流星M1衛星
資料來源：vladtime.ru
介紹
沒有無線電通信，空間技術的運作是不可能的，在本文中，我將嘗試解釋構成國際空間數據系統諮詢委員會（CCSDS。下面將使用該縮寫）制定的標準基礎的主要思想。 。
本文將主要關注資料鏈結層，但也會介紹其他層的基本概念。 本文絕不是對標準的徹底和完整的描述。 您可以在以下位置查看： CCSDS。 然而，它們非常難以理解，我們花了很多時間試圖理解它們，所以在這裡我想提供基本信息，有了這些信息，理解其他一切就會容易得多。 那麼，讓我們開始吧。
CCSDS的崇高使命
也許有人會有疑問：如果可以開發自己專有的無線電協定棧（或自己的標準，有二十一點和新功能），從而提高系統的安全性，為什麼每個人都應該遵守標準呢？
實踐表明，遵守 CCSDS 標準更有利可圖，原因如下：
- 負責發布這些標準的委員會包括來自世界上每個主要航空航天機構的代表，帶來了多年來設計和運行各種任務所獲得的寶貴經驗。 如果忽視這次經歷，再次踩他們的耙子，那就太荒唐了。
- 這些標準得到市場上已有地面站設備的支援。
- 在排除任何問題時，您可以隨時向其他機構的同事尋求協助，以便他們可以從地面站與裝置進行通訊會話。 正如您所看到的，標準是一個非常有用的東西，所以讓我們看看它們的要點。
架構
這些標準是反映最常見的OSI（開放系統互連）模型的一組文件，但在資料鏈路級別，通用性僅限於分為遙測（下行鏈路- 空間- 地球）和遠端命令（上行鏈路）。
讓我們更詳細地了解一些級別，從物理級別開始逐步向上。 為了更清楚起見，我們將考慮接收方的架構。 發射的是它的鏡像。
物理層
在此級別，調製的無線電訊號被轉換為位元流。 這裡的標準本質上主要是建議性的，因為在這個層級上很難從硬體的具體實作中抽象化。 在這裡，CCSDS的關鍵作用是定義可接受的調變（BPSK、QPSK、8-QAM等），並就符號同步機制、多普勒補償等的實作給予一些建議。
同步和編碼級別
形式上，它是資料鏈結層的子層，但由於其在 CCSDS 標準中的重要性，通常被分為單獨的層。 該層將比特流轉換為所謂的幀（遙測或遠端命令），我們將在稍後討論。 與物理層的符號同步不同，符號同步可以讓您獲得正確的位元流，而這裡執行的是幀同步。 考慮資料在此層級所採取的路徑（從下到上）：
然而，在此之前，值得先談談編碼。 該過程對於查找和/或糾正透過無線電通道發送資料時不可避免地發生的位元錯誤是必要的。 這裡我們不會考慮解碼過程，而只會獲得理解該層級的進一步邏輯所需的資訊。
代碼可以是區塊的或連續的。 標準並未強制使用特定類型的編碼，但它必須如此存在。 連續碼包括卷積碼。 它們用於對連續位元流進行編碼。 這與區塊程式碼相反，區塊程式碼將資料分為程式碼區塊並且只能在完整的區塊內解碼。 程式碼區塊表示傳輸的資料以及驗證接收的資料的正確性和糾正可能的錯誤所必需的附加冗餘資訊。 分組碼包括著名的里德-所羅門碼。
如果使用卷積編碼，位元流從頭開始進入解碼器。 其工作結果（當然，所有這些都是連續發生的）是 CADU（通道存取資料單元）資料塊。 該結構對於幀同步是必要的。 每個 CADU 的末端都有一個附加的同步產生器 (ASM)。 這些是預先已知的 4 個位元組，同步器透過它們找到 CADU 的開頭和結尾。 這就是實現幀同步的方式。
同步和編碼層的下一個可選階段與物理層的特性相關。 這就是去隨機化。 事實上，為了實現符號同步，符號之間的頻繁切換是必要的。 因此，如果我們傳輸完全由 XNUMX 組成的 XNUMX KB 數據，同步就會遺失。 因此，在傳輸過程中，輸入資料與週期性偽隨機序列混合，使得XNUMX和XNUMX的密度是均勻的。
接下來，塊碼被解碼，剩下的是同步和編碼等級的最終產物——幀。
資料鏈路層
鏈路層處理器一方面接收幀，一方面發出資料包。 由於資料包的大小沒有正式限制，為了確保資料包的可靠傳輸，有必要將它們分解為更小的結構 - 幀。 在這裡，我們將看兩個小節：分別用於遙測（TM）和遠端命令（TC）。
遙測
簡單來說，這就是地面站從太空船接收到的資料。 所有傳輸的資訊都分為固定長度的小片段 - 包含傳輸資料和服務欄位的訊框。 讓我們仔細看看框架結構：
讓我們從遙測幀的主標題開始考慮。 此外，我將允許自己簡單地翻譯一些地方的標準，並在過程中做出一些澄清。
主通道 ID 欄位必須包含訊框版本號和裝置識別碼。
根據CCSDS標準，每個太空船都必須有自己唯一的標識符，透過這個標識符，有一個框架，就可以確定它屬於哪個設備。 正式而言，需要提交申請來註冊該設備，並且其名稱及其識別碼將在開源中發布。 然而，俄羅斯製造商經常忽略這一程序，為設備分配任意識別碼。 框架版本號有助於確定使用哪個版本的標準，以便正確讀取框架。 這裡我們只考慮版本「0」的最保守標準。
虛擬通道 ID 欄位必須包含資料包來自的通道的 VCID。 VCID的選擇沒有限制；特別是，虛擬通道不一定會依序編號。
很多時候需要對傳輸的資料進行多路復用。 為此，就有了虛擬通道的機制。 例如，Meteor-M2衛星傳輸可見光範圍內的彩色影像，將其分為三個黑白影像——每種顏色都在單獨的資料包中在自己的虛擬通道中傳輸，儘管與標準中的標準存在一些偏差。其框架結構。
操作控制標誌欄位應指示遙測訊框中是否存在操作控製欄位。 幀末尾的這 4 個位元組用於在控制遙控命令幀的傳送時提供回饋。 我們稍後再討論它們。
主通道訊框計數器和虛擬通道訊框計數器是每次傳送訊框時加一的欄位。 充當沒有丟失一幀的指標。
遙測幀數據狀態是另外兩個位元組的標誌和數據，我們將只查看其中的幾個。
輔助標頭標誌欄位必須指示遙測訊框中是否存在輔助標頭。
如果您願意，您可以為每個幀添加額外的標頭，並自行決定在其中放置任何資料。
當同步標誌設定為「1」時，第一個報頭指標欄位應包含遙測幀資料欄位中第一個資料包的第一個八位元組位置的二進位表示。 位置從資料欄位的開頭開始按升序從 0 開始計數。 如果遙測訊框的資料欄位中沒有資料包的開頭，則指向第一個標頭欄位的指標必須具有二進位表示形式的值「11111111111」（如果長資料包分佈在多個訊框上，則可能會發生這種情況）。
如果資料欄位包含空資料包（空閒資料），則指向第一個標頭的指標應具有二進位表示形式的值「11111111110」。 使用該字段，接收方必須同步流。 此欄位確保即使訊框遺失也能恢復同步。
也就是說，一個資料包可以從第 4 幀的中間開始，到第 20 幀的開頭結束。 此欄位用於查找其開頭。 資料包還有一個指定其長度的標頭，因此當找到指向第一個標頭的指標時，連結層處理器必須讀取它，從而確定資料包的結束位置。
如果存在錯誤控製字段，則它必須包含在整個任務中特定物理通道的每個遙測幀中。
此欄位使用CRC方法計算。 過程必須取得遙測幀的 n-16 位元並將計算結果插入到最後 16 位元中。
電視隊
TV 指令幀有幾個顯著的差異。 他們之中：
- 不同的標題結構
- 動態長度。 這意味著幀長度不是像遙測中那樣嚴格設定的，而是可以根據傳輸的資料包而變化。
- 資料包傳送保證機制。 也就是說，太空船在接收到訊框後必須確認訊框接收的正確性，或是請求轉送可能接收到的存在不可修正錯誤的訊框。
從遙測幀頭中我們已經熟悉了許多字段。 它們具有相同的目的，因此這裡我們僅考慮新欄位。
必須使用旁路標誌的一位來控制接收器處的訊框檢查。 該標誌的值「0」表示該幀是 A 類幀並且必須根據 FARM 進行驗證。 此標誌的值為「1」應向接收器指示該訊框是 B 類訊框並且應繞過 FARM 檢查。
此標誌通知接收者是否使用稱為 FARM - 訊框接受和報告機制的訊框傳遞確認機制。
必須使用控制命令標誌來了解資料欄位是否傳輸命令或資料。 如果標誌為“0”，則資料欄位必須包含資料。 如果標誌為“1”，則資料欄位必須包含FARM的控制資訊。
FARM是一個有限狀態機，其參數是可以設定的。
RSVD。 SPARE－保留位。
CCSDS 似乎對未來有計劃，為了協議版本的向後相容性，他們已經在標準的當前版本中保留了這些位元。
幀長度欄位必須包含一個位元表示的數字，該數字等於八位元組的幀長度減一。
幀資料欄位必須跟在標頭後面，且不帶空格，並且包含整數個八位元組，長度最大為 1019 個八位元組。 此欄位必須包含幀資料塊或控制命令資訊。 幀資料塊必須包含：
- 使用者資料八位元組的整數
- 段頭後面接整數個用戶資料八位元組
如果存在標頭，則資料塊必須包含一個資料包、一組資料包或資料包的一部分。 沒有標頭的資料塊不能包含部分資料包，但可以包含私有格式資料塊。 由此可見，當傳輸的資料塊不適合一幀時，就需要標頭。 具有標頭的資料區塊稱為段
兩位標誌字段必須包含：
- “01” - 如果資料的第一部分位於資料區塊中
- “00” - 如果資料的中間部分在資料區塊中
- "10" - 如果最後一條資料在資料塊中
- “11” - 如果沒有分割且一個或多個資料包完全適合資料區塊。
如果不使用 MAP 通道，則 MAP ID 欄位必須包含零。
有時分配給虛擬通道的 6 位元是不夠的。 如果需要將資料復用到更多數量的通道上，則使用段頭中的另外 6 位元。
農場
讓我們仔細看看人員輸送控制系統的運作機制。 由於其重要性，該系統僅提供遙控命令幀的使用（遙測總是可以再次請求，並且航天器必須清楚地聽到地面站並始終遵守其命令）。 因此，假設我們決定重新刷新衛星，並向其發送 10 KB 大小的二進位。 在連結層，檔案被分為10個幀（0、1、…、9），一幀一幀地向上發送。 當傳輸完成後，衛星必須確認資料包接收的正確性，或報告哪一訊框發生了錯誤。 該資訊被發送到最近的遙測幀中的操作控製字段（或者航天器如果無話可說，可以啟動空閒幀的傳輸）。 根據收到的遙測數據，我們要么確保一切正常，要么繼續重新發送訊息。 我們假設衛星沒有聽到第 7 幀。 這意味著我們向他發送幀 7、8、9。如果沒有回應，則再次發送整個資料包（依此類推多次，直到我們意識到嘗試是徒勞無功的）。
下面是操作控製字段的結構以及一些字段的描述。 此欄位中包含的資料稱為 CLCW - 通訊鏈路控製字。
由於你可以很容易地從圖片中猜出主要字段的用途，而其他字段看起來很無聊，所以我將詳細描述隱藏在劇透下
CLCW 字段的解釋控製字類型：
對於該類型，控製字必須包含 0
控製字版本（CLCW 版本號）：
對於這種類型，控製字在位表示中必須等於“00”。
狀態欄位：
此欄位的使用是針對每個任務單獨決定的。 可用於各航太機構的局部改進。
虛擬通道標識：
必須包含與該控製字關聯的虛擬通道的識別碼。
實體通道存取標誌：
此標誌必須提供有關接收器物理層準備的資訊。 如果接收器的實體層未準備好接收幀，則該字段必須包含“1”，否則為“0”。
同步失敗標誌：
此標誌可以指示物理層在較差的訊號電平下操作且被拒絕的幀的數量太高。 此欄位的使用是可選的；如果使用，則如果有同步，則必須包含“0”，如果沒有同步，則必須包含“1”。
阻塞標誌：
該位元應包含每個虛擬通道的 FARM 鎖定狀態。 此欄位中的值「1」應指示 FARM 被停用，並且將為每個虛擬層丟棄幀，否則為「0」。
等待標誌：
此位元用於指示接收器無法處理指定虛擬通道上的資料。 值為“1”表示該虛擬通道上的所有訊框都將被丟棄，否則為“0”。
轉發標誌：
如果一個或多個 A 類訊框已被丟棄或已發現間隙，則該標誌應包含“1”，因此需要重新傳送。 「0」標誌表示沒有丟幀或跳幀。
響應值：
未收到的幀號。 由遙控指令幀頭中的計數器決定
網絡層
讓我們稍微談談這個層面。 這裡有兩個選擇：要麼使用空間資料包協議，要麼將任何其他協定封裝在 CCSDS 資料包中。
空間資料包協定的概述是另一篇文章的主題。 它旨在允許所謂的應用程式無縫地交換資料。 每個應用程式都有自己的地址和與其他應用程式交換資料的基本功能。 還有一些服務可以路由流量、控制交付等。
透過封裝，一切都變得更簡單、更清晰。 該標準使得透過添加附加標頭將任何協定封裝到 CCSDS 資料包中成為可能。
根據封裝協議的長度，標頭具有不同的意義：
這裡主要的字段是長度的長度。 它可以從 0 到 4 個位元組變化。 此外，在此標頭中，您必須使用表格指示封裝協定的類型 .
IP 封裝使用另一個附加元件來決定封包的類型。
您需要再增加一個標頭，一個八位元組長：
其中 PID 是另一個協定標識符
結論
乍一看，CCSDS 標頭似乎極其冗餘，並且某些欄位可以被丟棄。 事實上，由此產生的通道（直到網路層級）的效率約為 40%。 然而，一旦需要實施這些標準，就會發現每個領域、每個標題都有自己的重要使命，忽略這一點會導致許多模糊之處。
如果哈布拉協會對這個主題表現出興趣，我將很高興發表一系列專門討論空間通訊理論和實踐的文章。 感謝您的關注！
來源
聚苯乙烯
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來源： www.habr.com