Satelit Meteor M1
Izvor: vladtime.ru
Uvod
Rad svemirske tehnologije nemoguć je bez radijskih komunikacija, au ovom ću članku pokušati objasniti glavne ideje koje su činile osnovu standarda koje je razvio Međunarodni savjetodavni odbor za sustave svemirskih podataka (CCSDS. Ova će se kratica koristiti u nastavku) .
Ovaj će se post prvenstveno usredotočiti na sloj podatkovne veze, ali bit će predstavljeni i osnovni koncepti za druge slojeve. Ovaj članak ni na koji način ne predstavlja temeljit i potpun opis standarda. Možete ga pogledati na CCSDS. Međutim, vrlo ih je teško razumjeti, a mi smo proveli dosta vremena pokušavajući ih razumjeti, pa ovdje želim pružiti osnovne informacije s kojima ćemo puno lakše razumjeti sve ostalo. Dakle, počnimo.
Plemenita misija CCSDS-a
Možda netko ima pitanje: zašto bi se svi trebali pridržavati standarda ako možete razviti vlastiti vlasnički skup radijskih protokola (ili vlastiti standard, s blackjackom i novim značajkama), čime se povećava sigurnost sustava?
Kao što praksa pokazuje, isplativije je pridržavati se CCSDS standarda iz sljedećih razloga:
- Povjerenstvo odgovorno za objavljivanje standarda uključuje predstavnike svih velikih zrakoplovnih agencija u svijetu, donoseći neprocjenjivo iskustvo stečeno tijekom mnogih godina projektiranja i rada različitih misija. Bilo bi vrlo apsurdno ignorirati ovo iskustvo i ponovno im stati na grablje.
- Ove standarde podržava oprema zemaljskih stanica koja je već na tržištu.
- Prilikom rješavanja bilo kakvih problema uvijek možete potražiti pomoć kolega iz drugih agencija kako bi sa svoje zemaljske stanice mogli obaviti komunikacijsku sesiju s uređajem. Kao što vidite, standardi su izuzetno korisna stvar, pa pogledajmo njihove ključne točke.
arhitektura
Standardi su skup dokumenata koji odražavaju najčešći OSI (Open System Interconnection) model, osim što je na razini podatkovne veze zajedničkost ograničena na podjelu na telemetriju (downlink - svemir - Zemlja) i telekomande (uplink).
Pogledajmo neke od razina detaljnije, počevši od fizičke i idući prema gore. Radi veće jasnoće, razmotrit ćemo arhitekturu prijemne strane. Odašiljač je njegova zrcalna slika.
Fizički sloj
Na ovoj se razini modulirani radio signal pretvara u tok bitova. Standardi su ovdje uglavnom savjetodavne prirode, budući da je na ovoj razini teško apstrahirati se od specifične implementacije hardvera. Ovdje je ključna uloga CCSDS-a definirati prihvatljive modulacije (BPSK, QPSK, 8-QAM, itd.) i dati neke preporuke o implementaciji mehanizama sinkronizacije simbola, Dopplerove kompenzacije itd.
Razina sinkronizacije i kodiranja
Formalno, to je podsloj sloja podatkovne veze, ali je često odvojen u zasebni sloj zbog svoje važnosti unutar CCSDS standarda. Ovaj sloj pretvara tok bitova u takozvane okvire (telemetrija ili telekomande), o kojima ćemo kasnije govoriti. Za razliku od sinkronizacije simbola na fizičkom sloju, koja vam omogućuje dobivanje točnog toka bitova, ovdje se izvodi sinkronizacija okvira. Razmotrite put kojim podaci idu na ovoj razini (odozdo prema gore):
Međutim, prije toga vrijedi reći nekoliko riječi o kodiranju. Ovaj postupak je neophodan za pronalaženje i/ili ispravljanje pogrešaka u bitovima koje se neizbježno javljaju prilikom slanja podataka preko radio kanala. Ovdje nećemo razmatrati postupke dekodiranja, već ćemo samo dobiti informacije potrebne za razumijevanje daljnje logike razine.
Kodovi mogu biti blokovi ili kontinuirani. Standardi ne prisiljavaju korištenje određene vrste kodiranja, ali ono kao takvo mora biti prisutno. Kontinuirani kodovi uključuju konvolucijske kodove. Koriste se za kodiranje kontinuiranog toka bitova. Ovo je u suprotnosti s blok kodovima, gdje su podaci podijeljeni u kodne blokove i mogu se dekodirati samo unutar kompletnih blokova. Kodni blok predstavlja prenesene podatke i priložene redundantne informacije potrebne za provjeru točnosti primljenih podataka i ispravljanje mogućih grešaka. Blok kodovi uključuju poznate Reed-Solomonove kodove.
Ako se koristi konvolucijsko kodiranje, bitstream ulazi u dekoder od početka. Rezultat njegovog rada (sve se to, naravno, događa kontinuirano) su blokovi podataka CADU (channel access data unit). Ova struktura je neophodna za sinkronizaciju okvira. Na kraju svakog CADU-a nalazi se priključeni uređaj za usklađivanje (ASM). To su 4 unaprijed poznata bajta po kojima sinkronizator pronalazi početak i kraj CADU. Tako se postiže sinkronizacija okvira.
Sljedeći izborni stupanj sloja za sinkronizaciju i kodiranje povezan je s osobitostima fizičkog sloja. Ovo je derandomizacija. Činjenica je da je za postizanje sinkronizacije simbola potrebno često prebacivanje između simbola. Dakle, ako prenosimo, recimo, kilobajt podataka koji se u potpunosti sastoji od jedinica, sinkronizacija će se izgubiti. Stoga se tijekom prijenosa ulazni podaci miješaju s periodičnim pseudoslučajnim nizom tako da je gustoća nula i jedinica jednolika.
Zatim se blok kodovi dekodiraju, a ono što ostaje je finalni proizvod razine sinkronizacije i kodiranja - okvir.
Sloj podatkovne veze
S jedne strane procesor sloja veze prima okvire, a s druge strane izdaje pakete. Budući da veličina paketa nije formalno ograničena, za njihov pouzdan prijenos potrebno ih je rastaviti na manje strukture - okvire. Ovdje ćemo pogledati dva pododjeljka: zasebno za telemetriju (TM) i telekomande (TC).
telemetrija
Jednostavno rečeno, to su podaci koje zemaljska stanica prima od letjelice. Sve prenesene informacije podijeljene su u male fragmente fiksne duljine - okvire koji sadrže prenesene podatke i servisna polja. Pogledajmo pobliže strukturu okvira:
I započnimo naše razmatranje s glavnim zaglavljem telemetrijskog okvira. Nadalje, dopustit ću si jednostavno prevesti standarde na nekim mjestima, usput dajući neka pojašnjenja.
Polje ID glavnog kanala mora sadržavati broj verzije okvira i identifikator uređaja.
Svaka svemirska letjelica, prema standardima CCSDS, mora imati svoj jedinstveni identifikator, pomoću kojeg se, imajući okvir, može odrediti kojem uređaju pripada. Formalno, za registraciju uređaja potrebno je podnijeti zahtjev, a njegov naziv, zajedno s identifikatorom, bit će objavljen u otvorenim izvorima. Međutim, ruski proizvođači često ignoriraju ovaj postupak, dodjeljujući proizvoljni identifikator uređaju. Broj verzije okvira pomaže odrediti koja se verzija standarda koristi za ispravno čitanje okvira. Ovdje ćemo razmotriti samo najkonzervativniji standard s verzijom "0".
Polje ID virtualnog kanala mora sadržavati VCID kanala s kojeg je paket došao. Ne postoje ograničenja u izboru VCID-a, posebice virtualni kanali nisu nužno numerirani sekvencijalno.
Vrlo često postoji potreba za multipleksiranjem prenesenih podataka. U tu svrhu postoji mehanizam virtualnih kanala. Na primjer, satelit Meteor-M2 odašilje sliku u boji u vidljivom području, dijeleći je na tri crno-bijele - svaka boja se prenosi u svom virtualnom kanalu u zasebnom paketu, iako postoji određeno odstupanje od standarda u struktura njegovih okvira.
Polje oznake operativne kontrole bit će indikator prisutnosti ili odsutnosti polja operativne kontrole u telemetrijskom okviru. Ova 4 bajta na kraju okvira služe za pružanje povratne informacije kada se kontrolira isporuka telekomandnih okvira. O njima ćemo malo kasnije.
Brojači okvira glavnog i virtualnog kanala su polja koja se povećavaju za jedan svaki put kad se okvir pošalje. Služi kao pokazatelj da niti jedan okvir nije izgubljen.
Status podataka okvira telemetrije još su dva bajta zastavica i podataka, od kojih ćemo pogledati samo neke.
Polje oznake sekundarnog zaglavlja mora biti indikator prisutnosti ili odsutnosti sekundarnog zaglavlja u telemetrijskom okviru.
Ako želite, možete dodati dodatno zaglavlje svakom okviru i tamo smjestiti podatke po vlastitom nahođenju.
Polje prvog pokazivača zaglavlja, kada je oznaka sinkronizacije postavljena na "1", mora sadržavati binarnu reprezentaciju položaja prvog okteta prvog paketa u podatkovnom polju telemetrijskog okvira. Pozicija se broji od 0 uzlaznim redoslijedom od početka podatkovnog polja. Ako nema početka paketa u podatkovnom polju telemetrijskog okvira, tada polje pokazivača na prvo zaglavlje mora imati vrijednost u binarnom prikazu "11111111111" (to se može dogoditi ako je jedan dugi paket raspoređen na više od jednog okvira ).
Ako podatkovno polje sadrži prazan paket (Idle Data), tada bi pokazivač na prvo zaglavlje trebao imati vrijednost u binarnom prikazu “11111111110”. Pomoću ovog polja prijemnik mora sinkronizirati stream. Ovo polje osigurava ponovno uspostavljanje sinkronizacije čak i ako su okviri ispušteni.
Odnosno, paket može, recimo, započeti sredinom 4. okvira i završiti početkom 20. okvira. Ovo polje se koristi za pronalaženje njegovog početka. Paketi također imaju zaglavlje koje određuje njegovu duljinu, pa kada se pronađe pokazivač na prvo zaglavlje, procesor sloja veze ga mora pročitati, određujući na taj način gdje će paket završiti.
Ako je polje kontrole pogreške prisutno, ono mora biti sadržano u svakom telemetrijskom okviru za određeni fizički kanal tijekom misije.
Ovo polje izračunava se metodom CRC. Postupak mora uzeti n-16 bitova telemetrijskog okvira i umetnuti rezultat izračuna u zadnjih 16 bitova.
TV ekipe
TV naredbeni okvir ima nekoliko značajnih razlika. Među njima:
- Drugačija struktura naslova
- Dinamička duljina. To znači da duljina okvira nije rigidno postavljena, kao što je to učinjeno u telemetriji, već može varirati ovisno o odaslanim paketima.
- Mehanizam jamstva isporuke paketa. Odnosno, letjelica mora nakon što ga primi potvrditi ispravnost prijema okvira, odnosno zatražiti prosljeđivanje iz okvira koji je mogao biti primljen s neispravljivom greškom.
Mnoga polja već su nam poznata iz zaglavlja okvira telemetrije. Imaju istu namjenu, pa ćemo ovdje razmatrati samo nova polja.
Jedan bit oznake premosnice mora se koristiti za kontrolu provjere okvira na prijemniku. Vrijednost "0" za ovu oznaku označava da je okvir okvir tipa A i da se mora verificirati prema FARM-u. Vrijednost "1" za ovu oznaku trebala bi pokazati prijemniku da je okvir okvir tipa B i da treba zaobići FARM provjeru.
Ova zastavica obavještava primatelja treba li koristiti mehanizam potvrde isporuke okvira koji se zove FARM - mehanizam prihvaćanja okvira i izvještavanja.
Oznaka kontrolne naredbe mora se koristiti za razumijevanje prenosi li podatkovno polje naredbu ili podatke. Ako je zastavica "0", tada podatkovno polje mora sadržavati podatke. Ako je zastavica "1", tada podatkovno polje mora sadržavati kontrolne informacije za FARM.
FARM je konačni automat čiji se parametri mogu konfigurirati.
RSVD. SPARE – rezervirani bitovi.
Čini se da CCSDS ima planove za njih u budućnosti, a za povratnu kompatibilnost verzija protokola ove je bitove rezervirao već u trenutnim verzijama standarda.
Polje duljine okvira mora sadržavati broj u bitnoj reprezentaciji koji je jednak duljini okvira u oktetima minus jedan.
Podatkovno polje okvira mora slijediti zaglavlje bez razmaka i sadržavati cijeli broj okteta, koji može biti maksimalno 1019 okteta. Ovo polje mora sadržavati ili blok podataka okvira ili informacije o upravljačkoj naredbi. Blok podataka okvira mora sadržavati:
- cijeli broj okteta korisničkih podataka
- zaglavlje segmenta nakon kojeg slijedi cijeli broj okteta korisničkih podataka
Ako je prisutno zaglavlje, tada blok podataka mora sadržavati paket, skup paketa ili dio paketa. Podatkovni blok bez zaglavlja ne može sadržavati dijelove paketa, ali može sadržavati blokove podataka privatnog formata. Iz ovoga slijedi da je zaglavlje potrebno kada preneseni blok podataka ne stane u jedan okvir. Blok podataka koji ima zaglavlje naziva se segment
Polje dvobitnih zastavica mora sadržavati:
- "01" - ako je prvi dio podataka u bloku podataka
- “00” - ako je srednji dio podataka u podatkovnom bloku
- "10" - ako je posljednji podatak u bloku podataka
- “11” - ako nema podjele i jedan ili više paketa u potpunosti stane u podatkovni blok.
Polje MAP ID mora sadržavati nule ako se MAP kanali ne koriste.
Ponekad 6 bitova dodijeljenih virtualnim kanalima nije dovoljno. A ako je potrebno multipleksirati podatke na veći broj kanala, koristi se još 6 bitova iz zaglavlja segmenta.
FARM
Pogledajmo pobliže mehanizam funkcioniranja sustava kontrole isporuke osoblja. Ovaj sustav predviđa samo rad s okvirima telekomandi zbog njihove važnosti (telemetrija se uvijek može ponovno zatražiti, a letjelica mora jasno čuti zemaljsku stanicu i uvijek slušati njene komande). Dakle, pretpostavimo da odlučimo ponovno fleširati naš satelit i poslati mu binarnu datoteku veličine 10 kilobajta. Na razini veze, datoteka je podijeljena u 10 okvira (0, 1, ..., 9), koji se šalju prema gore jedan po jedan. Kada je prijenos završen, satelit mora potvrditi ispravnost prijema paketa, odnosno prijaviti u kojem je okviru došlo do pogreške. Ove se informacije šalju operativnom kontrolnom polju u najbližem telemetrijskom okviru (Ili svemirska letjelica može započeti prijenos neaktivnog okvira ako nema ništa za reći). Na temelju primljene telemetrije uvjeravamo se da je sve u redu ili nastavljamo s ponovnim slanjem poruke. Pretpostavimo da satelit nije čuo okvir #7. To znači da mu šaljemo okvire 7, 8, 9. Ako nema odgovora, ponovno se šalje cijeli paket (i tako nekoliko puta dok ne shvatimo da su pokušaji uzaludni).
U nastavku se nalazi struktura polja operativne kontrole s opisom pojedinih polja. Podaci sadržani u ovom polju nazivaju se CLCW - Control Word (Kontrolna riječ komunikacijske veze).
Budući da iz slike lako možete pogoditi namjenu glavnih polja, a ostala su dosadna za gledati, detaljan opis skrivam pod spojlerom
Objašnjenje CLCW poljaVrsta kontrolne riječi:
Za ovu vrstu, kontrolna riječ mora sadržavati 0
Verzija kontrolne riječi (broj verzije CLCW):
Za ovaj tip, kontrolna riječ mora biti jednaka "00" u prikazu bita.
Polje statusa:
Upotreba ovog polja određena je za svaku misiju posebno. Može se koristiti za lokalna poboljšanja raznih svemirskih agencija.
Identifikacija virtualnog kanala:
Mora sadržavati identifikator virtualnog kanala kojem je ova kontrolna riječ pridružena.
Oznaka fizičkog pristupa kanalu:
Oznaka mora dati informaciju o spremnosti fizičkog sloja primatelja. Ako fizički sloj prijemnika nije spreman za primanje okvira, tada polje mora sadržavati "1", inače "0".
Oznaka neuspjeha sinkronizacije:
Oznaka može značiti da fizički sloj radi na slaboj razini signala i da je broj odbijenih okvira previsok. Upotreba ovog polja nije obavezna; ako se koristi, mora sadržavati "0" ako je sinkronizacija dostupna i "1" ako nije.
Oznaka blokiranja:
Ovaj bit će sadržavati status zaključavanja FARM za svaki virtualni kanal. Vrijednost "1" u ovom polju trebala bi označavati da je FARM onemogućen i okviri će biti odbačeni za svaki virtualni sloj, inače "0".
Oznaka čekanja:
Ovaj bit će se koristiti za označavanje da prijamnik ne može obraditi podatke na navedenom virtualnom kanalu. Vrijednost "1" označava da će svi okviri biti odbačeni na ovom virtualnom kanalu, inače "0".
Zastavica naprijed:
Ova zastavica mora sadržavati "1" ako je jedan ili više okvira tipa A odbačeno ili su pronađene praznine, pa je potrebno ponovno slanje. Oznaka "0" označava da nije bilo ispuštenih okvira ili preskakanja.
Vrijednost odgovora:
Broj okvira koji nije primljen. Određeno brojačem u zaglavlju telekomandnog okvira
mrežni sloj
Dotaknimo se malo ove razine. Ovdje postoje dvije mogućnosti: ili koristiti protokol svemirskog paketa ili enkapsulirati bilo koji drugi protokol u CCSDS paket.
Pregled protokola svemirskih paketa tema je za poseban članak. Osmišljen je kako bi omogućio takozvanim aplikacijama besprijekornu razmjenu podataka. Svaka aplikacija ima svoju adresu i osnovnu funkcionalnost za razmjenu podataka s drugim aplikacijama. Postoje i usluge koje usmjeravaju promet, kontroliraju dostavu itd.
S enkapsulacijom je sve jednostavnije i jasnije. Standardi omogućuju kapsuliranje bilo kojeg protokola u CCSDS pakete dodavanjem dodatnog zaglavlja.
Gdje zaglavlje ima različita značenja ovisno o duljini protokola koji se enkapsulira:
Ovdje je glavno polje duljina duljine. Može varirati od 0 do 4 bajta. Također u ovom zaglavlju morate naznačiti vrstu enkapsuliranog protokola pomoću tablice .
IP enkapsulacija koristi drugi dodatak za određivanje vrste paketa.
Morate dodati još jedno zaglavlje, dugo jedan oktet:
Gdje je PID preuzet drugi identifikator protokola
Zaključak
Na prvi pogled može se činiti da su CCSDS zaglavlja izuzetno suvišna i da bi se neka polja mogla odbaciti. Doista, učinkovitost dobivenog kanala (do razine mreže) je oko 40%. No, čim se pojavi potreba za implementacijom ovih standarda, postaje jasno da svako polje, svaki naslov ima svoju važnu misiju, čije ignoriranje dovodi do niza nejasnoća.
Ako habradruštvo pokaže interes za ovu temu, rado ću objaviti cijeli niz članaka posvećenih teoriji i praksi svemirskih komunikacija. Hvala na pozornosti!
izvori
PS
Ne udarajte prejako ako pronađete netočnosti. Prijavite ih i bit će popravljeno :)
Izvor: www.habr.com