1、CCSDS標準概述CCSDS（空間數據系統咨詢委員會）是一個國際性空間組織，成立于1982年，主要任務是負責開發適合航天測控和數據傳輸系統的各種通信協議和數據處理規范，以適應航天器復雜化，滿足空間資源有效利用，加強國合作需要。一、CCSDS標準層次模型CCSDS空間通信協議體系結構自下而上包括物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層和應用層，其中每一層又包括若干個可供組合的協議。空間通信協議的參考模型如圖1所示。1無揭數駅用節罔像戢據堆晞應用特逗劇CCSD5X件CFDPSCPS-FPTTPSCPS-rPTTCPUDPSCPS-S?IFSa應用層IP*4IPv6SCPS-NPTM宇問數據錯路協液Pro

2、jc-I（數耗靈聲層數據粗路協諫子戻TM同步和倍道編碼Ptux-1（編碼和冋涉屋）列步和借道疙碼子層射頻和調制集統PrcM働埋肉軻理層圖1CCSDS空間通信協議參考模型空間通信環境網絡具有傳輸時延大、信噪比低、突發噪聲強、多普勒頻移大、空間鏈路時斷時續等特點，此時應用于地面通信網絡的，面向連接的TCP/IP互聯網協議是無法高效工作的。因此，CCSDS以TCP/IP協議為基礎，進行適當的修改和擴充，制定了空間通信協議規范SCPS，該協議在空間通信網絡和地面通信環境之間架設起通信的橋梁。SCPS的主要作用是為遙感衛星和數據中繼衛星之間提供高效文件傳輸。1）物理層物理層標準包括兩部分：無線射頻和調制

3、系統和Proximity-1。無線射頻和調制系統對星地之間使用的頻段、調制方式等作出定義。Proximity-1是個跨層協議，規定了鄰近空間鏈路物理層特性，包含物理層和數據鏈路層。物理層主要為同步和信道編碼子層提供輸入輸出比特時鐘和一些狀態信息，而數據鏈路層又包含五個子層：同步和信道編碼子層、幀子層、媒體接入控制子層、數據服務子層和I/O子層。2）數據鏈路層數據鏈路層包括遙測（TM）、遙控（TC）和AOS空間數據鏈路協議，它們提供在空間鏈路傳輸各種類型數據的能力，統稱為SDLP（spacedatalinkprotocol，空間數據鏈路協議）。遙測空間數據鏈路協議通常為從航天器發送遙測信息到地面

4、，遙控空間數據鏈路協議則通常從地面發送指令到航天器。空間數據鏈路協議的基本數據單元為傳輸幀。遙控空間數據鏈路協議使用可變長度的傳輸幀來保證長度較短的信息（通常為命令信息）短時延的接收。為保證命令信息能夠無間隔、無重復、按發送順序到達接收端，遙控空間數據鏈路協議引入了重傳控制機制，該機制由通信操作程序（C0P-1）提供。遙測空間數據鏈路協議和AOS空間數據鏈路協議使用固定長度的傳輸幀，以便在空間鏈路實現較可靠的幀同步，這兩個協議均無法保證數據傳輸的完整性，因此在應用這兩個協議時，如果需要保證完整、可靠的數據傳輸，需要由高層協議來進行重傳控制。遙測同步和信道編碼建議與遙控同步和信道編碼建議提供了傳

5、輸數據幀時的幀同步功能和信道編碼功能。通常，遙測同步和信道編碼協議與AOS空間數據鏈路協議、遙測空間數據鏈路協議結合使用，而遙控同步和信道編碼協議與遙控空間數據鏈路協議結合使用。為了在物理層實現準確的位同步技術，這兩個協議還提供了對傳輸幀進行偽隨機化的功能。3）網絡層CCSDS規定了兩個網絡層協議：空間分包協議SPP、SCPS-NP，實現了空間網絡的路由功能。這兩個協議都不提供重傳功能，重傳由高層協議保證。為了同現有的地面網相兼容，網絡層使用封裝技術后，因特網的IPv4和IPv6分組也可以通過空間數據鏈路協議傳輸，與SPP、SCPS-NP可復用或獨用空間數據鏈路。SCPS網絡協議（SCPS-N

6、P），該協議在空間通信網絡上，支持報文的靜態路由、動態路由和洪泛路由，并可應用于多種信道環境。SCPS-NP包可隨服務業務不同而改變頭部結構，以達到最優比特效率。SCPS-NP主要的不足在于不支持與IPv4或者IPv6的互操作。若要將網絡層基于SCPS-NP的網絡與基于IPv4或者IPv6的網絡互聯，需要將SCPS-NP頭轉換為IPv4或者IPv6。然而這種轉換必然會損失SCPS-NP的部分功能。4)傳輸層CCSDS開發了傳輸層SCPS-TP協議，向空間通信用戶提供端到端傳輸服務。CCSDS還開發了用于文件傳輸的協議CFDP，CFDP既提供了傳輸層的功能，又提供了應用層文件管理功能。作為一個傳

7、輸層協議，SCPS-TP也提供可靠的、面向字節的數據流傳輸服務。但與Internet的TCP相比，SCPS-TP進行了如下幾個方面的改進：使用TCP分離(TCP-splitting)技術，這使得SCPS-TP的可靠性是通過在端到端路徑中各段的可靠性來獲得的；SCPS-TP使用選擇性的負確認即selective-NAK，而不是TCP中使用的ACK。這樣在SCPS-TP中就不用為每個發送的數據包都發送一確認，而是發送方定期地要求接收方對它已經成功接收到的數據包進行確認，這樣就減少了確認發送的數量，從而減輕了通信鏈路負載。此外，SCPS-TP中沒有重傳定時器，也不在傳輸數據之前通過三次握手建立連接。

8、CFDP是CCSDS的協議棧中最重要的協議之一，支持端到端的文件傳輸，這些端可以是衛星、地面站或中繼星。用戶只需確定傳輸時間和文件的目的地，CFDP負責隨著端到端連接的變化進行動態路由。從內核結構來看，CFDP包括兩個協議：核心文件傳輸協議和擴展文件傳輸協議。核心文件傳輸協議保證點到點的文件傳輸，擴展文件傳輸協議提供端到端的文件傳輸。此外，CFDP自身還具有可靠傳輸機制，并不需要通過下層協議來獲得可靠性。CFDP的重轉機制具有以下特點：沒有連接協議；不等收到一個傳輸數據單元的確認后再傳其他的數據單元；重轉緩沖區一般使用非易失性的存儲器。目前的CFDP包括三種機制：文件處理機制；點到點的可靠傳輸

9、機制；利用下層空間鏈路進行數據傳輸服務機制。SCPS安全協議SCPS-SP和因特網安全協議IPSee可以與傳輸協議結合使用，提供端到端數據保護能力oSCSP-SP是SCPS協議簇中唯一涉及安全保障的協議,提供數據完整性檢查、機密性機制、身份認證和接入控制服務，以防止數據受到攻擊。5)應用層CCSDS開發了三個應用層協議：圖像數據壓縮、無損數據壓縮、SCPS文件協議SCPS-FP。制定無損數據壓縮和無損圖像壓縮的目的都是為了能盡量多的傳回有用的數據同時盡量少的占用星上的存儲資源和鏈路帶寬。SCPS文件處理協議(SCPSFileProtocol，SCPS-FP)，該協議在空間通信網絡中的作用對應于

10、TCP/IP中的互聯網FTP,針對航天器控制命令、軟件加載和遙控數據集的下載應用，進行優化。二、CCSDS主網概念模型CCSDS建議書規定了空間信息網的概念模型，即CCSDS主網(CPN),是三種類型數據通信網的級連，分別稱為CCSDS星載網(CON),CCSDS空間鏈路子網(CSLS)和CCSDS地面網(CGN)。它主要是完成空-地或空-空的數字信息傳輸。CPN通常為一個軌道段中的星載網通過空間鏈路子網與地面網或另一個軌道區段中的星載網連接，見圖2。("空一地配置(h)空一空配置圖2CPN模型為處理不同性質的用戶數據，CPN提供了8種業務，其中網間業務(因特網業務)與路徑業務為通過

11、整個CPN的端-端數據傳輸業務。還有6種是CSLS數據傳輸業務，分別為：包裝業務、復用業務、位流業務、虛擬信道訪問業務(VCA業務)、虛擬信道數據單元業務(VCDU業務)和插入業務。空問鏈路子網數據流如圖3所示。迪迫1腫一|NO/NO.JN亍理擬侶逍疫用到一睪樹再佶誼L¥<IHJJk-ft占柏佶田t門駕處糾圖3CPN業務模型路徑業務主要用于航天器有效載荷高速數據、高速遙測數據、雙向會議電視及標準圖像傳輸，特別適用于源/宿地址相對穩定的非交互式、大容量空-地數據突發式單向傳輸。網間業務將空間鏈路與地面商業網(如Internet)連接起來，支持動態變化的信源和信宿之間斷續地傳輸數據

12、，如航天器遠程操作的用戶業務。該業務適用于命令和控制信息、電子郵件、遠程終端訪問等實時交互操作。CSLS是CPN的核心部分，下面簡單介紹一下空間鏈路子網(CSLS)及其提供的業務。空間鏈路子網(CSLS)包括虛擬信道鏈路控制(VCLC)子層和虛擬信道訪問(VCA)予層。VCLC子層提供以下3種業務。(1) 包裝業務：將輸入的非CCSDS結構定界的、按字節排列的包裝業務數據單元(E-SDU)包裝成包裝規約數據單元(E-PDU)格式，以便進一步在虛擬信道內復用。在接收端，將E-SDU從E-PDU中取出，并根據其虛擬信道標識符交給其相應的數據宿。包裝過程實際上是一個協議轉換過程。(2) 復用業務:把

13、同一虛擬信道上的E-PDU和多路復用業務數據單元(M-SDU)合路到一個多路復用規約數據單元(M-PDU)中，并設置M-PDU的導頭域，由導頭指針指示出第一個完整的CCSDS包的位置，這樣在接收端可方便地提取M-PDU包區的各個CCSDS包，實現包的分路。(3) 位流業務：將非定界的位流數據切成短塊。依次放入位流業務協議數據單元(B-PDU)的數據域內，再通過空間鏈路子網傳輸，數據流的內部結構和邊界對數傳系統是未知或保密的。VCA子層提供以下3種業務。(1) 虛擬信道存取業務(VCA業務)：將虛擬信道存取數據單元(VCA-SDU)裝入虛擬信道規約數據單元(VC-PDU)的數據域內，產生VC-P

14、DU的主導頭域，由物理信道傳送。(2) 虛擬信道數據單元業務(VCDU業務)：將從航天器產生的，嚴格符合格式要求的VCDU/CVCDU與主航天器自身產生的VCDU/CVCDU逐幀交織在一起通過主航天器建立的信道傳送，在接收端根據各自的VCDU-ID分開。(3) 插入業務：將插入業務數據單元(IN-SDU)放入特定物理信道上每個VC-PDU中保留的插入區內，從而為用戶提供一種固定、同步的可用時隙。CSLS的一個重要特征是虛擬信道(VC)的概念。虛擬信道是建立在一個物理信道上的多個并行的“虛擬”通路，它使多個用戶的上層數據流共享同一個物理信道，而每一個虛擬信道有自己的業務需求與業務等級。將來自不同

15、業務類型的用戶數據在送上信道之前采用固定長度的VC-PDU（虛擬信道規約數據單元，稱為VCDU或CVCDU，用VCDU-ID標識），并用同步導頭進行定界。VC-PDU的格式如圖4所示，各字段定義如下：4主導頭>VCDWU字尾_丄選）T版木號2VCDUfeiK(VCDU-ID)魏馳刪暢杠器24信號域顧導頭羞錯控制域（可遙>16插入域可變VCPLJ&據單元區可變操惟控制域f可罐）32VCDU錯控制域16CVCMJ可變航天器標識符SCIDg虛擬信道標識i符VCID6備用72字前于字節2字節11圖4VC-PDU的數據格式版本號：在AOS中應置為“01”表示此數據結構是CCSDS虛擬

16、信道規約數據單元。VCDU-ID:用于標識該VC-PDU所相關的航天器和所使用的虛擬信道。航天器標識符SCID占用8位；虛擬信道標識符VCID，占用6位，當VCID為全1時，表示該VC傳輸的是填充數據。虛擬信道數據單元計數器：為每個虛擬信道上產生的VC-PDU按順序編碼。信號域：包括1位回放標志和7位備用位，其中回放標志為1表示是回放VCDU，回放標志為0表示是實時VCDU。導頭差錯控制域：使用RS（10,6）碼為版本號、VCDU標識域和信號域提供差錯保護。VCDU插入域：用于實現插入業務，其長度必須為8位比特組的整數倍。在特定物理信道上是否存在插入域及插入域長度由網管控制。VCDU數據單元區

17、：承載與位流業務、復用業務、VCA業務相關的高層用戶數據。VCDU字尾：包括操作控制域和VCDU差錯控制域。操作控制域可以使CCSDSCOS與AOS實現混合配置，其內容為在CCSDS分包遙測、遙控中定義的“指令鏈路控制字”，VCDU差錯控制域通過使用CRC檢測VC-PDU中除導頭外其它部分的錯誤。CVCDUR-S校驗符：使用R-S(255,223)碼為整個VC-PDU提供差錯控制。三、CCSDS建議中協議實例選取無損數據壓縮協議、空間包協議(SPP)、AOS空間數據鏈路協議、遙測同步與信道編碼協議協議組合方式，提出了一種適用于衛星與衛星之間、衛星與地面站之間的點到點通信系統模型，如圖5所示。以

18、包服務為例，衛星上信源產生的數據經信源編碼后，被封裝成空間包。在包頭中，含有應用進程標識符(ApplicationPro-cessIndentifier,APID)，每個儀器對應一個APID，在接收端可以用APID來對數據源進行識別。同時，在空間通信網絡中,一個衛星還可以轉發其他衛星上的數據,這些被轉發數據可被封裝成SCPS-NP包。SCPS-NP包和空間包均被送入包處理過程。在包處理過程中，多個空間包和SCPS-NP包被級聯，生成復用協議數據單元MPDU。生成的MPDU被送入幀生成模塊中，生成虛擬信道傳輸幀，每個虛擬信道對應一個虛擬信道標識符(VirtualChannelIdentifier，VCID)。多個虛擬信道傳輸幀時分復用物理信道，決定當前需要進行傳輸的幀，該幀經過糾錯編碼、隨機化、加入幀同步頭后，再進行物理層的基帶、RF處理，最后送入物理信道進行傳輸。在接收端，首先將接收到的信號進行射頻、基帶處理，得到二進制串行碼流，然后對二進制碼流進行幀同步處理、解偽隨機化、信道解碼，提取出可用的傳輸幀。之后，虛擬信道分用過程根據傳輸幀中的VCID將不同虛擬信道的幀分開處理，提取出其中的MPDU，再將MPDU送入包提取功能模塊，根據包版本號的不同，區分出是SCPS-NP包或是空間包。對于SCPS-NP包，