CCSDS交互支持业务标准化工作综述

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

空间数据系统咨询委员会（CCSDS）是一个由11 个国家成员、26 个观察员和100 多个联络员组成的国际合作组织，致力于建立一个全球范围的、开放的、与CCSDS 标准兼容的虚拟空间数据系统，用于国际交互支持、合作和空间信息交换服务。2003年，该组织在总结过去20年经验的基础上，结合自身发展的需要，将组织机构进行重新调整，采用了国际互联网（Internet）工程任务组（ITEF）的工作模式，由原来4 个工作组（下设若干工作小组）的模式，变更成现在的三大专业领域（domain）、6 个业务方面（Area）来开展工作。三大专业领域、6 个业务方面包括：①空间通信领域（航天器在轨业务接口业务（SOIS）、空间链路业务（SLS）和空间网络业务（SIS））；②空间信息领域（任务操作与信息管理（MOIMS）、交互支持业务（CSS））；③空间系统领域（系统工程（SEA））。在每个领域中，由工作组（WG）或专业组（BOF）来编制技术说明报告（绿皮书）、推荐性标准（蓝皮书）、推荐性操作规程（紫皮书）以及试验规范（橙皮书）。

在目前开展工作的6 个业务方面中，交互支持业务（CSS）是非常活跃的一个业务，其标准化工作早在上世纪90年代初就列入工作计划，成立相应工作组后，开展了一系列标准化工作，并于1995年前后推出了一系列概念性技术报告，系统定义了交互支持和空间链路扩展（SLE）的概念，并给出了交互支持参考模型。2004年前后，根据最新技术现状发展情况，对理论性报告和规范进行了全面更新，并于2005年～2008年推出一系列SLE 任务规范和应用程序接口规范。目前，该工作组制定的蓝皮书和紫皮书已全部被采纳为国际标准，这些协议也已经全面应用到NASA 和ESA 的深空设施中，我国嫦娥工程中也应用了SLE 提供的两种业务。

1 交互支持业务（CSS）工作概述

交互支持业务（CSS）通过实现不同空间机构间空间网络资源的可用，从而达到“交互支持”的目的。其目标是定义各种交互—支持接口节点所需的服务，并规定空间机构（指那些有兴趣联合各自的基础设施共同执行空间任务的空间机构）如何规划和使用这些服务。

CSS 成立至今，共先后规划了5 个工作组开展工作，具体内容见表1。其中，有2 个工作组由于完成前期的技术研究工作，并形成要求的技术报告或蓝皮书发布后已经解散。现主要开展工作的工作组为：业务管理工作组（CSS-SM）、交互支持通信架构工作组（CSS-CSA）和传输业务工作组（CSS-CSTS），当前主要工作是完成未完成建议书草案的制定工作和已有建议书的修订工作。

表1 CSS 工作组工作内容

CSS 业务领域现发布的技术文件情况见表2，公开发布的技术文件共23 项，正在编制的文件有3 项，其中绿皮书9 项，蓝皮书8 项，紫皮书6 项，橘皮书1 项，红皮书2 项。8 项蓝皮书包括空间交互支持参考模型、业务管理规范、传输业务网络协议和5 项空间链路扩展数据传输业务（分别是返向全帧、返向信道帧、返向操作控制域、前向控制链路传输单元和前向分包业务）；6项紫皮书都是传输业务应用程序接口规范，分别是核心规范和上述5 项传输业务的应用程序接口规范，这6 项文件都是2008年发布的，目前都在复审程序中，预计2015年推出修订版。

2 CSS 已开展的工作

CSS 业务领域先后成立了5 个工作组（见表1），本章将介绍其中3 个工作组开展工作的情况，剩余的2 个传输业务工作组主要的研究成果是制定了一系列SLE 业务规范和应用程序接口规范，将在本文第三章展开介绍。

2.1 交互支持通信架构工作组

交互支持通信架构工作组（Cross Support Space Communications Architecture Working Group，CSS-CSA）成立时的目标有两个：①定义一个标准的空间通信架构参考模型，包括概念和基本技术原理；②制定一项空间通信交互支持架构的推荐性建议规程，该规程定义的前向和返向业务包括遥测、遥控、测量、音频、视频以及时间关联和同步等数据类型。

该工作组现已发布了1 项绿皮书，为空间通信交互支持架构描述文档（CCSDS 901.0-G-1）；正在制定1 项紫皮书，目前为草案状态，为空间通信交互支持架构需求文档（CCSDS 901.x1-r-1）。需求文档对空间通信交互支持架构给出标准化的规范和定义，描述文档是需求文档的支撑性材料，有助于更好的理解需求文档，并给出一些描述信息、解释性材料和一些图解。

表2 CSS 领域开展的标准技术文件

表2（续）

空间通信交互支持架构是CCSDS 相关机构在提供、使用空间通信支持业务或发展空间通信交互支持业务系统时会用到的统一框架，空间通信交互支持业务包括地面上和空间上的。这些业务包括两种类型：①单跳的、数据链路层业务，即空间机构A 的控制中心和飞行器通过空间机构B 的地面站实现信息的交互支持，也称为“ABA”模式；②多跳的、网络层业务，即利用不同空间机构以及各自的测控网搭建的（网际互联）实现彼此信息的交互支持，也称为“SSI”模式，如图1所示。ABA 模式是单跳的，SSI 模式是网状的。

图 1 ABA 模式和SSI 模式示意图

图1中，NASA——美国国家航空航天局；JPL——喷气推进试验室；JAXA——日本宇宙航空研究开发机构；SSOC——科学操作中心；Earth——地球；GDS——哥德斯顿深空通信站；MAD——马德里深空通信站；Spacecraft——航天器；ESA——欧洲航天局；ESOC——欧洲航天飞行中心；Cebreros——塞夫雷罗斯地面站；Relay——中继卫星；Moon——月球；Lander——着陆器。

2.2 业务管理工作组

交互支持领域定义了一系列的空间链路扩展（SLE）业务，通过SLE 延伸了空间链路、地面终端和控制中心之间的前向和返向数据的传输，并可提供一系列的传输服务，这些服务能够使控制中心将前向空间链路数据单元传输到航天器，并能收到从航天器返回的空间链路数据单元。为了便于不同的系统共同管理空间通信交互支持业务，并实现系统间的互通、互联、互操作，需要制定相应的业务管理标准。

业务管理工作组（Service Management Working Group，CSS-SM）成立于2007年，目标是建立一个概念上的业务管理框架，使空间任务和空间通信交互支持业务之间建立连接，并通过信息搜集和交换完成交互业务的调度、配置、准备、接入和报告。该工作组共发布了3 项文件，分别是蓝皮书910.11-B-1 和绿皮书910.14-G-1、902.0-G-1，正在制定一项文件902.1-R-1 目前处于草案阶段。

2.3 交互支持概念和参考模型工作组

交互支持概念和参考模型工作组（Cross Support Concept and Reference Model Working Group，CSCRM）成立于2004年，目标是修订1995年发布的1 项蓝皮书910.4-B-1 和1 项绿皮书910.3-G-1，使其符合最新的技术发展现状和交互支持业务管理概念。2006年该工作组完成了3 个文件，分别是修订版本蓝皮书910.4-B-2 和绿皮书910.3-G-3，以及新制定的绿皮书910.0-G-2，圆满完成了工作组成立时的目标，目前该工作组已经解散。

该工作组制定的3 个文件是空间链路扩展业务的理论基础，给出了SLE 的概念，定义了SLE系统的架构模型，描述了SLE 传输业务和SLE业务管理接口，解释了SLE 业务的设计方案以及如何利用相应的协议实现效益最大化。通过这3 个文件可以系统地理解和认识空间链路扩展的概念和原理。

3 空间链路扩展业务概况

CCSDS SLE 协议的产生源于地面站与任务中心以及不同任务中心对信息交互共享的需求。1991年，CCSDS 开始研究在地面站、任务中心、数据处理设施以及其它与航天器通信部门之间传送航天器遥测、遥控数据的标准化工作。由各国代表组成的CCSDS 交互支持小组定义并发布了一个交互支持参考模型（910.4-B-1《交互支持参考模型 第1 部分：空间链路扩展业务》），该模型定义了称为空间链路扩展的一套业务以满足航天机构之间的信息交互支持。

CCSDS 交互支持业务领域制定的推荐性标准共有蓝皮书8 项，紫皮书6 项，除了一项参考模型蓝皮书和一项业务管理蓝皮书之外，剩余的12 项标准都是空间链路扩展领域的标准。目前，这14 项标准都已经发展为国际标准，本章将介绍空间链路扩展的概念、SLE 提供的业务情况以及该领域文档编制的总体情况。

3.1 空间链路扩展概念

为了提高国际航天机构之间在地面段的交互支持和协同工作的能力，在各地面系统之间建立标准的空间数据传输和管理接口，CCSDS 将把为空间链路定义的标准扩展到地面单元之间，建立了一套用于地面站、任务中心以及能够进行数据处理的系统，还有其他各种用户之间交互支持时的服务标准（即空间链路扩展（SLE）协议）。

SLE 服务是对遥测、遥控、前向高级在轨系统服务的扩展，这种扩展主要表现在距离、信息和时间上的扩展。SLE 通过建立一套标准的接口来实现空间数据在各种地面设施之间的传输和管理，取代针对某种类型设备或任务的专用设计，以增强地面系统的可重用性、降低任务的开销和风险，从而大幅度降低数据交换业务在开发、管理以及操作方面的成本。图2和图3可以帮助我们更好的理解SLE 的概念。

图2和图3中：Forward TC——前向遥测信号；Return TM——返向遥控信号；Space Link Extension Services——空间链路扩展业务；Data Processing——数据处理；User——用户；Operations Control Center——操作控制中心；Domain of Space Link Services——空间链路业务的范围；Domain of Space Link Extension Services——空间链路扩展业务的范围。

图2 地面站通过空间链路扩展业务将数据传送给用户

图3 空间链路和空间链路扩展业务的范围

从图2中看出，SLE 业务是空间链路业务在地面段的扩展，它将返向遥控和前向遥测信息通过地面数据处理系统传送到用户。从图3中可以看出，空间链路是航天器和地面系统之间的链路。CCSDS 在六大领域之一的空间链路业务（SLS）领域制定了一系列标准协议，主要包括分包遥测空间数据链路协议、遥控空间数据链路协议、邻近-1 空间数据链路协议和高级在轨系统空间数据链路协议。空间链路扩展则是地面各种设施之间的链路，包括地面站、任务中心、数据处理系统以及各种用户。

SLE 业务的优势：①空间机构可以有效地和其他机构实现交互支持；②地面站方面可以向采用了CCSDS 空间链路协议的航天器管理者提供标准业务；③航天器数据用户可以通过相近的接口控制负载并获得数据，利用广泛应用的通信技术，例如ISDN 或因特网；④通过对地面站、控制中心和终端用户接口的标准化，允许重复应用成功任务的系统，可以大大降低各个任务分别执行系统的成本和风险；⑤SLE 业务是可升级的，只有用户和数据提供者实际需要的业务才会被执行。

3.2 空间链路扩展业务内容

SLE 业务扩展了返向遥测、前向遥控以及前向高级在轨等空间链路业务。这些业务由CCSDS定义并被应用于对众多地面站和航天器的操作。SLE 业务主要包括：①数据传输业务，负责传输地面站、控制中心和终端用户实体之间的空间链路数据单元；②管理业务，负责控制传输业务时间表和计划。SLE 业务操作又可分为两个阶段：第一阶段为定义阶段，大多数的管理业务在该阶段发生；第二阶段为应用阶段，在这个阶段完成数据传输的操作。本节我们只介绍SLE 数据传输业务。

3.2.1 返向SLE 业务

和连续遥测关联的返向SLE 业务包括如下5种，返向业务如图4所示。

a）返向全帧（RAF），通过单一的空间链路符号串向航天器管理者及其他需要全部帧数据的用户提供遥测帧。

b）返向信道帧（RCF），根据RCF 业务用户的定义提供控制信道（MC）或特定的虚拟信道（VC）。

c）返向操作控制域（ROCF），根据ROCF业务用户的定义提供控制信道（MC）或虚拟信道操作控制域。

d）返向第二帧头部（RFSH），根据RFSH业务用户的定义提供控制信道（MC）或虚拟信道帧第二头部。

e）返向空间分包（RSP），使单个用户可以通过航天器虚拟信道上可选的应用进程标示符（APIDs）接收数据包。

图4 返向SLE 业务示意图

目前，SLE 数据传输业务工作组制定出标准的SLE 返向业务包括上述前三种（RAF、RCF 和ROCF），其中又属RAF 和RCF 两种业务应用最多。在嫦娥一号卫星任务中，北京中心通过SLE方式与ESA 的库鲁站、新诺舍站和玛斯帕拉玛斯站进行了联调，其中卫星遥测数据使用的是RAF 业务，圆满完成了绕月探测任务。除业务规范外，CSS 传输业务工作组还制定了相应的应用程序接口（API）规范，并以紫皮书的形式发布。在嫦娥一号任务中，SLE 联调任务的实现使用的是欧空局提供的SLE API 程序包，没有进行自主研发。

3.2.2 前向SLE 业务

与连续遥控关联的返向SLE 业务包括如下4种，前向业务如图5所示。

a）前向通信链路传输单元（FCLTU），使用户可以提供对航天器向上传输的通信链路传输单元数据。

b）前向空间分包（FSP），使单个用户可以提供对航天器向上传输的数据包，不需要同航天器的其他用户协调。

c）前向遥控虚拟信道接入（FTCVCA），向用户提供向上传输的完整虚拟信道。

d）前向遥控帧（FTCF），使用户可以提供传输到通信链路传输单元（CLTUs）的遥控帧，并准备向上传输。

图5 前向业务示意图

目前，SLE 数据传输业务工作组制定出标准的SLE 返向业务包括上述前两种（FCLTU 和FSP），其中又属FCLTU 业务应用最多。在嫦娥一号卫星任务中，北京中心通过SLE 方式进行联调时，卫星遥控数据使用的是FCLTU 业务，圆满完成了绕月探测任务。除业务规范外，CSS传输业务工作组同样制定了相应的应用程序接口（API）规范，并以紫皮书的形式发布。

3.3 空间链路扩展文档

SLE 领域的标准文档较多，具体的标准情况见表2，SLE 协议簇如图6所示。其中，910.3-G-3 介绍了交互支持和SLE 业务的基本概念；910.4-B-2 有助于理解SLE 协议簇构成的模型和其中的基本原理；SLE 执行手册（910.0-G-2）较为简单，并对SLE 业务有一个综述性的介绍；SLE 业务管理协议包括蓝皮书910.11-B-1 以及902.0-G-1 和910.14-G-1 等几个报告；SLE 数据传输业务是一系列蓝皮书和紫皮书，具体定义了SLE 提供的各种业务和应用程序接口。

随着我国航天事业与国际接轨，航天测控通信领域逐渐采用CCSDS 标准已经成为必然，SLE服务作为地面段的交互支持业务将获得更广泛的应用，有利于将我国航天测控网最终推向国际航天测控市场。本文跟踪并系统研究了CSS 已发布的各类文档，介绍了其标准化工作进程，以及标准化成果，并重点对SLE 业务系列标准进行深入分析和研究，希望能对我国未来深空探测和其他空间机构合作有现实的意义。

图 6 SLE 协议簇

[1]Cross Support Reference Model—Part 1：Space Link Extension Services.Recommendation for Space Data System Standards，CCSDS 910.4-B-2.Blue Book.Issue 2.Washington,D.C.：CCSDS，October 2005

[2]Cross Support Concept—Part 1: Space Link Extension Services.Report Concerning Space Data System Standards，CCSDS 910.3-G-3.Green Book.Issue 3.Washington，D.C.:CCSDS，March 2006.

[3]Space Communication Cross Support—Service Management—Service Specification.Recommendation for Space Data System Standards,CCSDS 910.11 -B -1.Blue Book.Issue 1.Washington，D.C.：CCSDS，August 2009.

[4]Space Link Extension Services—Executive Summary.Report Concerning Space Data System Standards，CCSDS 910.0-G-0.Green Book.Issue 0.Washington，D.C.：CCSDS,March 2006.

[5]Space Communications Cross Support—Architecture Description Document.Issue 1.Report Concerning Space Data System Standards（Green Book），CCSDS 901.0-G-1.Washington，D.C.: CCSDS，November 2013.

[6]Space Communications Cross Support—Architecture Requirements Document.Issue 1.Draft Recommendation Practice for Space Data System Standards（Red Book），CCSDS 901.1-R -1.Washington，D.C.: CCSDS，October 2014.

[7]Space Link Extension—Application Program Interface for Transfer Services—Core Specification.Specification Concerning Space Data System Standards，CCSDS 914.0-M-1.Magenta Book.Issue 1.Washington,D.C.: CCSDS，October 2008.

[8]CCSDS SLE 在我国深空测控网中的应用．CCSDS 建议在我国航天领域的研究与应用第二届专题研讨会，2012.