Meteor M1 satelliit
Allikas: vladtime.ru
Sissejuhatus
Kosmosetehnoloogia toimimine on ilma raadiosideta võimatu ja selles artiklis püüan selgitada peamisi ideid, mis olid Rahvusvahelise Kosmoseandmesüsteemide Nõuandekomitee (CCSDS) väljatöötatud standardite aluseks. Seda lühendit kasutatakse allpool. .
See postitus keskendub peamiselt andmesidekihile, kuid tutvustatakse ka teiste kihtide põhikontseptsioone. See artikkel ei ole mingil juhul standardite põhjalik ja täielik kirjeldus. Saate seda vaadata aadressil CCSDS. Neid on aga väga raske mõista ja me kulutasime palju aega nende mõistmiseks, nii et siin tahan anda põhiteavet, mille olemasolul on kõike muud palju lihtsam mõista. Niisiis, alustame.
CCSDSi üllas missioon
Võib-olla on kellelgi küsimus: miks peaksid kõik järgima standardeid, kui saate välja töötada oma patenteeritud raadioprotokolli pinu (või oma standardi koos blackjacki ja uute funktsioonidega), suurendades seeläbi süsteemi turvalisust?
Nagu praktika näitab, on tulusam järgida CCSDS-i standardeid mitmel põhjusel:
- Standardite avaldamise eest vastutavasse komiteesse kuuluvad esindajad kõigist maailma suurematest kosmoseagentuuridest, kes toovad kaasa hindamatu kogemuse, mis on omandatud paljude aastate jooksul erinevate missioonide kavandamisel ja käitamisel. Väga absurdne oleks seda kogemust ignoreerida ja uuesti reha otsa astuda.
- Neid standardeid toetavad juba turul olevad maapealsed jaamaseadmed.
- Probleemide tõrkeotsingul võite alati otsida abi kolleegidelt teistest agentuuridest, et nad saaksid oma maajaamast seadmega sideseansi läbi viia. Nagu näete, on standardid äärmiselt kasulikud, seega vaatame nende põhipunkte.
arhitektuur
Standardid on dokumentide kogum, mis kajastab enimlevinud OSI (Open System Interconnection) mudelit, välja arvatud see, et andmesideühenduse tasemel piirdub ühisosa jagamisega telemeetriaks (allalüli – kosmos – Maa) ja telekäskudeks (üleslüli).
Vaatame mõnda taset üksikasjalikumalt, alustades füüsilisest ja liikudes ülespoole. Suurema selguse huvides käsitleme vastuvõtva poole arhitektuuri. Edastav on selle peegelpilt.
Füüsiline kiht
Sellel tasemel muundatakse moduleeritud raadiosignaal bitivooks. Siin olevad standardid on oma olemuselt peamiselt soovituslikud, kuna sellel tasemel on riistvara konkreetsest rakendamisest raske abstraktsiooni võtta. Siin on CCSDS-i võtmeroll defineerida vastuvõetavad modulatsioonid (BPSK, QPSK, 8-QAM jne) ja anda soovitusi sümbolite sünkroniseerimismehhanismide, Doppleri kompensatsiooni jms rakendamiseks.
Sünkroonimise ja kodeerimise tase
Formaalselt on see andmelingikihi alamkiht, kuid selle tähtsuse tõttu CCSDS-i standardites on see sageli eraldatud eraldi kihiks. See kiht teisendab bitivoo nn kaadriteks (telemeetria või telekäsklused), millest räägime hiljem. Erinevalt sümbolite sünkroonimisest füüsilisel kihil, mis võimaldab saada õiget bitivoogu, toimub siin kaadrite sünkroonimine. Mõelge andmetele sellel tasemel (alt üles):
Enne seda tasub aga öelda paar sõna kodeerimise kohta. See protseduur on vajalik bitivigade leidmiseks ja/või parandamiseks, mis raadiokanali kaudu andmete saatmisel vältimatult tekivad. Siin ei käsitle me dekodeerimisprotseduure, vaid saame ainult taseme edasise loogika mõistmiseks vajaliku teabe.
Koodid võivad olla blokeeritud või pidevad. Standardid ei sunni kasutama kindlat tüüpi kodeeringut, kuid see peab sellisena olemas olema. Pidevad koodid hõlmavad konvolutsioonikoode. Neid kasutatakse pideva bitivoo kodeerimiseks. See on vastupidine plokkkoodidele, kus andmed on jagatud koodiplokkideks ja neid saab dekodeerida ainult täielike plokkide sees. Koodiplokk tähistab edastatud andmeid ja lisatud üleliigset teavet, mis on vajalik saadud andmete õigsuse kontrollimiseks ja võimalike vigade parandamiseks. Plokikoodid hõlmavad kuulsaid Reed-Solomoni koode.
Kui kasutatakse konvolutsioonikodeeringut, siseneb bitivoog dekoodrisse algusest peale. Selle töö tulemuseks (kõik see toimub loomulikult pidevalt) on CADU (channel access data unit) andmeplokid. See struktuur on vajalik kaadri sünkroonimiseks. Iga CADU lõpus on ühendatud sünkroonimistegija (ASM). Need on ette teada 4 baiti, mille järgi sünkroniseerija leiab CADU alguse ja lõpu. Nii saavutatakse kaadri sünkroniseerimine.
Sünkroonimis- ja kodeerimiskihi järgmine valikuline etapp on seotud füüsilise kihi iseärasustega. See on derandomiseerimine. Fakt on see, et sümbolite sünkroonimise saavutamiseks on vajalik sagedane sümbolite vahetamine. Seega, kui edastame näiteks kilobaidi andmeid, mis koosnevad täielikult neist, läheb sünkroonimine kaotsi. Seetõttu segatakse edastamise ajal sisendandmed perioodilise pseudojuhusliku jadaga, nii et nullide ja ühtede tihedus on ühtlane.
Järgmiseks dekodeeritakse plokkkoodid ning alles jääb sünkroonimis- ja kodeerimistaseme lõpptoode – kaader.
Andmelingi kiht
Ühelt poolt võtab lingikihi protsessor vastu kaadreid ja teiselt poolt väljastab pakette. Kuna pakettide suurus ei ole formaalselt piiratud, on nende usaldusväärseks edastamiseks vaja need jagada väiksemateks struktuurideks - raamideks. Siin vaatleme kahte alajaotist: eraldi telemeetria (TM) ja telekäskude (TC) jaoks.
Telemeetria
Lihtsamalt öeldes on need andmed, mida maapealne jaam kosmoselaevalt saab. Kogu edastatav teave on jagatud väikesteks fikseeritud pikkusega fragmentideks - kaadriteks, mis sisaldavad edastatavaid andmeid ja teenusevälju. Vaatame lähemalt raami struktuuri:
Ja alustame oma kaalumist telemeetriaraami peamise päisega. Lisaks luban endal standardid mõnes kohas lihtsalt tõlkida, andes teekonnal mõned täpsustused.
Põhikanali ID väli peab sisaldama kaadri versiooninumbrit ja seadme identifikaatorit.
Igal kosmoseaparaadil peab CCSDS-i standardite kohaselt olema oma kordumatu identifikaator, mille abil saab raami omades kindlaks teha, millisesse seadmesse see kuulub. Formaalselt on seadme registreerimiseks vaja esitada taotlus ning selle nimi koos identifikaatoriga avaldatakse avatud allikates. Venemaa tootjad aga sageli ignoreerivad seda protseduuri, määrates seadmele suvalise identifikaatori. Raami versiooninumber aitab määrata, millist standardite versiooni kasutatakse raami korrektseks lugemiseks. Siin käsitleme ainult kõige konservatiivsemat standardit versiooniga "0".
Virtuaalse kanali ID väli peab sisaldama selle kanali VCID-d, kust pakett tuli. VCID valikul ei ole piiranguid; eelkõige ei pruugi virtuaalsed kanalid olla järjestikku nummerdatud.
Väga sageli on vaja edastatud andmeid multipleksida. Selleks on olemas virtuaalsete kanalite mehhanism. Näiteks satelliit Meteor-M2 edastab nähtavas piirkonnas värvilist pilti, jagades selle kolmeks must-valgeks - iga värv edastatakse oma virtuaalses kanalis eraldi paketis, kuigi standarditest on mõningaid kõrvalekaldeid. selle raamide struktuur.
Operatiivjuhtimise lipuväli näitab operatiivjuhtimise välja olemasolu või puudumist telemeetriaraamis. Need 4 baiti kaadri lõpus annavad tagasisidet kaugkäskluste kaadrite edastamise juhtimisel. Räägime neist veidi hiljem.
Põhi- ja virtuaalkanali kaadriloendurid on väljad, mida suurendatakse ühe võrra iga kord, kui kaader saadetakse. Näitab, et ükski kaader pole kadunud.
Telemeetria kaadri andmete olek on veel kaks baiti lippe ja andmeid, millest vaatleme vaid mõnda.
Teisese päise lipuväli peab näitama sekundaarse päise olemasolu või puudumist telemeetria kaadris.
Soovi korral saate igale kaadrile lisada täiendava päise ja paigutada sinna kõik andmed oma äranägemise järgi.
Esimese päise osuti väli, kui sünkroonimislipp on seatud väärtusele "1", sisaldab binaarset esitust esimese paketi esimese okteti asukohast telemeetria kaadri andmeväljal. Asukohta loetakse alates 0-st andmevälja algusest kasvavas järjekorras. Kui telemeetria kaadri andmeväljal paketi algust pole, siis esimese päisevälja kursoril peab olema väärtus binaarses esituses "11111111111" (see võib juhtuda, kui üks pikk pakett on hajutatud üle ühe kaadri ).
Kui andmeväli sisaldab tühja paketti (Idle Data), siis peaks esimese päise kursoril olema väärtus binaarses esituses “11111111110”. Seda välja kasutades peab vastuvõtja voo sünkroonima. See väli tagab sünkroonimise taastamise isegi kaadrite mahajätmisel.
See tähendab, et pakett võib alata näiteks 4. kaadri keskel ja lõppeda 20. kaadri alguses. Seda välja kasutatakse selle alguse leidmiseks. Pakettidel on ka päis, mis määrab selle pikkuse, nii et kui leitakse kursor esimesele päisele, peab lingikihi protsessor seda lugema, määrates sellega, kus pakett lõpeb.
Kui veakontrolli väli on olemas, peab see kogu missiooni jooksul sisalduma konkreetse füüsilise kanali igas telemeetria kaadris.
See väli arvutatakse CRC meetodil. Protseduur peab võtma n-16 bitti telemeetria kaadrist ja sisestama arvutuse tulemuse viimasesse 16 bitti.
Telemeeskonnad
Teleri käsuraamil on mitu olulist erinevust. Nende hulgas:
- Erinev pealkirja struktuur
- Dünaamiline pikkus. See tähendab, et kaadri pikkus ei ole jäigalt seatud, nagu seda tehakse telemeetria puhul, vaid see võib varieeruda sõltuvalt edastatavatest pakettidest.
- Pakkide kohaletoimetamise garantiimehhanism. See tähendab, et kosmoselaev peab pärast selle vastuvõtmist kinnitama kaadri vastuvõtu õigsust või taotlema edastamist kaadrist, mis oleks võinud vastu võtta parandamatu veaga.
Paljud väljad on meile juba telemeetriaraami päisest tuttavad. Neil on sama eesmärk, seega käsitleme siin ainult uusi valdkondi.
Kaadri kontrollimise juhtimiseks vastuvõtjas tuleb kasutada möödaviigulipu üht bitti. Selle lipu väärtus "0" näitab, et kaader on A-tüüpi raam ja seda tuleb kontrollida vastavalt standardile FARM. Selle lipu väärtus "1" peaks vastuvõtjale näitama, et kaader on B-tüüpi kaader ja peaks FARM-i kontrollimisest mööda minema.
See lipp teavitab vastuvõtjat, kas kasutada kaadri edastamise kinnitusmehhanismi nimega FARM – kaadri vastuvõtu- ja aruandlusmehhanism.
Juhtkäsu lippu tuleb kasutada selleks, et mõista, kas andmeväli edastab käsku või andmeid. Kui lipp on "0", siis peab andmeväli sisaldama andmeid. Kui lipp on "1", peab andmeväli sisaldama FARMi kontrollteavet.
FARM on piiratud olekuga masin, mille parameetreid saab konfigureerida.
RSVD. SPARE – reserveeritud bitid.
Näib, et CCSDS-il on nendega tulevikuplaanid ja protokolliversioonide tagasiühilduvuse huvides on nad need bitid reserveeritud juba standardi praegustes versioonides.
Kaadri pikkuse väli peab sisaldama arvu bitti, mis on võrdne kaadri pikkusega oktettides miinus üks.
Raami andmeväli peab järgnema päisele ilma tühikuteta ja sisaldama täisarvulist oktettide arvu, mille pikkus võib olla maksimaalselt 1019 oktetti. See väli peab sisaldama kas kaadri andmeploki või juhtkäskude teavet. Raami andmeplokk peab sisaldama:
- kasutajaandmete oktettide täisarv
- segmendi päis, millele järgneb kasutajaandmete oktettide täisarv
Kui päis on olemas, peab andmeplokk sisaldama paketti, pakettide komplekti või paketi osa. Ilma päiseta andmeplokk ei saa sisaldada pakettide osi, kuid võib sisaldada privaatvormingus andmeplokke. Sellest järeldub, et päis on vajalik siis, kui edastatav andmeplokk ei mahu ühte kaadrisse. Andmeplokki, millel on päis, nimetatakse segmendiks
Kahebitiste lippude väli peab sisaldama:
- "01" - kui andmete esimene osa on andmeplokis
- “00” - kui andmete keskmine osa on andmeplokis
- "10" – kui andmeplokis on viimane andmeosa
- “11” - kui jaotust pole ja üks või mitu paketti mahub täielikult andmeplokki.
Kui MAP-kanaleid ei kasutata, peab MAP ID väli sisaldama nulle.
Mõnikord ei piisa virtuaalsetele kanalitele eraldatud 6 bitist. Ja kui on vaja andmeid multipleksida suuremale arvule kanalitele, kasutatakse segmendi päisest veel 6 bitti.
FARM
Vaatame lähemalt personali kohaletoimetamise kontrollisüsteemi toimimise mehhanismi. See süsteem võimaldab töötada ainult kaugkäskude raamidega nende tähtsuse tõttu (telemeetriat saab alati uuesti taotleda ja kosmoseaparaat peab maapealset jaama selgelt kuulma ja alati selle käske täitma). Oletame, et otsustame oma satelliidi uuesti värskendada ja saadame sellele 10 kilobaidi suuruse binaarfaili. Lingi tasemel on fail jagatud 10 kaadriks (0, 1, ..., 9), mis saadetakse ükshaaval ülespoole. Kui edastus on lõppenud, peab satelliit kinnitama pakettide vastuvõtmise õigsust või teatama, millises kaadris viga ilmnes. See teave saadetakse lähima telemeetria kaadri tööjuhtimisväljale (Või võib kosmoseaparaat algatada tühikäigu kaadri edastamise, kui tal pole midagi öelda). Saadud telemeetria põhjal veendume, et kõik on korras, või jätkame sõnumi uuesti saatmisega. Oletame, et satelliit ei kuulnud kaadrit nr 7. See tähendab, et saadame talle kaadrid 7, 8, 9. Kui vastust ei tule, saadetakse kogu pakett uuesti (ja nii mitu korda, kuni mõistame, et katsed on asjatud).
Allpool on toodud tööjuhtimise välja struktuur koos mõne välja kirjeldusega. Sellel väljal sisalduvaid andmeid nimetatakse CLCW - Communication Link Control Word.
Kuna pildilt on peamiste väljade otstarve lihtne ära arvata ja teisi on igav vaadata, siis peidan detailse kirjelduse spoileri alla
CLCW väljade selgitusJuhtsõna tüüp:
Selle tüübi puhul peab juhtsõna sisaldama 0
Juhtsõna versioon (CLCW versiooni number):
Selle tüübi puhul peab juhtsõna biti esituses olema võrdne "00".
Olekuväli:
Selle välja kasutamine määratakse iga missiooni jaoks eraldi. Saab kasutada erinevate kosmoseagentuuride kohalikeks täiustusteks.
Virtuaalse kanali identifitseerimine:
Peab sisaldama virtuaalse kanali identifikaatorit, millega see juhtsõna on seotud.
Füüsilise kanali juurdepääsu lipp:
Lipp peab andma teavet vastuvõtja füüsilise kihi valmisoleku kohta. Kui vastuvõtja füüsiline kiht ei ole kaadrite vastuvõtmiseks valmis, peab väljal olema "1", vastasel juhul "0".
Sünkroonimise ebaõnnestumise lipp:
Lipp võib näidata, et füüsiline kiht töötab kehval signaalitasemel ja tagasilükatud kaadrite arv on liiga suur. Selle välja kasutamine on valikuline; kui seda kasutatakse, peab see sisaldama "0", kui sünkroonimine on saadaval, ja "1", kui see pole saadaval.
Blokeeriv lipp:
See bitt sisaldab iga virtuaalse kanali FARM-luku olekut. Väärtus "1" sellel väljal peaks näitama, et FARM on keelatud ja iga virtuaalse kihi kaadrid tühistatakse, vastasel juhul "0".
Oota lipp:
Seda bitti kasutatakse näitamaks, et vastuvõtja ei saa töödelda andmeid määratud virtuaalkanalil. Väärtus "1" näitab, et sellel virtuaalsel kanalil visatakse kõik kaadrid kõrvale, vastasel juhul "0".
Edasi lipp:
See lipp peab sisaldama "1", kui üks või mitu A-tüüpi kaadrit on kasutusest kõrvaldatud või kui on leitud lünki, mistõttu on vaja uuesti saata. Lipp "0" näitab, et ei langenud kaadreid ega vahelejätmisi.
Vastuse väärtus:
Kaadri number, mida ei saadud kätte. Määratakse telekäsu kaadri päises oleva loenduri järgi
võrgukiht
Puudutagem seda taset veidi. Siin on kaks võimalust: kas kasutada ruumipaketi protokolli või kapseldada mis tahes muud protokolli CCSDS paketti.
Ülevaade ruumipakettide protokollist on eraldi artikli teema. See on loodud võimaldama niinimetatud rakendustel sujuvalt andmeid vahetada. Igal rakendusel on oma aadress ja põhifunktsioonid andmete vahetamiseks teiste rakendustega. Samuti on teenuseid, mis suunavad liiklust, kontrollivad kohaletoimetamist jne.
Kapseldamisega on kõik lihtsam ja selgem. Standardid võimaldavad kapseldada mis tahes protokolle CCSDS-pakettidesse, lisades täiendava päise.
Kui päisel on sõltuvalt kapseldatud protokolli pikkusest erinev tähendus:
Siin on põhiväljaks pikkuse pikkus. See võib varieeruda vahemikus 0 kuni 4 baiti. Ka selles päises peate tabeli abil märkima kapseldatud protokolli tüübi .
IP-kapseldamine kasutab paketi tüübi määramiseks teist lisandmoodulit.
Peate lisama veel ühe, ühe okteti pikkuse päise:
Kui PID on võetud teine protokolli identifikaator
Järeldus
Esmapilgul võib tunduda, et CCSDS-i päised on äärmiselt üleliigsed ja mõned väljad võiks ära visata. Tõepoolest, saadud kanali efektiivsus (kuni võrgu tasemeni) on umbes 40%. Kuid niipea, kui tekib vajadus neid standardeid rakendada, saab selgeks, et igal valdkonnal, igal rubriigil on oma oluline missioon, mille eiramine toob kaasa mitmeid ebaselgusi.
Kui habraühing selle teema vastu huvi tunneb, avaldan hea meelega terve sarja kosmosekommunikatsiooni teooriale ja praktikale pühendatud artikleid. Täname tähelepanu eest!
allikatest
PS
Ärge lööge liiga kõvasti, kui leiate ebatäpsusi. Anna neist teada ja need parandatakse :)
Allikas: www.habr.com