CN111917458B - 一种基于ccsds规范的空间数据处理节点装置 - Google Patents

一种基于ccsds规范的空间数据处理节点装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空间数据处理的技术领域，提供了一种基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置。包括：前向链路基带处理模块，用于完成前向链路的包括数据缓存、状态监测、帧符合性检测、信道接收处理和数据输出处理在内的基带数据处理功能；返向链路基带处理模块，用于完成返向链路的包括数据缓存、通道复用、数据路由、包解析、业务数据优先级调度、安全处理、流量控制和信道发送处理在内的基带数据处理功能；参数配置及健康遥测模块，用于通过总线完成参数配置和健康遥测管理功能。采用可编程逻辑FPGA设计完成了基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，实现了空间数据的直接传输，节约了协议开销，降低了数据的处理延时。

Description

一种基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置
技术领域
本发明涉及空间数据处理的技术领域，尤其涉及一种基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置。
背景技术
随着航天技术的发展，航天任务日益复杂，卫星组网和互联互通需求日益增多。当前天基网络大多借鉴地面成熟的TCP/IP网络标准，TCP/IP协议簇对网络的稳定性、连通性要求很高；而由于卫星的稀疏性、高度移动性、通信范围的有限性，往往不存在一条持续的、稳定的、端到端之间的通路，此外空间链路还具有高误码、高时延和链路带宽不对称的特点，因此TCP/IP不太适用于空间链路中的消息传输。
另一方面，信息传输在空间段普遍采用CCSDS(Consultative Committee forSpace Data Systems,国际空间数据系统咨询委员会)协议规范，若卫星和地面均采用TCP/IP协议，需增加定制设备完成CCSDS协议与TCP/IP协议的转换。此外，采用TCP/IP协议开销较大，极大的浪费了空间链路宝贵的带宽资源。且卫星网络大多属于小型稀疏网络，在卫星系统实现TCP/IP协议优势不足。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，利用CCSDS协议规范中的源飞行器标识、虚拟通道标识和插入信息(包括目标飞行器标识、传输通道、生命周期)完成空间链路数据的路由和安全管理，并支持在轨服务参数的灵活配置，可满足小型卫星网络的星间通信。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，采用可编程逻辑FPGA(FieldProgrammable Gate Array，在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路)，基于CCSDS规范的空间数据处理，包括：前向链路基带处理模块、返向链路基带处理模块、参数配置及健康遥测模块；
所述前向链路基带处理模块，用于完成前向链路的包括数据缓存、状态监测、帧符合性检测、信道接收处理和数据输出处理在内的基带数据处理功能；
所述返向链路基带处理模块，用于完成返向链路的包括数据缓存、通道复用、数据路由、包解析、业务数据优先级调度、安全处理、流量控制和信道发送处理在内的基带数据处理功能；
所述参数配置及健康遥测模块，用于通过总线完成参数配置和健康遥测管理功能。
进一步地，基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，还包括：
所述空间数据符合CCSDS规范，且在CCSDS帧格式的插入域插入包括目标飞行器标识、发送节点标识和消息生命周期在内的信息。
进一步地，所述前向链路基带处理模块，还包括：
前向链路数据缓存单元，用于采用FPGA内部的双口RAM完成数据接收，对检测到不合法的CCSDS帧丢弃处理，并给出遥测；
前向链路状态监测单元，用于完成前向链路的CCSDS数据帧同步头、帧长和链接状态的实时监测，并将检测结果发送给所述参数配置及监控遥测模块；
前向链路帧符合性检测单元，用于读取CCSDS帧中的源飞行器标识，剔除与本星飞行器标识相同的CCSDS帧，避免数据兜圈，并读取CCSDS帧的虚拟信道标识，剔除空闲帧和链路测试帧；
前向链路信道处理单元，用于依据卫星应用需求完成包括信道译码和信道解密在内的信道处理功能，信道处理功能通过包括XMC子卡在内的形式进行扩展。
进一步地，所述返向链路基带处理模块，还包括：
返向链路通道复用单元，用于将N路来自所述前向链路基带处理模块加工后输出的CCSDS数据帧或/和1路本星发往空间链路的CCSDS数据帧按链路优先级关系表进行通道复用；
返向链路端口路由单元，用于读取本星飞行器标识、节点标识、端口路由矩阵和CCSDS帧中的目标飞行器标识，将通道复用的数据进行解析后分发给本星用户；
返向链路链路路由单元，用于读取本星飞行器标识、节点标识、链路路由矩阵和CCSDS帧中的目标飞行器标识，将通道复用后的数据进行路由；
返向链路业务分级单元，用于读取链路路由后CCSDS帧中虚拟通道标识，根据用于表示业务轻重缓急的业务分级表进行分类缓存；
返向链路信息安全控制单元，用于读取CCSDS帧格式中的目标飞行器标识，剔除与本星飞行器标识相同的CCSDS帧；读取生命周期，若生命周期为0，则剔除该CCSDS帧；若生命周期不为0，则生命周期递减一次；
返向链路流量控制单元，用于按所述业务分级表中指定的发送链路速率进行优先级发送，依次发送高优先级业务数据、中优先级业务数据和低优先级业务数据；
返向链路信道处理单元，用于依据卫星应用需求完成包括信道编码和信道加密在内的信道处理功能，信道处理功能通过包括所述XMC子卡在内的形式进行扩展。
进一步地，所述链路优先级关系表、所述端口路由矩阵、所述链路路由矩阵、所述业务分级表，支持通过所述参数配置及健康遥测模块对其进行在轨更新。
进一步地，返向链路的发送链路速率，支持通过所述参数配置及健康遥测模块对其进行在轨更新。
进一步地，当返向链路的带宽不足时，按所述业务分级表依次丢弃所述低优先级业务数据、所述中优先级业务数据和所述高优先级业务数据；
当返向链路带宽有余量时，插入空闲帧保持信道连续。
进一步地，信道处理的所述XMC子卡依据卫星实际应用需求完成不同强度的加解密算法、不同纠错能力的编译码算法。
进一步地，所述参数配置及健康遥测模块采集所述前向链路状态监测单元、所述前向链路帧符合性检测单元、所述返向链路信息安全控制单元和所述返向链路流量控制单元的健康遥测信息，并打包发往总线，交由总线控制器进行仲裁。
进一步地，所述健康遥测信息包括对前向链路输入时钟的连续性、前向链路输入帧格式的正确性、返向链路输出帧格式的合法性和返向链路输出流量状态进行识别。
与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益效果是：
(1)采用可编程逻辑(FPGA)设计完成了基于CCSDS规范的空间链路信道处理，无需额外的转换装置，可直接用于空间传输，节约了协议开销，降低了数据的处理延时。
(2)前向链路和返向链路基带处理完全独立，满足了空间链路带宽不对称的应用需求，提高了卫星应用的能效比。
(3)前向链路和返向链路信道处理采用XMC子卡设计，实现了不同纠错能力的编解码算法和不同强度的加解密算法等，提高了节点装置的通用化程度。
附图说明
图1为本发明的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置的整体结构图；
图2为本发明的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置原理框图；
图3为本发明基于CCSDS规范的空间数据帧格式。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
实施例
如图1的结构图与图2的原理框图所示，本实施例提供了一种基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，选用ACTEL公司的反熔丝FPGA(AX2000-CG624M)实现，包含基于CCSDS规范的空间数据前向链路基带处理模块1、返向链路基带处理模块2和参数配置及健康遥测模块3三个部分。
其中，所述前向链路基带处理模块1，用于完成包括数据缓存、状态监测、帧符合性检测、信道接收处理(包含信道译码、解密等)和数据输出在内的基带数据处理功能。
所述返向链路基带处理模块2，用于完成返向链路的包括数据缓存、通道复用、数据路由、包解析、业务数据优先级调度、安全处理、流量控制和信道发送处理(包含信道编码、加密等)在内的基带数据处理功能。
所述参数配置及健康遥测模块3，用于通过总线完成参数配置和健康遥测管理功能。
本实施例中，利用外部的SDRAM完成返向链路数据的分区存储；采用外部的MRAM完成链路优先级关系表、端口路由矩阵和链路路由矩阵的存储，支持在轨更新；采用PROM完成源飞行器标识、节点标识、初始链路优先级关系表、初始端口路由矩阵和初始链路路由矩阵的存储。
本实施例中，CCSDS帧格式如图3所示，帧长为1024字节，帧头为0x1ACFFC1D，源飞行器标识、目标飞行器标识为1个字节，节点标识和生命周期为4比特。
本实施例中，所述前向链路数据缓存单元11，用于采用FPGA内部的双口RAM完成数据接收，对检测到不合法的CCSDS帧丢弃处理，并给出遥测。
所述前向链路状态监测单元12，用于完成对CCSDS数据帧同步头是否为0x1ACFFC1D、虚拟信道单元帧长是否为892个字节、编码区帧长是否为128字节进行判别；对输入时钟的连续性进行识别，并将监测结果发送给所述参数配置及监控遥测模块3。
所述前向链路帧符合性检测单元13，用于读取CCSDS帧中的源飞行器标识，剔除与本星飞行器标识相同的CCSDS帧，避免数据兜圈；并读取CCSDS帧的虚拟信道标识，剔除空闲帧和链路测试帧；空闲帧和链路测试帧的虚拟信道标识分别设置为“11111”、“000000”。
所述前向链路信道处理单元14，完成LDPC信道译码和分组加密算法信道解密；LDPC译码XMC子卡核心处理器采用Xilinx公司XQ5VFX130T完成，分组加密算法解密XMC子卡核心处理器采用ACTEL公司的AX2000完成；
本实施例中，所述返向链路通道复用单元21，用于将N路来自前向链路基带处理模块加工后输出的CCSDS数据帧或/和1路本星发往空间链路的CCSDS数据帧按链路优先级关系表进行通道复用；本实施例中，默认链路优先级关系表如表1所示。
表1链路优先级关系表
Figure BDA0002623252960000061
Figure BDA0002623252960000071
所述返向链路端口路由单元22，用于读取本星飞行器标识、节点标识和端口路由矩阵和CCSDS帧中的目标飞行器标识，将通道复用的数据进行解析后分发给本星用户。
所述返向链路链路路由单元23，用于读取本星飞行器标识、节点标识、链路路由矩阵和CCSDS帧中的目标飞行器标识，将通道复用后的数据进行路由。
所述返向链路业务分级单元24，用于读取链路路由后CCSDS帧中虚拟通道标识，根据业务的业务分级表(业务轻重缓急)进行分类缓存。
所述返向链路信息安全控制单元25，用于读取CCSDS帧格式中的目标飞行器标识，剔除与本星飞行器标识相同的CCSDS帧；读取生命周期，若生命周期为0，则剔除该CCSDS帧；若生命周期不为0，则生命周期递减一次。
所述返向链路流量控制单元26，用于按业务分级表以指定的发送链路速率进行优先级发送，依次发送高优先级业务数据、中优先级业务数据和低优先级业务数据。
所述返向链路信道处理单元27，用于依据卫星应用需求完成LDPC信道编码和分组加密算法信道加密功能，LDPC编码XMC子卡核心处理器采用ACTEL公司的AX2000完成，分组加密算法加密XMC子卡核心处理器采用ACTEL公司的AX2000完成。
所述参数配置及健康遥测模块3，采集前向链路状态监测单元12、前向链路帧符合性检测单元13、返向链路信息安全控制单元25和返向链路流量控制单元26的健康遥测信息，并打包发往RS485总线，交由总线控制器进行仲裁。
本实施例中，所述的健康遥测信息包括对前向链路输入时钟的连续性、前向链路输入帧格式的正确性、返向链路输出帧格式的合法性和返向链路输出链路流量状态进行识别。
本实施例中，链路优先级关系表、端口路由矩阵和链路路由矩阵支持在轨注入更新，对于飞行任务过程中需要更改网络拓扑和数据类型的卫星，可通过总线进行上注，节点控制器中参数配置模块完成指令解析后执行，同时将参数更新至动态参数存储区。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，其特征在于，采用可编程逻辑FPGA，基于CCSDS规范的空间数据处理，包括：前向链路基带处理模块、返向链路基带处理模块、参数配置及健康遥测模块；
所述空间数据符合CCSDS规范，且在CCSDS帧格式的插入域插入包括目标飞行器标识、发送节点标识和消息生命周期在内的信息；
所述前向链路基带处理模块，用于完成前向链路的包括数据缓存、状态监测、帧符合性检测、信道接收处理和数据输出处理在内的基带数据处理功能；所述前向链路基带处理模块包括：
前向链路数据缓存单元，用于采用FPGA内部的双口RAM完成数据接收，对检测到不合法的CCSDS帧丢弃处理，并给出遥测；
前向链路状态监测单元，用于完成前向链路的CCSDS数据帧同步头、帧长和链接状态的实时监测，并将检测结果发送给所述参数配置及监控遥测模块；
前向链路帧符合性检测单元，用于读取CCSDS帧中的源飞行器标识，剔除与本星飞行器标识相同的CCSDS帧，避免数据兜圈，并读取CCSDS帧的虚拟信道标识，剔除空闲帧和链路测试帧；
前向链路信道处理单元，用于依据卫星应用需求完成包括信道译码和信道解密在内的信道处理功能，信道处理功能通过包括XMC子卡在内的形式进行扩展；
所述返向链路基带处理模块，用于完成返向链路的包括数据缓存、通道复用、数据路由、包解析、业务数据优先级调度、安全处理、流量控制和信道发送处理在内的基带数据处理功能；所述返向链路基带处理模块包括：
返向链路通道复用单元，用于将N路来自所述前向链路基带处理模块加工后输出的CCSDS数据帧或/和1路本星发往空间链路的CCSDS数据帧按链路优先级关系表进行通道复用；
返向链路端口路由单元，用于读取本星飞行器标识、节点标识、端口路由矩阵和CCSDS帧中的目标飞行器标识，将通道复用的数据进行解析后分发给本星用户；
返向链路链路路由单元，用于读取本星飞行器标识、节点标识、链路路由矩阵和CCSDS帧中的目标飞行器标识，将通道复用后的数据进行路由；
返向链路业务分级单元，用于读取链路路由后CCSDS帧中虚拟通道标识，根据用于表示业务轻重缓急的业务分级表进行分类缓存；
返向链路信息安全控制单元，用于读取CCSDS帧格式中的目标飞行器标识，剔除与本星飞行器标识相同的CCSDS帧；读取生命周期，若生命周期为0，则剔除该CCSDS帧；若生命周期不为0，则生命周期递减一次；
返向链路流量控制单元，用于按所述业务分级表中指定的发送链路速率进行优先级发送，依次发送高优先级业务数据、中优先级业务数据和低优先级业务数据；
返向链路信道处理单元，用于依据卫星应用需求完成包括信道编码和信道加密在内的信道处理功能，信道处理功能通过包括所述XMC子卡在内的形式进行扩展；
所述参数配置及健康遥测模块，用于通过总线完成参数配置和健康遥测管理功能。
2.根据权利要求1所述的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，其特征在于，所述链路优先级关系表、所述端口路由矩阵、所述链路路由矩阵、所述业务分级表，支持通过所述参数配置及健康遥测模块对其进行在轨更新。
3.根据权利要求1所述的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，其特征在于，返向链路的发送链路速率，支持通过所述参数配置及健康遥测模块对其进行在轨更新。
4.根据权利要求1所述的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，其特征在于，当返向链路的带宽不足时，按所述业务分级表依次丢弃所述低优先级业务数据、所述中优先级业务数据和所述高优先级业务数据；
当返向链路带宽有余量时，插入空闲帧保持信道连续。
5.根据权利要求1所述的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，其特征在于，信道处理的所述XMC子卡依据卫星实际应用需求完成不同强度的加解密算法、不同纠错能力的编译码算法。
6.根据权利要求1所述的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，其特征在于，所述参数配置及健康遥测模块采集所述前向链路状态监测单元、所述前向链路帧符合性检测单元、所述返向链路信息安全控制单元和所述返向链路流量控制单元的健康遥测信息，并打包发往总线，交由总线控制器进行仲裁。
7.根据权利要求6所述的基于CCSDS规范的空间数据处理节点装置，其特征在于，所述健康遥测信息包括对前向链路输入时钟的连续性、前向链路输入帧格式的正确性、返向链路输出帧格式的合法性和返向链路输出流量状态进行识别。
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