قليلا عن معايير الاتصالات الفضائية

الأقمار الصناعية نيزك M1
المصدر: vladtime.ru

مقدمة

إن تشغيل تكنولوجيا الفضاء أمر مستحيل بدون الاتصالات اللاسلكية ، وسأحاول في هذه المقالة شرح الأفكار الأساسية التي شكلت أساس المعايير التي وضعتها اللجنة الاستشارية لأنظمة بيانات الفضاء - CCSDS ، وسيتم استخدام هذا الاختصار أدناه.

سيتم تخصيص هذا المنشور بشكل أساسي لمستوى القناة ، ومع ذلك ، سيتم أيضًا تقديم المفاهيم الأساسية لمستويات أخرى. لتصبح بأي حال من الأحوال يدعي وصفا دقيقا وكاملا للمعايير. يمكنك العثور عليه على موقع CCSDS. ومع ذلك ، من الصعب للغاية إدراكهم ، وفهمهم قضينا الكثير من الوقت ، لذلك أريد هنا تقديم معلومات أساسية ، حيث سيكون التعامل مع كل شيء آخر أسهل بكثير. لذلك دعونا نبدأ.

المهمة النبيلة ل CCSDS

ربما كان لدى شخص ما سؤال: لماذا يجب على الجميع الالتزام بالمعايير إذا كان بإمكانك تطوير مجموعة بروتوكولات بروتوكول الملكية الخاصة بك (أو المعيار الخاص بك ، مع البلاك جاك والميزات الجديدة) ، وبالتالي زيادة أمان النظام؟

كما هو مبين في الممارسة ، يكون من الأفضل الالتزام بمعايير CCSDS للسلسلة التالية من الأسباب:

1. تضمنت اللجنة المسؤولة عن نشر المعايير ممثلين عن جميع وكالات الطيران الكبرى في العالم ، مما جلب خبرتهم القيمة المكتسبة على مدى سنوات عديدة من تصميم وتشغيل مختلف البعثات. سيكون من السخف للغاية تجاهل هذه التجربة والخطوة مرة أخرى على أشعل النار.
2. يتم دعم هذه المعايير من قبل معدات المحطة الأرضية الموجودة بالفعل في السوق.
3. أثناء استكشاف الأخطاء وإصلاحها ، يمكنك دائمًا طلب المساعدة من الزملاء من الوكالات الأخرى حتى يتمكنوا من إجراء جلسة اتصال مع الجهاز من المحطة الأرضية.

هندسة معمارية

المعايير هي مجموعة من الوثائق التي تعكس نموذج OSI (ربط النظام المفتوح) الأكثر شيوعًا ، باستثناء أنه على مستوى القناة ، يقتصر المجتمع على التقسيم إلى القياس عن بعد (القناة "لأسفل" - الفضاء - الأرض) والاتصالات عن بعد (القناة "أعلى").



النظر في بعض المستويات بمزيد من التفصيل ، بدءا من المادية ، والارتفاع. لمزيد من الوضوح ، سننظر في بنية الجانب المضيف. الارسال هو صورته مرآة.

المستوى المادي

عند هذا المستوى ، يتم تحويل إشارة الراديو المعدلة إلى تيار بت. المعايير هنا هي في معظمها موصى بها بطبيعتها ، لأنه في هذا المستوى يصعب تجريدها من تطبيق محدد للحديد. هنا ، يتمثل الدور الرئيسي لـ CCSDS في تحديد التشكيلات المسموح بها (BPSK ، QPSK ، 8-QAM ، وما إلى ذلك) وتقديم بعض التوصيات حول تنفيذ آليات مزامنة الرموز ، تعويض إزاحة دوبلر ، إلخ.

مزامنة وترميز المستوى

بشكل رسمي ، هو طبقة فرعية لطبقة ارتباط البيانات ، ولكن في كثير من الأحيان يتم تخصيصها كطبقة منفصلة بسبب أهميتها في إطار معايير CCSDS. يحول هذا المستوى تيار البتات إلى ما يسمى الإطارات (القياس عن بعد أو التحكم عن بعد) ، والتي سنتحدث عنها لاحقًا. على عكس مزامنة الأحرف على المستوى المادي ، والذي يسمح لك بالحصول على تدفق البتات الصحيح ، يتم تنفيذ تزامن الإطار هنا. النظر في المسار الذي تنتقل البيانات على هذا المستوى (من أسفل إلى أعلى):



ومع ذلك ، قبل ذلك يجدر القول بضع كلمات حول الترميز. يعد هذا الإجراء ضروريًا لإيجاد و / أو تصحيح أخطاء البت التي تحدث حتماً عند إرسال البيانات عبر الهواء. هنا لن نفكر في إجراءات فك التشفير ، ولكن فقط الحصول على المعلومات اللازمة لفهم المنطق الإضافي للمستوى.

الرموز هي كتلة ومستمرة. لا تفرض المعايير استخدام نوع معين من الترميز ، ولكن يجب أن تكون موجودة على هذا النحو. وتشمل المستمر منها تلافيفي (colvolutional) رموز. باستخدامها ، يتم ترميز تيار مستمر. على عكس أكواد الكتل ، حيث يتم تقسيم البيانات إلى كتل الكود (codeblock) ، ولا يمكن فك تشفيرها إلا كجزء من الكتل الكاملة. كتلة الرمز هي البيانات المرسلة والمعلومات الزائدة المرفقة اللازمة للتحقق من صحة البيانات وتصحيح الأخطاء المحتملة. تتضمن رموز البلوك رموز Reed-Solomon الشهيرة.

إذا تم استخدام التشفير التلافيفي ، ينتقل قطار البتات من البداية إلى وحدة فك الترميز. نتيجة عمله (كل هذا ، بالطبع ، يحدث بشكل مستمر) هي وحدات بيانات CADU (وحدة بيانات الوصول إلى القناة). هذا الهيكل ضروري لمزامنة الإطار. في نهاية كل CADU يتم إرفاق علامة التزامن (ASM - صانع التزامن المرفق). هذه هي 4 بايت معروفة مسبقًا ، حيث يجد المزامن بداية ونهاية CADU. هذه هي الطريقة التي يتحقق تزامن الإطار.

ترتبط المرحلة الاختيارية التالية لتشغيل طبقة التزامن والترميز بميزات الطبقة المادية. هذا هو derandomization. الحقيقة هي أنه من أجل تحقيق تزامن الرموز ، فإن التبديل المتكرر بين الرموز ضروري. لذلك ، إذا نقلنا ، على سبيل المثال ، كيلو بايت من البيانات تتكون فقط من وحدات ، فسيتم فقد التزامن. لذلك ، أثناء الإرسال ، يتم خلط بيانات الإدخال بتسلسل دوري شبه عشوائي بحيث تكون كثافة الأصفار والأخرى موحدة.

بعد ذلك ، يتم فك تشفير الكتل البرمجية ، وما تبقى سيكون المنتج النهائي لإطار التزامن والترميز.

مستوى القناة

من ناحية ، يستقبل معالج طبقة الارتباط الإطارات ، ومن ناحية أخرى ينتج الحزم. ونظرًا لأن حجم الحزم غير محدود رسميًا ، فمن الضروري إعادة توجيهها إلى هياكل أصغر - من أجل إعادة التوجيه الموثوق بها. هنا نعتبر قسمين فرعيين: بشكل منفصل للقياس عن بعد (TM) و telommands (TC).

القياس عن بعد

ببساطة ، هذه هي البيانات التي تتلقاها المحطة الأرضية من المركبة الفضائية. تنقسم جميع المعلومات المرسلة إلى أجزاء صغيرة ذات أطر ثابتة الطول تحتوي على حقول البيانات والخدمة المرسلة. النظر في هيكل الإطار بمزيد من التفاصيل:



وسوف نبدأ نظرنا بالعنوان الرئيسي لإطار القياس عن بُعد. علاوة على ذلك ، سأسمح لنفسي في بعض الأماكن بترجمة المعايير ببساطة ، مع إعطاء بعض التوضيحات في وقت واحد.



يجب أن يحتوي حقل معرف القناة الرئيسية (معرّف القناة الرئيسية) على رقم إصدار الإطار ومعرف الجهاز.

يجب أن يكون لكل مركبة فضائية ، وفقًا لمعايير CCSDS ، معرِّفها الفريد الخاص بها ، والذي من خلاله يمكن ، مع وجود إطار ، لتحديد المركبة التي تنتمي إليها. من الناحية الرسمية ، من الضروري التقدم بطلب لتسجيل الجهاز ، وسيتم نشر اسمه ، إلى جانب المعرف ، في المصادر المفتوحة. ومع ذلك ، غالبًا ما يتجاهل المصنعون الروس هذا الإجراء ، حيث يقومون بتعيين معرف تعسفي للجهاز. يساعد رقم إصدار الإطار في تحديد إصدار المعايير المستخدم لقراءة الإطار بشكل صحيح. هنا نعتبر فقط المعيار الأكثر تحفظًا مع الإصدار "0".

يجب أن يحتوي معرف القناة الافتراضية على VCID للقناة التي جاءت منها الحزمة. لا توجد قيود على اختيار VCID ، على وجه الخصوص ، لا يتم ترقيم القنوات الافتراضية بالضرورة بالتتابع.

في كثير من الأحيان هناك حاجة إلى مضاعفة البيانات المرسلة. هناك آلية قناة افتراضية لهذا. على سبيل المثال ، يرسل القمر الصناعي Meteor-M2 صورة ملونة في النطاق المرئي ، ويقسمها إلى ثلاث صور بالأبيض والأسود - يتم إرسال كل لون في قناته الافتراضية كحزمة منفصلة ، على الرغم من وجود بعض الانحراف عن المعايير في هيكل إطاراته.

يجب أن يكون حقل إشارة التحكم التشغيلي مؤشراً على وجود أو عدم وجود مجال التحكم التشغيلي في إطار القياس عن بُعد. تعمل وحدات البايت الأربع هذه الموجودة في نهاية الإطار على الحفاظ على الملاحظات عند مراقبة تسليم إطارات التحكم عن بُعد. سنتحدث عنها بعد قليل.

عدادات الإطارات للقنوات الرئيسية والظاهرية هي حقول يتم زيادتها بواحد عند إرسال كل إطار. أنها بمثابة مؤشر على أنه لم يتم فقدان أي إطار.

حالة بيانات إطار القياس عن بُعد هي وحدتي بايت أخريين من الأعلام والبيانات ، وسنأخذ بعين الاعتبار القليل منها.



يجب أن يكون حقل علامة الرأس الثانوي (رأس ثانوي) مؤشراً على وجود أو غياب الرأس الثانوي (رأس ثانوي) في إطار القياس عن بُعد.

إذا رغبت في ذلك ، يمكنك إضافة رأس إضافي إلى كل إطار ووضع أي بيانات هناك حسب تقديرك.

يجب أن يحتوي حقل المؤشر إلى الرأس الأول (مؤشر الرأس الأول) ، بقيمة إشارة التزامن "1" ، على التمثيل الثنائي لموضع الثماني الأولى للحزمة الأولى في حقل بيانات إطار القياس عن بُعد. يتم حساب الموضع من 0 بترتيب تصاعدي من بداية حقل البيانات. إذا لم تكن هناك بداية لحزمة في حقل بيانات إطار القياس عن بُعد ، فيجب أن يكون لحقل المؤشر إلى الرأس الأول قيمة في التمثيل الثنائي "11111111111" (يمكن أن يحدث هذا إذا امتدت حزمة طويلة واحدة إلى أكثر من إطار واحد).

إذا كان حقل البيانات يحتوي على حزمة فارغة (بيانات الخمول) ، فيجب أن يكون للمؤشر إلى الرأس الأول قيمة في التمثيل الثنائي "11111111110". في هذا الحقل ، يجب على المتزامن مزامنة الدفق. يضمن هذا الحقل استعادة التزامن حتى في حالة تخطي الإطارات.

وهذا يعني أن الحزمة يمكن أن نفترض أن تبدأ في منتصف الإطار الرابع وتنتهي في بداية العشرين. للعثور على بدايتها ، يخدم هذا الحقل فقط. تحتوي الحزم أيضًا على عنوان يتم تسجيل طوله ، لذلك عند العثور على مؤشر إلى العنوان الأول ، يجب على معالج مستوى الارتباط قراءته ، وبالتالي تحديد مكان انتهاء الحزمة.
إذا تم تقديم حقل للتحكم في الخطأ ، فيجب تضمينه في كل إطار للقياس عن بُعد لقناة مادية معينة خلال المهمة.

يتم حساب هذا الحقل باستخدام طريقة CRC. يجب أن يقبل الإجراء n-16 بت من إطار القياس عن بُعد وإدراج نتيجة الحساب في آخر 16 بت.

telecommand

يحتوي إطار التحكم عن بُعد على العديد من الاختلافات المهمة. من بينها:

1. هيكل رأس مختلفة
2. طول الديناميكي. هذا يعني أن طول الرتل لم يتم ضبطه بشكل صارم ، كما هو الحال في القياس عن بُعد ، ولكنه قد يختلف وفقًا للحزم المرسلة.
3. حزمة ضمان تسليم آلية. أي أنه يجب على المركبة الفضائية بعد الاستلام تأكيد الاستلام الصحيح للإطارات أو طلب إعادة التوجيه من الإطار الذي يمكن استلامه مع خطأ غير قابل للتصحيح.

العديد من الحقول مألوفة بالفعل لنا من رأس إطار القياس عن بعد. لديهم نفس الغرض ، لذلك هنا نعتبر الحقول الجديدة فقط.

يجب استخدام بت واحد من علامة الالتفافية لمراقبة فحص الرتل عند المستقبل. يجب أن تشير القيمة "0" من هذه العلامة إلى أن هذا الإطار هو إطار من النوع A ويجب التحقق منه وفقًا للقيمة FARM. يجب أن تشير القيمة "1" من هذه العلامة للمستقبل إلى أن هذا الرتل هو إطار من النوع B ويجب أن يتجاوز الشيك وفقًا للقيمة FARM.

تُعلم هذه العلامة المتلقي ما إذا كان يجب استخدام آلية تأكيد تسليم الإطار التي تسمى FARM - آلية قبول الإطار وإعداد التقارير.

يجب استخدام علامة أمر التحكم لفهم ما إذا كان حقل البيانات ينقل الأمر أم البيانات. إذا كانت العلامة "0" ، فيجب أن يحتوي حقل البيانات على بيانات. إذا كانت العلامة "1" ، فيجب أن يحتوي حقل البيانات على معلومات التحكم الخاصة بـ FARM.
FARM هي آلة الحالة التي يمكن تكوين المعلمات.

RSVD. SPARE - بت محفوظة.

يبدو أن CCSDS لديها خطط لها في المستقبل ، وللتوافق مع الإصدارات السابقة من إصدارات البروتوكول ، فإنها حجزت هذه البتات بالفعل في الإصدارات الحالية من المعيار.

يجب أن يحتوي حقل طول الرتل على رقم في تمثيل البت ، وهو يساوي طول الرتل بالثمانية ناقص واحد.

يجب أن يتبع حقل بيانات الإطار العنوان بدون فجوات ويحتوي على عدد صحيح من الثماني ، والذي يمكن أن يصل إلى 1019 من الثماني كحد أقصى. يجب أن يحتوي هذا الحقل إما على كتلة بيانات الإطار أو معلومات من أمر تحكم. يجب أن تحتوي كتلة بيانات الإطار على:

• الثماني عدد صحيح بيانات المستخدم
• رأس مقطع متبوعًا بثمانية عدد صحيح من بيانات المستخدم

إذا تم توفير رأس ، فيجب أن تحتوي كتلة البيانات على حزمة أو العديد من الحزم أو جزء منها. لا يمكن أن تحتوي كتلة البيانات بدون رأس على أجزاء من الحزم ، لكن يمكن أن تحتوي على كتل بيانات بتنسيق خاص. ويترتب على ذلك أن الرأس مطلوب عندما لا تتناسب كتلة البيانات المرسلة في إطار واحد. تسمى كتلة البيانات التي لها رأس مقطعًا.



يجب أن يحتوي حقل العلم المكون من 2 بت على:

• "01" - إذا كان الجزء الأول من البيانات في كتلة البيانات
• "00" - إذا كان الجزء الأوسط من البيانات في كتلة البيانات
• "10" - إذا كان آخر جزء من البيانات في كتلة البيانات
• "11" - إذا لم يكن هناك تقسيم وتوضع رزمة واحدة أو أكثر في كتلة البيانات بالكامل.

يجب أن يحتوي حقل معرف MAP على أصفار إذا لم يتم استخدام قنوات MAP.
في بعض الأحيان 6 بتات مخصصة للقنوات الافتراضية ليست كافية. وإذا كنت بحاجة إلى مضاعفة البيانات على عدد أكبر من القنوات ، فسيتم استخدام 6 بتات أخرى من رأس المقطع.

FARM

دعونا ننظر بمزيد من التفصيل في آلية عمل نظام مراقبة تسليم الموظفين. لا يوفر هذا النظام سوى العمل مع موظفي الاتصالات في ضوء أهميتهم (يمكن دومًا طلب القياس عن بُعد مرة أخرى ، ويجب أن تسمع المركبة الفضائية المحطة الأرضية بوضوح ، وأن تلتزم دائمًا بأوامرها). لذلك ، لنفترض أننا قررنا إعادة تحميل ساتلنا ، وإرسال ملف ثنائي بحجم 10 كيلوبايت على متن الطائرة. على مستوى القناة ، ينقسم الملف إلى 10 إطارات (0 ، 1 ، ... ، 9) ، يتم إرسالها في وقت واحد إلى الأعلى. عند اكتمال الإرسال ، يجب أن تؤكد المركبة الفضائية الاستقبال الصحيح للحزمة ، أو الإبلاغ عن الإطار الذي حدث خطأ فيه. يتم إرسال هذه المعلومات إلى حقل التحكم التشغيلي في أقرب إطار للقياس عن بُعد (أو يمكن للمركبة الفضائية بدء إرسال إطار خامل إذا لم يكن لديها ما تقوله). استنادًا إلى القياس عن بُعد المستلم ، نتأكد من أن كل شيء على ما يرام ، أو نواصل إرسال الرسالة. لنفترض أن القمر الصناعي لم يسمع الإطار رقم 7. لذلك ، نرسل الإطارات 7 ، 8 ، 9. إذا لم يكن هناك جواب ، يتم إرسال الحزمة مرة أخرى بالكامل (وهكذا عدة مرات حتى نفهم أن المحاولات غير مجدية).

أدناه هو هيكل مجال التحكم التشغيلي مع وصف لبعض المجالات. تسمى البيانات الموجودة في هذا الحقل كلمة التحكم في ارتباط الاتصال - CLCW.



نظرًا لأنه من الممكن تخمين غرض الحقول الرئيسية من الصورة ، بينما النظر إلى الحقول الأخرى ممل ، أخفي الوصف التفصيلي أسفل المفسد

طبقة الشبكة

لمسة صغيرة على هذا المستوى. هناك خياران ممكنان هنا: إما استخدام بروتوكول الحزمة الفضائية ، أو تغليف أي بروتوكول آخر في حزمة CCSDS.

مراجعة بروتوكول الحزمة الفضائية هي موضوع لمقال منفصل. تم إنشاؤه بحيث يمكن للتطبيقات المسماة تبادل البيانات بسهولة. كل تطبيق له عنوانه الخاص ، والوظائف الأساسية لتبادل البيانات مع التطبيقات الأخرى. هناك أيضًا خدمات توجه حركة المرور ، وتقوم بالتحكم في التسليم ، إلخ.

مع التغليف ، كل شيء أبسط وأكثر قابلية للفهم. المعايير تجعل من الممكن تغليف أي بروتوكول في حزم CCSDS بإضافة رأس إضافي.



عندما يكون للرأس معان مختلفة حسب طول البروتوكول المغلف:



هنا ، يكون الحقل الرئيسي هو طول الطول. يمكن أن تختلف من 0 إلى 4 بايت. أيضًا في هذا العنوان ، يجب عليك تحديد نوع البروتوكول المغلف ، باستخدام الجدول من هنا .

عند تغليف IP ، يتم استخدام وظيفة إضافية أخرى لتحديد نوع الحزمة.
تحتاج إلى إضافة رأس آخر ، يبدأ من ثماني طول واحد:



حيث PID هو معرف بروتوكول آخر مأخوذ من هنا

استنتاج

, CCSDS , . , ( ) 40%. , , , , , .

, , . شكرا لاهتمامكم!

مصادر

CCSDS 130.0-G-3 — Overview of the space communications protocols
CCSDS 131.0-B-2 — TM synchronization and channel coding
CCSDS 132.0-B-2 — TM Space Data Link Protocol
CCSDS 133.0-B-1 — Space packet protocol
CCSDS 133.1-B-2 — Encapsulation Service
CCSDS 231.0-B-3 — TC Synchronization and Channel Coding
CCSDS 232.1-B-2 Communications Operation Procedure-1
CCSDS 401.0-B-28 Radio Frequency and Modulation Systems — Part 1 (Earth Stations and Spacecraft)
CCSDS 702.1-B-1 — IP over CCSDS space links

PS
, . , :)