🥇Natuke kosmosekommunikatsiooni standarditest

Kuu Meteer M1
Allikas: vladtime.ru

Sissejuhatus

Kosmosetehnika töö on võimatu ilma raadiosidega, ja selles artiklis püüan selgitada peamised ideed, mis on kujundanud standardite aluse, mille on välja töötanud Rahvusvaheline Kosmosesüsteemide Andmeedastusnõukogu (Consultative Committee for Space Data Systems – CCSDS. Edasi kasutatakse seda lühendit).

See publikatsioon keskendub peamiselt kanalitasemele, kuid ka teiste tasemete põhimõisted tutvustatakse. Artikkel ei pretendeeri täielikule ja ammendavale standardite kirjeldamisele. Nende sisu kohta saate tutvuda veebilehel CCSDS. Kuid need on äärmiselt keerulised ja aega nõudvad, seetõttu kulus meil palju aega nende mõistmisele, mistõttu tahan siin jagada põhiteavet, mis aitab teil kõike ülejäänut kergemini mõista. Nii et alustame.

Auväärne missioon CCSDS

Võib-olla on kellelgi küsimus: miks peaks kõik järgima standardeid, kui saab välja töötada oma patenteeritud raadioside protokollide komplekti (või oma standardi, uute funktsioonidega), suurendades seeläbi süsteemi turvalisust?

Kogemus näitab, et kasulikum on järgida CCSDS standardeid mitmel põhjusel:

Standardite avaldamise komisjoni kuuluvad maailmas kõikide suurte kosmoseksperdid, tuues endaga kaasa hindamatut kogemust, mis on saadud aastatepikkuse erinevate missioonide kavandamise ja elluviimise käigus. Oleks väga mõttetu ignoreerida seda kogemust ja taas samadele kividel komistada.
Need standardid on kooskõlas juba olemasoleva maapealse seadme varustusega.
Vigu kõrvaldates võib alati pöörduda teiste agentuuride kolleegide poole, et nad korraldaksid oma maapealt seadmega suhtlemise seansi. Nagu näete, on standardid äärmiselt kasulikud, seega uurime nende põhikohti.

Arhitektuur

Standardid on dokumentide kogum, mis peegeldab kõige tavalist OSI (Open System Interconnection) mudelit, välja arvatud see, et kanali tasandil on ühtsus piiratud telemeetriaga (kanal „alla“ – kosmos – Maa) ja telekäskudega (kanal „üles“).

Vaadakem mõnda taset lähemalt, alustades füüsilisest ja liikudes ülespoole. Selgemaks arusaamiseks vaatame vastuvõtja arhitektuuri. Edastaja on selle peegelpilt.

Füüsiline kiht

Sellel tasemel muudetakse moduleeritud raadi signaal bitivooguks. Standardid on siin peamiselt soovituslikud, kuna on keeruline abstraktselt mõelda konkreetsetele riistvara realisatsioonidele. Siin on CCSDSi peamine roll määrata lubatud modulaarsused (BPSK, QPSK, 8-QAM jne) ja anda soovitusi sümbolite sünkroniseerimise, Doppleri nihke kompenseerimise jms implementatsiooni kohta.

Sünkroniseerimise ja kodeerimise tase

Kuigi see on ametlikult kanalitasandi alamkiht, eristatakse seda tihti eraldi kihina oma tähtsuse tõttu CCSDS standardite raames. See kiht muundab bitivoogude kaadriteks (telemeetria või telekäsud), millest räägime hiljem. Erinevalt füüsilise tasandi sümboolsetest sünkroniseerimistest, mis võimaldavad saada korrektset bitivoogu, teostatakse siin kaadrisünkroniseerimist. Vaadakem, kuidas andmed sellel tasandil liiguvad (aluselt ülespoole):

Kuid enne seda tasub öelda paar sõna kodeerimise kohta. See protseduur on vajalik bitivead tuvastamiseks ja/või parandamiseks, mis paratamatult tekivad andmete edastamisel raadio kanalite kaudu. Siin me dekodeerimismenetlusi ei käsitle, vaid saame vaid teadaolevad andmed, mis on vajalikud edasise kihtide töö loogika mõistmiseks.

Koodid võivad olla plokilised ja pidevad. Standardid ei kohusta kasutama kindlat kodeerimisviisi, kuid see peab olema olemas. Pidevateks peetakse konvolutsioonikoode. Nende abil kodeeritakse pidev bitivoog. Erinevalt plokikohtadest, kus andmed jagatakse koodiblokkideks ja neid saab dekodeerida ainult terviklike plokkide raames. Koodiblokk on edastatavad andmed ja sellele lisatud ülemäärane teave, mis on vajalik andmete õigsuse kontrollimiseks ja võimalike vigade parandamiseks. Ploki koode kuuluvad tuntud Reed-Solomoni koodid.

Kui kasutatakse konvolutsioonkodeerimist, sisenevad bitid esialgu dekoodrisse. Selle töö tulemus (kõik see toimub loomulikult pidevalt) on andmeplokid CADU (kanali juurdepääsu andmeüksus). See struktuur on vajalik kaadrisünkroniseerimiseks. Iga CADU lõppu on lisatud sünkroniseerimismarker (ASM – lisatud sünkroniseerimismarker). Need on eelnevalt teadaolevad 4 baiti, mille abil sünkroniseerija leiab CADU alguse ja lõpu. Nii saavutatakse kaadrisünkroniseerimine.

Järgmine valikuline sünkroniseerimise ja kodeerimise etapp on seotud füüsilise tasandi töö omadustega. See on derandomiseerimine. Probleem on selles, et sümboolse sünkroniseerimise saavutamiseks on vajalik sagedane vahetus sümbolite vahel. Kui edastame näiteks kilobaiti andmeid, mis koosnevad ainult ühikutest, siis sünkroniseerimine kaob. Seetõttu seguneb ülekande sisend perioodilise pseudojuhusliku järjestusega, et nullide ja üksteiste tihedus oleks ühtlane.

Seejärel toimub plokkidega koodide dekodeerimine ning see, mis alles jääb, on sünkroniseerimise ja kodeerimise tasandi lõppprodukt – kaader.

Kanalitase

Ühel pool saab kanalitasandi töötleja kaadreid ning teiselt poolt väljundit pakette. Kuna pakettide suurus pole formaalselt piiratud, on nende usaldusväärseks edastamiseks vajalik nende jagamine väiksemate struktuurideks – kaadriteks. Siin vaatleme kahte alamjaotust: eraldi telemeetri (TM) ja telecommand (TC) jaoks.

Telemeetria

Lihtsamalt öeldes, need on andmed, mida maapealne jaam KА-lt saab. Kõik edastatavad andmed jagunevad väikesteks fikseeritud pikkusega fragmentideks – kaadriteks, mis sisaldavad edastatavaid andmeid ja teenindusvälju. Vaatame kaadri struktuuri lähemalt:

Alustame telemeetriakaadri põhipealkirjaga. Edasi luban endal mõnes kohas lihtsalt standardeid tõlkida, samal ajal andes mõned selgitused.

Peakanali identifikaatori (Master Channel ID) välja tuleb sisaldada kaadri versiooninumbrit ja seadme identifikaatorit.

Iga KА, CCSDSi standardite kohaselt peab olema oma unikaalne identifikaator, mille abil saab raamest määrata, millisele seadmele see kuulub. Formaalset taotlust seadme registreerimiseks on vajalik esitada, ja selle nimi koos identifikaatoriga avaldatakse avatud allikates. Kuid tihti ignoreerivad Venemaa tootjad seda protseduuri, omistades seadmele suvalise identifikaatori. Raami versiooninumber aitab määratleda, millist versiooni standarditest kasutatakse, et raami õigesti lugeda. Siin käsitleme ainult kõige konservatiivsemat standardit versiooniga „0”.

Virtuaalse kanali identifikaatori (Virtual Channel ID) väljas peab olema VCID kanali kohta, kust pakett saabus. VCID valikul pole mingeid piiranguid, sealhulgas virtuaalsed kanalid ei pea olema numbritega järjestatud.

Sageli on vajalik edastatavaid andmeid multipekteerida. Selleks on olemas virtuaalsete kanalite mehhanism. Näiteks edastab satelliit Meteor-M2 nähtavas spektris värvi pilti, jagades selle kolmeks mustvalgeks - iga värv edastatakse oma virtuaalses kanalis eraldi paketina, kuigi selle kaadristruktuuris on teatud kõrvalekalle standarditest.

Operational Control'i lipu väli peaks olema indikaator, kas Operational Control väli on telemeetriakaadris olemas või mitte. Need 4 bitti kaadrin lõpus teenivad tagasiside säilitamiseks, kui kontrollitakse telecommandide kaadrite kohaletoimetamist. Nendest räägime natuke hiljem.

Peamise ja virtuaalse kanali kaadrikoodide loendurid on väljad, mis suurenevad ühe võrra iga kaadri saatmisel. Need on indikaatoriteks, et ükski kaader ei ole kaduma läinud.

Telemeetriakaadri andmete staatus on veel kaks bitti lippude ja andmete kohta, millest vaatame läbi vaid mõningaid.

Teise päise (Secondary Header) lippude väli peaks olema indikaator, kas teise päise (Secondary Header) olemasolu telemeetriakaadris on või mitte.

Soovi korral saab igale kaadrile lisada täiendava pealkirja ning seal võib paigutada igasuguseid andmeid vastavalt oma äranägemisele.

Esimese pealkirja näitaja väli (First Header Pointer) peab, kui sünkroonimislipu väärtus on „1”, sisaldama binaarset esitusviisi esimese octeti asukohast esmase paketi andmeväljas (Data Field) telemeetria kaadris. Asukoht arvutatakse nullist alates andmevälja algusest kasvavas järjestuses. Kui andmeväljas ei ole paketi algust, peab esimese pealkirja näitaja väli olema binaarses esituses „11111111111” (see võib juhtuda, kui üks pikk pakett katab rohkem kui ühe kaadri).

Kui andmeväljas on tühine pakett (Idle Data), siis peab esimese pealkirja näitaja olema binaarses esituses „11111111110”. Selle väli kaudu peab vastuvõtja tagama voolu sünkroniseerimise. See väli garanteerib sünkroniseerimise taastamise isegi juhul, kui kaadreid jääb vahele.

See, the packet may start, for instance, in the middle of frame 4 and end at the beginning of frame 20. This field serves to find its start. Packets also have a header, which specifies its length, so when locating the pointer to the first header, the link-layer handler must read it, thus determining where the packet ends.
If the error control field is present, it must be included in each telemetry frame for a specific physical channel throughout the mission.

This field is calculated using the CRC method. The procedure should take n-16 bits of the telemetry frame and insert the calculation result into the last 16 bits.

Telecommands

The telecommand frame has several significant differences. Among them:

Different header structure
Dynamic length. This means that the frame length is not fixed as it is in telemetry but can change depending on the packets being transmitted.
Pakettide kohaletoimetamise garantiimehhanism. See tähendab, et KА peab pärast vastuvõtmist kinnitama kaadrite õigsuse või küsima edastamist alates kaadrist, mille juures võis juhtuda parandamatu viga.

Paljud väljad on meile juba tuttavad telemeetria kaadri päisest. Need täidavad samu ülesandeid, seega vaatame siin ainult uusi välju.

Üks ümbersuunamisflaagi bitti kasutatakse kaadrite kontrollimiseks vastuvõtjas. Selle lipu väärtus "0" peab näitama, et see kaader on tüüpi A ja selle kontroll peaks toimuma FARM-i kohaselt. Selle lipu väärtus "1" peab näitama vastuvõtjale, et see kaader on tüüpi B ja peab FARM-i kohaselt kontrollimise kõrvale jätma.

See lipp annab vastuvõtjale teada, kas kasutada kaadrite kohaletoimetamise kinnitamise mehhanismi, mida nimetatakse FARM - Frame Acceptance and Reporting Mechanism.

Juhtimisriba lipp peaks näitama, kas andmeväli edastab käsku või andmeid. Kui lipp on „0”, peab andmeväli sisaldama andmeid. Kui lipp on „1”, peab andmeväli sisaldama kontrollteavet FARM-i jaoks.
FARM on konfigureeritav lõppautomaat.

RSVD. SPARE – reserveeritud bitid.

Tundub, et CCSDS-l on nende osas tulevikuks plaanid ja tagasema ühilduvuse nimel on nad juba praegustes standardi versioonides need bitid reserveerinud.

Raami pikkuse väli peab sisaldama bitivormingus arvu, mis on raami pikkus oktetites miinus üks.

Raami andmeväli peab järgima pead ilma vahedeta ja sisaldama täisarv oktete, mille maksimaalne pikkus on 1019 oktetit. See väli peab sisaldama kas andmebloki või juhtimisteavet. Andmeplokk peab sisaldama:

täisarv oktete kasutajaandmeid
segmenti pealkirja ja sellele järgnevaid täisarv oktete kasutajaandmeid

Kui pealkiri on esitatud, peab andmeplokk sisaldama Paketti, mitmeid Pakette või selle osa. Pealkirjata andmeplokk ei tohi sisaldada Pakettide osi, kuid võib sisaldada erivorminguga andmeblokke. Seetõttu on pealkiri vajalik, kui edastatav andmeplokk ei mahu ühte kaadrisse. Pealkirjaga andmeplokki nimetatakse segmendiks.

Kahe bitise lippude väli peab sisaldama:

«01» — kui andmete esimene osa asub andmeplokis
«00» — kui andmete keskmine osa asub andmeplokis
«10» — kui andmete viimane osa asub andmeplokis
«11» — kui jagamist ei toimu ja andmeplokki mahub täielikult üks või mitu paketti.

MAP identifikaatori väli peab sisaldama nullid, kui MAP kanaleid ei kasutata.
Mõnikord on 6 bitti, mis on määratud virtuaalsetele kanalitele, ebapiisavad. Ja kui on vajalik andmete multipleximine suurema arvu kanalite jaoks, kasutatakse veel 6 bitti segmendi pealkirjast.

FARM

Vaatame lähemalt, kuidas toimib raamide kohaletoimetamise kontrollsüsteem. See süsteem on mõeldud ainult telekäskude raamidega töötamiseks, kuna need on olulised (telemootori saab alati uuesti küsida, aga KА peab kuulma maapealset jaama selgelt ning alistuma tema käskudele). Oletame, et oleme otsustanud meie satelliiti uuesti programmeerida ja saadame tema pardale 10 kilobaidi suuruse binaarfaili. Kanali tasemel jagatakse fail 10 raami (0, 1, …, 9) ja need saadetakse järjestikku üles. Kui edastamine on lõppenud, peab KА kinnitama paketi vastuvõtu õigust, või teatama, millises raamis esines viga. See teave saadetakse operatiivse kontrolli välja järgmises telemeetriaraamis (või võib KА algatada tühja raami (idle frame) edastamise, kui tal pole midagi öelda). Saadud telemeetriast oleme kas veendunud, et kõik on korras, või alustame sõnumi edastamist uuesti. Oletame, et satelliit ei kuulnud raami nr 7. Sel juhul saadame talle raamid 7, 8, 9. Kui vastust ei tule, saadetakse pakett täielikult uuesti (ja nii mitu korda, kuni mõistame, et katsed on asjatud).

Allpool on esitatud operaatori kontrolli välja struktuur koos mõnede väljade kirjeldusega. Selles väljas sisalduvaid andmeid nimetatakse CLCW – Communication Link Control Word.

Kuna pildilt on üsna lihtne aru saada põhiväljade otstarbest ning teisi vaadata igav, peidan detaillise kirjelduse spoilerisse.

CLCW väljade dešifreerimineKontrollsõna tüüp (Control Word Type):
Selle kontrollsõna tüübi puhul peab see sisaldama 0.

Kontrollsõna versiooni number (CLCW Version Number):
Selle kontrollsõna tüübi puhul peab bittide esitus olema "00".

Oleku väli (Status Field):
Selle välja kasutamine määratakse igale missioonile eraldi. Seda saab kasutada kohalike täiustuste jaoks erinevates kosmoseagentuurides.

Virtuaalkanali identifikaator (Virtual Channel Identification):
Peab sisaldama virtuaalkanali identifikaatorit, millega see kontrollsõna on seotud.

Juurtasandi pääsulipp (Flag for Access to Physical Channel):
Lipp peab andma teavet vastuvõtja füüsilise taseme valmisoleku kohta. Kui vastuvõtja füüsiline tase ei ole kaadreid vastu võtmiseks valmis, peab väli sisaldama "1"; muidu "0".

Sünkroonimise vea lipp:
Lipp võib anda teada, et füüsiline tase töötab halva signaali tasemel ja tagasi lükatud kaadrite arv on liiga suur. Selle välja kasutamine on valikuline; kui seda kasutatakse, peaks see sisaldama '0' sünkroonimise olemasolu korral ja '1' sünkroonimise puudumise korral.

Tõkestamise lipp:
See bitti peaks sisaldama FARMi blokeeringu staatust iga virtuaalkanali jaoks. Väärtus '1' sellel väljal peaks viitama sellele, et FARM on blokeeritud ja kaadreid hakatakse tagasi lükkama iga virtuaaltaseme jaoks, muidu '0'.

Ootamise lipp:
See bitti peaks kasutama selleks, et osutada, et vastuvõtja ei suuda antud virtuaalkanali andmeid töödelda. Väärtus '1' osutab, et kõik kaadrid hakatakse tagasi lükkama antud virtuaalkanalis, muidu '0'.

Edastamise lipp:
See lipp peaks sisaldama '1', kui üks või enam A-tüüpi kaadrit on tagasi lükatud või on tuvastatud puudujääke, seega on vajalik edastamine. Lipp '0' näitab, et tagasi lükatud kaadreid ja puudujääke ei olnud.

Vastuse väärtus:
Raami number, mis ei olnud vastu võetud. Määratakse sidekaardil oleva loenduri järgi.

Võrgutasand

Veidi käsitleme ka seda taset. Siin on kaks võimalust: kas kasutada kosmosepaketi protokolli või encapsuleerida mõni muu protokoll CCSDS paketti.

Kosmosepaketi protokolli ülevaade on teema eraldi artikli jaoks. See on loodud selleks, et nii öelda rakendused saaksid sujuvalt andmeid vahetada. Igal rakendusel on oma aadress ja põhifunktsionaalsus teistega andmete vahetamiseks. Samuti on olemas teenuseid, mis tegelevad liikluse suunamise, kohaletoimetamise kontrolli jne.

Encapsuleerimine on lihtsam ja arusaadavam. Standardid võimaldavad encapsuleerida CCSDS pakettidesse mis tahes protokolle, lisades täiendava põhiteate.

Kus peal on erinevad tähendused, olenevalt encapsuleeritava protokolli pikkusest:

Siin on põhiväli – pikkuse pikkus. See võib varieeruda 0 kuni 4 baitini. Samuti peab selles pealkirjas olema näidatud encapsuleeritud protokolli tüüp, kasutades tabelit. siit.

IP kapseldamisel kasutatakse veel ühte kihti, et määrata paketi tüüp.
Lisada tuleb veel üks pealkiri, mille pikkus on vähemalt üks oktet:

Kus PID on veel üks protokolli identifikaator, mis on saadud siit

Kokkuvõte

Esmapilgul võib tunduda, et CCSDS pealkirjad on äärmiselt liialdatud ning teatud väljad oleks võimalik kõrvale jätta. Tõepoolest, tulemuseks oleva kanali efektiivsus (kuni võrgu tasandini) on umbes 40%. Kuid niipea kui on vajalik nende standardite rakendamine, saab selgeks, et igal väljal, igal pealkirjal on oma oluline ülesanne, mille eiramine toob kaasa mitmeid mitmetähenduslikkuseid.

Kui habra-kogukond selle teema vastu huvi tunneb, olen rõõmus, et saaksin avaldada veel mitmeid artikleid, mis käsitlevad kosmosekommunikatsiooni teooriat ja praktikat. Aitäh tähelepanu eest!