{"id":35921,"date":"2019-10-31T22:07:35","date_gmt":"2019-10-31T19:07:35","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/nemnogo-o-standartah-kosmicheskoj-svyazi\/"},"modified":"2019-10-31T22:07:35","modified_gmt":"2019-10-31T19:07:35","slug":"nemnogo-o-standartah-kosmicheskoj-svyazi","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/pl\/blog\/administrirovanie\/nemnogo-o-standartah-kosmicheskoj-svyazi","title":{"rendered":"Kilka s\u0142\u00f3w o standardach komunikacji kosmicznej","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Kilka
\nSatelita Meteor M1
\n\u0179r\u00f3d\u0142o: vladtime.ru<\/i><\/p>\n

Wprowadzenie<\/h2>\n

\nEksploatacja technologii kosmicznej jest niemo\u017cliwa bez \u0142\u0105czno\u015bci radiowej, a w tym artykule postaram si\u0119 wyja\u015bni\u0107 podstawowe za\u0142o\u017cenia, kt\u00f3re sta\u0142y si\u0119 fundamentem standard\u00f3w opracowanych przez Mi\u0119dzynarodowy Komitet Doradczy ds. System\u00f3w Przesy\u0142ania Danych w Kosmosie (Consultative Committee for Space Data Systems \u2013 CCSDS. W dalszej cz\u0119\u015bci artyku\u0142u u\u017cywana b\u0119dzie ta skr\u00f3cona nazwa).<\/p>\n

Niniejsza publikacja b\u0119dzie g\u0142\u00f3wnie po\u015bwi\u0119cona warstwie kana\u0142owej, jednak podstawowe poj\u0119cia dotycz\u0105ce innych warstw r\u00f3wnie\u017c zostan\u0105 przedstawione. Artyku\u0142 nie ma na celu pe\u0142nego i wyczerpuj\u0105cego opisu standard\u00f3w. Mo\u017cna z nimi zapozna\u0107 si\u0119 na stronie<\/a><\/noindex> CCSDS. Niemniej jednak s\u0105 one bardzo trudne do przyswojenia, a my po\u015bwi\u0119cili\u015bmy sporo czasu, aby je zrozumie\u0107, dlatego chcia\u0142bym przedstawi\u0107 podstawowe informacje, kt\u00f3re u\u0142atwi\u0105 zrozumienie wszystkich pozosta\u0142ych. Zaczynajmy.
\n<\/a><\/noindex><\/p>\n

Szlachetna misja CCSDS<\/h2>\n

\nMo\u017cliwe, \u017ce kto\u015b zada sobie pytanie: po co wszystkim trzyma\u0107 si\u0119 standard\u00f3w, skoro mo\u017cna opracowa\u0107 w\u0142asny, proprietarny zestaw protoko\u0142\u00f3w \u0142\u0105czno\u015bci radiowej (lub w\u0142asny standard, z blackjackiem i nowymi funkcjami), tym samym zwi\u0119kszaj\u0105c bezpiecze\u0144stwo systemu?<\/p>\n

Jak pokazuje praktyka, korzystniej jest przestrzega\u0107 standard\u00f3w CCSDS z kilku powod\u00f3w:<\/p>\n

    \n
  1. W komisji odpowiedzialnej za publikacj\u0119 standard\u00f3w zasiadaj\u0105 przedstawiciele wszystkich du\u017cych agencji kosmicznych na \u015bwiecie, wnosz\u0105c swoje bezcenne do\u015bwiadczenie zdobyte przez lata projektowania i eksploatacji r\u00f3\u017cnych misji. Ignorowanie tego do\u015bwiadczenia i ponowne potykanie si\u0119 o te same przeszkody by\u0142oby bardzo nierozs\u0105dne.<\/li>\n
  2. Te standardy s\u0105 wspierane przez ju\u017c istniej\u0105cy na rynku sprz\u0119t stacji naziemnych.<\/li>\n
  3. W przypadku usuwania jakichkolwiek usterek zawsze mo\u017cna zwr\u00f3ci\u0107 si\u0119 o pomoc do koleg\u00f3w z innych agencji, aby przeprowadzili sesj\u0119 \u0142\u0105czno\u015bci z urz\u0105dzeniem ze swojej stacji naziemnej. Jak wida\u0107, standardy to niezb\u0119dny element, dlatego przyjrzyjmy si\u0119 ich kluczowym aspektom.<\/li>\n<\/ol>\n

    <\/p>\n

    Architektura<\/h2>\n

    \nStandardy stanowi\u0105 zbi\u00f3r dokument\u00f3w odzwierciedlaj\u0105cych zwyk\u0142y model OSI (Open System Interconnection), z wyj\u0105tkiem tego, \u017ce na warstwie kana\u0142owej wsp\u00f3lno\u015b\u0107 ogranicza si\u0119 do podzia\u0142u na telemetri\u0119 (kana\u0142 'w d\u00f3\u0142' \u2013 kosmos \u2013 Ziemia) i telekomendy (kana\u0142 'w g\u00f3r\u0119').<\/p>\n

    \"Kilka
    \n
    \nPrzyjrzyjmy si\u0119 szczeg\u00f3\u0142owo niekt\u00f3rym poziomom, zaczynaj\u0105c od poziomu fizycznego i przesuwaj\u0105c si\u0119 w g\u00f3r\u0119. Dla lepszej przejrzysto\u015bci rozwa\u017cymy architektur\u0119 strony odbieraj\u0105cej. Strona nadaj\u0105ca jest jej lustrowym odbiciem.<\/p>\n

    Poziom fizyczny<\/h2>\n

    \nNa tym poziomie nast\u0119puje konwersja modulowanego sygna\u0142u radiowego na strumie\u0144 bit\u00f3w. Standardy tutaj maj\u0105 g\u0142\u00f3wnie charakter zalecaj\u0105cy, poniewa\u017c na tym poziomie trudno jest abstrahowa\u0107 od konkretnej realizacji sprz\u0119tu. Kluczow\u0105 rol\u0105 CCSDS jest okre\u015blenie dopuszczalnych modulacji (BPSK, QPSK, 8-QAM itd.) oraz udzielenie pewnych wskaz\u00f3wek dotycz\u0105cych realizacji mechanizm\u00f3w synchronizacji symboli, kompensacji przesuni\u0119cia Dopplera itp.<\/p>\n

    Poziom synchronizacji i kodowania<\/h2>\n

    \nFormalnie jest podpoziomem poziomu kana\u0142u, jednak cz\u0119sto wyodr\u0119bnia si\u0119 go jako osobny poziom ze wzgl\u0119du na jego znaczenie w ramach standard\u00f3w CCSDS. Poziom ten przekszta\u0142ca strumie\u0144 bit\u00f3w w tzw. ramki (telemetrii lub telekomend), o kt\u00f3rych opowiemy p\u00f3\u017aniej. W odr\u00f3\u017cnieniu od synchronizacji symboli na poziomie fizycznym, kt\u00f3ra pozwala uzyska\u0107 poprawny strumie\u0144 bit\u00f3w, tutaj odbywa si\u0119 synchronizacja ramek. Przyjrzyjmy si\u0119 temu, jak dane przechodz\u0105 na tym poziomie (od do\u0142u do g\u00f3ry):<\/p>\n

    \"Kilka
    \n
    \nJednak przed tym warto powiedzie\u0107 kilka s\u0142\u00f3w o kodowaniu. Procedura ta jest niezb\u0119dna do wykrywania i\/lub poprawiania b\u0142\u0119d\u00f3w bitowych, kt\u00f3re nieuchronnie pojawiaj\u0105 si\u0119 podczas przesy\u0142ania danych przez kana\u0142 radiowy. Nie b\u0119dziemy tutaj rozwa\u017ca\u0107 procedur dekodowania, a jedynie uzyskamy informacje potrzebne do zrozumienia dalszej logiki dzia\u0142ania poziomu. <\/p>\n

    Kody mog\u0105 by\u0107 blokowe i ci\u0105g\u0142e. Standardy nie wymuszaj\u0105 stosowania konkretnego typu kodowania, jednak musi ono wyst\u0119powa\u0107. Kody ci\u0105g\u0142e obejmuj\u0105 kody konwolucyjne. Dzi\u0119ki nim kodowany jest ci\u0105g\u0142y strumie\u0144 bit\u00f3w. W przeciwie\u0144stwie do kod\u00f3w blokowych, gdzie dane dzieli si\u0119 na bloki kodowe i mog\u0105 by\u0107 dekodowane tylko w ramach ca\u0142ych blok\u00f3w. Blok kodowy reprezentuje przesy\u0142ane dane i do\u0142\u0105czon\u0105 informacje redundantn\u0105, potrzebn\u0105 do weryfikacji poprawno\u015bci otrzymania danych i poprawiania mo\u017cliwych b\u0142\u0119d\u00f3w. Do kod\u00f3w blokowych nale\u017c\u0105 s\u0142ynne kody Reed-Solomona.<\/p>\n

    Je\u015bli u\u017cywane jest kodowanie konwolucyjne, strumie\u0144 bit\u00f3w na pocz\u0105tku trafia do dekodera. Wynikiem jego pracy (wszystko to dzieje si\u0119 oczywi\u015bcie nieprzerwanie) s\u0105 bloki danych CADU (jednostki dost\u0119pu do kana\u0142u). Ta struktura jest niezb\u0119dna do synchronizacji klatek. Na ko\u0144cu ka\u017cdego CADU do\u0142\u0105czony jest znacznik synchronizacji (ASM \u2013 do\u0142\u0105czony znacznik synchronizacji). To znane wcze\u015bniej 4 bajty, na podstawie kt\u00f3rych synchronizator znajduje pocz\u0105tek i koniec CADU. Tak osi\u0105ga si\u0119 synchronizacj\u0119 klatek.<\/p>\n

    Kolejny opcjonalny etap pracy na poziomie synchronizacji i kodowania zwi\u0105zany jest z cechami dzia\u0142ania poziomu fizycznego. To deryandomizacja. Polega to na tym, \u017ce dla osi\u0105gni\u0119cia synchronizacji symboli potrzebne s\u0105 cz\u0119ste prze\u0142\u0105czenia mi\u0119dzy symbolami. Tak wi\u0119c, je\u015bli b\u0119dziemy przekazywa\u0107, powiedzmy, kilobajt danych sk\u0142adaj\u0105cych si\u0119 wy\u0142\u0105cznie z jedynek, synchronizacja zostanie utracona. Dlatego podczas transmisji dane wej\u015bciowe mieszaj\u0105 si\u0119 z okresow\u0105 sekwencj\u0105 pseudolosow\u0105, aby g\u0119sto\u015b\u0107 zer i jedynek by\u0142a r\u00f3wnomierna.<\/p>\n

    Nast\u0119pnie zachodzi dekodowanie kod\u00f3w blokowych, a to, co pozostanie, b\u0119dzie finalnym produktem poziomu synchronizacji i kodowania \u2013 klatk\u0105.<\/p>\n

    Poziom kana\u0142owy<\/h2>\n

    \nZ jednej strony, procesor poziomu kana\u0142owego odbiera klatki, a z drugiej strony wydaje pakiety. Poniewa\u017c formalnie rozmiar pakiet\u00f3w nie jest ograniczony, do ich niezawodnego przesy\u0142ania konieczne jest dzielenie ich na mniejsze struktury \u2013 klatki. Tutaj om\u00f3wimy dwa podrozdzia\u0142y: oddzielnie dla telemetrii (TM) i telekomend (TC).<\/p>\n

    Telemetria<\/h3>\n

    \nM\u00f3wi\u0105c pro\u015bciej, s\u0105 to dane, kt\u00f3re stacja naziemna otrzymuje od satelity. Ca\u0142a przesy\u0142ana informacja dzielona jest na ma\u0142e fragmenty o sta\u0142ej d\u0142ugo\u015bci \u2013 klatki, kt\u00f3re zawieraj\u0105 dane przesy\u0142ane oraz pola pomocnicze. Przyjrzyjmy si\u0119 szczeg\u00f3\u0142owo strukturze klatki:<\/p>\n

    \"Kilka
    \n
    \nZaczniemy od podstawowego nag\u0142\u00f3wka klatki telemetrii. Pozwol\u0119 sobie w niekt\u00f3rych miejscach po prostu t\u0142umaczy\u0107 standardy, jednocze\u015bnie udzielaj\u0105c pewnych wyja\u015bnie\u0144.<\/p>\n

    \"Kilka
    \n
    \nPole identyfikatora g\u0142\u00f3wnego kana\u0142u (Master Channel ID) powinno zawiera\u0107 numer wersji klatki oraz identyfikator aparatu.<\/p>\n

    Ka\u017cdy KA, zgodnie ze standardami CCSDS, musi mie\u0107 unikalny identyfikator, dzi\u0119ki kt\u00f3remu mo\u017cna, maj\u0105c ramk\u0119, okre\u015bli\u0107, do jakiego urz\u0105dzenia nale\u017cy. Formalnie konieczne jest z\u0142o\u017cenie wniosku o rejestracj\u0119 urz\u0105dzenia, a jego nazwa, wraz z identyfikatorem, zostanie opublikowana w otwartych \u017ar\u00f3d\u0142ach. Jednak cz\u0119sto rosyjscy producenci ignoruj\u0105 t\u0119 procedur\u0119, przypisuj\u0105c urz\u0105dzeniu dowolny identyfikator. Numer wersji ramki pomaga okre\u015bli\u0107, kt\u00f3ra wersja standard\u00f3w jest u\u017cywana, aby prawid\u0142owo odczyta\u0107 ramk\u0119. Tutaj om\u00f3wimy tylko najbardziej konserwatywny standard z wersj\u0105 \u201e0\u201d.<\/i><\/p>\n

    W polu identyfikatora wirtualnego kana\u0142u (Virtual Channel ID) powinien znajdowa\u0107 si\u0119 VCID kana\u0142u, z kt\u00f3rego nadesz\u0142a paczka. Nie ma \u017cadnych ogranicze\u0144 co do wyboru VCID, w szczeg\u00f3lno\u015bci wirtualne kana\u0142y nie musz\u0105 by\u0107 numerowane w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y.<\/p>\n

    Bardzo cz\u0119sto pojawia si\u0119 potrzeba multipleksowania przesy\u0142anych danych. W tym celu istnieje mechanizm wirtualnych kana\u0142\u00f3w. Na przyk\u0142ad, satelita Meteor-M2 przesy\u0142a kolorowy obraz w zakresie widzialnym, dziel\u0105c go na trzy czarno-bia\u0142e \u2013 ka\u017cdy kolor jest przesy\u0142any w swoim wirtualnym kanale jako oddzielna paczka, chocia\u017c w strukturze jego ramek wyst\u0119puje pewne odchylenie od standard\u00f3w.<\/i><\/p>\n

    Pole flagi sterowania operacyjnego powinno by\u0107 wska\u017anikiem obecno\u015bci lub braku pola sterowania operacyjnego w ramce telemetrii. Te 4 bajty na ko\u0144cu ramki s\u0142u\u017c\u0105 do utrzymania informacji zwrotnej przy kontrolowaniu dostarczania ramek telekomend. O tym porozmawiamy nieco p\u00f3\u017aniej.<\/p>\n

    Liczniki ramek g\u0142\u00f3wnego i wirtualnego kana\u0142u to pola, kt\u00f3re zwi\u0119kszaj\u0105 si\u0119 o jeden przy wysy\u0142aniu ka\u017cdej ramki. S\u0142u\u017c\u0105 jako wska\u017anik, \u017ce \u017cadna ramka nie zosta\u0142a utracona.<\/i><\/p>\n

    Status danych ramki telemetrii to kolejne dwa bajty flag\u00f3w i danych, z kt\u00f3rych om\u00f3wimy jedynie wybrane.<\/p>\n

    \"Kilka
    \n
    \nPole flagi dodatkowego nag\u0142\u00f3wka (Secondary Header) powinno by\u0107 wska\u017anikiem obecno\u015bci lub braku dodatkowego nag\u0142\u00f3wka (Secondary Header) w ramce telemetrii.<\/p>\n

    W razie potrzeby mo\u017cna doda\u0107 do ka\u017cdej ramki dodatkowy nag\u0142\u00f3wek i umie\u015bci\u0107 tam dowolne dane wed\u0142ug w\u0142asnego uznania.<\/i><\/p>\n

    Wska\u017anik na pierwszy nag\u0142\u00f3wek (First Header Pointer), przy warto\u015bci flagi synchronizacji \u201e1\u201d, powinien zawiera\u0107 binarne przedstawienie pozycji pierwszego bajtu pierwszego pakietu w polu danych (Data Field) ramki telemetrii. Pozycja jest liczona od 0 w porz\u0105dku rosn\u0105cym od pocz\u0105tku pola danych. Je\u017celi nie ma pocz\u0105tku pakietu w polu danych ramki telemetrii, wska\u017anik na pierwszy nag\u0142\u00f3wek powinien mie\u0107 warto\u015b\u0107 w binarnym przedstawieniu \u201e11111111111\u201d (mo\u017ce si\u0119 to zdarzy\u0107, je\u015bli jeden d\u0142ugi pakiet rozci\u0105ga si\u0119 na wi\u0119cej ni\u017c jedn\u0105 ramk\u0119). <\/p>\n

    Je\u017celi pole danych zawiera pusty pakiet (Idle Data), wska\u017anik na pierwszy nag\u0142\u00f3wek powinien mie\u0107 warto\u015b\u0107 w binarnym przedstawieniu \u201e11111111110\u201d. Na podstawie tego pola odbiornik powinien synchronizowa\u0107 strumie\u0144. To pole gwarantuje przywr\u00f3cenie synchronizacji nawet w przypadku pomini\u0119cia ramek.<\/p>\n

    Oznacza to, \u017ce pakiet mo\u017ce, na przyk\u0142ad, zaczyna\u0107 si\u0119 w po\u0142owie 4. ramki i ko\u0144czy\u0107 na pocz\u0105tku 20. Aby znale\u017a\u0107 jego pocz\u0105tek, to pole jest w\u0142a\u015bnie do tego s\u0142u\u017cy. Pakiety r\u00f3wnie\u017c maj\u0105 nag\u0142\u00f3wek, w kt\u00f3rym zapisana jest ich d\u0142ugo\u015b\u0107, dlatego przy znajdowaniu wska\u017anika na pierwszy nag\u0142\u00f3wek, procesor na poziomie \u0142\u0105cza danych powinien go przeczyta\u0107, tym samym okre\u015blaj\u0105c, gdzie zako\u0144czy si\u0119 pakiet.<\/i>
    \nJe\u017celi pole kontroli b\u0142\u0119d\u00f3w jest obecne, powinno ono by\u0107 zawarte w ka\u017cdej ramce telemetrii dla konkretnego fizycznego kana\u0142u przez ca\u0142y okres misji.<\/p>\n

    To pole oblicza si\u0119 przy pomocy metody CRC. Procedura powinna przyj\u0105\u0107 n-16 bit\u00f3w ramki telemetrii i wstawi\u0107 wynik obliczenia w ostatnie 16 bit\u00f3w.<\/p>\n

    Telekomendy<\/h4>\n

    \nRamka telekomend ma kilka istotnych r\u00f3\u017cnic. W\u015br\u00f3d nich:<\/p>\n

      \n
    1. Inna struktura nag\u0142\u00f3wk\u00f3w<\/li>\n
    2. Dynamiczna d\u0142ugo\u015b\u0107. Oznacza to, \u017ce d\u0142ugo\u015b\u0107 ramki nie jest okre\u015blona sztywno, jak ma to miejsce w telemetrii, lecz mo\u017ce si\u0119 zmienia\u0107 w zale\u017cno\u015bci od przesy\u0142anych pakiet\u00f3w.<\/li>\n
    3. Mechanizm gwarancji dostarczenia pakiet\u00f3w. Oznacza to, \u017ce KA po odebraniu musi potwierdzi\u0107 poprawno\u015b\u0107 odbioru ramek lub za\u017c\u0105da\u0107 ponownej wysy\u0142ki od tej ramki, kt\u00f3ra mog\u0142a zosta\u0107 odebrana z nieodwracalnym b\u0142\u0119dem.<\/li>\n<\/ol>\n

      \n\"Kilka
      \n
      \n\"Kilka
      \n
      \nWiele p\u00f3l jest ju\u017c nam znanych z nag\u0142\u00f3wka ramki telemetrii. Maj\u0105 one takie samo przeznaczenie, dlatego tutaj rozwa\u017cymy tylko nowe pola.<\/p>\n

      Jeden bit flagu bypassu powinien by\u0107 u\u017cywany do kontroli weryfikacji ramek na odbiorniku. Warto\u015b\u0107 \u201e0\u201d tego flagu powinna wskazywa\u0107, \u017ce dana ramka jest ramk\u0105 typu A, a jej weryfikacja powinna by\u0107 przeprowadzana zgodnie z FARM. Warto\u015b\u0107 \u201e1\u201d tego flagu powinna informowa\u0107 odbiornik, \u017ce dana ramka jest ramk\u0105 typu B i powinna pomin\u0105\u0107 weryfikacj\u0119 zgodnie z FARM.<\/p>\n

      Ten flag informuje odbiornik, czy nale\u017cy u\u017cy\u0107 mechanizmu potwierdzania dostarczania ramek, kt\u00f3ry nazywa si\u0119 FARM \u2013 Mechanizm Akceptacji i Raportowania Ram.<\/i><\/p>\n

      Flaga polecenia steruj\u0105cego powinna by\u0107 u\u017cywana do okre\u015blenia, czy pole danych transportuje komend\u0119, czy dane. Je\u015bli flaga wynosi \u201e0\u201d, pole danych powinno zawiera\u0107 dane. Je\u015bli flaga wynosi \u201e1\u201d, pole danych powinno zawiera\u0107 informacje kontrolne dla FARM.
      \nFARM to automat stanowy, kt\u00f3rego parametry mo\u017cna konfigurowa\u0107.<\/i><\/p>\n

      RSVD. SPARE \u2013 zarezerwowane bity.<\/p>\n

      Wygl\u0105da na to, \u017ce CCSDS ma na to plany w przysz\u0142o\u015bci, a dla zachowania zgodno\u015bci z wersjami protoko\u0142u zarezerwowali te bity ju\u017c w obecnych wersjach standardu.<\/i><\/p>\n

      Pole d\u0142ugo\u015bci ramek powinno zawiera\u0107 liczb\u0119 w postaci binarnej, kt\u00f3ra odpowiada d\u0142ugo\u015bci ramki w oktetach minus jeden.<\/p>\n

      Pole danych ramki powinno znajdowa\u0107 si\u0119 zaraz po nag\u0142\u00f3wku bez przerw i zawiera\u0107 liczb\u0119 ca\u0142kowit\u0105 oktet\u00f3w, kt\u00f3ra mo\u017ce wynosi\u0107 maksymalnie 1019 oktet\u00f3w. To pole powinno zawiera\u0107 albo blok danych ramki, albo informacje polecenia steruj\u0105cego. Blok danych ramki powinien zawiera\u0107:<\/p>\n