CN105892345A - Pcm遥控体制和分包遥控体制融合设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其包括：当通过PCM遥控航天器的上行信道发送指令给分包遥控航天器时，在PCM遥控帧的遥控应用数据域填充分包遥控帧，由PCM航天器对上行遥控数据进行解析以识别出目标子网，并将上行遥控数据发送给分包遥控航天器；以及当通过分包遥控航天器的上行信道发送指令给PCM遥控航天器时，在分包遥控帧的遥控应用数据域填充PCM用户定义的遥控块，由分包遥控航天器对上行遥控数据进行解析以识别出目标子网，并将上行遥控数据发送给PCM遥控航天器。因此，本发明降低了开发难度，实现了航天器组合体或者航天器网络在轨遥控数据的统一管理，提高了遥控数据发送的灵活性和可靠性。

Description

PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，以下简称为PCM)遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，可用于多航天器组合体或者航天器网络的上行遥控体制设计。

背景技术

PCM遥控是传统的遥控体制，在我国航天器工程中已经使用了几十年，是一种成熟的遥控体制。地面将遥控数据输入遥控设备进行编码并格式化为航天器上可以识别的数字化字符，经过副载波调制和射频调制后进入无线信道。航天器上接收到遥控信号后经过载波解调和副载波解调后恢复出遥控PCM码字，经译码和格式识别后确定遥控数据的目标和内容，输出给各相关的航天器用户。我国制定了GJB1198.1A“航天器测控和数据管理第1部分：PCM遥控”，作为遥控体制设计的依据。

随着我国航天技术的发展，航天器数量增多，复杂程度提高，并且飞行任务难度增大，面对的空间环境越发复杂。传统遥控体制已经不能满足航天迅猛发展的要求。为了满足空间通信多数据业务和大数据量传输的要求，针对空间数据链路的特点。空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data System，以下简称为CCSDS)制定和修改了一套比较完善的空间数据链路协议，包括遥测(Telemetry，以下简称为TM)、遥控(Telecommand，以下简称为TC)、高级在轨系统(Advanced Orbiting Systems，以下简称为AOS)和Proximity-1等协议，以实现各种类型和特性的空间应用数据有效地通过空—地，地—空、空—空链路传输。在遥控领域，我国据此建立了自己的分包遥控国家军用标准GJB1198.7A“航天器测控和数据管理第7部分：分包遥控”，并且已经在新研航天器中产生了越来越广泛的应用。

目前，我国航天器处于两种遥控体制同时使用的状态，航天器间存在遥控数据通信需求，但使用不同遥控体制航天器之间遥控数据交互的数据格式定义上仍然处于空白状态，对航天器间的通信设计上带来不便。因此，急需一种多遥控体制融合设计的方案，通过对PCM体制和分包遥控体制的研究和分析，可灵活实现不同遥控体制之间航天器的遥控数据交互，从而该方案融合了PCM遥控体制和分包遥控体制的技术优势，无需改变我国现有航天器遥控硬件设计方案，以实现遥控路由灵活、可靠性高、继承性好等特点。

发明内容

目前新一代的航天器多采用分包遥控体制，部分在轨及新研航天器仍采用传统的PCM遥控体制。多航天器构成航天器组合体，航天器间组建星际网络时，航天器间存在在轨遥控通信的需求，如航天器组合体中，航天器A采用PCM遥控，航天器B采用分包遥控。如何最大限度的继承航天器A信息系统，只对软件进行适应性修改，就能实现两器间的遥控数据灵活交互，是多遥控体制融合设计的考虑初衷。

另外，每个航天器均具有一套遥控接收系统，在各个航天器独立工作时，接收地面站发送的遥控数据，实现对本航天器的控制。航天器组合体或者组网状态，某个航天器的遥控接收系统出现故障或者航天器处于非测控弧段等无法接收地面遥控的情况下，为实现该航天器的控制，通过其他航天器接收地面站指令，通过器间信息通道或无线信道(空空链路)将指令转发给非可控航天器，从而实现对该航天器的控制。这样就实现了对航天器组合体或者网络的多路径遥控，提高了地面对航天器遥控的可靠性。

本发明提供了一种PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，用于在航天器间进行遥控数据的交互时，在PCM遥控体制和分包遥控体制的基础上进行融合设计，以适应各种工作模式下的上行遥控数据传输需求。该方法包括：当通过PCM遥控航天器的上行信道发送指令给分包遥控航天器时，在PCM遥控帧的遥控应用数据域填充分包遥控帧，由PCM航天器的器载数据网络上的控制器对上行遥控数据进行解析以识别出目标子网，并将上行遥控数据发送给分包遥控航天器；以及当通过分包遥控航天器的上行信道发送指令给PCM遥控航天器时，在分包遥控帧的遥控应用数据域填充PCM用户定义的遥控块，由分包遥控航天器对上行遥控数据进行解析以识别出目标子网，并将上行遥控数据发送给PCM遥控航天器。

优选地，单个航天器的遥控数据被设计为在数据组织上基于PCM遥控体制的PCM遥控标准和分包遥控体制的分包遥控标准。各个航天器的直接指令帧均采用符合PCM遥控标准的PCM指令帧的格式。

PCM遥控帧的遥控应用数据域作为PCM遥控块，是数据注入的基本信息单元，并且至少由以下元素构成：块识别，用于表示PCM遥控块的开首；块类型，用于表示遥控块所生成的间接指令与注入数据的类型；块号，用于表示遥控块的序列号；有效数据区长度，用于表示遥控块的数据区域的有效数据的字节数；校验和，其计算方法为从PCM遥控块的块头至全部块数据区域的比特纵向异或；以及填充区，取决于块头、块数据和块尾的字节数是否满足PCM遥控帧的数据区的长度要求，并且如果不满足则填充，否则无填充区。

在步骤一中执行：确定块类型定义上行遥控数据注入是PCM遥控航天器需要执行的还是需要转发给分包遥控航天器的遥控数据，其中，块类型至少包括：本航天器控制器或者子网终端需要执行的指令、通过器间信息通道进行二次转发给分包遥控航天器的遥控数据。

在步骤一中还执行：如果通过PCM遥控航天器发送的指令为本航天器的指令，则在遥控块的数据区填充本航天器的遥控用户单元，并且PCM遥控航天器对上行遥控数据的注入帧进行解码后，数管系统执行相关指令或将上行遥控数据分发给本航天器的相关设备执行，其中，上述流程符合PCM遥控标准。

另外，在步骤一中还执行：如果通过PCM遥控航天器发送的指令为其它航天器的指令，则在遥控块的数据区填充分包遥控的遥控传输帧，并且PCM遥控传输器对PCM数据帧进行解析后，识别出遥控块的数据域为分包遥控航天器的上行遥控数据，通过器间信息通道将上行遥控数据转发给分包遥控航天器，在分包遥控航天器接收到遥控传输帧后，采用两种方式来区分注入数据，其中，上述流程符合分包遥控标准，以及两种方式为：通过遥控传输帧主导头的航天器标识符进行区分、和通过传输帧主导头的虚拟信道标识符进行区分。

在本发明中，在步骤二中执行：如果通过分包遥控航天器发送的指令为本航天器的指令，则在遥控包中的遥控应用数据区填充本航天器的遥控用户单元，分包遥控航天器对上行遥控数据进行分层解码后，并且数管系统执行相关指令或者将上行遥控数据转发给本航天器相关设备执行。

在步骤二中还执行：如果通过分包遥控航天器发送的指令为其他航天器的指令，则在遥控包中的遥控应用数据区填充PCM遥控块，分包遥控航天器对通信链路传输帧进行解码后，识别出有效数据类型为PCM遥控航天器的遥上行控数据，并通过器间信息通道将上行遥控数据转发给PCM遥控航天器。

额外地，步骤二还包括：将帧接收状态形成遥控链路控制字，通过PCM遥控航天器或分包遥控航天器的下行遥测信道返回给地面发送端，从而实现整个遥控链路的闭环。

因此，相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

1)采用两次分发的上行数据传输机制，特别适用于有舱段分离工作模式的航天器，使得组合、独立状态下的数据分发可统一设计，简化了工作模式变化带来的传输协议的变化，多航天器可并行开发，降低了开发难度，并且舱段各自建立内部子网的方式，使得子网内部结构可对外屏蔽，即可保证子网独立性，又可紧密连接为一体，很好的适应了航天器多舱段的组合、分离的工作状态；

2)采用了分包遥控体制，根据协议进行分层处理，为以后协议进一步拓展打下了基础，实现了航天器组合体或者航天器网络在轨遥控数据的统一管理，为航天器组合体研制以及航天器联网组成空间网络，甚至于与地面应用系统组成更复杂的网络提供了有益的实践基础；以及

3)对于航天器组合体或者航天器网络，如果单个航天器出现无法接收地面遥控数据的情况，仍可通过另一个航天器遥控接收模块接收数据指令，并通过器间信息通道转发给无法接收遥控的航天器，数据路由灵活，提高了遥控数据发送的灵活性和可靠性。

附图说明

图1示出了PCM直接指令数据帧格式；

图2示出了PCM遥控数据帧格式；

图3示出了本发明定义的PCM遥控块格式；

图4示出了本发明定义的PCM体制中填充遥控传输帧数据格式；

图5示出了分包遥控体制遥控数据结构示意图；

图6示出了分包遥控通信链路传输帧(Communication Link Transmission Unit，以下简称为CLTU)数据格式；

图7示出了分包遥控传输帧格式；

图8示出了分包遥控中遥控包格式；

图9示出了本发明定义的分包遥控应用数据格式；

图10示出了本发明定义的有效数据类型；以及

图11为本发明的航天器组合体系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-11及具体实施方式对本发明进行详细说明。

多航天器组合体或者航天器网络上在单个航天器的遥控数据在数据组织上参照PCM遥控标准或者分包遥控标准。航天器组合体间或者航天器间需要进行遥控数据的交互时，在上述两种遥控体制基础上进行融合设计以适应于各种工作模式下的上行遥控数据传输需求。

航天器上行遥控数据主要分为两种，一种为直接指令，一种为数据注入(含间接指令)。在本发明中，为最大程度继承我国航天器现有遥控模块硬件结构，各个航天器的直接指令帧仍均采用PCM指令帧格式(如图1所示)，符合GJB1198.1A“航天器测控和数据管理第1部分：PCM遥控”定义。

若地面需要对航天器上注数据时，分为以下两种情况进行说明：

PCM遥控航天器为主遥控信道

根据GJB1198.1A，PCM遥控数据注入经过编码后以码元序列表示，加上方式字和航天器地址同步字，构成遥控帧，格式如图2所示。不同帧通过方式字进行区分。在以PCM遥控航天器为主遥控信道，实现对航天器网络或者组合体的遥控时，可以采用如下方案。

遥控帧数据域由用户自行定义，本发明中定义为遥控块。是间接指令与注入数据的基本信息单元，遥控块结构如图3所示。

遥控块的特性如下：

块识别——表示一个遥控块的开首；

块类型——表示遥控块所生成的数据注入的类型；

块号——表示遥控块的序列号，其值为0或等于表示遥控应答的遥测参数值(数管分系统提供遥控应答和正确接收遥控块累计块计数等遥测参数)；

有效数据区长度——表示块数据区域有效数据的字节数(如果在块数据区的上行遥控数据不是字节的偶数倍，则需以一个字节的AAH填充，但有效数据区长度不包含块数据区的填充码)；

校验和——校验和的计算方法为从块头至全部块数据区域的bit纵向异或；以及

填充区——其存在与否取决于块头、块数据和块尾的字节数是否满足方案中遥控数据帧数据区长度的要求，若块头、块数据和块尾的字节数小于遥控帧数据区的长度要求则需要以若干个AAAA(十六进制)进行填充，即必须有填充区，否则无填充区。

通过图3中的块类型数据域来定义遥控块数据域中遥控数据是PCM遥控航天器本器需要执行的还是需要转发给分包遥控航天器的遥控数据，如数据块类型定义为：本航天器控制器或者其他子网终端需要执行的指令；需要通过器间信息通道进行二次转发给分包遥控航天器A的遥控数据；需要通过器间信息通道进行二次转发给分包遥控航天器B的遥控数据......。

如果通过PCM遥控航天器发送遥控数据为本航天器的指令时，遥控块的数据区填充本航天器的遥控用户单元。然后，PCM遥控航天器对遥控数据注入帧进行解码后，数管系统执行相关指令或者将遥控数据分发给本航天器相关设备执行。该过程符合PCM遥控标准。

如果通过PCM遥控航天器发送遥控数据为其他航天器的指令时，遥控块的数据区填充分包遥控的遥控传输帧，遥控数据结构示意图如图4所示。PCM遥控航天器解码出的遥控数据仍为PCM遥控帧，帧内遥控块的数据区定义为符合分包遥控标准的遥控传输帧，遥控传输帧格式如图7所示，符合GJB1198.7A“航天器测控和数据管理第7部分：分包遥控”定义。PCM遥控航天器对PCM数据帧进行解析后，识别出遥控块数据域为分包遥控航天器的遥控数据，则通过器间信息通道将遥控数据转发给分包遥控航天器。

分包遥控航天器接收到遥控传输帧后，可采用两种方式区分注入数据。一是通过遥控传输帧主导头的航天器标识符(Spacecrafi Identifier，以下简称为SCID)进行区分，二是通过传输帧主导头的虚拟信道标识符(Virtual Channel Identifier，以下简称为VCID)进行区分。该过程符合分包遥控标准。

分包遥控航天器为主遥控信道

数据注入采用分包遥控方案，数据结构采用分层结构，根据GJB1198A各层的数据结构及其关系如图5所示。

图6、图7、图8分别列出了分包遥控航天器遥控链路协议中通信链路传输帧(CLTU)、遥控传输帧以及遥控包的数据结构。其中，遥控包中遥控应用数据格式由用户自定义，在本发明中格式如图9所示。在遥控应用数据格式的有效数据类型中，除了定义分包遥控航天器本器直接执行的数据注入指令(实时指令序列、延时指令序列、内存加载、延时指令删除等)外，还需要定义转发给PCM遥控航天器的遥控注入类型(如图10所示)。转发给PCM遥控航天器遥控应用数据区中填充如图3定义的PCM遥控块。

如果通过分包遥控航天器发送遥控数据为本航天器的指令时，遥控包中遥控应用数据区填充本航天的遥控用户单元，然后，分包遥控航天器按照图5中结构对上行遥控数据进行分层解码后，数管系统执行相关指令或者将遥控数据转发给本航天器相关设备执行。

如果通过分包遥控航天器发送遥控数据为其他航天器的指令时，遥控包中遥控应用数据区填充PCM遥控块。分包遥控航天器按照图5中结构对通信链路传输帧进行解码后，识别出有效数据类型为PCM遥控航天器的遥控数据，则通过器间信息通道将遥控数据转发给PCM遥控航天器。

为了保证分包遥控数据的可靠传输，可以采用遥控操作规程(Communications OperationProcedure，以下简称为COP)作为发送端和接收端同步操作的闭环规程。航天器将帧接收状态形成遥控链路控制字(Communication Link Control Word，以下简称为CLCW)通过PCM遥控航天器或分包遥控航天器的下行遥测信道返回给地面发送端，实现整个遥控链路的闭环。

接下来，参考图11，以两航天器组合体为例，对本发明进行详细说明。图11示出了航天器系统信息的系统拓扑。

首先，分包遥控航天器上行数据流转过程如下。

链路层流转过程

链路层链路在接受到完整的CLTU之后，将执行以下步骤：

a)根据CLTU格式提取完整的遥控帧，放入帧队列；

b)从帧队列队首提取帧，并根据帧头中的航天器标识SCID查找对应的器载子网；

c)将该帧通过器载网络接口发送到对应子网的器载子网控制器；以及

d)重复上述步骤。

网络层流转过程

子网器载子网控制器在接受到完整的遥控帧之后，将执行以下步骤：

a)对遥控帧进行循环冗余码校验(Cyclic Redundancy Check，以下简称为CRC)正确性校验；

b)从正确的遥控帧中提取出完整的遥控包，放入包队列；

c)从包队列队首提取遥控包，并根据包头中的应用过程标识(Application ProcessIdentifier，以下简称为APID)查找对应的器载子网终端；

d)将该包通过器载子网发送到对应子网的器载子网终端；以及

e)重复上述步骤。

应用层流转过程

应用层在接收到遥控包之后，将执行以下步骤：

a)器载子网控制器收取自身的遥控包后取出完整的遥控应用数据，放入遥控应用数据队列；

b)从遥控应用数据队列首提取遥控应用数据，并根据遥控应用数据类型执行相应操作；

c)对于分包遥控航天器本器的器载子网网络控制器需要执行的遥控数据类型，分发给相应部件执行，而对于需要转发给PCM遥控航天器执行的遥控数据类型，通过器间信息通道转发给PCM遥控航天器的器载子网控制器；以及

d)重复上述步骤。

接下来，PCM遥控航天器的上行数据流转过程如下。应了解，PCM遥控没有分层的概念，PCM遥控航天器的器载子网控制器在接收到完整的遥控数据帧后，将执行以下步骤：

a)遥控注入软件对遥控数据帧的地址同步字和方式字进行识别，并通过串行加载指令接口将遥控数据帧传输到PCM遥控航天器的器载子网控制器；

b)对遥控数据帧进行CRC正确性校验；

c)器载子网控制器从遥控数据帧中提取出PCM遥控块，并进行正确性校验；

d)器载子网控制器根据遥控块中遥控块类型判断本遥控块应该控制器执行，或者转发给本器的器载网络终端执行，对于需要转发给分包遥控航天器的遥控数据，PCM遥控航天器器载子网控制器会根据遥控应用数据中的子网地址，将遥控数据通过器间信息通道分发给分包遥控航天器器载控制器执行；以及

e)重复上述步骤。

综上所述，本发明对上行遥控设计了两次分发的方式，第一次分发确定该数据的目的子网，第二次分发确定目的终端。通过两次分发，地面注入的数据可传送至指定的终端，特别适用于有舱段分离工作模式的航天器，使得组合、独立状态下的数据分发可统一设计，简化了工作模式变化带来的传输协议的变化，多航天器可并行开发，降低了开发难度，舱段各自建立内部子网的方式，使得子网内部结构可对外屏蔽，即可保证子网独立性，又可紧密连接为一体，很好的适应了航天器多舱段的组合、分离的工作状态。

另外，采用了分包遥控体制，根据协议进行分层处理，为以后协议进一步拓展打下了基础，实现了航天器组合体或者航天器网络在轨遥控数据的统一管理，为航天器组合体研制以及航天器联网组成空间网络，甚至于与地面应用系统组成更复杂的网络提供了有益的实践基础。

此外，对于航天器组合体或者航天器网络，如果单个航天器出现无法接收地面遥控数据的情况，仍可通过另一个航天器遥控接收模块接收数据指令，并通过器间信息通道转发给无法接收遥控的航天器，数据路由灵活，提高了遥控数据发送的灵活性和可靠性。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，用于在航天器间进行遥控数据的交互时，在PCM遥控体制和分包遥控体制的基础上进行融合设计，以适应各种工作模式下的上行遥控数据传输需求，其特征在于，包括：

当通过PCM遥控航天器的上行信道发送指令给分包遥控航天器时，在PCM遥控帧的遥控应用数据域填充分包遥控帧，由所述PCM航天器对上行遥控数据进行解析以识别出目标子网，并将所述上行遥控数据发送给所述分包遥控航天器；以及

当通过分包遥控航天器的上行信道发送指令给PCM遥控航天器时，在分包遥控帧的遥控应用数据域填充PCM用户定义的遥控块，由所述分包遥控航天器对上行遥控数据进行解析以识别出目标子网，并将所述上行遥控数据发送给所述PCM遥控航天器。

2.根据权利要求1所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，单个航天器的遥控数据被设计为在数据组织上基于所述PCM遥控体制的PCM遥控标准和所述分包遥控体制的分包遥控标准。

3.根据权利要求2所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，

各个航天器的直接指令帧均采用符合PCM遥控标准的PCM指令帧的格式。

4.根据权利要求3所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，所述PCM遥控帧的遥控应用数据域作为PCM遥控块，是间接指令与注入数据的基本信息单元，并且至少由以下元素构成：

块识别，用于表示所述PCM遥控块的开首；

块类型，用于表示所述遥控块所生成的间接指令与注入数据的类型；

块号，用于表示所述遥控块的序列号；

有效数据区长度，用于表示所述遥控块的数据区域的有效数据的字节数；

校验和，其计算方法为从所述PCM遥控块的块头至全部块数据区域的比特纵向异或；以及

填充区，取决于所述块头、块数据和块尾的字节数是否满足所述PCM遥控帧的数据区的长度要求，并且如果不满足则填充，否则无填充区。

5.根据权利要求4所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，在所述步骤一中执行：

确定所述块类型定义所述上行遥控数据注入的是所述PCM遥控航天器需要执行的还是需要转发给所述分包遥控航天器的遥控数据，

其中，所述块类型至少包括：本航天器控制器或者子网终端需要执行的指令、通过器间信息通道进行二次转发给分包遥控航天器的遥控数据。

6.根据权利要求5所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，在所述步骤一中还执行：

如果通过所述PCM遥控航天器发送的指令为本航天器的指令，则在所述遥控块的数据区填充本航天器的遥控用户单元，并且所述PCM遥控航天器对所述上行遥控数据的注入帧进行解码后，数管系统执行相关指令或将所述上行遥控数据分发给本航天器的相关设备执行，

其中，上述流程符合所述PCM遥控标准。

7.根据权利要求6所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，在所述步骤一中还执行：

如果通过所述PCM遥控航天器发送的指令为其它航天器的指令，则在所述遥控块的数据区填充分包遥控的遥控传输帧，并且所述PCM遥控传输器对PCM数据帧进行解析后，识别出所述遥控块的数据域为所述分包遥控航天器的上行遥控数据，通过器间信息通道将所述上行遥控数据转发给分包遥控航天器，在所述分包遥控航天器接收到所述遥控传输帧后，采用两种方式来区分注入数据。

8.根据权利要求7所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，

上述流程符合所述分包遥控标准，以及

所述两种方式为：通过遥控传输帧主导头的航天器标识符进行区分、和通过传输帧主导头的虚拟信道标识符进行区分。

9.根据权利要求3所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，在所述步骤二中执行：

如果通过所述分包遥控航天器发送的指令为本航天器的指令，则在遥控包中的遥控应用数据区填充本航天器的遥控用户单元，所述分包遥控航天器对所述上行遥控数据进行分层解码后，并且数管系统执行相关指令或者将上行遥控数据转发给本航天器相关设备执行。

10.根据权利要求9所述的PCM遥控体制和分包遥控体制融合设计方法，其特征在于，在所述步骤二中还执行：

如果通过所述分包遥控航天器发送的指令为其他航天器的指令，则在遥控包中的遥控应用数据区填充PCM遥控块，所述分包遥控航天器对通信链路传输帧进行解码后，识别出有效数据类型为所述PCM遥控航天器的遥上行控数据，并通过器间信息通道将所述上行遥控数据转发给所述PCM遥控航天器。