القمر الصناعي ميتيور M1
المصدر: vladtime.ru
مقدمة
إن تشغيل تكنولوجيا الفضاء مستحيل بدون الاتصالات الراديوية، وفي هذا المقال سأحاول شرح الأفكار الرئيسية التي شكلت أساس المعايير التي وضعتها اللجنة الاستشارية الدولية لأنظمة البيانات الفضائية (CCSDS. سيتم استخدام هذا الاختصار أدناه) .
ستركز هذه المقالة بشكل أساسي على طبقة ارتباط البيانات، ولكن سيتم أيضًا تقديم المفاهيم الأساسية للطبقات الأخرى. لا تهدف هذه المقالة بأي حال من الأحوال إلى تقديم وصف شامل وكامل للمعايير. يمكنك مشاهدته على CCSDS. ومع ذلك، فمن الصعب جدًا فهمها، وقد أمضينا الكثير من الوقت في محاولة فهمها، لذلك أريد هنا تقديم المعلومات الأساسية، والتي سيكون من الأسهل بكثير فهم كل شيء آخر. لذلك، دعونا نبدأ.
المهمة النبيلة لـ CCSDS
ربما يكون لدى شخص ما سؤال: لماذا يجب على الجميع الالتزام بالمعايير إذا كان بإمكانك تطوير مجموعة بروتوكولات الراديو الخاصة بك (أو المعيار الخاص بك، مع لعبة البلاك جاك والميزات الجديدة)، وبالتالي زيادة أمان النظام؟
كما تبين الممارسة، فإن الالتزام بمعايير CCSDS أكثر ربحية للأسباب التالية:
- تضم اللجنة المسؤولة عن نشر المعايير ممثلين من كل وكالات الطيران الكبرى في العالم، مما يوفر خبرة لا تقدر بثمن اكتسبتها على مدى سنوات عديدة من تصميم وتشغيل البعثات المختلفة. سيكون من السخف جدًا تجاهل هذه التجربة والوقوف على أشعل النار مرة أخرى.
- يتم دعم هذه المعايير بواسطة معدات المحطات الأرضية الموجودة بالفعل في السوق.
- عند استكشاف أية مشكلات وإصلاحها، يمكنك دائمًا طلب المساعدة من زملائك من الوكالات الأخرى حتى يتمكنوا من إجراء جلسة اتصال مع الجهاز من محطتهم الأرضية. كما ترون، المعايير هي شيء مفيد للغاية، لذلك دعونا نلقي نظرة على نقاطها الرئيسية.
هندسة معمارية
المعايير عبارة عن مجموعة من الوثائق التي تعكس نموذج OSI (الربط البيني للنظام المفتوح) الأكثر شيوعًا، باستثناء أنه على مستوى رابط البيانات يقتصر القواسم المشتركة على التقسيم إلى القياس عن بعد (الوصلة الهابطة - الفضاء - الأرض) والأوامر عن بعد (الوصلة الصاعدة).
دعونا نلقي نظرة على بعض المستويات بمزيد من التفصيل، بدءًا من المستوى الجسدي والانتقال إلى الأعلى. لمزيد من الوضوح، سننظر في بنية الجانب المتلقي. المرسل هو صورته المرآة.
الطبقة المادية
عند هذا المستوى، يتم تحويل إشارة الراديو المعدلة إلى تدفق بت. المعايير هنا ذات طبيعة استشارية بشكل رئيسي، لأنه في هذا المستوى يصعب التجريد من التنفيذ المحدد للأجهزة. وهنا، يتمثل الدور الرئيسي لـ CCSDS في تحديد التشكيلات المقبولة (BPSK وQPSK و8-QAM وما إلى ذلك) وتقديم بعض التوصيات بشأن تنفيذ آليات تزامن الرموز وتعويض دوبلر وما إلى ذلك.
مستوى التزامن والترميز
رسميًا، إنها طبقة فرعية من طبقة ارتباط البيانات، ولكن غالبًا ما يتم فصلها إلى طبقة منفصلة نظرًا لأهميتها ضمن معايير CCSDS. تقوم هذه الطبقة بتحويل تدفق البتات إلى ما يسمى بالإطارات (القياس عن بعد أو الأوامر عن بعد)، والتي سنتحدث عنها لاحقًا. على عكس مزامنة الرموز في الطبقة المادية، والتي تسمح لك بالحصول على تدفق البتات الصحيح، يتم إجراء مزامنة الإطار هنا. خذ بعين الاعتبار المسار الذي تتخذه البيانات عند هذا المستوى (من الأسفل إلى الأعلى):
ومع ذلك، قبل ذلك، من المفيد أن نقول بضع كلمات عن البرمجة. يعد هذا الإجراء ضروريًا للعثور على و/أو تصحيح أخطاء البت التي تحدث حتمًا عند إرسال البيانات عبر قناة راديوية. لن نأخذ في الاعتبار إجراءات فك التشفير، ولكننا سنحصل فقط على المعلومات اللازمة لفهم المنطق الإضافي للمستوى.
يمكن أن تكون الرموز كتلة أو مستمرة. لا تفرض المعايير استخدام نوع معين من التشفير، ولكن يجب أن يكون موجودًا على هذا النحو. تتضمن الرموز المستمرة رموزًا تلافيفية. يتم استخدامها لتشفير دفق البت المستمر. وهذا على النقيض من رموز الكتل، حيث يتم تقسيم البيانات إلى كتل تعليمات برمجية ولا يمكن فك تشفيرها إلا ضمن كتل كاملة. تمثل كتلة التعليمات البرمجية البيانات المرسلة والمعلومات الزائدة عن الحاجة المرفقة اللازمة للتحقق من صحة البيانات المستلمة وتصحيح الأخطاء المحتملة. تتضمن رموز الكتلة رموز Reed-Solomon الشهيرة.
إذا تم استخدام التشفير التلافيفي، يدخل تدفق البتات إلى وحدة فك التشفير من البداية. نتيجة عملها (كل هذا، بالطبع، يحدث بشكل مستمر) هي كتل بيانات CADU (وحدة بيانات الوصول إلى القناة). هذا الهيكل ضروري لمزامنة الإطار. يوجد في نهاية كل CADU صانع تزامن مرفق (ASM). هذه هي 4 بايتات معروفة مسبقًا، والتي من خلالها يجد المزامن بداية ونهاية CADU. هذه هي الطريقة التي يتم بها تحقيق تزامن الإطار.
ترتبط المرحلة الاختيارية التالية لطبقة المزامنة والتشفير بخصائص الطبقة المادية. هذا هو العشوائية. والحقيقة هي أنه لتحقيق مزامنة الرموز، من الضروري التبديل المتكرر بين الرموز. لذلك، إذا أرسلنا، على سبيل المثال، كيلو بايت من البيانات تتكون بالكامل من واحد، فسيتم فقدان المزامنة. ولذلك، أثناء الإرسال، يتم خلط البيانات المدخلة بتسلسل دوري شبه عشوائي بحيث تكون كثافة الأصفار والواحدات موحدة.
بعد ذلك، يتم فك رموز الكتلة، وما تبقى هو المنتج النهائي لمستوى المزامنة والتشفير - الإطار.
طبقة وصل البيانات
من جهة، يستقبل معالج طبقة الارتباط الإطارات، ومن جهة أخرى يصدر الحزم. نظرًا لأن حجم الحزم ليس محدودًا رسميًا، فمن أجل نقلها الموثوق، من الضروري تقسيمها إلى هياكل أصغر - إطارات. سننظر هنا إلى قسمين فرعيين: بشكل منفصل للقياس عن بعد (TM) والأوامر عن بعد (TC).
القياس عن بعد
ببساطة، هذه هي البيانات التي تستقبلها المحطة الأرضية من المركبة الفضائية. يتم تقسيم جميع المعلومات المرسلة إلى أجزاء صغيرة ذات طول ثابت - إطارات تحتوي على البيانات المرسلة وحقول الخدمة. دعونا نلقي نظرة فاحصة على هيكل الإطار:
ودعنا نبدأ نظرنا بالرأس الرئيسي لإطار القياس عن بعد. علاوة على ذلك، سأسمح لنفسي ببساطة بترجمة المعايير في بعض الأماكن، مع تقديم بعض التوضيحات على طول الطريق.
يجب أن يحتوي حقل معرف القناة الرئيسية على رقم إصدار الإطار ومعرف الجهاز.
يجب أن يكون لكل مركبة فضائية، وفقًا لمعايير CCSDS، معرف فريد خاص بها، والذي من خلاله يمكن تحديد الجهاز الذي تنتمي إليه، بوجود إطار. رسميًا، لا بد من تقديم طلب لتسجيل الجهاز، وسيتم نشر اسمه مع معرفه في المصادر المفتوحة. ومع ذلك، غالبا ما تتجاهل الشركات المصنعة الروسية هذا الإجراء، وتعيين معرف تعسفي للجهاز. يساعد رقم إصدار الإطار في تحديد إصدار المعايير المستخدم لقراءة الإطار بشكل صحيح. سننظر هنا فقط في المعيار الأكثر تحفظًا مع الإصدار "0".
يجب أن يحتوي حقل معرف القناة الظاهرية على VCID الخاص بالقناة التي جاءت منها الحزمة. لا توجد أية قيود على اختيار VCID؛ على وجه الخصوص، لا يتم بالضرورة ترقيم القنوات الافتراضية بالتسلسل.
في كثير من الأحيان تكون هناك حاجة لتعدد إرسال البيانات. ولهذا الغرض هناك آلية القنوات الافتراضية. على سبيل المثال، يرسل القمر الصناعي Meteor-M2 صورة ملونة في النطاق المرئي، ويقسمها إلى ثلاثة صور بالأبيض والأسود - يتم إرسال كل لون في قناة افتراضية خاصة به في حزمة منفصلة، على الرغم من وجود بعض الانحراف عن المعايير في هيكل إطاراتها.
يجب أن يكون حقل علم التحكم التشغيلي مؤشرًا على وجود أو عدم وجود مجال التحكم التشغيلي في إطار القياس عن بعد. تعمل هذه البايتات الأربع الموجودة في نهاية الإطار على توفير التغذية الراجعة عند التحكم في تسليم إطارات التحكم عن بعد. سنتحدث عنهم بعد قليل.
عدادات إطار القناة الرئيسية والافتراضية عبارة عن حقول يتم زيادتها بمقدار واحد في كل مرة يتم فيها إرسال الإطار. بمثابة مؤشر على عدم فقدان أي إطار.
حالة بيانات إطار القياس عن بعد هي بايتان إضافيان من الأعلام والبيانات، وسننظر في القليل منها فقط.
يجب أن يكون حقل علامة الرأس الثانوي مؤشرًا على وجود أو عدم وجود رأس ثانوي في إطار القياس عن بعد.
إذا كنت ترغب في ذلك، يمكنك إضافة رأس إضافي لكل إطار ووضع أي بيانات هناك حسب تقديرك.
يجب أن يحتوي حقل مؤشر الرأسية الأول، عند ضبط علامة التزامن على 1، على تمثيل ثنائي لموضع الثماني بتات الأولى من الرزمة الأولى في حقل البيانات لإطار القياس عن بعد. يتم حساب الموضع من 0 بترتيب تصاعدي من بداية حقل البيانات. إذا لم تكن هناك بداية للحزمة في حقل البيانات الخاص بإطار القياس عن بعد، فيجب أن يكون لحقل المؤشر إلى الرأس الأول القيمة في التمثيل الثنائي "11111111111" (يمكن أن يحدث هذا إذا تم توزيع حزمة طويلة واحدة على أكثر من إطار واحد ).
إذا كان حقل البيانات يحتوي على حزمة فارغة (بيانات خاملة)، فيجب أن يكون لمؤشر الرأس الأول القيمة في التمثيل الثنائي "11111111110". باستخدام هذا الحقل، يجب على جهاز الاستقبال مزامنة الدفق. يضمن هذا الحقل استعادة المزامنة حتى في حالة إسقاط الإطارات.
أي أنه يمكن للحزمة، على سبيل المثال، أن تبدأ في منتصف الإطار الرابع وتنتهي في بداية الإطار العشرين. يستخدم هذا الحقل للعثور على بدايته. تحتوي الحزم أيضًا على رأس يحدد طولها، لذا عند العثور على مؤشر إلى الرأس الأول، يجب على معالج طبقة الارتباط قراءته، وبالتالي تحديد المكان الذي ستنتهي فيه الحزمة.
في حالة وجود مجال للتحكم في الأخطاء، يجب احتواؤه في كل إطار قياس عن بعد لقناة مادية معينة طوال المهمة.
يتم حساب هذا الحقل باستخدام طريقة CRC. يجب أن يأخذ الإجراء n-16 بتة من إطار القياس عن بعد وإدراج نتيجة الحساب في آخر 16 بتة.
فرق تلفزيونية
يحتوي إطار أمر التلفزيون على العديد من الاختلافات المهمة. فيما بينها:
- هيكل عنوان مختلف
- الطول الديناميكي. وهذا يعني أن طول الإطار لم يتم ضبطه بشكل صارم، كما هو الحال في القياس عن بعد، ولكن يمكن أن يختلف اعتمادًا على الحزم المرسلة.
- آلية ضمان تسليم الحزمة. أي أنه يجب على المركبة الفضائية، بعد استلامها، التأكد من صحة استقبال الإطار، أو طلب إعادة التوجيه من إطار كان من الممكن استقباله بخطأ غير قابل للتصحيح.
العديد من الحقول مألوفة لنا بالفعل من رأس إطار القياس عن بعد. لديهم نفس الغرض، لذلك سننظر هنا فقط في الحقول الجديدة.
يجب استخدام بتة واحدة من علامة الالتفافية للتحكم في فحص الإطار عند جهاز الاستقبال. يجب أن تشير قيمة "0" لهذه العلامة إلى أن الإطار هو إطار من النوع A ويجب التحقق منه وفقًا لـ FARM. يجب أن تشير القيمة "1" لهذه العلامة للمستقبل إلى أن هذا الإطار هو إطار من النوع B ويجب أن يتجاوز فحص FARM.
تُعلم هذه العلامة المتلقي ما إذا كان سيستخدم آلية إقرار تسليم الإطار التي تسمى FARM - آلية قبول الإطار وإعداد التقارير.
يجب استخدام علامة أمر التحكم لفهم ما إذا كان حقل البيانات ينقل أمرًا أو بيانات. إذا كانت العلامة "0"، فيجب أن يحتوي حقل البيانات على بيانات. إذا كانت العلامة "1"، فيجب أن يحتوي حقل البيانات على معلومات التحكم الخاصة بالمزرعة.
FARM عبارة عن آلة ذات حالة محدودة يمكن تكوين معلماتها.
آر إس في دي. SPARE - البتات المحجوزة.
يبدو أن CCSDS لديها خطط لها في المستقبل، ومن أجل التوافق مع الإصدارات السابقة لإصدارات البروتوكول، قاموا بحجز هذه البتات بالفعل في الإصدارات الحالية من المعيار.
يجب أن يحتوي حقل طول الإطار على رقم بتمثيل البت يساوي طول الإطار بالثمانيات ناقص واحد.
يجب أن يتبع حقل بيانات الإطار الرأس بدون مسافات وأن يحتوي على عدد صحيح من الثمانيات، والتي يمكن أن يصل طولها إلى 1019 ثمانيًا كحد أقصى. يجب أن يحتوي هذا الحقل إما على كتلة بيانات الإطار أو معلومات أمر التحكم. يجب أن تحتوي كتلة بيانات الإطار على:
- عدد صحيح لثمانيات بيانات المستخدم
- رأس المقطع متبوعًا بعدد صحيح من ثمانيات بيانات المستخدم
في حالة وجود رأس، فيجب أن تحتوي كتلة البيانات على حزمة أو مجموعة من الحزم أو جزء من الحزمة. لا يمكن أن تحتوي كتلة البيانات التي لا تحتوي على رأس على أجزاء من الحزم، ولكن يمكن أن تحتوي على كتل بيانات ذات تنسيق خاص. ويترتب على ذلك أن الرأس مطلوب عندما لا تتناسب كتلة البيانات المرسلة مع إطار واحد. تسمى كتلة البيانات التي تحتوي على رأس بالقطعة
يجب أن يحتوي حقل العلامات ذات البتتين على:
- "01" - إذا كان الجزء الأول من البيانات موجودًا في كتلة البيانات
- "00" - إذا كان الجزء الأوسط من البيانات موجودًا في كتلة البيانات
- "10" - إذا كانت آخر قطعة من البيانات موجودة في كتلة البيانات
- "11" - إذا لم يكن هناك تقسيم واحتواء حزمة واحدة أو أكثر بالكامل في كتلة البيانات.
يجب أن يحتوي حقل معرف MAP على أصفار في حالة عدم استخدام قنوات MAP.
في بعض الأحيان لا تكون 6 بتات المخصصة للقنوات الافتراضية كافية. وإذا كان من الضروري تعدد إرسال البيانات إلى عدد أكبر من القنوات، فسيتم استخدام 6 بتات أخرى من رأس المقطع.
مزرعة
دعونا نلقي نظرة فاحصة على آلية عمل نظام التحكم في تسليم الأفراد. يوفر هذا النظام فقط العمل مع إطارات الأوامر عن بعد نظرًا لأهميتها (يمكن دائمًا طلب القياس عن بعد مرة أخرى، ويجب أن تسمع المركبة الفضائية المحطة الأرضية بوضوح وتطيع أوامرها دائمًا). لذا، لنفترض أننا قررنا إعادة تحميل القمر الصناعي الخاص بنا، وإرسال ملف ثنائي بحجم 10 كيلو بايت إليه. على مستوى الارتباط، يتم تقسيم الملف إلى 10 إطارات (0، 1، ...، 9)، يتم إرسالها للأعلى واحدًا تلو الآخر. عند اكتمال الإرسال، يجب على القمر الصناعي التأكد من صحة استقبال الحزمة أو الإبلاغ عن الإطار الذي حدث فيه الخطأ. يتم إرسال هذه المعلومات إلى مجال التحكم التشغيلي في أقرب إطار للقياس عن بعد (أو يمكن للمركبة الفضائية بدء إرسال إطار خامل إذا لم يكن لديها ما تقوله). بناءً على القياس عن بعد المستلم، إما أن نتأكد من أن كل شيء على ما يرام، أو نواصل إعادة إرسال الرسالة. لنفترض أن القمر الصناعي لم يسمع الإطار رقم 7. هذا يعني أننا نرسل له الإطارات 7، 8، 9. إذا لم يكن هناك استجابة، يتم إرسال الحزمة بأكملها مرة أخرى (وهكذا عدة مرات حتى ندرك أن المحاولات ذهبت سدى).
فيما يلي هيكل مجال التحكم التشغيلي مع وصف لبعض المجالات. تسمى البيانات الموجودة في هذا الحقل CLCW - كلمة التحكم في ارتباط الاتصال.
نظرًا لأنه يمكنك بسهولة تخمين الغرض من الحقول الرئيسية من الصورة، بينما يكون النظر إلى الحقول الأخرى مملًا، فأنا أقوم بإخفاء الوصف التفصيلي تحت المفسد
شرح حقول CLCWنوع كلمة التحكم:
بالنسبة لهذا النوع، يجب أن تحتوي كلمة التحكم على 0
إصدار كلمة التحكم (رقم إصدار CLCW):
بالنسبة لهذا النوع، يجب أن تكون كلمة التحكم مساوية لـ "00" في تمثيل البت.
حقل الحالة:
ويتم تحديد استخدام هذا المجال لكل مهمة على حدة. يمكن استخدامها للتحسينات المحلية من قبل وكالات الفضاء المختلفة.
تعريف القناة الافتراضية:
يجب أن يحتوي على معرف القناة الافتراضية التي ترتبط بها كلمة التحكم هذه.
علامة الوصول إلى القناة المادية:
يجب أن توفر العلامة معلومات حول جاهزية الطبقة المادية لجهاز الاستقبال. إذا كانت الطبقة المادية لجهاز الاستقبال غير جاهزة لاستقبال الإطارات، فيجب أن يحتوي الحقل على "1"، وإلا "0".
علامة فشل المزامنة:
قد تشير العلامة إلى أن الطبقة المادية تعمل عند مستوى إشارة ضعيف وأن عدد الإطارات المرفوضة مرتفع جدًا. استخدام هذا الحقل اختياري؛ إذا تم استخدامه، فيجب أن يحتوي على "0" إذا كان التزامن متاحًا، و"1" إذا لم يكن كذلك.
علم المنع:
يجب أن تحتوي هذه البتة على حالة قفل FARM لكل قناة افتراضية. يجب أن تشير القيمة "1" في هذا الحقل إلى تعطيل FARM وسيتم تجاهل الإطارات لكل طبقة افتراضية، وإلا "0".
علامة الانتظار:
يجب استخدام هذه البتة للإشارة إلى أن جهاز الاستقبال لا يمكنه معالجة البيانات على القناة الافتراضية المحددة. تشير القيمة "1" إلى أنه سيتم تجاهل كافة الإطارات على هذه القناة الافتراضية، وإلا "0".
العلم إلى الأمام:
يجب أن تحتوي هذه العلامة على "1" إذا تم التخلص من إطار واحد أو أكثر من الإطارات من النوع A أو تم العثور على فجوات، لذا فإن إعادة الإرسال ضرورية. تشير العلامة "0" إلى عدم وجود إطارات مسقطة أو تخطيات.
قيمة الاستجابة:
رقم الإطار الذي لم يتم استلامه. يتم تحديده بواسطة العداد الموجود في رأس إطار التحكم عن بعد
طبقة الشبكة
دعونا نتطرق إلى هذا المستوى قليلاً. هناك خياران هنا: إما استخدام بروتوكول الحزمة الفضائية، أو تغليف أي بروتوكول آخر في حزمة CCSDS.
نظرة عامة على بروتوكول الحزمة الفضائية هو موضوع لمقالة منفصلة. وهو مصمم للسماح لما يسمى بالتطبيقات بتبادل البيانات بسلاسة. كل تطبيق له عنوانه الخاص ووظائفه الأساسية لتبادل البيانات مع التطبيقات الأخرى. هناك أيضًا خدمات لتوجيه حركة المرور والتحكم في التسليم وما إلى ذلك.
مع التغليف، كل شيء أبسط وأوضح. تتيح المعايير إمكانية تغليف أي بروتوكولات في حزم CCSDS عن طريق إضافة رأس إضافي.
حيث يكون للرأس معاني مختلفة اعتمادًا على طول البروتوكول الذي يتم تغليفه:
هنا الحقل الرئيسي هو طول الطول. يمكن أن تختلف من 0 إلى 4 بايت. يجب عليك أيضًا في هذا الرأس الإشارة إلى نوع البروتوكول المغلف باستخدام الجدول .
يستخدم تغليف IP وظيفة إضافية أخرى لتحديد نوع الحزمة.
تحتاج إلى إضافة رأس آخر بطول ثماني بتات:
حيث PID هو معرف بروتوكول آخر مأخوذ
اختتام
للوهلة الأولى، قد يبدو أن رؤوس CCSDS زائدة عن الحاجة للغاية ويمكن تجاهل بعض الحقول. وبالفعل تبلغ كفاءة القناة الناتجة (حتى مستوى الشبكة) حوالي 40%. ومع ذلك، بمجرد ظهور الحاجة إلى تطبيق هذه المعايير، يصبح من الواضح أن كل مجال، كل عنوان له مهمته الهامة الخاصة، وتجاهل الأمر يؤدي إلى عدد من الغموض.
إذا أبدى مجتمع المعرفة اهتمامًا بهذا الموضوع، فسأكون سعيدًا بنشر سلسلة كاملة من المقالات المخصصة لنظرية وممارسة الاتصالات الفضائية. شكرًا لكم على اهتمامكم!
مصادر
PS
لا تضغط بشدة إذا وجدت أي معلومات غير دقيقة. أبلغ عنهم وسيتم إصلاحهم :)
المصدر: www.habr.com