Meteor M1 uydusu
Kaynak: vladtime.ru
Giriş
Uzay teknolojisinin çalışması radyo iletişimi olmadan imkansızdır ve bu yazıda Uluslararası Uzay Veri Sistemleri Danışma Komitesi (CCSDS) tarafından geliştirilen standartların temelini oluşturan ana fikirleri açıklamaya çalışacağım. Aşağıda bu kısaltma kullanılacaktır) .
Bu yazı öncelikle veri bağlantısı katmanına odaklanacak ancak diğer katmanlara ilişkin temel kavramlar da tanıtılacak. Bu makale hiçbir şekilde standartların ayrıntılı ve eksiksiz bir açıklaması olma iddiasında değildir. Şu adreste görüntüleyebilirsiniz: CCSDS. Ancak bunları anlamak çok zordur ve onları anlamak için çok zaman harcadık, bu yüzden burada diğer her şeyi anlamanın çok daha kolay olacağı temel bilgileri vermek istiyorum. Öyleyse başlayalım.
CCSDS'nin Asil Misyonu
Belki birisinin bir sorusu vardır: Kendi özel radyo protokol yığınınızı (veya blackjack ve yeni özelliklerle kendi standardınızı) geliştirip böylece sistemin güvenliğini artırabiliyorsanız neden herkes standartlara uysun?
Uygulamada görüldüğü gibi, aşağıdaki nedenlerden dolayı CCSDS standartlarına uymak daha karlıdır:
- Standartların yayınlanmasından sorumlu olan komite, dünyadaki tüm büyük havacılık ve uzay ajanslarının temsilcilerini içermekte olup, çeşitli görevlerin tasarımı ve işletilmesinde uzun yıllar boyunca kazanılan paha biçilmez deneyimi beraberinde getirmektedir. Bu deneyimi görmezden gelip tekrar onların tırmıklarına basmak çok saçma olur.
- Bu standartlar halihazırda piyasada bulunan yer istasyonu ekipmanlarıyla desteklenmektedir.
- Herhangi bir sorunu giderirken, diğer kurumlardaki iş arkadaşlarınızdan, kendi yer istasyonlarından cihazla iletişim oturumu yürütebilmeleri için her zaman yardım isteyebilirsiniz. Gördüğünüz gibi standartlar son derece faydalı bir şeydir, o yüzden gelin bunların kilit noktalarına bakalım.
Mimari
Standartlar, en yaygın OSI (Açık Sistem Bağlantısı) modelini yansıtan bir dizi belgedir; ancak veri bağlantısı düzeyinde benzerlik, telemetri (aşağı bağlantı - uzay - Dünya) ve telekommandlar (yukarı bağlantı) olarak bölünmeyle sınırlıdır.
Fiziksel seviyeden başlayıp yukarı doğru ilerleyerek bazı seviyelere daha ayrıntılı olarak bakalım. Daha fazla netlik sağlamak için alıcı tarafın mimarisini ele alacağız. İleten onun ayna görüntüsüdür.
Fiziksel katman
Bu seviyede modüle edilmiş radyo sinyali bir bit akışına dönüştürülür. Buradaki standartlar esas olarak tavsiye niteliğindedir, çünkü bu seviyede donanımın spesifik uygulamasından soyutlamak zordur. Burada CCSDS'nin temel rolü, kabul edilebilir modülasyonları (BPSK, QPSK, 8-QAM, vb.) tanımlamak ve sembol senkronizasyon mekanizmaları, Doppler telafisi vb.'nin uygulanmasına ilişkin bazı öneriler sunmaktır.
Senkronizasyon ve kodlama düzeyi
Resmi olarak veri bağlantı katmanının bir alt katmanıdır ancak CCSDS standartları içindeki önemi nedeniyle sıklıkla ayrı bir katmana ayrılır. Bu katman, bit akışını daha sonra konuşacağımız çerçevelere (telemetri veya telekomünikasyonlar) dönüştürür. Doğru bit akışını elde etmenizi sağlayan fiziksel katmandaki sembol senkronizasyonunun aksine, çerçeve senkronizasyonu burada gerçekleştirilir. Verilerin bu seviyede (aşağıdan yukarıya) izlediği yolu düşünün:
Ancak bundan önce kodlamayla ilgili birkaç söz söylemekte fayda var. Bu prosedür, bir radyo kanalı üzerinden veri gönderilirken kaçınılmaz olarak ortaya çıkan bit hatalarını bulmak ve/veya düzeltmek için gereklidir. Burada kod çözme prosedürlerini dikkate almayacağız, yalnızca seviyenin ilerideki mantığını anlamak için gerekli bilgileri elde edeceğiz.
Kodlar blok veya sürekli olabilir. Standartlar belirli bir kodlama türünün kullanılmasını zorunlu kılmaz ancak bu şekilde mevcut olmalıdır. Sürekli kodlar evrişimli kodları içerir. Sürekli bir bit akışını kodlamak için kullanılırlar. Bu, verilerin kod bloklarına bölündüğü ve kodunun yalnızca tam bloklar içinde çözülebildiği blok kodlarının tersidir. Kod bloğu, iletilen verileri ve alınan verilerin doğruluğunu doğrulamak ve olası hataları düzeltmek için gerekli olan ek bilgileri temsil eder. Blok kodları ünlü Reed-Solomon kodlarını içerir.
Evrişimli kodlama kullanılıyorsa, bit akışı kod çözücüye baştan girer. Çalışmasının sonucu (tüm bunlar elbette sürekli olarak gerçekleşir) CADU (kanal erişim veri birimi) veri bloklarıdır. Bu yapı çerçeve senkronizasyonu için gereklidir. Her CADU'nun sonunda bağlı bir senkronizasyon oluşturucu (ASM) bulunur. Bunlar, senkronizörün CADU'nun başlangıcını ve sonunu bulduğu, önceden bilinen 4 bayttır. Çerçeve senkronizasyonu bu şekilde sağlanır.
Senkronizasyon ve kodlama katmanının bir sonraki isteğe bağlı aşaması, fiziksel katmanın özellikleriyle ilişkilidir. Bu rastgelelikten arındırmadır. Gerçek şu ki, sembol senkronizasyonunu sağlamak için semboller arasında sık sık geçiş yapılması gereklidir. Yani, diyelim ki tamamen birlerden oluşan bir kilobaytlık veri aktarırsak senkronizasyon kaybolacaktır. Bu nedenle, iletim sırasında giriş verileri, sıfırların ve birlerin yoğunluğunun tekdüze olması için periyodik sözde rastgele bir diziyle karıştırılır.
Daha sonra blok kodlarının kodu çözülür ve geriye senkronizasyon ve kodlama seviyesinin son ürünü olan bir çerçeve kalır.
Veri Bağlantı Katmanı
Bağlantı katmanı işlemcisi bir tarafta çerçeveleri alırken diğer tarafta paketleri yayınlar. Paketlerin boyutu resmi olarak sınırlı olmadığından, güvenilir iletimleri için onları daha küçük yapılara (çerçeveler) bölmek gerekir. Burada iki alt bölüme bakacağız: telemetri (TM) ve telekommandlar (TC) için ayrı ayrı.
telemetri
Basitçe söylemek gerekirse bu, yer istasyonunun uzay aracından aldığı verilerdir. İletilen tüm bilgiler, iletilen verileri ve hizmet alanlarını içeren sabit uzunluktaki küçük çerçevelere bölünür. Çerçeve yapısına daha yakından bakalım:
Ve değerlendirmemize telemetri çerçevesinin ana başlığıyla başlayalım. Ayrıca, bazı yerlerdeki standartları basitçe tercüme etmeme izin vereceğim ve yol boyunca bazı açıklamalar yapacağım.
Ana Kanal Kimliği alanı çerçeve sürüm numarasını ve cihaz tanımlayıcıyı içermelidir.
CCSDS standartlarına göre her uzay aracının kendi benzersiz tanımlayıcısı olmalıdır; bu tanımlayıcı, bir çerçeveye sahip olduğundan hangi cihaza ait olduğunu belirleyebilir. Resmi olarak, cihazı kaydettirmek için bir başvuruda bulunmak gerekiyor ve cihazın adı, tanımlayıcısıyla birlikte açık kaynaklarda yayınlanacak. Bununla birlikte, Rus üreticiler genellikle bu prosedürü göz ardı ederek cihaza isteğe bağlı bir tanımlayıcı atamaktadır. Çerçeve sürüm numarası, çerçevenin doğru okunması için standartların hangi sürümünün kullanıldığının belirlenmesine yardımcı olur. Burada yalnızca “0” versiyonuyla en ihtiyatlı standardı ele alacağız.
Sanal Kanal Kimliği alanı paketin geldiği kanalın VCID'sini içermelidir. VCID seçiminde herhangi bir kısıtlama yoktur; özellikle sanal kanalların mutlaka sıralı olarak numaralandırılması gerekmez.
Çoğu zaman iletilen verilerin çoğullanmasına ihtiyaç duyulur. Bu amaçla sanal kanallar mekanizması bulunmaktadır. Örneğin, Meteor-M2 uydusu görünür aralıkta renkli bir görüntüyü üç siyah beyaza bölerek iletir - her renk kendi sanal kanalında ayrı bir pakette iletilir, ancak standartlardan bir miktar sapma vardır. çerçevelerinin yapısı.
Operasyonel Kontrol bayrağı alanı, telemetri çerçevesinde Operasyonel Kontrol alanının varlığının veya yokluğunun bir göstergesi olacaktır. Çerçevenin sonundaki bu 4 bayt, telekomünikasyon çerçevelerinin dağıtımını kontrol ederken geri bildirim sağlamaya yarar. Bunlardan biraz sonra bahsedeceğiz.
Ana ve sanal kanal çerçeve sayaçları, her çerçeve gönderildiğinde birer birer artan alanlardır. Tek bir karenin bile kaybolmadığının göstergesi olarak hizmet edin.
Telemetri çerçevesi veri durumu, yalnızca birkaçına bakacağımız iki baytlık bayrak ve veriden oluşur.
İkincil Başlık bayrak alanı, telemetri çerçevesinde İkincil Başlığın varlığının veya yokluğunun bir göstergesi olmalıdır.
Dilerseniz her kareye ek bir başlık ekleyebilir ve dilediğiniz veriyi buraya yerleştirebilirsiniz.
Senkronizasyon bayrağı "1" olarak ayarlandığında, Birinci Başlık İşaretçisi alanı, telemetri çerçevesinin Veri Alanındaki ilk Paketin ilk sekizlisinin konumunun ikili temsilini içerecektir. Konum, veri alanının başından itibaren artan sırada 0'dan itibaren sayılır. Telemetri çerçevesinin veri alanında paketin başlangıcı yoksa, ilk başlık alanına yönelik işaretçi "11111111111" ikili temsilindeki değere sahip olmalıdır (bu, uzun bir paketin birden fazla çerçeveye yayılması durumunda meydana gelebilir) ).
Veri alanı boş bir paket (Boşta Veri) içeriyorsa, ilk başlığa yönelik işaretçinin ikili temsildeki değeri “11111111110” olmalıdır. Bu alanı kullanarak alıcının akışı senkronize etmesi gerekir. Bu alan, kareler düşse bile senkronizasyonun geri yüklenmesini sağlar.
Yani bir paket 4. çerçevenin ortasında başlayıp 20. çerçevenin başında bitebilir. Bu alan başlangıcını bulmak için kullanılır. Paketlerin ayrıca uzunluğunu belirten bir başlığı vardır, dolayısıyla ilk başlığa işaret eden bir işaretçi bulunduğunda, bağlantı katmanı işlemcisinin onu okuması ve böylece paketin nerede biteceğini belirlemesi gerekir.
Bir hata kontrol alanı mevcutsa, görev boyunca belirli bir fiziksel kanal için her telemetri çerçevesinde yer almalıdır.
Bu alan CRC yöntemi kullanılarak hesaplanır. Prosedür, telemetri çerçevesinin n-16 bitini almalı ve hesaplamanın sonucunu son 16 bit'e eklemelidir.
televizyon ekipleri
TV komut çerçevesinin birkaç önemli farklılığı vardır. Aralarında:
- Farklı başlık yapısı
- Dinamik uzunluk. Bu, çerçeve uzunluğunun telemetride olduğu gibi katı bir şekilde ayarlanmadığı, ancak iletilen paketlere bağlı olarak değişebileceği anlamına gelir.
- Paket teslimat garanti mekanizması. Yani, uzay aracı, onu aldıktan sonra, çerçeve alımının doğruluğunu onaylamalı veya düzeltilemez bir hatayla alınmış olabilecek bir çerçeveden iletme talebinde bulunmalıdır.
Birçok alan bize telemetri çerçeve başlığından zaten tanıdık geliyor. Aynı amaca sahipler, bu yüzden burada sadece yeni alanları ele alacağız.
Alıcıdaki çerçeve kontrolünü kontrol etmek için bypass bayrağının bir biti kullanılmalıdır. Bu bayrağın "0" değeri, çerçevenin A Tipi çerçeve olduğunu ve FARM'a göre doğrulanması gerektiğini belirtecektir. Bu bayrak için "1" değeri, alıcıya bu çerçevenin B Tipi bir çerçeve olduğunu ve FARM kontrolünü atlaması gerektiğini belirtmelidir.
Bu bayrak, alıcıya FARM - Çerçeve Kabulü ve Raporlama Mekanizması adı verilen bir çerçeve teslimi onaylama mekanizmasının kullanılıp kullanılmayacağı konusunda bilgi verir.
Veri alanının bir komut mu yoksa veri mi aktardığını anlamak için kontrol komut bayrağı kullanılmalıdır. Bayrak "0" ise veri alanı veri içermelidir. Bayrak "1" ise, veri alanı FARM için kontrol bilgilerini içermelidir.
FARM, parametreleri yapılandırılabilen sonlu durumlu bir makinedir.
RSVD. YEDEK – ayrılmış bitler.
Görünüşe göre CCSDS'nin gelecekte bunlar için planları var ve protokol versiyonlarının geriye dönük uyumluluğu için bu bitleri standardın mevcut versiyonlarında zaten ayırmışlar.
Çerçeve uzunluğu alanı, bit temsilinde, sekizli eksi bir olarak çerçeve uzunluğuna eşit bir sayı içermelidir.
Çerçeve veri alanı, başlığı boşluksuz takip etmeli ve uzunluğu maksimum 1019 sekizli olabilen tam sayıda sekizli içermelidir. Bu alan ya çerçeve veri bloğu ya da kontrol komut bilgisini içermelidir. Çerçeve veri bloğu şunları içermelidir:
- kullanıcı veri sekizlilerinin tamsayı sayısı
- segment başlığı ve ardından tam sayıda kullanıcı verisi sekizlisi gelir
Bir başlık mevcutsa, veri bloğunun bir Paket, bir Paket kümesi veya bir Paketin bir kısmını içermesi gerekir. Başlığı olmayan bir veri bloğu Paketlerin bölümlerini içeremez ancak özel formattaki veri bloklarını içerebilir. Bundan, iletilen veri bloğu tek bir çerçeveye sığmadığında bir başlığın gerekli olduğu sonucu çıkar. Başlığı olan veri bloğuna segment denir
İki bitlik bayraklar alanı şunları içermelidir:
- "01" - verinin ilk kısmı veri bloğundaysa
- “00” - verinin orta kısmı veri bloğundaysa
- "10" - son veri parçası veri bloğundaysa
- “11” - bölme yoksa ve bir veya daha fazla paket tamamen veri bloğuna uyuyorsa.
MAP kanalları kullanılmıyorsa MAP ID alanı sıfır içermelidir.
Bazen sanal kanallara ayrılan 6 bit yeterli olmamaktadır. Ve eğer verileri daha fazla sayıda kanala çoğaltmak gerekiyorsa, bölüm başlığından 6 bit daha kullanılır.
ÇİFTLİK
Personel dağıtım kontrol sisteminin işleyiş mekanizmasına daha yakından bakalım. Bu sistem, önemlerinden dolayı yalnızca telekomünikasyon çerçeveleriyle çalışmayı sağlar (telemetri her zaman tekrar istenebilir ve uzay aracının yer istasyonunu net bir şekilde duyması ve komutlarına her zaman uyması gerekir). Diyelim ki uydumuzu yeniden göndermeye karar verdik ve ona 10 kilobayt boyutunda bir ikili dosya gönderdik. Bağlantı düzeyinde dosya 10 kareye (0, 1, ..., 9) bölünür ve bunlar birer birer yukarıya gönderilir. İletim tamamlandığında uydunun paket alımının doğruluğunu onaylaması veya hatanın hangi karede oluştuğunu bildirmesi gerekir. Bu bilgi en yakın telemetri çerçevesindeki operasyonel kontrol alanına gönderilir (Ya da uzay aracı söyleyecek bir şeyi yoksa boş bir çerçevenin iletimini başlatabilir). Alınan telemetriye göre ya her şeyin yolunda olduğundan emin oluruz ya da mesajı yeniden göndermeye devam ederiz. Uydunun 7 numaralı kareyi duymadığını varsayalım. Bu, ona 7, 8, 9 numaralı çerçeveleri göndereceğimiz anlamına gelir. Yanıt gelmezse, paketin tamamı yeniden gönderilir (ve bu, denemelerin boşuna olduğunu anlayana kadar birkaç kez böyle devam eder).
Aşağıda bazı alanların açıklamalarıyla birlikte operasyonel kontrol alanının yapısı yer almaktadır. Bu alanda yer alan verilere CLCW – İletişim Bağlantısı Kontrol Kelimesi adı verilir.
Ana alanların amacını resimden rahatlıkla tahmin edebileceğiniz, diğerleri ise bakmak sıkıcı olduğundan detaylı açıklamayı spoiler altına saklıyorum.
CLCW alanlarının açıklamasıKontrol Kelimesi Türü:
Bu tür için kontrol sözcüğü 0 içermelidir
Kontrol Kelimesi Sürümü (CLCW Sürüm Numarası):
Bu tip için kontrol sözcüğünün bit gösteriminde "00"a eşit olması gerekir.
Durum Alanı:
Bu alanın kullanımı her görev için ayrı ayrı belirlenir. Çeşitli uzay ajansları tarafından yerel iyileştirmeler için kullanılabilir.
Sanal Kanal Tanımlaması:
Bu kontrol sözcüğünün ilişkili olduğu sanal kanalın tanımlayıcısını içermelidir.
Fiziksel kanal erişim bayrağı:
Bayrak, alıcının fiziksel katmanının hazır olup olmadığı hakkında bilgi sağlamalıdır. Alıcının fiziksel katmanı çerçeve almaya hazır değilse alanın “1”, aksi halde “0” içermesi gerekir.
Senkronizasyon hatası bayrağı:
Bayrak, fiziksel katmanın zayıf sinyal seviyesinde çalıştığını ve reddedilen çerçeve sayısının çok yüksek olduğunu gösterebilir. Bu alanın kullanımı isteğe bağlıdır; eğer kullanılıyorsa senkronizasyon mevcutsa “0”, senkronizasyon mevcut değilse “1” içermelidir.
Engelleme bayrağı:
Bu bit, her sanal kanal için FARM kilit durumunu içerecektir. Bu alandaki "1" değeri, FARM'ın devre dışı bırakıldığını ve her sanal katman için çerçevelerin atılacağını, aksi halde "0" olduğunu belirtmelidir.
Bekleme bayrağı:
Bu bit, alıcının belirtilen sanal kanaldaki verileri işleyemediğini belirtmek için kullanılacaktır. "1" değeri, bu sanal kanaldaki tüm çerçevelerin atılacağını, aksi takdirde "0" değerini belirtir.
İleri Bayrağı:
Bir veya daha fazla A tipi çerçeve atılmışsa veya boşluklar bulunmuşsa, bu bayrak bir "1" içerecektir, bu nedenle yeniden göndermek gerekir. "0" bayrağı, atlanan kare veya atlama olmadığını gösterir.
Yanıt değeri:
Alınmayan çerçeve numarası. Telekomünikasyon çerçeve başlığındaki sayaç tarafından belirlenir
ağ katmanı
Bu seviyeye biraz değinelim. Burada iki seçenek vardır: ya uzay paketi protokolünü kullanın ya da CCSDS paketinde başka bir protokolü kapsülleyin.
Uzay paketi protokolüne genel bakış ayrı bir makalenin konusudur. Sözde uygulamaların sorunsuz bir şekilde veri alışverişinde bulunmasına izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Her uygulamanın kendi adresi ve diğer uygulamalarla veri alışverişi için temel işlevleri vardır. Trafiği yönlendiren, teslimatı kontrol eden vb. hizmetler de vardır.
Kapsülleme ile her şey daha basit ve nettir. Standartlar, ek bir başlık ekleyerek herhangi bir protokolü CCSDS paketlerine kapsüllemeyi mümkün kılar.
Kapsüllenen protokolün uzunluğuna bağlı olarak başlığın farklı anlamlara sahip olduğu yer:
Burada asıl alan uzunluğun uzunluğudur. 0 ile 4 byte arasında değişebilir. Ayrıca bu başlıkta, tabloyu kullanarak kapsüllenmiş protokolün türünü belirtmelisiniz. .
IP kapsülleme, paketin türünü belirlemek için başka bir eklenti kullanır.
Bir sekizli uzunluğunda bir başlık daha eklemeniz gerekir:
PID'nin alınan başka bir protokol tanımlayıcısı olduğu yer
Sonuç
İlk bakışta CCSDS başlıklarının aşırı derecede gereksiz olduğu ve bazı alanların atılabileceği görülebilir. Gerçekten de, ortaya çıkan kanalın verimliliği (ağ seviyesine kadar) yaklaşık %40'tır. Ancak bu standartların uygulanmasına ihtiyaç duyulduğu anda her alanın, her başlığın kendine göre önemli bir misyonu olduğu ortaya çıkıyor ve bu da göz ardı edildiğinde bir takım belirsizliklere yol açıyor.
Eğer habra topluluğu bu konuya ilgi gösterirse, uzay iletişiminin teorisi ve pratiğine adanmış bir dizi makale yayınlamaktan memnuniyet duyacağım. İlginiz için teşekkür ederiz!
kaynaklar
PS
Herhangi bir yanlışlık bulursanız çok sert vurmayın. Bunları bildirin, düzeltilecektir :)
Kaynak: habr.com