CN115412160A - 面向卫星测控链路的测控数据传输方法及系统 - Google Patents

面向卫星测控链路的测控数据传输方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种面向卫星测控链路的测控数据传输方法及系统，其中，该方法包括：运控站向卫星发出明文切换密文信令；卫星接收到明文切换密文信令并验证通过后，发送明文切换密文的确认消息给所述运控站；卫星在发送所述确认消息后，由明文传输状态切换到密文传输状态，并周期性向所述运控站发送卫星状态报告；如果发生非正常情况，卫星将自身由密文传输状态切换到明文传输状态并通过卫星状态报告通知所述运控站；运控站将自身由密文传输状态切换到明文传输状态。通过本发明实施例提供的面向卫星测控链路的测控数据传输方法及系统，可以使得卫星和地控站分别切换到明文传输状态和密文传输状态，实现了传输状态的一致。

Description

面向卫星测控链路的测控数据传输方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星测控技术领域，具体而言，涉及一种面向卫星测控链路的测控数据传输方法方法及系统。
背景技术
目前，我国卫星产业庞大且多样，涉及卫星导航、天气预报、电视、通信等多个领域，卫星通信技术是当前信息化发展的重要支撑和动力。卫星测控技术是卫星系统的重要组成部分，而卫星的测控链路是进行卫星状态监控、轨道测量、远程操控的重要手段，卫星测控链路的安全是卫星安全稳定运行的前置条件。
但是，卫星的测控链路处于开放的电磁空间中，存在着被干扰、窃听和篡改的风险，甚至导致卫星处于失控失联状态。
目前的卫星测控链路为保障卫星正常在轨运行，多采用密文传输。国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）制定了一些空间数据系统技术建议书，例如：TC（遥控）指令，设有安全导头、加密的遥控数据、验证码，如图1所示；TM（遥测）的数据帧内也为加密数据，与TC帧结构类似，如图2所示。
星地间的遥控遥测数据加密确实在一定程度上保证了星地链路的数据安全，但有一个基本假设：卫星的加解密程序、密钥等不存在问题。
（1）如果卫星的加解密程序出现异常时，卫星将无法解开地面的控制指令而处于失控状态；
（2）如果星地密钥不同步，卫星状态报告到地面将无法解读，地面控制指令也不能被卫星解释执行，卫星处于不可观测且不可控制的状态。
由于卫星长期工作于失重状态、极端温度、太空辐射、太阳风暴等恶劣环境下，加解密程序异常的可能性大大增加。为保证通信安全，卫星和地面需要不断的更新密钥，如果卫星在密钥更新过程中发生重启，就会导致星地间密钥不同步。上述情况一旦发生，地面对卫星进行观测和控制将会非常困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种面向卫星测控链路的测控数据传输方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种面向卫星测控链路的测控数据传输方法，包括卫星、运控站和测控链路，所述测控链路为所述卫星和所述运控站之间测控数据的传输通道，包括明文传输状态和密文传输状态：
所述运控站向所述卫星发出明文切换密文信令；
所述卫星接收到所述明文切换密文信令并验证通过后，发送明文切换密文的确认消息给所述运控站；
所述卫星在发送所述确认消息后，由明文传输状态切换到密文传输状态，并周期性向所述运控站发送卫星状态报告；
所述运控站收到所述卫星的确认消息后，由所述明文传输状态切换到所述密文传输状态；
所述运控站通过所述卫星状态报告确认所述卫星状态切换成功；
如果发生非正常情况，所述卫星将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态并通过所述卫星状态报告通知所述运控站；
所述运控站根据所述卫星状态报告触发报警，将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态。
第二方面，本发明实施例还提供了一种面向卫星测控链路系统，包括卫星、运控站和测控链路，所述测控链路为所述卫星和所述运控站之间测控数据的传输通道，包括明文传输状态和密文传输状态：
所述运控站，用于向所述卫星发出明文切换密文信令；收到所述卫星的确认消息后，由所述明文传输状态切换到所述密文传输状态；通过所述卫星状态报告确认所述卫星状态切换成功；根据所述卫星状态报告触发报警，将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态；
所述卫星，用于接收到所述明文切换密文信令并验证通过后，发送明文切换密文的确认消息给所述运控站；在发送所述确认消息后，由明文传输状态切换到密文传输状态，并周期性向所述运控站发送卫星状态报告；如果发生非正常情况，将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态并通过所述卫星状态报告通知所述运控站。
本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法方法及系统，可以使得卫星和地控站分别切换到明文传输状态和密文传输状态，实现了传输状态的一致。当卫星出现非正常情况时，如卫星加解密程序异常或星地密钥不一致等，卫星可将测控链路自密文传输状态切换到明文传输状态，使卫星仍然处于可控状态，有助于卫星在轨诊断和修复，降低失控风险；待卫星故障排除之后，即时将测控链路自明文传输状态切换回密文传输状态，保证测控数据的安全。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了国际空间数据系统咨询委员会的TC（遥控）指令帧结构示意图；
图2示出了国际空间数据系统咨询委员会的TM（遥测）指令帧结构示意图；
图3示出了本发明实施例的面向卫星测控链路系统的结构示意图；
图4示出了本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法的逻辑示意图；
图5示出了本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法的流程图；
图6示出了本发明实施例的明文切换密文信令的信令帧结构示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图3所示，本发明实施例的面向卫星测控链路系统包括卫星、运控站和测控链路，测控链路为卫星和运控站之间测控数据的传输通道，包括明文传输状态和密文传输状态。
图4示出了本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法的逻辑示意图。
图5示出了本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法的流程图。
如图3-图5所示，本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法具体包括：
步骤S101：卫星发射入轨后，在轨启动，卫星的初始缺省状态为明文传输状态；
此时，测控链路为明文传输状态，卫星和地面的运控站之间的测控数据为明文，测控数据发送前不进行加密，收到后不进行解密操作。
步骤S103：运控站的初始缺省状态也为明文传输状态，运控站在操作员的控制下，向卫星发送明文切换密文信令；
如图6所示，明文切换密文信令的信令帧结构包括：
Tag：1字节，明文切换密文信令的系统编码；
Noc ID：1字节，运控站ID；
Sat SID：2字节，卫星经系统编码算法形成的SID；
Time：8字节，时间戳；
MAC：32字节，信令帧的消息认证码。
步骤S105：卫星收到上述明文切换密文信令后，进行如下验证：
步骤S1051：明文切换密文信令是否在有效时间窗口内；
步骤S1053：明文切换密文信令所在的消息包里含有消息验证码，如果消息验证码验证不通过，证明该明文切换密文信令已被篡改，丢弃该指令；
步骤S1055：运控站是否有权向该卫星发送明文切换密文信令；
如果上述步骤S1051- S1055的验证通过，卫星则向运控站发出明文切换密文的确认消息；
步骤S107：卫星发送明文切换密文的确认消息之后，将自身的状态由明文传输状态切换到密文传输状态，然后周期性向运控站发送卫星状态报告；
步骤S109：运控站收到卫星的明文切换密文的确认消息后，将自身的状态由明文传输状态切换到密文传输状态；
步骤S110：卫星发送卫星状态报告给运控站；
步骤S111：运控站收到卫星状态报告之后，确认卫星状态切换成功；
此时，运控站和卫星都处于密文传输状态，测控链路由明文传输状态成功切换到密文传输状态；
在卫星发射前，运控站向卫星加注初始密钥，由初始密钥派生出初始加密密钥和初始解密密钥，初始加密密钥和初始解密密钥在所述测控链路初次切换到密文传输状态时被激活；
卫星发送数据前采用所述初始加密密钥对该数据进行加密处理，接收所述运控站的指令后先采用所述初始解密密钥对该指令进行解密处理；
初始加密密钥和初始解密密钥会定期动态更新，以保证加解密的安全。
步骤S112：卫星在切换到密文传输状态之后，如果发生非正常情况，将自身的状态由密文传输状态切换到明文传输状态；
非正常情况包括：卫星发生故障重启；或者，卫星在设定时间T内未收到运控站发送的密文信息，由定时器触发，T值可根据实际需要配置；
步骤S113：卫星状态切换成功后，发送卫星状态报告给运控站；
步骤S115：运控站根据收到的卫星状态报告获悉卫星已切换到明文传输状态，与自身的密文传输状态不一致，触发报警；
步骤S117：操作员在检查确认后，将运控站的状态由密文传输状态切换到明文传输状态，与卫星的状态保持一致；
此时，运控站与卫星均处于明文传输状态，测控链路工作于明文传输状态；
步骤S118：在该状态下，运控站向卫星发送调试和修复指令；
步骤S119：通过调试和修复，卫星状态恢复正常。运控站向卫星发送明文切换密文信令，重复上述步骤S101-S111的过程。
面向卫星测控链路系统的测控链路两端，如果一端处于明文传输状态，另一端处于密文传输状态，两端不能解释对端指令，面向卫星测控链路系统的测控任务将无法正常完成。
本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法，可以使得卫星和地控站分别切换到明文传输状态和密文传输状态，实现了传输状态的一致。
本发明实施例的面向卫星测控链路的测控数据传输方法，当卫星出现非正常情况时，如卫星加解密程序异常或星地密钥不一致等，卫星可将测控链路自密文传输状态切换到明文传输状态，使卫星仍然处于可控状态，有助于卫星在轨诊断和修复，降低失控风险；待卫星故障排除之后，即时将测控链路自明文传输状态切换回密文传输状态，保证测控数据的安全。
图3示出了本发明实施例的面向卫星测控链路系统的结构示意图，本发明实施例的面向卫星测控链路系统包括卫星、运控站和测控链路，测控链路为卫星和运控站之间测控数据的传输通道，包括明文传输状态和密文传输状态：
运控站，用于向卫星发出明文切换密文信令；收到卫星的确认消息后，由明文传输状态切换到所述密文传输状态；通过卫星状态报告确认卫星状态切换成功；根据卫星状态报告触发报警，将自身由密文传输状态切换到明文传输状态；
卫星，用于接收到明文切换密文信令并验证通过后，发送明文切换密文的确认消息给运控站；在发送确认消息后，由明文传输状态切换到密文传输状态，并周期性向运控站发送卫星状态报告；如果发生非正常情况，将自身由密文传输状态切换到明文传输状态并通过卫星状态报告通知所述运控站。
在本发明的实施例中，面向卫星测控链路系统还包括：运控站和卫星的初始状态均处于明文传输状态；
在卫星中，非正常情况包括：
卫星发生故障重启；
卫星在设定时间段内未收到运控站发送的密文信息。
在本发明的实施例中，明文切换密文信令的信令帧结构包括：
Tag：明文切换密文信令的系统编码；
Noc ID：运控站ID；
Sat SID：卫星经系统编码算法形成的SID （system ID，系统编码）；
Time：时间戳；
MAC：信令帧的消息认证码。
在本发明的实施例中，在所述卫星中，卫星接收到明文切换密文信令并验证通过的步骤具体包括：
验证明文切换密文信令是否在有效时间窗口内；
验证明文切换密文信令中的消息验证码是否正确；
验证发送信令的运控站是否有权限发送明文切换密文信令。
在本发明的实施例中，面向卫星测控链路系统还包括：
运控站，还用于在卫星发射前，向卫星加注初始加密密钥和初始解密密钥；
所述卫星，还用于当处于所述密文传输状态时，发送数据前采用初始加密密钥对数据进行加密处理，接收运控站的指令后先采用初始解密密钥对指令进行解密处理。
本发明实施例的面向卫星测控链路系统，可以使得卫星和地控站分别切换到明文传输状态和密文传输状态，实现了传输状态的一致。
本发明实施例的面向卫星测控链路系统，当卫星出现非正常情况时，如卫星加解密程序异常或星地密钥不一致等，卫星可将测控链路自密文传输状态切换到明文传输状态，使卫星仍然处于可控状态，有助于卫星在轨诊断和修复，降低失控风险；待卫星故障排除之后，即时将测控链路自明文传输状态切换回密文传输状态，保证测控数据的安全。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种面向卫星测控链路的测控数据传输方法，其特征在于，包括卫星、运控站和测控链路，所述测控链路为所述卫星和所述运控站之间测控数据的传输通道，包括明文传输状态和密文传输状态：
所述运控站向所述卫星发出明文切换密文信令；
所述卫星接收到所述明文切换密文信令并验证通过后，发送明文切换密文的确认消息给所述运控站；
所述卫星在发送所述确认消息后，由明文传输状态切换到密文传输状态，并周期性向所述运控站发送卫星状态报告；
所述运控站收到所述卫星的确认消息后，由所述明文传输状态切换到所述密文传输状态；
所述运控站通过所述卫星状态报告确认所述卫星状态切换成功；
如果发生非正常情况，所述卫星将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态并通过所述卫星状态报告通知所述运控站；
所述运控站根据所述卫星状态报告触发报警，将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述运控站和所述卫星的初始状态均处于明文传输状态；
所述非正常情况包括：
所述卫星发生故障重启；
所述卫星在设定时间段内未收到所述运控站发送的密文信息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述明文切换密文信令的信令帧结构包括：
Tag：所述明文切换密文信令的系统编码；
Noc ID：所述运控站ID；
Sat SID：所述卫星经系统编码算法形成的SID；
Time：时间戳；
MAC：信令帧的消息认证码。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星接收到所述明文切换密文信令并验证通过的步骤具体包括：
验证所述明文切换密文信令是否在有效时间窗口内；
验证所述明文切换密文信令中的消息验证码是否正确；
验证发送信令的所述运控站是否有权限发送所述明文切换密文信令。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述卫星发射前，所述运控站向所述卫星加注初始加密密钥和初始解密密钥；
所述初始加密密钥和初始解密密钥在所述测控链路初次切换到所述密文传输状态时被激活；
当处于所述密文传输状态时，所述卫星发送数据前采用所述初始加密密钥对所述数据进行加密处理，接收所述运控站的指令后先采用所述初始解密密钥对所述指令进行解密处理。
6.一种面向卫星测控链路系统，其特征在于，包括卫星、运控站和测控链路，所述测控链路为所述卫星和所述运控站之间测控数据的传输通道，包括明文传输状态和密文传输状态：
所述运控站，用于向所述卫星发出明文切换密文信令；收到所述卫星的确认消息后，由所述明文传输状态切换到所述密文传输状态；通过所述卫星状态报告确认所述卫星状态切换成功；根据所述卫星状态报告触发报警，将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态；
所述卫星，用于接收到所述明文切换密文信令并验证通过后，发送明文切换密文的确认消息给所述运控站；在发送所述确认消息后，由明文传输状态切换到密文传输状态，并周期性向所述运控站发送卫星状态报告；如果发生非正常情况，将自身由所述密文传输状态切换到所述明文传输状态并通过所述卫星状态报告通知所述运控站。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：所述运控站和所述卫星的初始状态均处于明文传输状态；
在所述卫星中，所述非正常情况包括：
所述卫星发生故障重启；
所述卫星在设定时间段内未收到所述运控站发送的密文信息。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述明文切换密文信令的信令帧结构包括：
Tag：所述明文切换密文信令的系统编码；
Noc ID：所述运控站ID；
Sat SID：所述卫星经系统编码算法形成的SID；
Time：时间戳；
MAC：信令帧的消息认证码。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述卫星中，所述卫星接收到所述明文切换密文信令并验证通过的步骤具体包括：
验证所述明文切换密文信令是否在有效时间窗口内；
验证所述明文切换密文信令中的消息验证码是否正确；
验证发送信令的所述运控站是否有权限发送所述明文切换密文信令。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：
所述运控站，还用于在所述卫星发射前，向所述卫星加注初始加密密钥和初始解密密钥；
所述卫星，还用于当处于所述密文传输状态时，发送数据前采用所述初始加密密钥对所述数据进行加密处理，接收所述运控站的指令后先采用所述初始解密密钥对所述指令进行解密处理。
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