CN109639679B - 一种适应北斗短报文的天基测控数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适应北斗短报文的天基测控数据格式设计方法，包括：遥测数据格式定义：通过套嵌封装完成组帧得到遥测帧；及遥测数据的帧长度在240Byte限制内，采用直接插入短报文方式；并且，将遥测帧分为含插入域和不含插入域；直接指令格式定义：长度不超过北斗短报文240Byte帧，通过直接插入短报文方式，遥控直接指令由引导码、指令码、执行序列和结束序列组成；数据注入指令格式定义：数据注入指令由引导码、长度信息、注入指令码和结束序列组成；并且，当注入指令码超过226Byte时，拆解成多包进行发送，同时增加一包奇偶校验冗余包。本发明对北斗短报文特点进行分析，对指令格式均做了适应性设计，为实现基于北斗短报文的航天器测控管理提供数据格式支撑。

Description

一种适应北斗短报文的天基测控数据传输方法

技术领域

本发明属于航天器测控技术领域，涉及一种适应北斗短报文的天基测控数据传输方法。

背景技术

随着商业卫星的发展,特别是中低轨卫星及星座的大批量发射，在轨商业卫星数量急剧增长，对测控特别是测控资源提出了新的挑战。

利用地球同步卫星的转发功能以实现对中、低轨道连续测控通信，或者利用中轨卫星星座的转发功能实现对低轨道的连续测控通信，均等效于提高了测控站的空间位置，增加对中、低轨航天器的测控通信覆盖度，具备轨道覆盖率高、实时性强、数传能力大、系统效费比高等特点，天基测控成为了测控系统发展的热点。

虽然中继卫星服务能力进一步得到提高，特别是中继卫星SMA天线提供的多址服务，使一颗中继卫星可以服务于多颗低轨卫星。但由于国内的中继星目前主要用于保障政府及军事应用，而且进行商业服务成本较高，无法满足日益增长的中低轨商用小卫星测控需求。同时，基于商业服务成本考虑，在国内外大量建设地基测控站网需较大经济投入，因此亟需发展新的综合型的天地一体化测控系统。

到2020年，我国将完成35颗北斗二代卫星发射组网，为各类用户提供更高精度、更为可靠的服务。北斗卫星除了提供时空基准外，它的一个重要功能是短消息传输功能，北斗二代卫星短报文通信信道支持普通用户最高传输速度为240Byte或120汉字/次，通信频次最高频度为1秒1次，利用北斗短报文功能开展近地轨道卫星天基测控成为研究热点。要实现基于北斗短报文的天基测控技术，首先第一步要解决适应北斗短报文的天基测控数据格式的问题，统一格式标准。

因此，亟需一种适应北斗短报文的天基测控数据格式，突破北斗短报文长度限制，同时增加测控数据传输的成功率，为实现基于北斗短报文的天基测控管理提供数据格式支撑。

发明内容

发明所要解决的课题是，突破现有方法中北斗短报文长度的限制，同时增加测控数据传输的成功率的问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出种适应北斗短报文的天基测控数据格式设计方法，通过对北斗短报文特点进行分析，设计了适应北斗短报文并符合AOS测控协议的遥测数据格式，适应北斗短报文的遥控直接指令格式，以及适应北斗短报文且高成功率的遥控数据注入指令格式。为实现基于北斗短报文的天基测控管理提供数据格式支撑。

本发明提出的一种适应北斗短报文的天基测控数据格式设计方法，包括以下步骤：

步骤1、遥测数据格式定义，包括：定义符合AOS测控协议的遥测数据格式，其由同步数据单元CADU、虚拟信道数据单元VCDU、复用业务数据单元MPDU和源包数据单元EPDU组成，通过套嵌封装完成组帧得到遥测帧；及遥测数据的帧长度在240Byte限制内，采用直接插入短报文方式；并且，将遥测帧分为含插入域和不含插入域两种，其中不含插入域的遥测帧按卫星下传周期下传遥测参数，及含插入域的遥测帧中包含重要遥测参数，并下传重要遥测参数；

步骤2、直接指令格式定义，包括：遥控直接指令长度不超过北斗短报文240Byte帧容量限制，通过直接插入短报文方式，以及遥控直接指令由引导码、指令码、执行序列和结束序列组成；

步骤3、数据注入指令格式定义，包括：遥控数据注入指令由引导码、长度信息、注入指令码和结束序列组成，其中引导码和长度信息占4Byte、结束序列为10Byte、每帧可发送的不定长的注入指令码数据最大为226Byte；

并且，当需发送的不定长的注入指令码超过226Byte时，将遥控数据注入指令拆解成多包进行发送，将报文拆成多个短报文，同时数据发送时增加一包奇偶校验冗余包；在源数据端发送Ｋ＋１个数据包的情况下，当接收端收到的数据包仅丢失一个数据包时完成源数据的恢复。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1中定义不含插入域的遥测帧的格式为：

不含插入域的遥测帧的VCDU长度共236Byte，其中主信道识别长度为5Byte、标志域长度为1Byte、数据域长度为228Byte、用于CRC校验的差错控制域长度为2Byte；所述数据域长度中M_PDU包域长度占用226Byte和导头长度为2Byte；并且，在VCDU前加上4Byte的同步标志即完成遥测数据组帧。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1中含插入域的遥测帧的格式为：

含插入域的遥测帧的VCDU长度共236Byte，其中主信道识别长度为5Byte、标志域长度为1Byte、插入域长度为20Byte、数据域长度为208Byte、用于CRC校验的差错控制域长度为2Byte；并且，在VCDU前加上4Byte的同步标志即完成遥测数据组帧。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中引导码由同步字、地址字、方式字组成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3中注入指令码格式由主导头、源数据以及校验和组成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3的注入指令码中源数据低于218Byte时填充0。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3的注入指令码中校验和为对主导头、源数据按字累加和取反所得到的16bit数据。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3的注入指令码分为大回路比对指令、时标指令和立即指令。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3中还包括当接收端所接收的只有基本校验包丢失时，则表明原始数据包已经成功传送至接收端，不需纠错；当接收端所接收的某个数据短报文丢失，则接收端根据基本校验包进行恢复。

发明效果为：

本发明的适应北斗短报文的天基测控数据格式设计方法，设计了适应北斗短报文并符合AOS测控协议的遥测数据格式，适应北斗短报文的直接指令格式，以及适应北斗短报文且高成功率的数据注入指令格式；因此，本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）本发明对北斗短报文特点进行分析，针对短报文数据量限制这个主要问题，对遥测数据格式和数据注入指令格式均做了适应性设计，为实现基于北斗短报文的航天器测控管理提供数据格式支撑。

（2）本发明为保证遥控指令的顺利执行，针对数据注入指令，设计包序列标识和原包序列技术，并新增冗余包，使接收端在单包丢失的情况下可以进行数据的恢复，辅以次数较少的重复传输，明显改善短报文正确接收概率。

（3）本发明设计的遥测数据格式符合CCSDS提出的AOS测控协议，以便基于该数据格式的北斗天基测控系统与国外测控系统进行对接，促进基于北斗短报文的天基测控服务国际合作。

附图说明

图1为本发明的天基测控数据格式设计方法的模式图。

图2为本发明CCSDS遥测帧结构图。

图3为本发明不含插入域遥测帧格式图。

图4为本发明含插入域遥测帧格式图。

图5为本发明直接指令格式图。

图6为本发明位数据注入指令格式图。

图7为本发明冗余包产生原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提出一种适应北斗短报文的天基测控数据格式设计方法，具体如图1所示，该方法设计了适应北斗短报文并符合AOS测控协议的遥测数据格式，适应北斗短报文的遥控直接指令格式，以及适应北斗短报文且高成功率的遥控数据注入指令格式；具体地，本发明方法包括以下步骤：

步骤1、遥测数据格式定义。

（1）首先，针对测控数据速率适应性设计；

根据北斗RDSS数据协议规定，北斗二代RDSS芯片收发信息的频度最高为1Hz频度，即1次/s，短报文电文帧长度最大为240Byte。

目前典型的测控数据流现状为：遥测速率2kbps至16kbps，其中实时遥测下传速率主要是2kbps至4kbps，更高速率的遥测传输主要用以支持延迟遥测数据下传。因天基测控可实现遥测数据的实时下传，故遥测速率满足2kbps至4kbps即可；遥控速率为1kbps至2kbps，遥控指令码的内容长度为2Byte至1024Byte。据此规划出短报文应用于天基测控的数据速率适应性设计，如表1所示。

根据北斗二代RDSS芯片的传输频度和电文帧长度，可得单片RDSS芯片的最大传输速率为1920bps。采用3块RDSS芯片共同工作，可达到最大5.625Kbps的传输速率，满足当前典型测控数据流的传输速率要求，再考虑冗余备份等因素，最终采用5块RDSS芯片共同工作。遥测数据和遥控直接指令的帧长度在240Byte限制内，采用直接插入短报文方式实现。对于遥控数据注入指令，当指令码长度超过226Byte，即数据注入指令帧长度超过240Byte时，则以240Byte为基本单元进行整数包分解后再行插入短报文。

2018年11月1日，我国成功发射首颗北斗三号系统的地球静止轨道卫星。北斗三号卫星的短报文服务在全面兼容北斗二号短报文服务基础上，将实现大容量短报文通信，通信容量提升10倍，这将更有助于实现基于北斗短报文的航天器测控管理。

（2）然后，进行遥测数据格式定义。

适应北斗短报文的天基测控遥测数据的格式符合AOS测控协议，由四种数据单元：同步数据单元CADU、虚拟信道数据单元VCDU、复用业务数据单元MPDU和源包数据单元EPDU组成，通过套嵌封装完成组帧，具体如图2所示。

因受北斗短报文240Byte帧容量限制，对于遥测帧数据域提出容量限制，每帧的数据域长度限定为240Byte，即遥测数据的帧长度在240Byte限制内，采用直接插入短报文方式。当卫星遥测参数的数量较多时，需要多帧遥测数据才能完成一次完整的星上数据下传，对于某些重要的遥测参数，下传间隔时间要求较短。故设计两类遥测数据帧格式。

一类的帧格式VCDU中不包含插入域，其中主信道识别长度为5Byte，标志域长度为1Byte，数据域长度为228Byte，用于CRC校验的差错控制域长度为2Byte。其中，不含插入域的遥测数据帧M_PDU包域长度是固定的228Byte，是一个虚拟信道数据单元VCDU中数据域的长度，其中包域长度占用226Byte，导头长度为2Byte；VCDU长度共为236Byte，在VCDU前加上4Byte的同步标志即完成遥测数据组帧，具体如图3所示。此遥测帧按卫星下传周期下传遥测参数，可尽量多的下传遥测参数；

另一类的VCDU中含有20Byte数据插入域，对含插入域VCDU长度为236Byte，其中主信道识别长度为5Byte，标志域长度为1Byte，插入域长度为20Byte，数据域长度长度为208Byte，用于CRC校验的差错控制域长度为2Byte；其中数据域缩减为208Byte，加上主信道识别长度、标志域长度与用于CRC校验的差错控制域长度共236Byte。在VCDU前加上4Byte的同步标志即完成遥测数据组帧，具体如图4所示。此数据插入域的遥测帧中包含重要遥测参数，且数据插入域用来下传重要的遥测参数，可提高重要遥测参数的下传频率。

步骤2、直接指令格式定义。

首先，遥控直接指令长度不超过北斗短报文240Byte帧容量限制，通过直接插入短报文方式即可；具体如图5所示，遥控直接指令由引导码、指令码、执行序列和结束序列组成；

引导码：长度3Byte，由同步字、地址字、方式字组成，其中同步字长度1Byte，固定同步字码；地址字长度1Byte，确定目标地址；方式字长度1Byte，定义指令形式。

指令码：遥控信息序列组成，根据不同指令类型定义指令码字，最短2Byte，最长支持225Byte。

执行序列：执行序列统一为1个执行图样，每个执行图样定义为2Byte，其中执行码字长度1Byte，固定的执行码字；执行码字校验信息长度1Byte，执行码字与引导码的相关校验值。

结束序列：长度为10Byte，内容为10个填充图样，如10个0xAA。

步骤3、数据注入指令格式定义。

数据注入指令格式定义如图6所示，遥控数据注入指令由引导码、长度信息、注入指令码和结束序列组成。对于引导码、长度信息、注入指令码的定义为：所述引导码和长度信息占4Byte、结束序列为10Byte、每帧可发送的不定长的注入指令码数据最大为226Byte，其具体如下：

引导码：长度3Byte，由同步字、地址字、方式字组成，其中同步字长度1Byte，固定同步字码；地址字长度1Byte，确定目标地址；方式字长度1Byte，定义指令形式。

长度信息：长度1Byte，数值为N，N为十六进制数，以2Byte为当量，即有效指令码长度为（N+1）×2Byte；

注入指令码：指令码最短8Byte，最长1024Byte，当超过226Byte，拆分为多包进行发送。注入指令码格式由三部分组成，它们是：主导头、源数据以及校验和，具体格式如表2所示，注入指令码中源数据不够218Byte时填充0，所述的具体格式如下：

注入指令码可分为大回路比对指令、时标指令和立即指令三大类。其中大回路比对指令，是需要经过地面验证正确后，地面发送执行指令，卫星平台接收到执行指令后，才会执行的指令。时标指令是带有绝对执行时间标记的指令，卫星平台需要实时判断时间标记，发现时间标记到达后在1秒内必须将指令执行，时标指令执行的优先级最高。立即指令是指卫星平台接收后，需要立即执行的指令。

版本号：版本应用定义。

类型：数据应用类型。

副导头标志：占用1bit。

应用过程识别，用于定义注入内容：

00000b，表示常规指令，只用单包传输即可完成；

00001b，程控序列修改指令；

00010b，选路快速下传指令；

00011b，在轨维护指令；

00100b，轨道根数指令；

00101b，向星敏感器转发指令。

分类标识：

000000b表示大回路比对指令。卫星平台收到大回路比对指令后暂不执行，地面可通过遥测参数对该指令的码字进行验证，平台收到地面发送执行指令后，顺序执行已收到的大回路比对指令。

010101b表示时标指令。时标指令是指包含时间信息的指令，卫星平台到达该时间后自动执行该指令。

111111b表示立即指令。卫星平台收到立即指令后，立即执行该指令内容。

101010b表示执行指令。卫星平台收到执行指令后，执行已收到的大回路比对指令。

包序列标识：对于需要多包传输的指令，用以标识每个遥控包在包序列中的位置，具体意义如下：

00表示包序列中的中间包；

01表示包序列中的第1包；

10表示包序列中的最后一包；

11表示独立包。

源包序列计数：

若包序列标识为00或者10时，则源包序列计数的内容为从1开始计数的当前包的序号；

若包序列标识为01时，则源包序列计数为包的总数；

若包序列标识为11，则源包序列计数为源数据中指令单元的个数。

包长：源数据长度n-1，单位为字。

源数据：有效的指令单元组合。

校验和：对主导头、源数据按字累加和取反所得到的16bit数据。

当需发送的不定长的注入指令码超过226Byte时，将遥控数据注入指令拆分为多包进行发送，将报文Ｍ拆成编号为１到ｋ的短报文，数据发送时增加一个奇偶校验包Ｃ，即冗余包的个数为一个。其冗余包产生原理如图7所示。

在源数据端发送Ｋ＋１个数据包的情况下，当接收端收到的数据包仅丢失一个数据包的情况下，完全可以经过异或运算进行恢复，完成源数据的恢复；当接收端所接收的只有基本校验包C丢失时，则表明原始数据包已经成功传送至接收端，不需纠错；当接收端所接收的某个数据短报文丢失，则接收端根据基本校验包C进行恢复，同时在保证带宽和时延的前提下，采用次数较少的重复传输，可明显改善短报文正确接收概率。

综上，本发明对北斗短报文特点进行分析，针对短报文数据量限制这个主要问题，对遥测数据格式和数据注入指令格式均做了适应性设计，为实现基于北斗短报文的航天器测控管理提供数据格式支撑。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，

所述传输方法包括下述步骤：

当以数据注入指令格式发送报文且需发送的不定长的注入指令码超过226Byte时，将数据注入指令拆解成多包进行发送，将报文拆成多个短报文，同时数据发送时增加一包奇偶校验冗余包；在源数据端发送Ｋ＋1个数据包的情况下，当接收端收到的数据包仅丢失一个数据包时完成源数据的恢复，

其中，所述适应北斗短报文的天基测控数据的格式包括遥测数据格式、直接指令格式和所述数据注入指令格式，其中，

遥测数据格式包括：符合AOS测控协议的遥测数据格式，其由同步数据单元CADU、虚拟信道数据单元VCDU、复用业务数据单元M_PDU和源包数据单元EPDU组成，通过套嵌封装完成组帧得到遥测帧；及遥测数据的帧长度在240Byte限制内，采用直接插入短报文方式；并且，将遥测帧分为含插入域和不含插入域两种，其中不含插入域的遥测帧按卫星下传周期下传遥测参数，及含插入域的遥测帧中包含重要遥测参数，并下传重要遥测参数；

直接指令格式包括：直接指令长度不超过北斗短报文240Byte帧容量限制，通过直接插入短报文方式，以及遥控直接指令由引导码、指令码、执行序列和结束序列组成；

数据注入指令格式包括：数据注入指令由引导码、长度信息、注入指令码和结束序列组成，其中引导码和长度信息占4Byte、结束序列为10Byte、每帧可发送的不定长的注入指令码数据最大为226Byte。

2.根据权利要求1所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述遥测数据格式中，不含插入域的遥测帧的格式为：

不含插入域的遥测帧的VCDU长度共236Byte，其中主信道识别长度为5Byte、标志域长度为1Byte、数据域长度为228Byte、用于CRC校验的差错控制域长度为2Byte；所述数据域长度中M_PDU包域长度占用226Byte和导头长度为2Byte；并且，在VCDU前加上4Byte的同步标志即完成遥测数据组帧。

3.根据权利要求1所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述遥测数据格式中，含插入域的遥测帧的格式为：

含插入域的遥测帧的VCDU长度共236Byte，其中主信道识别长度为5Byte、标志域长度为1Byte、插入域长度为20Byte、数据域长度为208Byte、用于CRC校验的差错控制域长度为2Byte；并且，在VCDU前加上4Byte的同步标志即完成遥测数据组帧。

4.根据权利要求1所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述直接指令中引导码由同步字、地址字、方式字组成。

5.根据权利要求1所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述数据注入指令的注入指令码格式由主导头、源数据以及校验和组成。

6.根据权利要求5所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述数据注入指令的注入指令码中源数据低于218Byte时填充0。

7.根据权利要求5所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述数据注入指令的注入指令码中校验和为对主导头、源数据按字累加和取反所得到的16bit数据。

8.根据权利要求1所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述数据注入指令的注入指令码分为大回路比对指令、时标指令和立即指令。

9.根据权利要求1所述的适应北斗短报文的天基测控数据传输方法，其特征在于，所述传输方法还包括当接收端所接收的只有基本校验包丢失时，则表明原始数据包已经成功传送至接收端，不需纠错；当接收端所接收的某个数据短报文丢失，则接收端根据基本校验包进行恢复。

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