航天器多种遥控体制组合设计方案研究

唐亮 王敏琪 杜英霞 宋洋 卢逸斌

(1 上海宇航系统工程研究所，上海 201109)(2 上海航天电子技术研究所，上海 201109)

航天器多种遥控体制组合设计方案研究

唐亮1王敏琪2杜英霞1宋洋1卢逸斌1

(1 上海宇航系统工程研究所，上海 201109)(2 上海航天电子技术研究所，上海 201109)

随着独立航天器向可重构、多功能方向的快速发展，以及组合式、组网式多航天器信息交互需求的增加，单一传统遥控体制已无法满足要求。为此，文章采用多种遥控体制组合的思想，设计了3种适应上述发展需求的遥控组合方案，即分包遥控-脉冲编码调制(PCM)遥控组合、PCM遥控-高级在轨系统(AOS)组合和分包遥控-PCM遥控-AOS混合组合，并从传输数据量、传输数据类型、占用信道情况、与现有遥控接收设备兼容性等方面分析了其各自特点及应用场合。文章提出的3种方案可有效解决遥控功能需求问题，并已在我国某大型组合式航天器中成功应用，可为后续航天器遥控体制设计提供参考。

航天器；多种遥控体制；组合设计；遥控信息系统

1 引言

从航天任务发展看，独立航天器逐步向可重构、多功能方向发展，不同任务的有效载荷在轨可按需接入航天器平台、可定期更换；此外，航天器间相互配合以完成大型任务的需求迫切，使多个航天器多次对接组合、分离独立，以及器间星际组网通信的工作模式逐步增多。然而，传统航天器通常采用单任务单体制的遥控设计方案，已不能满足上述两方面的发展需求。国外在“国际空间站”遥控设计中提出遥控组合设计的初步想法，并进行了在轨验证，但其仍局限于该任务内使用，不具备更大的灵活性。近几年，国内在深空探测、载人航天等重大专项的深入开展，对遥控功能需求不断提升和扩展，因此须要设计出一套灵活通用的遥控信息系统。

本文以航天器遥控信息系统新的需求为基础，通过对脉冲编码调制(PCM)遥控、分包遥控及高级在轨系统(AOS)特性的比较，分析了遥控体制更替的必然性及当前背景下更替带来的问题，采用多种遥控体制组合设计的思想，提出了3种适应发展需求的设计方案，并对其各自特点进行了比较，同时介绍了它们的应用实例。

2 多遥控体制组合设计需求

随着我国航天器数量的增加、航天任务复杂性的提高，航天器间信息交互需求的凸显，特别是深空探测、载人航天工作的逐步开展，对航天器遥控功能提出了更高的需求，主要体现在以下几个方面。

1)受控对象

受控对象包括航天器平台及有效载荷，传统航天器受控对象在设计之初即明确，对其控制方式(指令及注数)、数据格式也随之明确，但随着“航天器可重构”想法的提出，有效载荷在轨接入平台、在轨维修更换使受控对象以需求为驱动不断变化，须要考虑在不改变整器遥控方案的情况下，接入对象如何能够自适应实时受控。

2)数据类型及传输速率

传统航天器遥控系统使用独立的上行(前向)物理信道，数据传输速率低；随着大型空间飞行器，如空间站、深空探测器任务的开展，上行除传送遥控数据外，还要进行音视频、网络数据等多类型数据的传送，数据量大，传输速率高，各类数据须共享同一个物理信道，并通过动态调度进行传送。

3)多航天器信息交互

为完成大型空间任务，组合式、组网式航天器的使用领域和数量在逐渐增多，航天器存在自主飞行、组合体在轨运行等多种工作模式，航天器星际组网、互联互通将成为空间新常态。

空间数据系统咨询委员会(CCSDS)制定并修订了一套比较完善的空间数据链路协议，包括分包遥控及AOS等[1-4]，我国据此也建立了相应的PCM遥控、分包遥控、AOS的标准[5-7]，航天器遥控的传统体制采用PCM遥控。对上述3种遥控体制进行对比分析，汇总如表1所示。

表1 不同遥控体制比较

通过对比可知，传统的PCM遥控已不能适应新的遥控需求，从PCM遥控过渡到分包遥控及AOS是必然的趋势。此外，国内航天器遥控技术的发展正在逐渐向国际标准靠拢，复杂航天器(如空间站)不仅需要常规数据系统的支持，还要使用AOS标准实现数据的规范化管理，因此在遥控系统的实现中，常规遥控体制与AOS的兼容也将是必经的一个过渡阶段[8-10]。然而，PCM遥控作为传统成熟的遥控体制，在我国航天器工程中已经使用多年，目前部分在轨及新研航天器仍在使用，因此，在遥控体制更替过程中，存在以下问题：

(1)如何在不改变现有航天器PCM遥控接收处理设备设计的基础上兼容新的遥控体制；

(2)如何让不同遥控体制的航天器在组合体运行或星际组网时进行有效地信息交互，如在轨采用PCM遥控的航天器如何能够与采用分包遥控的航天器进行通信。

为此，须要考虑设计一套兼容的遥控体制，即将PCM遥控、分包遥控、CCSDSAOS组合设计，既能配合航天器现有遥控方案工作，又能适应新的遥控需求，在遥控体制更替的特殊时期发挥特定的作用。

3 多遥控体制组合设计方案

本文提出3种多遥控体制组合设计方案，包括分包遥控-PCM遥控组合、PCM遥控-AOS组合和分包遥控-PCM遥控-AOS组合。

3.1 分包遥控-PCM遥控组合

设计思想为顶层采用PCM遥控帧格式，数据域中采用分包遥控帧格式，即将分包遥控帧封装在PCM遥控帧格式中。该方案在顶层保留传统PCM格式，可以有效兼容目前大多数遥控接收处理设备，待解析到数据域得到分包遥控帧时，又可充分利用分包遥控按需分配的特点，地面按需完成遥控数据组包，器上根据标识字，即航天器标识符(SCID)和虚拟信道标识符(VCID)将其送到指定航天器，进而完成相应的交互支持控制。

分包遥控-PCM遥控组合的数据传输格式如图1所示。图1中PCM遥控数据传输格式各字段定义应符合PCM遥控标准的规定。一个或多个分包遥控帧构成注入数据码元序列；每个独立的数据码元序列加上方式字和地址同步字后，构成一个PCM注入数据遥控帧；连续发送若干个遥控帧，构成遥控帧序列；上行遥控信道开启一次为一个遥控工作期，每个遥控工作期的开始有一个引导序列，用于载波、副载波稳定接收和同步捕获；在一个遥控工作期内间歇发送若干个遥控帧序列时，在间歇期用空闲序列填充，以维持同步。

一个遥控注入数据码元序列固定包含2个用户，每个用户包括用户勤务字、用户数据长度和用户数据三部分，如图2所示。帧格式各字段定义如下。

(1)用户勤务字：勤务字对应注入的用户标识，注入到航天器的串行数据用户一般有数管、制导、导航和控制(GNC)和总体电路；

(2)用户数据长度字：长度为8bit，一个用户数据最长为255byte；

(3)填充数据：一般填充55H或AAH；

(4)加密与认证序列：可选，由加密方案确定；

(5)CRC校验字：长度为16bit，编码程序的输入是用户1勤务字的第一字节至加密与认证序列(或填充数据)的最后一个字节；

(6)用户数据：用户数据最长为255byte，其中的包遥控传输帧应符合相应标准的规定，如CCSDS232 遥控空间数据链路协议、CCSDS231遥控同步和信道编码。

图1 分包遥控-PCM遥控组合数据传输格式Fig.1 Data transmission format of packet telecommand-PCM telecommand

图2 注入数据码元序列格式Fig.2 Format of injecting data sequence

3.2PCM遥控-AOS组合

设计思想为将传统PCM遥控帧封装在CCSDSAOS帧格式中。该方案顶层采用AOS，将其中一个VCID分配给底层的PCM遥控，其他虚拟信道可分配给音视频等其他需要上行的数据类型。器上须要配置相应的AOS接收处理设备，根据VCID进行AOS解析转发，即从相应虚拟信道数据区中提取PCM遥控帧，并发送给PCM遥控接收处理设备。

PCM遥控-AOS组合数据传输格式如图3所示。

其中，前向链路AOS数据帧格式如图4所示。

图3 PCM遥控-AOS组合数据传输格式Fig.3 Data transmission format of PCM telecommand-AOS

同步字虚拟信道主导头数据区校验1ACFFC1D版本号SCIDVCID虚拟信道帧计数信令域传输帧数据域RS校验等

图4 前向链路AOS数据帧格式

Fig.4UplinkAOSdataframeformat

AOS的使用应符合CCSDS732AOS空间数据链路协议的规定，其中AOS帧格式中的部分相关字段定义如下。

(1)同步字：1ACFFC1D；

(2)版本号：“01”；

(3)SCID：长度为8bit，用来区分不同航天器的唯一标识；

(4)VCID：长度为6bit，用来对遥控、音视频、网络数据等各类型数据进行虚拟信道分配；

(5)虚拟信道帧计数：除填充传输帧外，为每个虚拟信道上产生的传输帧分别按顺序编号，数值为0～(224―1)，不对填充传输帧进行计数；

(6)传输帧数据区的PCM遥控帧应符合国标“PCM遥控”的规定[6]。

3.3 分包遥控-PCM遥控-AOS混合组合

设计思想为将前2个设计方案结合，充分发挥它们的优势，即完成分包遥控到PCM遥控，PCM遥控到CCSDSAOS格式的2次封装。数据传输格式如图5所示，各字段定义同前文。

图5 分包遥控-PCM遥控-AOS混合组合数据传输格式Fig.5 Data transmission format of packet telecommand-PCM telecommand-AOS

3.4 3种设计方案比较

3种组合设计方案比较见表2，它们均与现有航天器PCM遥控接收硬件兼容。分包遥控-PCM遥控组合适用于传输数据量小、上行遥控独占信道、遥控需动态调度的任务；PCM遥控-AOS组合和分包遥控-PCM遥控-AOS混合组合适用于传输数据量大、上行信道要传输包括遥控在内的多种类型数据的任务；PCM遥控-AOS组合遥控需静态分配，分包遥控-PCM遥控-AOS混合组合遥控可按需动态分配，它们都需要器上另行研制AOS接收处理设备。

表2 3种组合设计方案比较

4 设计应用

本文提出的3种组合设计方案已在某大型组合式飞行器设计中应用，依据不同通信链路的需求和特点采用了不同的组合设计方案，如图6所示。其中：统一S频段(USB)/宽波束中继S/窄波束中继S/空空通信链路，采用分包遥控-PCM遥控组合；中继Ka链路为多类数据高速数据传输链路，因此采用分包遥控-PCM遥控-AOS混合组合。在组合体工作模式时，组合设计方案也能较好完成多器(舱段)的信息交互，组合体遥控信息流如图7所示。

图6 多遥控体制组合设计应用实例Fig.6 Combination design and application of multiple telecommand systems

图7 组合体遥控信息流Fig.7 Telecommand information flow of combined spacecraft

地面站采用分包遥控-PCM遥控组合，通过USB/宽波束中继S/窄波束中继S/空空通信链路上行传输程控指令/注数，由上行舱段的遥控综合单元进行PCM解析，由上行舱段的核心处理单元进行分包遥控帧的处理。根据SCID标识，若为本舱段数据，则解析；若为其他舱段数据，则透明转发，由相应核心处理单元进行解析。

地面站采用分包遥控-PCM遥控-AOS混合组合，通过中继Ka链路上行多类数据，由器上AOS接收处理设备进行AOS数据帧解析，根据VCID标识进行分发处理。若为指令/注数，则分发给遥控综合单元，由其进行处理，处理方式与其他链路相同。

5 结束语

本文分析了航天任务发展形势及航天器遥控信息系统设计面临的新需求，通过对PCM遥控、分包遥控和AOS的研究比较，阐明遥控体制更替的必要性及在当前背景下更替需要考虑的兼容过渡问题。采用多种遥控体制组合的思想，提出3种能够解决上述问题的设计方案，并分析了它们各自的优势、特点及适用的场合。本文提出的组合设计方案已成功应用在当前航天器遥控设计中，并可为未来日趋灵活的航天任务遥控设计提供参考。

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[1]CCSDS.CCSDS.232.0-B-1TCspacedatalinkprotocol[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2003

[2]CCSDS.CCSDS.732.0-B-2AOSspacedatalinkprotocol[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2006

[3]CCSDS.CCSDS.132.0-B-1TMspacedatalinkprotocol[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2003

[4]CCSDS.CCSDS.231.0-B-2TCsynchronizationandchannelcoding[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2010

[5]谭维炽,顾莹琦.空间数据系统[M].北京：中国科学技术出版社，2008

TanWeichi，GuYingqi.Spacedatasystem[M].Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress，2008 (inChinese)

[6]国防科学技术工业委员会.GJB1198.7A-2004 第1部分 航天器测控和数据管理-PCM遥控[S].北京：国防科学技术工业委员会，2004

CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense.GJB1198.7A-2004Telemetrytrackingcommandanddatahandlingforspacecraftpart1:PCMtelecommand[S].Beijing:CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense，2004 (inChinese)

[7]国防科学技术工业委员会.GJB1198.7A-2004第7部分 航天器测控和数据管理-分包遥控[S].北京：国防科学技术工业委员会，2004

CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense.GJB1198.7A-2004Telemetrytrackingcommandanddatahandlingforspacecraftpart7:packettelecommand[S].Beijing:CommissionofScience，TechnologyandIndustryforNationalDefense，2004 (inChinese)

[8]CCSDS.CCSDS.232.1-B-2Communicationsoperationprocedure-1 [S].WashingtonD.C.：CCSDS，2010

[9]CCSDS.CCSDS.211.0-B-4Proximity-1spacelinkprotocol-datalinklayer[S].WashingtonD.C.：CCSDS，2006

[10]张亚航,赵思阳.基于传统遥控体制的分包遥控方案设计[J].飞行器测控学报，2012，12(z1)：81-85

ZhangYahang，ZhaoSiyang.Amultilayertelecommanddesignbasedonthetraditionaltelecommandsystem[J].JournalofSpacecraftTT&CTechnology,2012，12(z1)： 81-85 (inChinese)

(编辑：夏光)

Analysis of Combination Design Scheme for Spacecraft Multiple Telecommand Systems

TANG Liang1 WANG Minqi2 DU Yingxia1 SONG Yang1 LU Yibin1

(1 Shanghai Aerospace System Engineering Institute，Shanghai 201109，China)(2 Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China)

Withtherapiddevelopmentofthereconfigurableandmulti-functionspacecraftandtheincreasingdemandforinformationinteractionofmultispacecraft，thetraditionaltelecommandsystemhasbeenunabletomeettherequirements.Therefore，threetelecommandsystemschemesareproposed(packettelecommand-PCMtelecommand，PCMtelecommand-AOSandpackettelecommand-PCMtelecommand-AOS)，whicharebasedonthecombinationdesignofmultipletelecommandsystems.Thecharacteristicsandapplicationsofthethreeschemesareanalyzedfromthetransmissiondatacapacityandstyle，theconditionofchanneloccupancyandthecompatibilitywithexistingTT&Creceivingequipment.Theschemescanmeetthetelecommandfunctionrequirementsandhavebeensuccessfullyappliedinalargecombinedspacecraftmission，andcanbeasareferenceforthefuturespacecrafttelecommandsystemdesign.

spacecraft；multipletelecommandsystems；combinationdesign；telecommandinformationsystem

2016-07-21；

2016-11-04

国家重大航天工程

唐亮，男，工程师，从事航天器总体设计工作。Email：tl_ht805@163.com。

V

ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.011