空间数据系统发展展望

何熊文谭维炽郭坚（ 北京空间飞行器总体设计部， 中国空间技术研究院）

空间数据系统发展展望

何熊文1谭维炽2郭坚1（1 北京空间飞行器总体设计部，2 中国空间技术研究院）

随着深空探测、星座组网飞行、天地一体化网络等新需求的牵引，空间数据系统经过几十年的发展，呈现多方面的发展趋势，主要包括拓扑结构从单星向天地一体化网络发展、处理方法由星载数据处理向综合信息处理转变、解决方案由长周期向快速响应及部署转变等。其中涉及的关键技术也是空间数据系统咨询委员会（CCSDS）目前研究的热点，本文从CCSDS的6个领域分别描述了CCSDS的重点研究方向，同时描述了随着空间数据系统的发展，星载数据系统在功能、拓扑结构、协议、硬件、软件等方面的发展趋势。

1　空间数据系统的发展趋势

随着航天科技的不断进步，航天器平台和有效载荷的复杂度都在不断提高。从对地观测卫星到导航卫星，再到通信与数据中继卫星，从近地轨道卫星到空间站，还有月球、火星探测器等深空飞行器，航天任务的物理环境更复杂，功能要求更高，数据速率范围更宽，信息传输和交换的需求日益迫切，因此对航天任务的数据业务需求也提出了更高的要求，空间数据系统概念应运而生。

空间数据系统可以定义为对航天器获取、产生以及涉及航天器的有关信息进行可靠、安全的处理、传输、分发的各功能部分的集成。它既不仅仅是“空间数据的系统”，即只是专为航天器提供数据服务，因为它还包含地面数据穿越空间网络，也不全是“空间的数据系统”，只限系统处于太空，它还包含地面处理的系统，二者的结合才是空间数据系统的完整内涵。空间数据系统不是传统的遥测系统、遥控系统和测轨定位系统简单的相加，而是要统一航天器有关的信息处理、传输的方法和要求，进而支持航天器之间、航天器与地面之间的互联互通；从体制上，它符合多信源、多用户的开放系统模型，完全不同于传统体制的点对点封闭系统，但又不是简单地把地面互联网搬到天上，而是针对空间特殊应用环境和空间任务特殊要求而开发的一整套崭新的标准体制；在技术上，它是现代计算机技术、网络技术、通信技术和电子技术等最新发展的综合产物，又是航天技术进一步发展的结果。

经过几十年的发展，随着深空探测、星座组网飞行、天地一体化网络等新需求的牵引，以及计算机技术和网络技术的飞速发展，空间数据系统已经呈现出新的发展趋势，从总体看主要体现在以下几个方向。

拓扑结构由单星向天地一体化网络发展

对于单个航天器而言，尤其是低轨航天器，由于地面测控弧段较短，无法对航天器实现全天时的测控通信，航天器的数据无法第一时间下传地面，给航天器的在轨应急处置、数据产品的传递实时性、协同工作等带来了许多问题。将不同轨道、种类、性能的航天器通过星间链路连接在一体，与空中、海洋、地面的设施及应用系统一起形成天地一体化的网络，将能极大提升系统的应用效能，这也对整个空间数据系统带来革命性的影响。通过天地一体化网络，地面可以实现一站式无缝测控，当卫星不可见时，通过天基网络中的卫星进行数据的接力传送。同时，不同种类的卫星可以通过天基网络进行协同工作，例如，分辨率低但幅宽大的高轨卫星或低轨卫星，可以对某个区域进行普查，同时对敏感区域的图像进行目标识别，通过天基网络将识别后的信息传递到其他高分辨率的卫星，由后者进行进一步详查得到情报信息，并将情报信息通过天基网络下传地面，此种方式可大大提升地面获取信息的实时性及有效性。在天基网络中还可建立空间的数据库，网络中的卫星节点可以将自身的数据通过天基网络发往网络中的数据库节点卫星，地面可按需从数据库中获取历史数据。

正因为天地一体化网络所带来的巨大效益，世界各国都在大力发展天地一体化网络。美国较早地认识到天基信息网络对打破传统卫星系统条块分割式体系、构建灵活网络等方面的优势，在军民领域发展了一定形态的天基信息网络，包括行星际互联网（IPN）、转型通信体系（TCA）、“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）、低轨移动卫星星座“铱”卫星系统等。欧洲的通信卫星多为单星运行，利用地面网络实现网络化服务，即所谓天星地网方式，具有星间链路的星际互联网较少，成系统发展的仅有数据中继卫星。近年来，欧洲还提出了全球通信综合卫星通信基础设施（ISICOM）计划。俄罗斯发展卫星的历史较为悠久，通信、遥感、导航等应用卫星数量众多，但其天基信息网络发展相对较为滞后，许多通信系统均为烟囱式的独立系统。目前仅有几颗数据中继卫星具备星间链路能力。近年来，俄罗斯重视天基系统的发展，推进通信卫星的建设，开展了激光通信试验，并计划用48颗低轨通信卫星构成俄罗斯的空间互联网。我国目前在建的导航星座具备星间通信功能，可实现一站式测控，并具备自主导航功能。中继卫星可支持遥感卫星、载人飞船等高速数据的接力传输，但数量较少，且支持的航天器有限。目前，各科研院所、高校都在开展天地一体化网络建设的论证工作。

天地一体化网络的建设在带来益处的同时，也对空间数据系统的发展带来了新的挑战，例如网络拓扑结构设计、高速激光星间链路的建立、天地一体化协议体系的构建、网络信息安全机制的保障、星载高速路由交换设备的研制等。

处理方法由星载数据处理向综合信息处理转变

随着用户对卫星“好用”、“易用”的要求以及星载处理能力的提升，越来越多的地面任务可由航天器完成。以遥感卫星为例，以往卫星大多采用遥感数据直接获取、直接下行的方式，由地面系统对数据进行加工处理，卫星本身对数据的内容并不关心。而下一代卫星则可直接面对用户需求，对获取的数据进行分析处理，提取其中有用的信息，按照用户要求加工成图像产品，并分发到相应的用户。以往地面操作人员需了解卫星的操作细节，进行成像操作时需注入控制各个分系统的指令，注入数据量大且操作繁琐，用户体验非常不好。未来，卫星将提供地面用户简单的操作界面并实现任务操作的标准化，将大部分地面的规划工作在星上自主完成。例如，地面用户输入需成像的位置信息及成像质量要求，卫星将综合当前卫星的轨道、能源、姿态等因素，将用户的任务与自主产生的任务共同规划，并按需进行优化后自主产生指令控制轨道机动、相机成像及数据下传，真正实现由数据处理向综合信息处理的转变，提升航天器的智能化水平，从而大幅度便利地面用户的使用。

云计算技术在地面应用极为广泛，其特点包括超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务等，其设计理念未来必将用于航天器。将云计算技术用于单一航天器时，可以通过标准的星载计算机模块、存储模块与高速总线网络构建星载云计算平台，大型复杂的计算，如图像在轨识别，可以通过多台计算机协同完成，应用程序可以在多台计算机中运行，当一台计算机故障时，应用程序可迁移到其他计算机中运行，从而极大提高系统的容错性和可靠性。用户也可动态注入不同的任务，由系统自动决定在哪个计算机中运行，可提高系统的可扩展性。将云计算技术应用到整个空间网络时，未来用户面向的将不是卫星，而是整个卫星网络组成的云平台，用户可向云平台提供其信息获取需求，云平台将自主检索信息，或者选择卫星进行数据的获取以及信息处理，再提交给用户，用户无需关心信息的来源和传输过程。这时的空间数据系统真正从传统的面向信道传输和目前面向信源特性，转变到提供面向用户需求的系统服务。

解决方案由长周期向快速响应及部署转变

下一代卫星系统功能和性能的显著提升带来了卫星数据系统复杂度的显著增加，同时，快速响应及快速部署的要求给数据系统的实现带来了新的挑战。新的需求必然要求数据系统可在任务下达后通过标准化的硬件模块和通用化的软件构件快速组装形成系统，同时，通过标准化的通信协议将航天器内部各分系统之间、航天器之间、航天器与地面系统之间快速组网。

为了满足系统快速响应及部署的需求，空间数据系统尤其是星载数据系统的开发模式将发生极大变革，需要建立一套完整的规范、协议、体制及标准化的软硬件产品和配套工具链，支持系统的快速开发、集成及测试，从而缩短系统的研制周期，为用户提供快速、低成本的解决方案。

2　CCSDS的研究方向

CCSDS成立于1982年，至今已有30多年的历史了，它是一个空间国际合作组织，致力于建立有助于空间信息交换的数据系统标准。在多年的发展过程中，CCSDS制定了一系列应用于空间数据系统的建议书，目前已在超过700个航天器中得到应用。CCSDS已经被国际标准化组织（ISO）承认是具有空间信息技术标准的国际权威。

CCSDS技术区域及相互关系

CCSDS的研究范畴包含6个技术领域。前面所述空间数据系统发展趋势中涉及的核心技术也正是CCSDS目前研究的热点，从近几年CCSDS大会和公布的各类建议书动态看，各技术领域目前研究的主要方向如下。

1）在系统工程（SEA）领域，CCSDS已完成空间数据系统参考模型和信息安全协议架构的初步建立，下一步的重点是进行CCSDS系统体系架构的设计和信息安全架构设计。在体系架构方面，工作重点是梳理各业务领域之间的接口关系。目前，CCSDS成立了系统体系架构工作组，与其他领域联合开展工作。其研究内容包括任务操作与信息管理业务中星载处理部分与航天器星载接口业务的接口、空间互联网业务与航天器星载接口业务以及空间链路业务的接口等。在信息安全方面，工作重点是信息安全体系架构设计、密钥管理机制和IPsec在空间网络中的应用等。

2）在任务操作和信息管理业务（MOIMS）领域，CCSDS已完成遥测遥控信息交换标准（XTCE）、数据描述语言、标准格式数据单元和任务操作参考模型等的建立。下一步的重点方向包括航天器任务操作技术、机器人遥操作技术等。①航天器任务操作技术，包含监测和控制、功能执行、程序执行、任务规划、时间管理、位置管理、远程软件维护等方面。目前，CCSDS已提出相应的原理，正在进行相应标准的制定，目的是将星地操作进行标准化，提供用户通用的任务操作服务。②机器人遥操作技术，研究机器人遥操作的消息格式、应用程序编程接口和业务等。

3）在交互支持业务（CSS）领域，CCSDS的建议书已相对成熟，主要进行建议书的修订和完善，同时开发与文件传输、任务规划相关的交互支持建议书。

4）在航天器星载接口业务（SOIS）领域，CCSDS已完成各层业务紫皮书（推荐性实践）的制定，尚未完成蓝皮书（正式标准）。下一步的重点是即插即用技术、无线网络技术、时间确定性网络技术、软件体系架构的研究。①即插即用技术，通过设备电子接口数据单的设计，采用底层设备发现、设备自动识别和数据更新的机制，向用户及时通知设备的接入状态并支持用户灵活访问。②无线网络技术，可应用于货物管理，环境监视，生理学监视，航天员位置定位，航天器内话音及图像通信，过程监视及自动控制，组装、集成与测试（AIT）和机器人操作等多种场景。③时间确定性网络技术，研究星载子网如何通过应用时间触发以太网（TTE）、SpaceWire-D等高速的确定性总线，为上层提供确定性的数据传输服务。④在软件体系架构方面，美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和中国空间技术研究院（CAST）目前正在计划分别制定应用航天器星载接口业务的星载软件体系架构建议书。

5）在空间链路业务（SLS）领域，CCSDS制定的分包遥控、分包遥测、高级在轨系统、邻近空间链路协议等已较为成熟，下一步的重点是下一代空间链路协议的制定、激光通信等工作。①下一代空间链路协议结合了CCSDS现有4种空间数据链路协议的特点，为上层应用提供一种统一的空间数据链路协议。②激光通信具有带宽大、数据传输速率高、天线尺寸小、抗干扰、保密性好等优点，非常适合构建未来的空间骨干网，它也是目前CCSDS在空间通信方面研究的热点。

6）在空间互联网业务（SIS）领域，CCSDS制定的异步消息传输协议（AMS）、文件传输协议（CFDP）已较为成熟，下一步的重点是容延迟网络（DTN）协议的相关标准制定及应用。目前CCSDS已完成DTN体系架构原理、束协议（BP）、利克里德传输协议（LTP）的制定，正在进行DTN路由算法、束安全协议、网络管理等方面的研究。

从上述CCSDS的研究方向可以洞察到，各空间国家和组织共同重点关注与加强国际合作、开展深空探测、构建空间互联网以及预测新技术在空间应用密切相关的标准技术。

3　星载数据系统的发展趋势

星载数据系统可以看作是空间数据系统的星载组成部分，美国称之为“命令与数据处理系统”（C&DH），欧洲人称之为“星载数据处理系统”（OBDH），中国常称之为“数据管理分系统”或“星务管理分系统”。星载数据系统一般包含遥测、遥控、整星健康管理、热控管理、能源管理、时间管理、网络管理、在轨维护等功能。随着空间数据系统的发展，星载数据系统也在功能、拓扑结构、协议、硬件、软件等方面不断发展。

1）在功能层面，星载数据系统将向智能化、网络化方向发展。智能任务规划、自主健康管理、图像目标识别、星间网络管理等功能将由星载数据系统实现。

2）在拓扑层面，星载数据系统目前正向分布式综合的方向发展。通过集成化设计，传统需要由数十台单机完成的功能已逐渐可由数台集成化程度很高的单机完成。同时，由于对星载高性能计算能力以及容错能力的需求，不同的任务可通过分布式计算的方式通过多个节点完成，其信息通过星载网络完成交换，且在故障情况下可实现任务在不同节点间的迁移。

3）在协议层面，空间网络的协议与地面网络的协议将呈现进一步融合趋势，地面网络的IPv4、IPv6等协议将可与CCSDS定义的空间网络协议实现互联互通。同时，CCSDS最新研究的DTN等协议也将逐步在星载数据系统中得到应用。

4）在硬件层面，由于星载智能化处理对计算能力、通信能力、存储能力需求的进一步提升，星载计算机的处理能力将变得更高，多核并行处理、片上系统（SoC）将逐步得到广泛应用。星载存储器的容量将进一步得到扩充，总线网络将向更高速率迈进，时间触发以太网（TTEthernet）、空间光纤（SpaceFibre）等速率可达上吉比特每秒的总线将得到广泛应用，星内多种点对点接口、总线接口将趋于由一种统一的总线所替代，从而降低星载接口的复杂度以及测试难度，提高系统的可靠性以及开发和测试的效率。

5）在软件层面，星载数据系统软件的构件化水平将逐步得到提升，未来，将由传统手工编码的开发模式逐步过渡到基于构件组装自动化生成代码的开发模式，软件的开发效率以及质量将得到进一步提升。星载嵌入式操作系统的能力将得到显著提升，支持任务的分时分区管理，支持不同安全等级以及不同单位开发的应用程序在同一处理器运行并可进行故障的有效隔离。操作系统将支持天地一体化的网络协议和文件系统等新的功能，对应用软件的开发提供更多通用的服务支持，使得用户的开发更为快捷便利。

4　结束语

地面计算机技术、网络技术等技术的飞速发展给空间数据系统的发展带来了新的活力，未来，地面用户将能更方便快捷地从空间数据系统获取信息。针对天地一体化等需求，CCSDS在激光通信、DTN网络、星载标准接口、任务操作等方面开展了大量的研究工作，这些工作必将给空间数据系统的未来发展带来革命性的变化，并且带动星载数据系统功能和性能的进一步提升，地面网络与空间网络的互联互通已不再遥远，用户将能从中获得更好的体验。

Development of Space Data System