Satelit Meteor M1
Sumber: vladtime.ru
Pengenalan
Operasi teknologi angkasa adalah mustahil tanpa komunikasi radio, dan dalam artikel ini saya akan cuba menerangkan idea utama yang membentuk asas piawaian yang dibangunkan oleh Jawatankuasa Penasihat Antarabangsa untuk Sistem Data Angkasa (CCSDS. Singkatan ini akan digunakan di bawah) .
Siaran ini akan memberi tumpuan terutamanya pada lapisan pautan data, tetapi konsep asas untuk lapisan lain juga akan diperkenalkan. Artikel ini sama sekali tidak bermaksud sebagai penerangan menyeluruh dan lengkap tentang piawaian. Anda boleh melihatnya di CCSDS. Walau bagaimanapun, mereka sangat sukar untuk difahami, dan kami menghabiskan banyak masa cuba memahaminya, jadi di sini saya ingin memberikan maklumat asas, yang mana ia akan menjadi lebih mudah untuk memahami segala-galanya. Jadi, mari kita mulakan.
Misi Mulia CCSDS
Mungkin seseorang mempunyai soalan: mengapa semua orang perlu mematuhi piawaian jika anda boleh membangunkan timbunan protokol radio proprietari anda sendiri (atau standard anda sendiri, dengan blackjack dan ciri baharu), dengan itu meningkatkan keselamatan sistem?
Seperti yang ditunjukkan oleh amalan, adalah lebih menguntungkan untuk mematuhi piawaian CCSDS atas beberapa sebab berikut:
- Jawatankuasa yang bertanggungjawab untuk menerbitkan piawaian termasuk wakil dari setiap agensi aeroangkasa utama di dunia, membawa pengalaman tidak ternilai yang diperoleh selama bertahun-tahun dalam reka bentuk dan operasi pelbagai misi. Ia akan menjadi sangat tidak masuk akal untuk mengabaikan pengalaman ini dan memijak mereka semula.
- Piawaian ini disokong oleh peralatan stesen tanah yang sudah ada di pasaran.
- Apabila menyelesaikan sebarang masalah, anda sentiasa boleh mendapatkan bantuan daripada rakan sekerja daripada agensi lain supaya mereka boleh menjalankan sesi komunikasi dengan peranti dari stesen bumi mereka. Seperti yang anda lihat, piawaian adalah perkara yang sangat berguna, jadi mari kita lihat perkara utamanya.
seni bina
Piawaian adalah satu set dokumen yang mencerminkan model OSI (Saling Sambungan Sistem Terbuka) yang paling biasa, kecuali pada peringkat pautan data persamaan adalah terhad kepada pembahagian kepada telemetri (pautan bawah - ruang - Bumi) dan telekoma (pautan atas).
Mari kita lihat beberapa tahap dengan lebih terperinci, bermula dengan fizikal dan bergerak ke atas. Untuk lebih jelas, kami akan mempertimbangkan seni bina bahagian penerima. Yang menghantar adalah imej cerminnya.
Lapisan fizikal
Pada tahap ini, isyarat radio termodulat ditukar kepada aliran bit. Piawaian di sini kebanyakannya bersifat nasihat, kerana pada tahap ini sukar untuk diabstrak daripada pelaksanaan khusus perkakasan. Di sini, peranan utama CCSDS adalah untuk mentakrifkan modulasi yang boleh diterima (BPSK, QPSK, 8-QAM, dll.) dan memberikan beberapa cadangan mengenai pelaksanaan mekanisme penyegerakan simbol, pampasan Doppler, dsb.
Tahap penyegerakan dan pengekodan
Secara rasmi, ia adalah sublapisan lapisan pautan data, tetapi sering dipisahkan menjadi lapisan berasingan kerana kepentingannya dalam piawaian CCSDS. Lapisan ini menukar aliran bit kepada apa yang dipanggil bingkai (telemetri atau telekomando), yang akan kita bincangkan kemudian. Tidak seperti penyegerakan simbol pada lapisan fizikal, yang membolehkan anda mendapatkan aliran bit yang betul, penyegerakan bingkai dilakukan di sini. Pertimbangkan laluan yang diambil oleh data pada tahap ini (dari bawah ke atas):
Walau bagaimanapun, sebelum itu, ada baiknya mengatakan beberapa perkataan tentang pengekodan. Prosedur ini diperlukan untuk mencari dan/atau membetulkan ralat bit yang tidak dapat dielakkan berlaku apabila menghantar data melalui saluran radio. Di sini kami tidak akan mempertimbangkan prosedur penyahkodan, tetapi hanya akan mendapatkan maklumat yang diperlukan untuk memahami logik tahap selanjutnya.
Kod boleh menjadi blok atau berterusan. Piawaian tidak memaksa penggunaan jenis pengekodan tertentu, tetapi ia mesti ada seperti itu. Kod berterusan termasuk kod konvolusi. Ia digunakan untuk mengekod aliran bit berterusan. Ini berbeza dengan kod blok, di mana data dibahagikan kepada blok kod dan hanya boleh dinyahkod dalam blok lengkap. Blok kod mewakili data yang dihantar dan maklumat berlebihan yang dilampirkan yang diperlukan untuk mengesahkan ketepatan data yang diterima dan membetulkan kemungkinan ralat. Kod blok termasuk kod Reed-Solomon yang terkenal.
Jika pengekodan konvolusi digunakan, aliran bit memasuki penyahkod dari awal. Hasil kerjanya (semua ini, sudah tentu, berlaku secara berterusan) adalah blok data CADU (unit data akses saluran). Struktur ini diperlukan untuk penyegerakan bingkai. Di hujung setiap CADU terdapat pembuat segerak (ASM) yang dilampirkan. Ini ialah 4 bait yang diketahui lebih awal, yang dengannya penyegerak mencari permulaan dan penghujung CADU. Beginilah cara penyegerakan bingkai dicapai.
Peringkat pilihan seterusnya lapisan penyegerakan dan pengekodan dikaitkan dengan keanehan lapisan fizikal. Ini adalah deradomisasi. Hakikatnya ialah untuk mencapai penyegerakan simbol, pertukaran yang kerap antara simbol adalah perlu. Jadi, jika kita menghantar, katakan, satu kilobait data yang terdiri sepenuhnya daripada satu, penyegerakan akan hilang. Oleh itu, semasa penghantaran, data input dicampur dengan urutan pseudo-rawak berkala supaya ketumpatan sifar dan satu adalah seragam.
Seterusnya, kod blok dinyahkodkan, dan yang tinggal ialah produk akhir tahap penyegerakan dan pengekodan - bingkai.
Lapisan Pautan Data
Di satu pihak, pemproses lapisan pautan menerima bingkai, dan di sisi lain ia mengeluarkan paket. Oleh kerana saiz paket tidak terhad secara rasmi, untuk penghantaran yang boleh dipercayai mereka perlu memecahkannya ke dalam struktur yang lebih kecil - bingkai. Di sini kita akan melihat dua subseksyen: secara berasingan untuk telemetri (TM) dan telecommands (TC).
Telemetri
Ringkasnya, ini adalah data yang stesen bumi terima daripada kapal angkasa. Semua maklumat yang dihantar dibahagikan kepada serpihan kecil dengan panjang tetap - bingkai yang mengandungi data dihantar dan medan perkhidmatan. Mari kita lihat lebih dekat pada struktur bingkai:
Dan mari kita mulakan pertimbangan kita dengan tajuk utama bingkai telemetri. Selanjutnya, saya akan membenarkan diri saya untuk menterjemahkan piawaian di beberapa tempat, memberikan beberapa penjelasan di sepanjang jalan.
Medan ID Saluran Induk mesti mengandungi nombor versi bingkai dan pengecam peranti.
Setiap kapal angkasa, mengikut piawaian CCSDS, mesti mempunyai pengecam uniknya sendiri, yang dengannya, mempunyai bingkai, seseorang boleh menentukan peranti itu miliknya. Secara rasmi, adalah perlu untuk mengemukakan permohonan untuk mendaftarkan peranti itu, dan namanya, bersama pengecamnya, akan diterbitkan dalam sumber terbuka. Walau bagaimanapun, pengeluar Rusia sering mengabaikan prosedur ini, memberikan pengecam sewenang-wenangnya kepada peranti. Nombor versi bingkai membantu menentukan versi piawaian yang digunakan untuk membaca bingkai dengan betul. Di sini kami hanya akan mempertimbangkan standard paling konservatif dengan versi "0".
Medan ID Saluran Maya mesti mengandungi VCID saluran dari mana paket itu datang. Tiada sekatan pada pilihan VCID; khususnya, saluran maya tidak semestinya dinomborkan secara berurutan.
Selalunya terdapat keperluan untuk memultiplekskan data yang dihantar. Untuk tujuan ini, terdapat mekanisme saluran maya. Sebagai contoh, satelit Meteor-M2 menghantar imej warna dalam julat yang boleh dilihat, membahagikannya kepada tiga warna hitam dan putih - setiap warna dihantar dalam saluran mayanya sendiri dalam paket yang berasingan, walaupun terdapat beberapa penyelewengan daripada piawaian dalam struktur bingkainya.
Medan bendera Kawalan Operasi hendaklah menjadi penunjuk kehadiran atau ketiadaan medan Kawalan Operasi dalam bingkai telemetri. 4 bait ini pada penghujung bingkai berfungsi untuk memberikan maklum balas apabila mengawal penghantaran bingkai telekomando. Kita akan bercakap tentang mereka sedikit kemudian.
Pembilang bingkai saluran utama dan maya ialah medan yang ditambah dengan satu setiap kali bingkai dihantar. Berfungsi sebagai penunjuk bahawa tiada satu bingkai pun hilang.
Status data bingkai telemetri ialah dua lagi bait bendera dan data, yang mana kita akan melihat beberapa sahaja.
Medan bendera Pengepala Sekunder mestilah penunjuk kehadiran atau ketiadaan Pengepala Sekunder dalam bingkai telemetri.
Jika anda mahu, anda boleh menambah pengepala tambahan pada setiap bingkai dan meletakkan sebarang data di sana mengikut budi bicara anda.
Medan Penunjuk Pengepala Pertama, apabila bendera penyegerakan ditetapkan kepada "1", hendaklah mengandungi perwakilan binari kedudukan oktet pertama Paket pertama dalam Medan Data bingkai telemetri. Kedudukan dikira dari 0 dalam tertib menaik dari permulaan medan data. Jika tiada permulaan paket dalam medan data bingkai telemetri, maka penuding kepada medan pengepala pertama mesti mempunyai nilai dalam perwakilan binari "11111111111" (ini boleh berlaku jika satu paket panjang tersebar di lebih daripada satu bingkai ).
Jika medan data mengandungi paket kosong (Data Idle), maka penuding kepada pengepala pertama harus mempunyai nilai dalam perwakilan binari "11111111110". Menggunakan medan ini, penerima mesti menyegerakkan strim. Medan ini memastikan bahawa penyegerakan dipulihkan walaupun bingkai digugurkan.
Iaitu, satu paket boleh, katakan, bermula di tengah bingkai ke-4 dan berakhir pada awal ke-20. Medan ini digunakan untuk mencari permulaannya. Paket juga mempunyai pengepala yang menentukan panjangnya, jadi apabila penunjuk ke pengepala pertama ditemui, pemproses lapisan pautan mesti membacanya, dengan itu menentukan di mana paket itu akan berakhir.
Jika medan kawalan ralat hadir, ia mesti terkandung dalam setiap bingkai telemetri untuk saluran fizikal tertentu sepanjang misi.
Medan ini dikira menggunakan kaedah CRC. Prosedur mesti mengambil n-16 bit bingkai telemetri dan memasukkan hasil pengiraan ke dalam 16 bit terakhir.
pasukan TV
Bingkai arahan TV mempunyai beberapa perbezaan yang ketara. Antaranya:
- Struktur tajuk yang berbeza
- Panjang dinamik. Ini bermakna panjang bingkai tidak ditetapkan secara tegar, seperti yang dilakukan dalam telemetri, tetapi boleh berbeza-beza bergantung pada paket yang dihantar.
- Mekanisme jaminan penghantaran paket. Iaitu, kapal angkasa mesti, selepas menerimanya, mengesahkan ketepatan penerimaan bingkai, atau meminta pemajuan daripada bingkai yang boleh diterima dengan ralat yang tidak boleh dibetulkan.
Banyak medan sudah biasa kepada kita dari pengepala bingkai telemetri. Mereka mempunyai tujuan yang sama, jadi di sini kita akan mempertimbangkan hanya bidang baharu.
Satu bit bendera pintasan mesti digunakan untuk mengawal semakan bingkai pada penerima. Nilai "0" untuk bendera ini hendaklah menunjukkan bahawa bingkai itu adalah bingkai Jenis A dan mesti disahkan mengikut FARM. Nilai "1" untuk bendera ini harus menunjukkan kepada penerima bahawa bingkai ini ialah bingkai Jenis B dan harus memintas pemeriksaan FARM.
Bendera ini memberitahu penerima sama ada akan menggunakan mekanisme pengakuan penghantaran bingkai yang dipanggil FARM - Frame Acceptance and Reporting Mechanism.
Bendera arahan kawalan mesti digunakan untuk memahami sama ada medan data mengangkut arahan atau data. Jika bendera ialah "0", maka medan data mesti mengandungi data. Jika bendera ialah "1", maka medan data mesti mengandungi maklumat kawalan untuk FARM.
FARM ialah mesin keadaan terhingga yang parameternya boleh dikonfigurasikan.
RSVD. SPARE β bit terpelihara.
Nampaknya CCSDS mempunyai rancangan untuk mereka pada masa hadapan, dan untuk keserasian ke belakang versi protokol, mereka telah menyimpan bit ini dalam versi standard semasa.
Medan panjang bingkai mesti mengandungi nombor dalam perwakilan bit yang sama dengan panjang bingkai dalam oktet tolak satu.
Medan data bingkai mesti mengikut pengepala tanpa ruang dan mengandungi nombor integer oktet, yang boleh menjadi maksimum 1019 oktet panjangnya. Medan ini mesti mengandungi sama ada blok data bingkai atau maklumat arahan kawalan. Blok data bingkai mesti mengandungi:
- nombor integer oktet data pengguna
- pengepala segmen diikuti dengan nombor integer oktet data pengguna
Jika pengepala hadir, maka blok data mesti mengandungi Paket, set Paket atau sebahagian Paket. Blok data tanpa pengepala tidak boleh mengandungi bahagian Paket, tetapi boleh mengandungi blok data format peribadi. Ia berikutan daripada ini bahawa pengepala diperlukan apabila blok data yang dihantar tidak sesuai dengan satu bingkai. Blok data yang mempunyai pengepala dipanggil segmen
Medan bendera dua bit mesti mengandungi:
- "01" - jika bahagian pertama data berada dalam blok data
- β00β - jika bahagian tengah data berada dalam blok data
- "10" - jika sekeping data terakhir berada dalam blok data
- β11β - jika tiada pembahagian dan satu atau lebih paket muat sepenuhnya dalam blok data.
Medan ID MAP mesti mengandungi sifar jika saluran MAP tidak digunakan.
Kadangkala 6 bit yang diperuntukkan kepada saluran maya tidak mencukupi. Dan jika perlu untuk memultiplekskan data ke bilangan saluran yang lebih besar, 6 bit lagi daripada pengepala segmen digunakan.
LADANG
Mari kita lihat dengan lebih dekat mekanisme fungsi sistem kawalan penghantaran kakitangan. Sistem ini hanya menyediakan untuk bekerja dengan bingkai telekomando kerana kepentingannya (telemetri sentiasa boleh diminta semula, dan kapal angkasa mesti mendengar stesen bumi dengan jelas dan sentiasa mematuhi arahannya). Jadi, katakan kita membuat keputusan untuk mengemas semula satelit kita, dan menghantar fail binari bersaiz 10 kilobait kepadanya. Pada peringkat pautan, fail dibahagikan kepada 10 bingkai (0, 1, ..., 9), yang dihantar ke atas satu demi satu. Apabila penghantaran selesai, satelit mesti mengesahkan ketepatan penerimaan paket, atau melaporkan pada bingkai mana ralat berlaku. Maklumat ini dihantar ke medan kawalan operasi dalam bingkai telemetri terdekat (Atau kapal angkasa boleh memulakan penghantaran bingkai terbiar jika ia tidak mempunyai apa-apa untuk dikatakan). Berdasarkan telemetri yang diterima, kami sama ada memastikan semuanya baik-baik saja, atau kami meneruskan untuk menghantar semula mesej. Katakan satelit tidak mendengar bingkai #7. Ini bermakna kami menghantarnya bingkai 7, 8, 9. Jika tiada tindak balas, keseluruhan paket dihantar semula (dan seterusnya beberapa kali sehingga kami menyedari bahawa percubaan itu sia-sia).
Di bawah ialah struktur medan kawalan operasi dengan penerangan beberapa medan. Data yang terkandung dalam medan ini dipanggil CLCW - Communication Link Control Word.
Memandangkan anda boleh meneka dengan mudah dari gambar tujuan medan utama, dan yang lain membosankan untuk dilihat, saya menyembunyikan penerangan terperinci di bawah spoiler
Penjelasan bidang CLCWJenis Kata Kawalan:
Untuk jenis ini, perkataan kawalan mesti mengandungi 0
Versi Kata Kawalan (Nombor Versi CLCW):
Untuk jenis ini, perkataan kawalan mestilah sama dengan "00" dalam perwakilan bit.
Medan Status:
Penggunaan medan ini ditentukan untuk setiap misi secara berasingan. Boleh digunakan untuk penambahbaikan tempatan oleh pelbagai agensi angkasa lepas.
Pengenalan Saluran Maya:
Mesti mengandungi pengecam saluran maya yang dikaitkan dengan perkataan kawalan ini.
Bendera akses saluran fizikal:
Bendera mesti memberikan maklumat tentang kesediaan lapisan fizikal penerima. Jika lapisan fizikal penerima tidak bersedia untuk menerima bingkai, maka medan mesti mengandungi "1", jika tidak "0".
Bendera kegagalan penyegerakan:
Bendera mungkin menunjukkan bahawa lapisan fizikal beroperasi pada tahap isyarat yang lemah dan bilangan bingkai yang ditolak terlalu tinggi. Penggunaan medan ini adalah pilihan; jika digunakan, ia mesti mengandungi "0" jika penyegerakan tersedia dan "1" jika tidak.
Bendera menyekat:
Bit ini hendaklah mengandungi status kunci FARM untuk setiap saluran maya. Nilai "1" dalam medan ini sepatutnya menunjukkan bahawa FARM dilumpuhkan dan bingkai akan dibuang untuk setiap lapisan maya, jika tidak "0".
bendera tunggu:
Bit ini hendaklah digunakan untuk menunjukkan bahawa penerima tidak boleh memproses data pada saluran maya yang ditentukan. Nilai "1" menunjukkan bahawa semua bingkai akan dibuang pada saluran maya ini, jika tidak "0".
Bendera Hadapan:
Bendera ini hendaklah mengandungi "1" jika satu atau lebih bingkai jenis A telah dibuang atau jurang telah ditemui, jadi penghantaran semula adalah perlu. Bendera "0" menunjukkan bahawa tiada bingkai atau langkau yang digugurkan.
Nilai respons:
Nombor bingkai yang tidak diterima. Ditentukan oleh kaunter dalam pengepala bingkai telekomando
lapisan rangkaian
Mari kita sentuh sedikit tentang tahap ini. Terdapat dua pilihan di sini: sama ada menggunakan protokol paket ruang, atau merangkum mana-mana protokol lain dalam paket CCSDS.
Gambaran keseluruhan protokol paket ruang ialah topik untuk artikel berasingan. Ia direka bentuk untuk membolehkan aplikasi yang dipanggil bertukar-tukar data dengan lancar. Setiap aplikasi mempunyai alamat sendiri dan fungsi asas untuk bertukar data dengan aplikasi lain. Terdapat juga perkhidmatan yang mengarahkan lalu lintas, mengawal penghantaran, dll.
Dengan enkapsulasi semuanya lebih mudah dan jelas. Piawaian memungkinkan untuk merangkum mana-mana protokol ke dalam paket CCSDS dengan menambah pengepala tambahan.
Di mana pengepala mempunyai makna yang berbeza bergantung pada panjang protokol yang dikapsulkan:
Di sini medan utama ialah panjang panjang. Ia boleh berbeza dari 0 hingga 4 bait. Juga dalam pengepala ini anda mesti menunjukkan jenis protokol terkapsul menggunakan jadual .
Pengkapsulan IP menggunakan alat tambah lain untuk menentukan jenis paket.
Anda perlu menambah satu lagi tajuk, satu oktet panjang:
Di mana PID ialah pengecam protokol lain yang diambil
Kesimpulan
Pada pandangan pertama, nampaknya pengepala CCSDS sangat berlebihan dan sesetengah medan boleh dibuang. Malah, kecekapan saluran yang terhasil (sehingga tahap rangkaian) adalah kira-kira 40%. Walau bagaimanapun, sebaik sahaja timbul keperluan untuk melaksanakan piawaian ini, ia menjadi jelas bahawa setiap bidang, setiap tajuk mempunyai misi pentingnya sendiri, mengabaikan yang membawa kepada beberapa kekaburan.
Jika habrasociety menunjukkan minat dalam topik ini, saya akan berbesar hati untuk menerbitkan satu siri artikel yang ditumpukan kepada teori dan amalan komunikasi angkasa lepas. Terima kasih kerana memberi perhatian!
sumber
PS
Jangan pukul terlalu kuat jika anda mendapati sebarang ketidaktepatan. Laporkan mereka dan mereka akan diperbaiki :)
Sumber: www.habr.com