CN112468209A - 一种基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统及方法，系统包括数据上注链路模块、中继星、用户星。本发明系统延时小，且上注时间大幅缩短，对用户好用易用；数据可靠性高，完成基于上注数据帧和上注数据包的逐级校验，确保上注数据传输的可靠性；可实现断点续传、指定数据帧上注，便于用户上注任务的灵活安排；上注数据类型可变，确保满足不同星载设备在轨数据的维护需求。

Description

一种基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星数据传输技术领域，适用于具备中继卫星KSA数据通道和星载SpaceWire总线网络设计的卫星系统设计。

背景技术

随着星载软件功能需求的复杂性增强，势必引发软件规模大幅提升，相应地软件配置数据的大小也大幅增加。卫星系统传统上注链路设计，采用S测控信道设计方式，上注时间动辄几个月，不便于上注任务规划和实施的同时，也降低了上注数据的可靠性。该项缺点使得实际工程应用中，卫星在轨后实际极少有型号真正实施在轨注入操作，卫星可重构性能下降。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服使用S测控信道为上注链路的不足，集中解决以下四方面问题：①、解决上注时效低问题；②、解决上注数据可靠性低问题；③、解决不能支持断点续传、指定数据帧上注的问题；④、解决上注数据类型单一问题，可支持多终端需求。

本发明的技术方案为：一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统，包括数据上注链路模块、中继星、用户星；

数据上注链路模块：地面按照约定协议对上注业务数据块进行组帧加工后，完成加密可选、加扰、码型变换、卷积编码、SQPSK调制，及功率放大后，上行发送至中继星；

中继星：中继卫星大型跟踪天线接收来自数据上注链路的射频信号，并通过中继卫星KSA通道向用户星转发；

用户星：负责接收来自中继卫星的信标信号和前向信号，在用户星跟踪接收机锁定状态下，完成中继星KSA通道数据的解调接收、存储转发、路由传输管理、接收判读及分发，确保上注数据被各星载目标终端可靠存储；

所述用户星包括Ka前向接收机、系统管理单元、1553B总线终端用户端、高速总线路由单元、高速上行数据用户端、星载各设备终端；

Ka前向接收机：对接收到来自中继卫星的KSA信号进行SQPSK解调、解卷积编码、并串转换、码型变换，负责接收并解调由地面通过中继卫星星间链路传送来的前向Ka频段信号，通过LVDS接口将数据传送给系统管理单元；

系统管理单元：通过LVDS接口接收Ka前向接收机转发的上行注入数据，数据管理单元对当前上注帧进行正确性判断后，对判读正确的数据在系统管理单元暂存后，在地面指令控制下，将高速上行数据用户的数据通过Spacewire总线网络转发给高速数据路由单元；对校验和错误的帧号或VCDU计数器不连续的帧号通过测控信道向地面提供必要的遥测，用于地面重注决策；系统管理单元同时实现通过1553B总线与各RT终端数据的交换；

1553B总线终端用户端:各终端用户按照卫星1553B总线通信协议对各终端的技术要求，完成对总线数据的接收，采用双冗余热备份，数据传输速率1MHz，半双工；

高速总线路由单元:SpaceWire总线网络以高速总线路由单元为核心，完成卫星中高速业务数据和控制数据的传输与交互；冷热备份方式，符合ECSS-E-ST-50-12C标准，链路速率100Mbps，全双工；

高速上行数据用户端:支持多类型目标结点的高速上行数据用户；目标结点从高速总线路由单元Spacewire总线网络上接收数据包后协议解析；星载控制器按VCDU帧格式中信号域区域参数进行识别，对本机用上注数据完成本地存储，对分系统内后端的各终端设备数据进行协议转发；

星载各设备终端:分系统内部星载各终端设备按照预先约定的数据协议，对属于本终端设备的上注数据进行判读、存储；数据帧和数据包两级校验和均正确后，完成在轨测试及功能验证后，实现星载设备在轨升级和维护。

上行注入业务数据块采用VCDU格式，由地面软件按照约定协议实现分包组帧；加密可选；上注链路采用加扰、码型变换、卷积编码和SQSK调制体制。

一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入方法，步骤如下：

1)数据上注链路，完成上注业务数据包到上注业务数据帧的转换；完成加扰、码型变换、卷积编码、SQPSK调制，及功率放大后，上行发送至中继星；

2)在轨中继卫星的跟踪天线接收来自高速上行链路的射频信号，并通过中继卫星KSA通道向用户星转发；此链路只有在TL卫星跟踪天线完成对用户星定向，用户星中继天线也完成对TL卫星跟踪后才建立；在执行业务数据块上注时，满足以下条件：TL卫星遥测数据显示指向跟踪系统处于锁定状态；用户星遥测数据显示跟踪接收机处于锁定状态；在首个上注VCDU帧前填充6000帧空帧，用于导引Ka前向接收机进入锁定；

3)用户星接收来自中继卫星的信标信号和前向信号，在用户星跟踪接收机锁定状态下，完成中继星KSA通道数据的解调接收、存储转发、路由传输管理、接收判读及分发，最终确保上注数据被各星载目标终端可靠存储。

所述上注业务数据包中除上注数据本身外，携带目标地址、上注数据长度、存储芯片编号、存储区域编号、计数器；上注业务数据包尾部携带包校验和信息，用于星载终端设备对接收到上注数据包的可靠性判读；对上注业务数据包采用符合CCSDS定义的VCDU格式，封装成适合信道传输的数据帧；VCDU帧格式中包含VCDU虚拟信道标识符、VCDU计数器、起始帧标识/结束帧标识、CRC校验和信息，用于系统管理单元完成基于上注数据帧层级的正确性、连续性判读；其中虚拟信道标识符设计用来识别不同星载控制器，对于连接在同一台星载控制器后端的星载终端设备，通过VCDU帧格式中信号域中信息类型标识定义进行区分。

所述步骤3)的具体过程为：

31)Ka前向接收机对接收到的来自中继星KSA信号进行SQPSK解调、解卷积编码、并串转换和码型变换，实现NRZ-M变换为NRZ-L后，通过LVDS接口输出一路5MHz时钟和一路数据给系统管理单元；

32)系统管理单元对接收到来自Ka前向接收机的一路5MHz时钟和一路单bit数据进行提同步、解扰、解密可选、串并变换处理后，系统管理单元对数据帧校验和正确性以及连续性检查，确保Ka前向上注高速链路数据传输可靠；对校验和检测正确的数据帧进行存储；对校验和错误的帧号或VCDU计数器不连续的帧号通过测控信道向地面提供必要的遥测，用于地面重注决策；已正确接收并存储的数据帧不需重复注入；在上行数据注入完成后，由指令控制系统管理单元通过SpaceWire总线转发给高速总线路由单元；系统管理单元还实现从数据帧层面和数据包层面进行多级校验和判断，确保上注数据包校验和正确后方可实施在轨更新；支持断点续传、指定数据帧上注，便于用户上注任务的灵活安排；正在执行的上注任务可随时被卫星主任务打断，后续择机继续完成前一次上注任务；系统管理单元同时可实现通过1553B总线与各RT终端数据交换能力；

33)1553B总线终端用户端实现通信协议中的各类型服务；按照总线通讯帧划分进行总线通信调度与系统同步管理；进行总线的切换、消息重试；

34)高速总线路由单元对各分系统、设备间高速数据的双向、并行路由传输进行管理，提供1553B总线网络难以实现的高速、实时、大块数据传输服务；经SpaceWire总线传输的数据经过高速总线路由单元进行路由处理；

35)高速上行数据用户端支持多类型目标结点；单个星载控制器隶属于独立分系统，通过SpaceWire总线与高速总线路由单元通信；SpaceWire网络传输的业务数据包格式分为两级，第一级采用串行传输通用协议数据包基本格式，第二级在协议数据包的装载数据区中，定义星上用户数据结构，由数据类型标识和VCDU构成；星载控制器作为目标结点在接收到数据包后，通过判断包头中的目标结点逻辑地址和数据类型标识，确定当前接收的VCDU数据单元合法性和数据类别，进行对应处理；采用2字节数据类型标识，用于区分不同性质的星上数据，包括载荷业务数据，上注任务支持数据，上注在轨维护或重构数据，遥测数据；数据类型标识高字节用于区分数据大类，同时用于区分文件类型，低字节用于区分数据子类型，子类型根据数据用户的具体应用需求确定；星载控制器对接收到的VCDU数据帧，按照数据类型标识、虚拟信道定义、信号域定义多个区域参数均可识别出当前上注业务数据的属性；

若为星载控制器自用上注数据，则读出上注数据并存储在星载控制器内部缓存中；若为星载控制器后端星载终端设备用上注数据，则读出上注数据并按分系统内部预先约定的通信协议要求格式组帧后通过分系统内部总线发送给后端星载终端设备；

星载控制器对通过SpaceWire总线接收的数据包，从上注数据类型、上注数据包完整性、上注数据帧校验和正确性、上注数据包校验和正确性、帧校验和错误帧数、帧校验和错误帧号、丢包总数以及丢失包的包号多维度返回上注状态遥测，确保上注数据可靠接收；正在执行的上注任务可随时被卫星主任务打断，后续择机继续完成前一次上注任务，方便用户上注任务的灵活安排；

36)后级星载终端设备对接收到的数据，进行多级校验和判断：首先从物理层判断传输的每个字节校验和是否正确；同时提取同步头，再从链路层判断每一帧数据的校验和正确性；当两层校验和均正确后，才允许存储当前数据；只要其中一个出现错误，则丢弃该数据；对每一帧数据两种校验和的检查结果，实时反馈给星载控制器；当出现错误时，通知重传错误帧；

对正确的每帧上注数据，根据当前帧头的相关参数，计算出数据在存储空间的具体区域、具体地址；每帧上注数据存储位置的计算是相互独立的；支持“断点续传”，允许用户随时中断上注过程，也允许用户随时恢复上注过程；也支持“查漏补缺”，对漏发、或错误的上注帧，重新上注该帧；

当全部的数据帧正确上注存储完毕后，通过指令读取完整的数据包，根据其中的特征字符，计算并判断整个数据包的校验和；通过遥测通道，将校验和判断结果下传用户；在数据包校验和正确的情况下，将数据包进行预加载，对设备进行在轨测试及功能验证；确保设备使用上注数据包配置后正常工作，再根据相关遥控指令，完成上注数据包在轨更新，实现星载设备在轨升级和维护。

本发明与现有技术相比的优点在于：

①、现有技术通常采用S测控4kbps上行链路方式，本发明上注上行通道采用10Mbps码速率。系统延时小，且上注时间开销极大缩减，对用户好用易用；

②、现有技术通常无法保证低传输效率下上注数据的传输可靠性，本发明可实现从数据帧层面和数据包层面进行多级校验和判断，确保上注数据包校验和正确后方可实施在轨更新；

③、现有技术通常不支持指定数据帧上注，本发明支持断点续传和指定数据帧上注，便于用户上注任务的灵活安排；正在执行的上注任务可随时被卫星主任务打断，后续择机继续完成前一次上注任务，极大方便用户上注任务的灵活安排；

④、现有技术通常能支持的上注数据类型单一，本发明支持上注数据类型灵活可变，确保满足不同星载终端设备在轨可维护数据的需求。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为上注VCDU帧格式；

图3为加扰示意图；

图4为上注链路地面物理结构图

图5为地面链路卷积编码逻辑图

图6为Ka前向接收机与系统管理单元LVDS接口时序图

图7为SpaceWire网络构成与拓扑关系

图8为业务数据包格式

图9为RS422串行总线结构图

图10为RS422帧格式

具体实施方式

本发明一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统，包括数据上注链路、中继星、用户星。其中，数据上注链路又分为：业务数据块设计、上注链路设计。用户星又分为：Ka前向接收机、系统管理单元、1553B总线终端用户、高速总线路由单元、高速上行数据用户、星载各设备终端六个模块。

数据上注链路：地面软件按照约定协议对上注业务数据块进行组帧加工后，完成加密可选、加扰、码型变换、卷积编码、SQPSK调制，及功率放大后，上行发送至中继星。

①、业务数据块设计：上行注入业务数据块采用VCDU格式，由地面软件按照约定协议实现分包组帧。加密可选；

②、上注链路设计：上路链路采用加扰、码型变换、卷积编码和SQSK调制体制。

中继星：中继卫星大型跟踪天线接收来自数据上注链路的射频信号，并通过中继卫星KSA通道向用户星转发。

用户星：负责接收来自中继卫星的信标信号和前向信号，在用户星跟踪接收机锁定状态下，完成中继星KSA通道数据的解调接收、存储转发、路由传输管理、接收判读及分发，最终确保上注数据被各星载目标终端可靠存储。星上各处理环节均能通过测控信道向地面提供必要的遥测，方便地面确定上注任务状态，以及必要的重注决策。

①、Ka前向接收机：对接收到来自中继卫星的KSA信号进行SQPSK解调、解卷积编码、并串转换、码型变换，负责接收并解调由地面通过中继卫星星间链路传送来的前向Ka频段信号，通过LVDS接口将数据传送给系统管理单元；

②、系统管理单元：通过LVDS接口接收Ka前向接收机转发的上行注入数据，数据管理单元对当前上注帧进行正确性判断后，对判读正确的数据在系统管理单元暂存后，在地面指令控制下，将高速上行数据用户的数据通过Spacewire总线网络转发给高速数据路由单元。对校验和错误的帧号或VCDU计数器不连续的帧号通过测控信道向地面提供必要的遥测，用于地面重注决策。系统管理单元同时可实现通过1553B总线与各RT终端数据交换能力；

③、1553B总线终端用户:各终端用户按照卫星1553B总线通信协议对各终端的技术要求，完成对总线数据的接收。双冗余热备份、数据传输速率1MHz，半双工；

④、高速总线路由单元:SpaceWire总线网络以高速总线路由单元为核心，完成卫星中高速业务数据和控制数据的传输与交互。冷热备份方式，符合ECSS-E-ST-50-12C标准，链路速率100Mbps，全双工；

⑤、高速上行数据用户:支持多类型目标结点的高速上行数据用户。目标结点从高速总线路由单元Spacewire总线网络上接收数据包后协议解析。星载控制器按VCDU帧格式中信号域区域参数进行识别，对本机用上注数据完成本地存储，对分系统内后端的各终端设备数据进行协议转发；

⑥、星载各设备终端:分系统内部星载各终端设备按照预先约定的数据协议，对属于本终端设备的上注数据进行判读、存储。数据帧和数据包两级校验和均正确后，完成在轨测试及功能验证后，最终实现星载设备在轨升级和维护。

本发明一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入方法，步骤如下：

数据上注链路，完成上注业务数据包到上注业务数据帧的转换。完成加扰、码型变换、卷积编码、SQPSK调制，及功率放大后，上行发送至中继星。

①、业务数据块设计。上注业务数据包中除上注数据本身外，可携带目标地址、上注数据长度、存储芯片编号、存储区域编号、计数器等信息。上注业务数据包尾部携带包校验和信息，便于星载终端设备对接收到上注数据包的可靠性判读；对上注业务数据包采用符合CCSDS定义的VCDU格式，封装成适合信道传输的数据帧。VCDU帧格式中包含VCDU虚拟信道标识符、VCDU计数器、起始帧标识/结束帧标识、CRC校验和等信息，便于系统管理单元完成基于上注数据帧层级的正确性、连续性判读。其中虚拟信道标识符设计可用来识别不同星载控制器，对于连接在同一台星载控制器后端的星载终端设备，可通过VCDU帧格式中信号域中信息类型标识定义进行区分。业务数据块加工灵活，可确保上注数据类型可变，确保满足不同星载终端设备在轨可维护数据的需求。VCDU数据帧中加密处理为可选设计；

②、上注链路设计。基于VCDU数据帧完成加扰、码型变换、卷积编码，SQPSK调制到高速上行链路。数据速率5Mbps，码速率10Mbps。较以往采用S测控4kbps上行链路方式，上注时间大幅缩短，对用户好用易用；

中继星。在轨中继卫星实现大型跟踪天线接收来自高速上行链路的射频信号，并通过中继卫星KSA通道向用户星转发。此链路只有在TL卫星跟踪天线完成对用户星定向，用户星中继天线也完成对TL卫星跟踪后才可以建立。在执行业务数据块上注时，需要满足以下条件：TL卫星遥测数据显示指向跟踪系统处于锁定状态；用户星遥测数据显示跟踪接收机处于锁定状态；在首个上注VCDU帧前填充6000帧空帧，用于导引Ka前向接收机进入锁定。

用户星：负责接收来自中继卫星的信标信号和前向信号，在用户星跟踪接收机锁定状态下，完成中继星KSA通道数据的解调接收、存储转发、路由传输管理、接收判读及分发，最终确保上注数据被各星载目标终端可靠存储。星上各处理环节均能通过测控信道向地面提供必要的遥测，方便地面确定上注任务状态，以及必要的重注决策。

①、Ka前向接收机。对接收到的来自中继星KSA信号进行SQPSK解调、解卷积编码、并串转换和码型变换，实现NRZ-M变换为NRZ-L后，通过LVDS接口输出一路5MHz时钟和一路数据给系统管理单元；

②、系统管理单元。具备接收、存储、转发Ka前向接收机上行注入数据的功能。系统管理单元对接收到来自Ka前向接收机的一路5MHz时钟和一路单bit数据进行提同步、解扰、解密可选、串并变换处理后，系统管理单元对数据帧校验和正确性以及连续性检查，确保Ka前向上注高速链路数据传输可靠。对校验和检测正确的数据帧进行存储；对校验和错误的帧号或VCDU计数器不连续的帧号通过测控信道向地面提供必要的遥测，用于地面重注决策；已正确接收并存储的数据帧不需重复注入。在上行数据注入完成后，由指令控制系统管理单元通过SpaceWire总线转发给高速总线路由单元。

系统管理单元设计可实现从数据帧层面和数据包层面进行多级校验和判断，确保上注数据包校验和正确后方可实施在轨更新；支持断点续传、指定数据帧上注，便于用户上注任务的灵活安排；正在执行的上注任务可随时被卫星主任务打断，后续择机继续完成前一次上注任务，极大方便用户上注任务的灵活安排。系统管理单元同时可实现通过1553B总线与各RT终端数据交换能力；

③、1553B总线终端用户。具备管理、调度1553B总线的能力；可实现通信协议中的各类型服务；按照总线通讯帧划分进行总线通信调度与系统同步管理；具备动态进行总线的切换、消息重试等能力。双冗余热备份，数据传输速率1MHz，半双工；

④、高速总线路由单元。作为SpaceWire总线网络的核心，SpaceWire网络数据链路接口协议遵循ECSS-E-ST-50-12C标准：《SpaceWire–Links,nodes,routers and networks》的规定。各结点设备的SpaceWire链路接口特性应符合此标准的各项要求。高速总线路由单元负责各分系统、设备间高速数据的双向、并行路由传输管理，提供1553B总线网络难以实现的高速、实时、大块数据传输服务，从而大幅扩展、升级卫星总线网络系统的功能和性能。经SpaceWire总线传输的数据均需经过高速总线路由单元进行路由处理。高速总线路由单元支持冷热备份方式，符合ECSS-E-ST-50-12C标准，链路速率100Mbps，全双工，支持路径寻址、逻辑寻址；

⑤、高速上行数据用户。高速上行数据用户支持星载控制器1、星载控制器2、星载控制器3等多类型目标结点。单个星载控制器隶属于独立分系统，通过SpaceWire总线与高速总线路由单元通信。SpaceWire网络传输的业务数据包格式分为两级，第一级采用串行传输通用协议数据包基本格式，第二级在协议数据包的装载数据区中，定义星上用户数据结构，由数据类型标识和VCDU构成。星载控制器作为目标结点在接收到数据包后，通过判断包头中的目标结点逻辑地址和数据类型标识，可确定当前接收的VCDU数据单元合法性和数据类别，进行对应处理。2字节数据类型标识，用于区分不同性质的星上数据，包括载荷业务数据，上注任务支持数据，上注在轨维护或重构数据，遥测数据等。数据类型标识高字节用于区分数据大类，也可用于区分文件类型，低字节用于区分数据子类型，子类型根据数据用户的具体应用需求确定。星载控制器对接收到的VCDU数据帧，按照数据类型标识、虚拟信道定义、信号域定义等多个区域参数均可识别出当前上注业务数据的属性。

若为星载控制器自用上注数据，则读出上注数据并存储在星载控制器内部缓存中；若为星载控制器后端星载终端设备用上注数据，则读出上注数据并按分系统内部预先约定的通信协议要求格式组帧后通过分系统内部总线发送给后端星载终端设备。

星载控制器对通过SpaceWire总线接收的数据包，可从上注数据类型、上注数据包完整性、上注数据帧校验和正确性、上注数据包校验和正确性、帧校验和错误帧数、帧校验和错误帧号、丢包总数以及丢失包的包号多维度返回上注状态遥测，确保上注数据可靠接收，方便地面确定上注任务状态，以及必要的重注决策。上注数据类型灵活可变，确保满足不同星载设备在轨可维护数据的需求。高速上行数据用户设计可实现从数据帧层面和数据包层面进行多级校验和判断，确保上注数据包校验和正确后方可实施在轨更新；可实现断点续传、指定数据帧上注，便于用户上注任务的灵活安排；正在执行的上注任务可随时被卫星主任务打断，后续择机继续完成前一次上注任务，极大方便用户上注任务的灵活安排；

⑥、星载各设备终端。后级星载终端设备对接收到的数据，进行多级校验和判断：1、首先从物理层判断传输的每个字节校验和是否正确；2、同时提取同步头，再从链路层判断每一帧数据的校验和正确性。当两层校验和均正确后，才允许存储当前数据；只要其中一个出现错误，则丢弃该数据。对每一帧数据两种校验和的检查结果，实时反馈给星载控制器；当出现错误时，通知重传错误帧。

对正确的每帧上注数据，只需根据当前帧头的相关参数(一般设计在VCDU数据区852字节中的嵌套协议中)，即可计算出数据在存储空间的具体区域、具体地址。每帧上注数据存储位置的计算是相互独立的。可以支持“断点续传”，允许用户随时中断上注过程，也允许用户随时恢复上注过程；也支持“查漏补缺”，对漏发、或错误的上注帧，只需要重新上注该帧就可以，方便用户灵活使用。

当全部的数据帧正确上注存储完毕后，通过指令读取完整的数据包，根据其中的特征字符，计算并判断整个数据包的校验和。通过遥测通道，将校验和判断结果下传用户。在数据包校验和正确的情况下，将数据包进行预加载，对设备进行在轨测试及功能验证。确保设备使用上注数据包配置后正常工作，再根据相关遥控指令，完成上注数据包在轨更新，实现星载设备在轨升级和维护。

实施例

数据上注链路，完成上注业务数据包到上注业务数据帧的转换。完成加扰、码型变换、卷积编码、SQPSK调制，及功率放大后，上行发送至中继星。下文以某型号具体实例详细描述具体实施方式。

①、业务数据块设计

上注业务数据包通过地面软件，按星地各方已认可的协议处理后转换成符合CCSDS定义的VCDU格式，VCDU帧长度896字节。VCDU帧格式具体定义见图2，其中：

1)同步头：32bits，1ACFFC1D(H)；

2)传输帧版本号：2位，置为‘01’；

3)航天器标识符SCID：8位，01(H)，用户星可自行定义；

4)虚拟信道标识符VCID：6位，具体定义参见表1。用于区分不同类型的数据；

5)虚拟信道帧计数器：为每个虚拟信道提供单独的计数，3字节无符号数，从00 0000开始递增，至最大值FF FF FF后回卷至00 00 00，再继续递增。空帧也要保证计数器累加；

6)信号域：1字节，具体定义参见表2。用来识别分系统内部不同上注数据类型；

7)VCDU插入域：32字节。可有加密处理需求时使用该区域；

8)BPDU导头：位流指针，

Bit【15..14】：“00”标识开始，“10”标识过程，“11”标识结束帧。

Bit【13..0】，未使用。

说明：如果补发其中某个单帧，BPDU导头Bit【15..14】打“11”。

9)BPDU位流数据区：上注星上用户数据数据；共850字节。

型号具体应用头772字节。剩余字节为填充内容为“AA55”循环码。具体参见表3。

10)VCDU差错控制域：用于存放校验和。

上注数据的编码校验符号域用来存放编码数据，如果没有编码建议发送55H。

在VCDU尾部插入CRC校验码，验证整帧数据的正确性，CRC编码范围覆盖VCDU主导头、VCDU插入区、VCDU数据单元的全部内容。采用CCSDS推荐的16位CRC编码方式，生成多项式如下：

g(x)＝x¹⁶+x¹²+x⁵+1

编码前所有移位寄存器预置为全“1”状态。

11)加扰

采用15阶伪随机m序列，其生成多项式为：h(x)＝x¹⁵+x¹⁴+1。加扰示意图参见图3。

最左边的比特为数据的最低位；

除图1中同步头外均加扰。

②、上注链路设计

上注链路采用加扰+码型变换+(2,1,7)卷积编码和SQPSK体制。结构如图4所示。

在加扰时，对除帧同步头外的数据均使用短序列扰码加扰，伪随机序列通过下面的多项式生成：

h(x)＝x⁸+x⁷+x⁵+x³+1

其中，移位寄存器初始状态全为‘1’。

地面对加扰后的数据先进行码型变换(NRZ-L变换为NRZ-M)，然后进行卷积编码，卷积编码逻辑如图5所示。

卷积编码参数定义如下：

编码率1/2；

约束长度：7bit；

连接矢量：G1＝1111001,G2＝1011011；

相位关系：G1与第一个符号相关；

符号反转：在G2的输出支路上。

再将一个支路延迟1/2个符号(Q支路)，最后进行QPSK调制。

调制器输出载波相位关系：

◆符号“11”对应载波相对相位0°

◆符号“01”对应载波相对相位90°

◆符号“00”对应载波相对相位180°

◆符号“10”对应载波相对相位270°

对高速上行通道调制器性能要求如下：

◆调制器相位不平衡：±4°

◆调制器幅度不平衡：优于1dB

◆‘0’、‘1’宽度比：不超过0.9～1.1范围。

中继星。在轨中继卫星实现大型跟踪天线接收来自高速上行链路的射频信号，并通过中继卫星KSA通道向用户星转发。此链路只有在TL卫星跟踪天线完成对用户星定向，用户星中继天线也完成对TL卫星跟踪后才可以建立。在执行业务数据块上注时，需要满足以下条件：TL卫星遥测数据显示指向跟踪系统处于锁定状态；用户星遥测数据显示跟踪接收机处于锁定状态；在首个上注VCDU帧前填充6000帧空帧，用于导引Ka前向接收机进入锁定。

用户星：负责接收来自中继卫星的信标信号和前向信号，在用户星跟踪接收机锁定状态下，完成中继星KSA通道数据的解调接收、存储转发、路由传输管理、接收判读及分发，最终确保上注数据被各星载目标终端可靠存储。星上各处理环节均能通过测控信道向地面提供必要的遥测，方便地面确定上注任务状态，以及必要的重注决策。

①、Ka前向接收机

对接收到的来自中继星KSA信号进行SQPSK解调、解卷积编码、并串转换和码型变换，实现NRZ-M变换为NRZ-L后，通过LVDS接口输出一路5MHz时钟和一路数据给系统管理单元。

Ka前向接收机解调输出的上注数据，接口上包含一路时钟信号、一路数据信号。数据源端时钟的下降沿与数据的跳变沿对齐(前后误差不大于25ns)，时钟的上升沿对齐数据的中间；接口时序图见图6所示。

详细接口说明如下：

1.信号内容：1bit时钟、1bit数据；

2.时钟频率：5MHz；

3.时钟占空比：45％～55％；

4.钟码关系：在前向接收机进入锁定状态后时钟信号始终有效，在有数据传输时，时钟信号的下降沿与数据的跳变沿对齐(前后误差不大于25ns)，时钟的上升沿与数据位的中间位置对齐；

5.输出数据码速率：数据码速率为5Mbps，码型NRZ-L。

②、系统管理单元

系统管理单元对接收到的数据作提取同步头处理，解扰、串行到并行的变换，进行数据正确性检查后存储。系统管理单元对同一虚拟信道标识符(VCID)的上行VCDU帧，检查内容如下：①、判断VCDU计数器是否从0开始并递增；②、判断VCDU差错控制域是否正确。如系统管理单元收到未通过正确性检查的VCDU帧，则停止后续VCDU帧的存储，并通过遥测通知，地面可在错误计数位置继续注入数据，已正确接收并存储的数据不需要重复注入。系统管理单元可通过上注数据帧中相应位置的虚拟信道标识识别星上用户的特点。

在VCDU差错控制域中CRC校验和正确的情况下，系统管理单元将这些数据存贮在一个公共存贮区(通过高速上行链路上行的所有数据公用)。在上行数据注入完成后，由指令控制系统管理单元通过SpaceWire总线或1553B总线向各数据用户RT转发。

③、1553B总线终端用户

具备管理、调度1553B总线的能力；可实现通信协议中的各类型服务；按照总线通讯帧划分进行总线通信调度与系统同步管理；具备动态进行总线的切换、消息重试等能力。双冗余热备份，数据传输速率1MHz，半双工。

④、高速总线路由单元

经SpaceWire总线传输的数据均需经过路由单元进行路由处理。高速总线路由单元对外提供多路标准SpaceWire接口，用于连接各结点设备，接口符合ECSS-E-ST-50-12C标准规定，链路传输速率在100Mbps，具体依据网络传输的实时性需求确定。高速总线路由单元兼容逻辑寻址和路径寻址两种寻址方式，支持所有对外SpaceWire接口中任意两个之间的互联和数据包传输功能。

SpaceWire网络构成与拓扑关系参见图7。

SpaceWire网络各结点设备逻辑地址分配表参见表4。

业务数据包格式参见图8。

数据类型标识定义参见表5。

⑤、高速上行数据用户

分系统星载控制器通过SpaceWire总线接收上行数据。通过Ka前向接收机上注程序和数据，程序与数据通过系统管理单元处理后经过Spacewire总线到达数传综合控制器，星载控制器将收到的数据按要求解析后存储到本地，控制器后端设备所需上注数据通过分系统内部RS422总线传输到其他单机，本机程序判读无误后直接存储到程序区域。

图9为RS422串行总线结构图。

图10为RS422帧格式。

⑥、星载各设备终端

后级星载终端设备对接收到的数据，进行多级校验和判断：1、首先从物理层判断传输的每个字节校验和是否正确；2、同时提取同步头，再从链路层判断每一帧数据的校验和正确性。当两层校验和均正确后，才允许存储当前数据；只要其中一个出现错误，则丢弃该数据。对每一帧数据两种校验和的检查结果，实时反馈给星载控制器；当出现错误时，通知重传错误帧。

对正确的每帧上注数据，只需根据当前帧头的相关参数(一般设计在VCDU数据区852字节中的嵌套协议中)，即可计算出数据在存储空间的具体区域、具体地址。每帧上注数据存储位置的计算是相互独立的。可以支持“断点续传”，允许用户随时中断上注过程，也允许用户随时恢复上注过程；也支持“查漏补缺”，对漏发、或错误的上注帧，只需要重新上注该帧就可以，方便用户灵活使用。

当全部的数据帧正确上注存储完毕后，通过指令读取完整的数据包，根据其中的特征字符，计算并判断整个数据包的校验和。通过遥测通道，将校验和判断结果下传用户。在数据包校验和正确的情况下，将数据包进行预加载，对设备进行在轨测试及功能验证。确保设备使用上注数据包配置后正常工作，再根据相关遥控指令，完成上注数据包在轨更新，实现星载设备在轨升级和维护。

表1虚拟信道分配表

表2上注VCDU帧格式中信号域中信息类型标识定义

表3上注VCDU帧格式中BPDU位流数据区格式

表4 SpaceWire网络各结点设备逻辑地址分配表

表5数据类型标识号定义

数据类型	标识号
		载荷业务数据	0x00
上注任务支持数据	0x11
		上注在轨维护或重构数据	0x22
保留	其他
		遥测数据	0xFF

Claims (6)

1.一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统，其特征在于：包括数据上注链路模块、中继星、用户星；

数据上注链路模块：地面按照约定协议对上注业务数据块进行组帧加工后，完成加密可选、加扰、码型变换、卷积编码、SQPSK调制，及功率放大后，上行发送至中继星；

中继星：中继卫星大型跟踪天线接收来自数据上注链路的射频信号，并通过中继卫星KSA通道向用户星转发；

用户星：负责接收来自中继卫星的信标信号和前向信号，在用户星跟踪接收机锁定状态下，完成中继星KSA通道数据的解调接收、存储转发、路由传输管理、接收判读及分发，确保上注数据被各星载目标终端可靠存储。

2.根据权利要求1所述的一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统，其特征在于：所述用户星包括Ka前向接收机、系统管理单元、1553B总线终端用户端、高速总线路由单元、高速上行数据用户端、星载各设备终端；

Ka前向接收机：对接收到来自中继卫星的KSA信号进行SQPSK解调、解卷积编码、并串转换、码型变换，负责接收并解调由地面通过中继卫星星间链路传送来的前向Ka频段信号，通过LVDS接口将数据传送给系统管理单元；

系统管理单元：通过LVDS接口接收Ka前向接收机转发的上行注入数据，数据管理单元对当前上注帧进行正确性判断后，对判读正确的数据在系统管理单元暂存后，在地面指令控制下，将高速上行数据用户的数据通过Spacewire总线网络转发给高速数据路由单元；对校验和错误的帧号或VCDU计数器不连续的帧号通过测控信道向地面提供必要的遥测，用于地面重注决策；系统管理单元同时实现通过1553B总线与各RT终端数据的交换；

1553B总线终端用户端:各终端用户按照卫星1553B总线通信协议对各终端的技术要求，完成对总线数据的接收，采用双冗余热备份，数据传输速率1MHz；

高速总线路由单元:SpaceWire总线网络以高速总线路由单元为核心，完成卫星中高速业务数据和控制数据的传输与交互；冷热备份方式，符合ECSS-E-ST-50-12C标准，链路速率100Mbps，全双工；

高速上行数据用户端:支持多类型目标结点的高速上行数据用户；目标结点从高速总线路由单元Spacewire总线网络上接收数据包后协议解析；星载控制器按VCDU帧格式中信号域区域参数进行识别，对本机用上注数据完成本地存储，对分系统内后端的各终端设备数据进行协议转发；

星载各设备终端:分系统内部星载各终端设备按照预先约定的数据协议，对属于本终端设备的上注数据进行判读、存储；数据帧和数据包两级校验和均正确后，完成在轨测试及功能验证后，实现星载设备在轨升级和维护。

3.根据权利要求2所述的一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入系统，其特征在于：上行注入业务数据块采用VCDU格式，由地面软件按照约定协议实现分包组帧；加密可选；上注链路采用加扰、码型变换、卷积编码和SQSK调制体制。

4.一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入方法，其特征在于步骤如下：

1)数据上注链路，完成上注业务数据包到上注业务数据帧的转换；完成加扰、码型变换、卷积编码、SQPSK调制，及功率放大后，上行发送至中继星；

2)在轨中继卫星的跟踪天线接收来自高速上行链路的射频信号，并通过中继卫星KSA通道向用户星转发；此链路只有在TL卫星跟踪天线完成对用户星定向，用户星中继天线也完成对TL卫星跟踪后才建立；在执行业务数据块上注时，满足以下条件：TL卫星遥测数据显示指向跟踪系统处于锁定状态；用户星遥测数据显示跟踪接收机处于锁定状态；在首个上注VCDU帧前填充6000帧空帧，用于导引Ka前向接收机进入锁定；

3)用户星接收来自中继卫星的信标信号和前向信号，在用户星跟踪接收机锁定状态下，完成中继星KSA通道数据的解调接收、存储转发、路由传输管理、接收判读及分发，最终确保上注数据被各星载目标终端可靠存储。

5.根据权利要求4所述的一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入方法，其特征在于：所述上注业务数据包中除上注数据本身外，携带目标地址、上注数据长度、存储芯片编号、存储区域编号、计数器；上注业务数据包尾部携带包校验和信息，用于星载终端设备对接收到上注数据包的可靠性判读；对上注业务数据包采用符合CCSDS定义的VCDU格式，封装成适合信道传输的数据帧；VCDU帧格式中包含VCDU虚拟信道标识符、VCDU计数器、起始帧标识/结束帧标识、CRC校验和信息，用于系统管理单元完成基于上注数据帧层级的正确性、连续性判读；其中虚拟信道标识符设计用来识别不同星载控制器，对于连接在同一台星载控制器后端的星载终端设备，通过VCDU帧格式中信号域中信息类型标识定义进行区分。

6.根据权利要求5所述的一种通过Ka前向链路基于SpaceWire总线实现的在轨高速注入方法，其特征在于：所述步骤3)的具体过程为：

31)Ka前向接收机对接收到的来自中继星KSA信号进行SQPSK解调、解卷积编码、并串转换和码型变换，实现NRZ-M变换为NRZ-L后，通过LVDS接口输出一路5MHz时钟和一路数据给系统管理单元；

32)系统管理单元对接收到来自Ka前向接收机的一路5MHz时钟和一路单bit数据进行提同步、解扰、解密可选、串并变换处理后，系统管理单元对数据帧校验和正确性以及连续性检查，确保Ka前向上注高速链路数据传输可靠；对校验和检测正确的数据帧进行存储；对校验和错误的帧号或VCDU计数器不连续的帧号通过测控信道向地面提供必要的遥测，用于地面重注决策；已正确接收并存储的数据帧不需重复注入；在上行数据注入完成后，由指令控制系统管理单元通过SpaceWire总线转发给高速总线路由单元；系统管理单元还实现从数据帧层面和数据包层面进行多级校验和判断，确保上注数据包校验和正确后方可实施在轨更新；支持断点续传、指定数据帧上注，便于用户上注任务的灵活安排；正在执行的上注任务可随时被卫星主任务打断，后续择机继续完成前一次上注任务；系统管理单元同时可实现通过1553B总线与各RT终端数据交换能力；

33)1553B总线终端用户端实现通信协议中的各类型服务；按照总线通讯帧划分进行总线通信调度与系统同步管理；进行总线的切换、消息重试；

34)高速总线路由单元对各分系统、设备间高速数据的双向、并行路由传输进行管理，提供1553B总线网络难以实现的高速、实时、大块数据传输服务；经SpaceWire总线传输的数据经过高速总线路由单元进行路由处理；

35)高速上行数据用户端支持多类型目标结点；单个星载控制器隶属于独立分系统，通过SpaceWire总线与高速总线路由单元通信；SpaceWire网络传输的业务数据包格式分为两级，第一级采用串行传输通用协议数据包基本格式，第二级在协议数据包的装载数据区中，定义星上用户数据结构，由数据类型标识和VCDU构成；星载控制器作为目标结点在接收到数据包后，通过判断包头中的目标结点逻辑地址和数据类型标识，确定当前接收的VCDU数据单元合法性和数据类别，进行对应处理；采用2字节数据类型标识，用于区分不同性质的星上数据，包括载荷业务数据，上注任务支持数据，上注在轨维护或重构数据，遥测数据；数据类型标识高字节用于区分数据大类，同时用于区分文件类型，低字节用于区分数据子类型，子类型根据数据用户的具体应用需求确定；星载控制器对接收到的VCDU数据帧，按照数据类型标识、虚拟信道定义、信号域定义多个区域参数均可识别出当前上注业务数据的属性；

若为星载控制器自用上注数据，则读出上注数据并存储在星载控制器内部缓存中；若为星载控制器后端星载终端设备用上注数据，则读出上注数据并按分系统内部预先约定的通信协议要求格式组帧后通过分系统内部总线发送给后端星载终端设备；

星载控制器对通过SpaceWire总线接收的数据包，从上注数据类型、上注数据包完整性、上注数据帧校验和正确性、上注数据包校验和正确性、帧校验和错误帧数、帧校验和错误帧号、丢包总数以及丢失包的包号多维度返回上注状态遥测，确保上注数据可靠接收；正在执行的上注任务可随时被卫星主任务打断，后续择机继续完成前一次上注任务，方便用户上注任务的灵活安排；

36)后级星载终端设备对接收到的数据，进行多级校验和判断：首先从物理层判断传输的每个字节校验和是否正确；同时提取同步头，再从链路层判断每一帧数据的校验和正确性；当两层校验和均正确后，才允许存储当前数据；只要其中一个出现错误，则丢弃该数据；对每一帧数据两种校验和的检查结果，实时反馈给星载控制器；当出现错误时，通知重传错误帧；

对正确的每帧上注数据，根据当前帧头的相关参数，计算出数据在存储空间的具体区域、具体地址；每帧上注数据存储位置的计算是相互独立的；支持“断点续传”，允许用户随时中断上注过程，也允许用户随时恢复上注过程；也支持“查漏补缺”，对漏发、或错误的上注帧，重新上注该帧；

当全部的数据帧正确上注存储完毕后，通过指令读取完整的数据包，根据其中的特征字符，计算并判断整个数据包的校验和；通过遥测通道，将校验和判断结果下传用户；在数据包校验和正确的情况下，将数据包进行预加载，对设备进行在轨测试及功能验证；确保设备使用上注数据包配置后正常工作，再根据相关遥控指令，完成上注数据包在轨更新，实现星载设备在轨升级和维护。

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