网络层路由与应用层处理；星上处理时，通过目的IP判断报文目的地是否为自身，通过UDP报头的端口号区分是否为重构业务及是否需要唤醒后台侦听进程进行后续处理；否则对该报文进行路由转发处理，该处理方式使得数据传输更加准确、高效，大大提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明的卫星处理类载荷在轨功能重构总体方法示意图；
图2为本发明的重构数据文件地面上传方法星地处理流程图；
图3为本发明的待发送数据队列检索表与待发送数据队列示意图；
图4为本发明的设备/部件间重构数据传输控制与注入处理流程图；
具体实施方式
如图1所述，本发明选定同地面控制中心、目标卫星各处理设备具有双向数据传输通道，具备较强协议处理能力和一定数据缓存空间(满足FPGA/CPU配置文件的存储要求)的目标卫星特定处理设备作为系统重构主控设备；
本发明的方法步骤如下：
如图2、3所示，重构数据文件地面上传阶段，首先选定卫星系统重构主控设备。
地面端发送端的具体处理流程说明如下：
(1a)读取源数据文件，按图3生成待发送数据帧队列及用于快速检索发送帧的检索表，利用检索表可以快速定位并读取待发送帧(定位是通过检索表项实现的，通过检索表项可快速定位对应数据帧在待发送数据队列中的存储起始地址)；其后按表1帧格式逐帧提取待发送数据并完成数据封装；
表1地面端发送的重构数据帧格式
(1b)确定发送周期：地面发送端发送训练帧，根据发送训练帧的情况调整发送周期，发送周期的调整依据为：在每连续两帧发送周期间隔内均能顺利收到卫星接收端的成功响应；星地传输链路具有长时延的特点，为了获取较高的传输效率，可以在传输过程的起始阶段安排发送少量的训练帧(允许重复发送，新帧内容直接覆盖旧帧，因而训练帧可直接采用某个实际的待发送帧)用于调整发送周期以获得满意的性能；发送周期的设定判据可定义为：在每连续两帧发送周期间隔内均能顺利收到卫星接收端的成功响应；
(1c)地面发送端按步骤(1b)确定的周期利用检索表从待发送数据帧队列中顺序读取数据帧并进行发送；传输协议不要求发送端严格按帧序号进行发送，因而无需等到收到接收端有关上一帧的成功响应再进行下一帧的发送，这样就摆脱了ARQ类协议的约束；
(1d)判断发送过程是否正常，若发送端收到卫星接收端的成功接收响应，则认为发送正常，从待发送帧检索表中删除卫星响应信息中接收帧号对应的检索表表项，并进入步骤(1e)，否则认为发送异常，并返回步骤(1b)中继续调整发送周期；星地传输链路存在各种干扰、星载设备也有可能出现异常情形，地面发送端若在连续多个发送周期内(某个特定值)均未收到卫星响应信息时，应考虑认定出现了异常情形；此时可将当前发送帧作为训练帧进行发送，直至再次收到卫星接收端的成功响应后终止训练继续未完的传输过程；也可暂时中断传输，记录当前发送帧信息，间隔一段时间后再开始上述的训练发送过程；
(1e)判断待发送帧的检索表是否为空，若待发送帧检索表为空时，标志着整个源数据文件均已发送完成，此时地面发送端计算整个源数据文件的MD5(MessageDigestAlgorithm5，信息-摘要算法)摘要值，并将计算结果置入传输结束确认帧发送至卫星用于完成最终的确认过程，并进入步骤(1f)；若待发送帧检索表不为空时，则返回步骤(1c)继续发送；
(1f)收到卫星的传输成功结束确认响应后，发送端结束整个传输过程，一次完整传输结束。
空间段卫星接收端的具体处理流程说明如下：
(2a)解析卫星接收到的地面端发送的数据帧，判别IP报文且目的IP对应的目标卫星系统重构主控设备，并判别是否为UDP报文且UDP端口号为重构业务端口，若是则唤醒侦听进程进行步骤(2b)；
系统重构主控设备主要通过IP报文中的目的IP确定，也就是通过目的IP确定报文要送达的系统重构主控设备，系统重构设备再根据接收帧中的写入区段标识(表1)确定接收数据具体的注入对象(是主控设备内的部件/器件还是其他设备内的部件/器件)。因为多星系统中，报文不一定是能够直接传递给目标卫星的，中间可能需要别的卫星进行中继转发，也就是说需要多跳才能递到目标卫星，那么中间这些中继转发的卫星在处理时就需要判别这个报文是否直接传输给目标卫星系统重构主控。
(2b)从UDP报文中解析出重构上传数据帧，对帧数据进行CRC校验，校验无误后根据写入区段标识确定写入区段，根据帧号及数据帧长度计算偏移量，将接收数据写入对应存储区地址，写入结束后发送卫星成功接收响应到地面端；
(2c)接收到地面发送端的传输结束确认帧后，计算写入区段中所有写入数据的MD5摘要值并与地面计算结果进行比对，比对无误后发送成功响应到地面段，一次传输过程结束。
表2重构上传数据处理响应帧格式
如图4所示，卫星系统设备/部件间重构数据传输与数据注入阶段协议实施步骤如下：
(3a)判断重构数据注入对象是否为目标卫星系统重构主控设备，若是，则从存储区读取重构数据并写入非易失存储器，同时计算写入对应纠错编码数据，当数据写入完成后，计算注入数据整体MD5摘要值并同地面计算结果比对，若比对结果一致则发送数据加注成功状态指示至地面端，否则恢复处理状态并发送数据加注失败状态指示至地面端；
(3b)若重构数据注入对象非目标卫星系统重构主控设备，则从存储区中选择读取重构数据并按设备/部件间重构数据传输帧格式组帧(如表2所示)，根据不同的注入对象分别通过设备内通信接口、设备间通信接口依次发送重构数据传输帧至目标设备/部件；
表2重构数据传输帧格式组帧
(3c)目标设备/部件接收到重构数据传输帧后，首先判别该帧的注入对象是否为自身，若是则进一步计算单帧CRC是否正确；若接收数据正确，则根据帧序号计算数据写入的地址偏移量，将数据写入非易失存储器对应位置，同时计算写入注入数据对应的汉明纠错码数据(纠错码选用(38，32)，由汉明码(63，57)删余得到(前25位默认为0)，可实现1位纠错)；写入完成后，发送重构数据帧成功处理响应到卫星系统重构主控设备(重构数据帧成功响应格式如表3所示)，若该帧的注入对象不是自身则发送失败处理响应到卫星系统重构主控设备；
表3重构数据传输处理响应帧格式
(3d)卫星系统重构主控设备等待接收目标设备/部件的重构数据帧处理响应，若等待超时则尝试再次发送，若尝试多次均未收到应答且已超出最大重传次数，则不再发送，同时发送数据加注失败状态指示至地面端；若收到目标设备/部件的重构数据帧成功处理响应，则继续发送下一帧数据；
(3e)当所有注入数据传输完成后，卫星系统重构主控设备计算注入数据整体32位异或和校验值并发送至目标设备/部件；
(3f)目标设备/部件计算注入数据整体32位异或和校验值并同卫星系统重构主控设备计算结果比对，同时发送处理响应至主控节点；
(3g)卫星系统重构主控设备根据目标设备/部件处理响应，生成并发送数据加注状态指示至地面端，一次完整的重构数据传输与注入过程结束。
重构数据加载控制与状态评估处理阶段，实施步骤如下：
(4a)地面端通过发送RS422遥控指令控制星上处理设备加载地面上传的重构数据文件；
(4b)地面控制中心通过RS422遥测与工况信息判别重构数据文件上传、重构数据传输与注入、加载过程是否顺利完成；
(4c)发现异常时，通过发送RS422遥控指令控制星上处理设备切换至先前版本，待切换完成后再重新进行在轨功能重构工作。
下面具体解释下本发明的工作原理：
本发明的原理涉及四方面的问题：(1)如何保证重构数据文件地面上传的正确性、完整性；(2)如何实现不同设备/部件间重构数据的可靠传输与正确注入；(3)如何控制加载重构数据；(4)如何评估在轨重构状态，状态异常时如何处理。
选定同地面控制中心、目标卫星各处理设备具有双向数据传输通道，具备较强协议处理能力和一定数据缓存空间(满足FPGA/CPU配置文件的存储要求)的目标卫星特定处理设备作为卫星系统重构主控设备。
重构数据文件地面上传方法将星地传输控制的主导权放在地面，通过利用MD5强校验算法可保证数据有序性、完整性、正确性的特性，使协议摆脱ARQ类协议要求传输帧发送顺序严格有序的设计约束，从而支持断点续传、乱序传输等；通过增加地面IP/UDP数据封装和星上路由转发处理步骤，使得重构数据文件地面上传方法能够满足文件的跨星路由转发传输控制要求，可作为一类业务进行传输处理。
设备/部件间重构数据传输控制与数据注入方面，将设备/部件间传输控制的主导权放在星上主控节点，不同设备间或特定设备内不同器件间采用统一的重构数据传输控制协议，由重构主控节点完成组帧，按序逐帧发送并进行接收端处理状态判别与异常处理；由主控节点确定重构数据文件是否已完全发送，判断是否需要结束传输过程；帧格式设计兼顾设备间与设备内不同器件间的数据传输需求，兼顾单帧校验及完整数据文件的校验需求，设计的校验算法易于FPGA实现；重构数据帧可作为一类业务，同其他业务数据共用通信接口；数据注入时，针对空间单粒子翻转问题，增加了汉明纠错码设计，可以实现注入数据的一位自动纠错、两位检错功能。
重构数据加载控制与状态评估处理方面，通过星上处理设备已有RS422遥控/遥测通道发送RS422遥控指令控制星上处理设备加载相应版本的程序文件；地面控制中心通过RS422遥测与工况信息判别重构数据文件上传、重构数据传输与注入、加载过程是否顺利完成；发现异常时，通过发送RS422遥控指令控制星上处理设备切换至先前版本，待切换完成后再重新进行在轨功能重构工作。
本发明未公开的部分为本领域的公知常识。

Claims (4)

1.一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法，其特征在于包括步骤如下：
(1)地面端与卫星端进行数据传输：
(1a)地面端将重构源数据文件组成数据帧发送至卫星；
(1b)卫星解析接收到的地面端发送的数据帧，并对帧数据进行CRC校验以及计算数据帧偏移量，将接收数据写入对应存储区地址，写入结束后发送卫星成功接收响应到地面端；
(1c)地面端计算整个源数据文件的MD5摘要值，并与地面端发送的MD5摘要值进行比对，将比对结果置入传输结束确认帧发送至卫星用于完成最终的确认过程；(1d)卫星接收到地面发送端的传输结束确认帧后，计算接收到数据的MD5摘要值并与步骤(1c)发送的地面计算结果进行比对，比对无误后发送成功响应到地面端；
(2)卫星系统设备/部件间进行重构数据传输与数据注入：
(2a)判断重构数据注入对象是否为目标卫星系统重构主控设备，若是则计算注入数据整体MD5摘要值并同地面计算结果比对，若比对结果一致则发送数据加注成功状态指示至地面端，否则恢复处理状态并发送数据加注失败状态指示至地面端；若重构数据注入对象不是目标卫星系统重构主控设备，则将重构数据并按卫星设备/部件间重构数据传输帧格式组帧，根据不同的注入对象分别通过设备内通信接口、设备间通信接口依次发送重构数据传输帧至目标设备/部件；
(2b)目标设备/部件接收到重构数据传输帧后，首先判别该帧的注入对象是否为自身，若是则发送重构数据帧成功处理响应到目标卫星系统重构主控设备若不是，则发送失败处理响应到卫星系统重构主控设备；
(2b)目标卫星系统重构主控设备等待接收目标设备/部件的重构数据帧处理响应，若等待超时则尝试再次发送，若尝试多次均未收到应答且已超出最大重传次数，则不再发送，同时发送数据加注失败状态指示至地面端；若收到目标设备/部件的重构数据帧成功处理响应，则继续发送下一帧数据；
(2c)当所有注入数据传输完成后，目标卫星系统重构主控设备计算注入数据整体32位异或和校验值并发送至目标设备/部件；
(2d)目标设备/部件计算注入数据整体32位异或和校验值并同目标卫星系统重构主控设备计算结果比对，同时发送处理响应至目标卫星系统重构主控设备；
(2e)目标卫星系统重构主控设备根据目标设备/部件处理响应，生成并发送数据加注状态指示至地面端；
(3)地面端通过遥控遥测信息实时控制监测重构数据加载控制与状态。
2.根据权利要求1所述的一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法，其特征在于：所述步骤(1a)地面端将重构源数据文件组成数据帧发送至卫星的具体实施如下：
(1a1)读取源数据文件，生成待发送数据帧队列及用于快速检索发送帧的检索表，利用检索表可以快速定位并读取待发送帧；
(1a2)确定发送周期：地面发送端发送训练帧，根据发送训练帧的情况调整发送周期，发送周期的调整依据为：在每连续两帧发送周期间隔内均能顺利收到卫星接收端的成功响应；
(1a3)地面发送端按步骤(1a2)确定的周期利用检索表从待发送数据帧队列中顺序读取数据帧并进行发送；
(1a4)判断发送过程是否正常，若地面发送端收到卫星接收端的成功接收响应，则认为发送正常，从待发送帧检索表中删除卫星响应信息中接收帧号对应的检索表表项，并进入步骤(1a5)，否则认为发送异常，并返回步骤(1a2)中继续调整发送周期；
(1a5)判断待发送帧的检索表是否为空，若待发送帧检索表为空时，标志着整个源数据文件均已发送完成，此时发送端计算整个源数据文件的MD5摘要值，并将计算结果置入传输结束确认帧发送至卫星用于完成最终的确认过程，并进入步骤(1a6)；若待发送帧检索表不为空时，则继续向卫星发送数据；
(1a6)收到卫星的传输成功结束确认响应后，发送端结束整个传输过程。
3.根据权利要求1所述的一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法，其特征在于：所述步骤(1b)的具体实现方式如下：
(1b1)解析卫星接收到的地面端发送的数据帧，判别IP报文且目的IP对应的目标卫星系统重构主控设备，并判别是否为UDP报文且UDP端口号为重构业务端口，若是则唤醒侦听进程进行步骤(1b2)；
(1b2)从UDP报文中解析出重构上传数据帧，对帧数据进行CRC校验，校验无误后根据写入区段标识确定写入区段，根据帧号及数据帧长度计算偏移量，将接收数据写入对应存储区地址，写入结束后发送卫星成功接收响应到地面端；
(1b3)接收到地面发送端的传输结束确认帧后，计算写入区段中所有写入数据的MD5摘要值并与地面计算结果进行比对，比对无误后发送成功响应到地面段，一次传输过程结束。
4.根据权利要求1所述的一种卫星处理类载荷在轨功能重构方法，其特征在于：所述步骤(3)地面端通过遥控遥测信息实时控制监测重构数据加载控制与状态的具体实施方式如下：
(3a)地面端通过发送遥控指令控制星上处理设备加载源文件；
(3b)地面端实时判别重构源数据文件上传、重构数据传输与注入、加载过程是否顺利完成；
(3c)发现异常时，通过发送RS422遥控指令控制星上处理设备切换至先前版本，待切换完成后再重新进行在轨功能重构工作。
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