导师：学生：中国科学院研究生院硕士论文答辩 目录•遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证结束语和展望发表论文从事的相关科研工作••••••• 传统的空间实验概述• 空间实验通常指在太空进行的科学实验，在过去的几十年里， 空间实验发挥着越来越重要的作用；• 传统的实验方式主要有三种：1. 按照预先设定的程序开展实验；2. 对空间实验进行闭环操作, 自动调整实验进程；3. 由宇航员在空间实验室里实时进行遥科学空地数据链路研究背景 传...
导师：学生：中国科学院研究生院硕士论文答辩 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证结束语和展望发表论文从事的相关科研工作 传统的空间实验概述 空间实验通常指在太空进行的科学实验，在过去的几十年里， 空间实验发挥着越来越重要的作用； 传统的实验方式主要有三种：1. 按照预先设定的程序开展实验；2. 对空间实验进行闭环操作, 自动调整实验进程；3. 由宇航员在空间实验室里实时进行遥科学空地数据链路研究背景 传统空间实验的瓶颈但是， 随着对空间实验要求的提高， 传统的操作方式出现了瓶颈， 主要表现在：对于无人值守的复杂空间实验来说， 预先设定的程序或者闭环控制操作往往不能预知实验的各种可能情况， 一旦程序当机， 就会导致实验的失败；对于有人值守的空间站来说， 宇航员数量和时间都很有限， 不可能从事大量复杂的实验操作， 而且航天界为了保证宇航员的安全， 有“上人， 不做实验； 做实验， 不上人”的作法；在实验前或者进行当中， 地面实验室的控制人员如果想重新配置实验进程， 或者暂停实验， 往往不易实现。遥科学空地数据链路研究背景 空间实验瓶颈的解决办法-遥科学 那么 ， 怎么 解决这个瓶颈呢， 可以看到， 如果能够让地面实验室的科研人员像地面做实验一样操作空间实验设备，这些制约条件也就不存在了 遥科学就是实现这种地面人员直接参与空间实验的一门科学技术， 它是目 前解决空间实验瓶颈的最好选择 遥科学网络是遥科学在空间实验中的具体实现方式遥科学空地数据链路研究背景 遥科学空地数据链路的内容本文研究的空地数据链路是遥科学网络中很重要的一部分， 是天地通信的桥梁， 从实现上来说， 空地数据链路主要分为两部分：1. 空地下行数据链路： 将数据从空间设备传输到地面实验室；2. 空地上行数据链路： 将数据从地面实验室传输到空间设备。遥科学空地数据链路研究背景 论文主要目的 研究适合我国空间实验发展的遥科学空地数据链路技术（下行技术和上行技术） 设计适应遥科学发展的空地数据链路方案 验证遥科学空地数据链路方案的可实现性和性能遥科学空地数据链路研究背景 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证结束语和展望发表论文从事的相关科研工作 空地数据链路技术概述 空地下行数据链路主要有三种实现方式PCM遥测分包遥测高级在轨系统(AOS)下行 空地上行数据链路主要有三种实现方式PCM遥控分包遥控高级在轨系统(AOS)上行现有遥科学空地数据链路技术研究 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证结束语和展望发表论文从事的相关科研工作 遥科学空地下行数据链路方案综述 今后遥科学下行链路的一个主要特点是： 多信源， 多用户， 多目 标， 高数据传输率， 国际化； 综合分析各种实现技术， 本文认为CCSDS制定的AOS规范最能满足我国未来下行数据链路的发展需要 在遥科学下行数据链路的设计中， 拟采用AOS规范作为链路方案的基础。遥科学空地下行数据链路方案设计 下行数据链路业务类型选择 AOS提供了八种业务， 各个空间部门需要在具体飞行任务中根据自己的实际情况选择需要的业务类型 遥科学下行数据链路主要有如下数据需要： 设备状态， 参数， 遥控回令数据 视频， 音频， 时码等等时传输数据； 图像数据， 海量存储数据 专用数据， 互联网数据 根据数据需要， 选择如下几种业务： 包装， 多路复用， VCA， 插入， 位流， 路径遥科学空地数据链路方案设计 遥科学下行数据链路方案（空间）统一时间 基准遥科学空地下行数据链路方案设计低 速数据 源1低 速数据 源n数据合路器高速数据 源1数据装配器星载总 线物理信道高速数据 源n高速接口高速接口差错控制 遥科学下行数据链路方案（地面）遥科学空地下行数据链路方案设计低速数据源n低速数据源1数据分路器数据快视数据分发计算机总线. . n)数据接口差错控制译码统一时间基准物理信道数据采集模块帧同步数据链路 差错控制编译码 对于编译码来说， 现在已经有了比较成熟的技术，这里， 主要说明译码方面的一个问题， 就是对于当二级和三级业务混编时的处理； 在一个虚拟信道里， 可能存在二级业务也可能存在三级业务， 而这两种业务的差错编码方式和数据区都是不一样的， 在译码时需要根据业务类别决定采用何种方式； 虽然可能在任务中， 规定三级业务和二级业务不在同一虚拟信道出现， 但是如果是一个开放的系统，对这种业务等级混编的模式是回避不了的 。遥科学空地下行数据链路方案设计 差错控制编译码 解混编的译码方式主要有两种 第一种方式首先对导头进行译码， 如果不通过， 再对全帧进行译码； 第二种方式是首先全按二级业务对全帧数据译码，如果不通过， 再对导头和CRC域进行译码（如果存在CRC域的话） 。 这两种方式各有优缺点， 第一种方式将三级业务首先剥离出来， 可以减少数据总的流量， 第二种方式对于二级业务占主导的传输来说优势很大， 但是总体来说数据流量更大， 对于本方案来说， 因为遥科学下行链路的数据流量很大， 所以选择第一方式。遥科学空地下行数据链路方案设计 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证结束语和展望发表论文从事的相关科研工作 上行数据链路方案综述 遥科学上行链路是地面实验室控制空间实验进程的必要手段， 在无人站， 上行链路主要传送控制命令， 加载参数等， 如果是有人照料的空间实验室， 还有话音， 视频数据和电子邮件等。 分析可行的技术， AOS最适应这种多数据源， 多数据类型的传输方式， 因此， 在上行数据链路方案中， 采用AOS作为主要方式，这也和下行数据链路方式达到了统一遥科学空地上行数据链路方案设计 无失真传输的解决办法 但是， 上行链路有不同之处， 需要对一些有特殊要求的数据提供无失真的传输（如关键遥控命令） ，这使用三级或二级业务无法达到要求； 在AOS规范中， 使用一级业务的方式来保证数据的无错传送， 但是这种业务目 前在各空间任务中都没有过实现， 验证的工作量较大， 而且， 它采用双向控制， 资源消耗多。 比较而言， 分包遥控方案更适合传递上行的关键数据， 它通过对传送过程的控制， 可以实现数据的无失真传送， 更重要的是它经过了无数次航天任务的洗礼， 可靠性已经得到了验证。 所以， 本文选择分包遥控作为上行信道传递关键数据的方案。遥科学空地上行数据链路方案设计 无失真传输的解决办法 但是， 存在的问题是， 在遥科学上行链路中， 采用了AOS作为主要传输体制， 那么 ，分包遥控怎么 能和AOS结合起来呢？ 在本方案里， 采用了隧道机制的实现办法，也就是将标准的遥控帧封装在AOS的传输帧中， 并在地面端和空间端采用COP-1规约进行传输控制， 这样， 就集中了AOS和分包遥控的优点， 满足了传输的要求。遥科学空地上行数据链路方案设计 上行数据链路软硬件分工 上行链路比下行链路多了一层分包遥控的实现， 所以需要重新划分软硬件分工； 本方案中， 对于主业务AOS还是和下行链路一样在硬件板子里实现， 而把分包遥控以及隧道机制的实现放在了应用层，这样， 可以极大的降低成本， 缩短开发时间， 它的具体实现思路如下图：遥科学空地上行数据链路方案设计 上行数据链路软硬件分工用 户 数 据遥科学空地上行数据链路方案设计虚 拟 信 道 数 据 装 配组 包分 段组 遥 控 传 输 帧物 理 信 道驱 动 程 序 （ 控 制 数 据 帧 传 输 ）C L C W 数据计 算 机 总 线 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证结束语和展望发表论文从事的相关科研工作 验证方案综述（1） 在前文提到的数据链路方案中， 借用了一些成熟的技术， 比如数据的差错编码技术， 这些技术的可行性在以往的工作中已经得到了验证， 但是方案中AOS业务的实现， 虚拟信道的控制， 以及隧道机制实现传输控制等没有成熟经验可以借鉴， 它们的可行性和性能有待认证， 因此， 需要找到一种方法对这些内容进行验证。遥科学空地数据链路方案的验证 验证方案综述（2） 考虑各方面的综合因素， 决定采用软件的方法来验证。 软件验证主要有两种方式， 一种为单机方式， 如图2所示， 这样的验证因为没有很好的将天地信道物理的隔开， 不能客观反映数据在不同载体里的传递， 和空间实际传送的情况差别较大； 第二种方式是采用通过LAN互联的两台计算机分别模拟空间通信主体和地面通信主体来验证， 它的实现如图3所示， 这种方式把天地两端物理的隔开， 具有真实传输的再现能力， 因此， 本文采用了这种方式来开发验证软件。 软件在Windows环境下使用VC++开发遥科学空地数据链路方案的验证 图2.软件验证单机方案下行数据链路（ 空 间 部分）下行数据 链路（ 地面部分）上行数据链路（ 地面部分）上行数据 链路（ 空间 部分）共享内 存应用 程序 环境 下行数据链路（地面部分）上行数据链路（地面部分）上行数据链路（空间部分）空间计算机下行数据链路（空间部分）地面端计算机网络图3.软件验证双机方案 用户数据信息管理 用户信息是可变的， 在使用时需要灵活增删用户， 因此， 在验证程序里设计了一个基于模板的链表类来管理用户信息， 用户的使用信息都可以封装在这个类里， 这个链表类定义如下：遥科学空地数据链路方案的验证 数据码率控制 验证程序需要仿真的数据源， 一个重要的措施是控制码率， 因为Windows系统不是实时系统， 无法产生准确的定时中断。 本文设计了一种方法来产生准确的定时： 建立线程， 使用Sleep函数在线程里建立一个循环调用； 在每个循环里， 程序首先获取当前的时间（使用高性能计时器） ， 并计算这个时间和前一次循环时间的差值△t； 各个用户根据△t计算自己需要产生的数据量， 因为每次循环并不一定产生整数包， 所以， 各个用户需要将剩余时间进行累积。遥科学空地数据链路方案的验证 网络发送/接收的流程 目 前网络传输主要采用UDP（数据报）方式和TCP方式， 采用UDP方式无需建立可靠连接， 但是可能丢失数据包， 不是可靠的传输， 而TCP方式则是可靠的连接， 所以， 采用TCP方式进行网络通信。遥科学空地数据链路方案的验证 检测程序 在用软件对方案的合理性进行验证之后， 只是对于它的可实现性走出了第一步， 为了验证整个方案， 还需要对这个验证程序的传输性能进行评估， 从而进一步验证前文所述方案的合理性和可行性。 在验证程序里， 主要实现了如下的性能检测程序： 丢帧测试程序 流量检测程序 数据存盘检测程序遥科学空地数据链路方案的验证 验证效果用户产生码率遥科学空地数据链路方案的验证 验证效果信道码率遥科学空地数据链路方案的验证 验证效果无失真传输 实验条件： 遥控包的码率： 1Mbps， 其他用户码率： 2Mbps，单项测试时间10分钟遥科学空地数据链路方案的验证90%100%100%100%100%采用传输控制的正确率17. 9%42. 2%59. 9%87. 9%100%不采用传输控制的正确率122. 535信道码率(Mbps) 程序执行界面 程序执行界面 程序执行界面 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证结束语和展望发表论文从事的相关科研工作 论文总结 主要完成内容如下：1. 提出了适合我国遥科学发展的下行和上行链路方式， 并在此基础上提出了一套完整的适合遥科学发展的空地数据链路方案。2 . 在下行链路方案中， 采用 AOS 规范， 并重点论述了所涉及的关键策略和实现过程， 包括业务选择、 多路复用技术、 虚拟信道链路控制技术、 帧同步技术、 总线选择以及用于系统自检的模拟数据源设计等。结束语和展望 论文总结3. 在上行链路方案中， 主要论述了两种实现方式， 对于没有特殊传递要求的数据， 采用 AOS 体制进行传送； 对于传输准确率要求特别高的数据， 采用了分包遥控的控制方法， 并用下行信道将控制数据的传输信息返回到地面实验室， 从而实现传输控制的 ARQ 过程。制， 将采用分包遥控的数据封装在 AOS 传送帧的数据域里， 可实现两种体制的并存。4. 开发的验证软件可以作为工程中的性能检测工具或数据模拟源提出采用隧道机结束语和展望 进一步的工作 本文也有一些没有完成的工作， 就是方案的验证还只是软件层面的， 空间信道也是利用了传输环境相对较好的TCP/IP网络， 和实际的天地传输情况还有一些距离， 这些需要在有条件的时候作进一步的探索和实验。结束语和展望 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证发表论文从事的相关科研工作 发表论文1. 《测控系统串口代理的实现》7月 在《微电子学与计算机》 发表2. 《天线伺服软件在Windows下的实现》于2005年5月 在《计算机应用研究》 发表3. 《AOS在遥测遥控中的应用》 已于2005年11月 在《计算应用研究》 增刊中发表4. 《用VC++实现拷屏打印》 已于2005年7月 在《计算机应用研究》 发表5. 《用VB开发质量信息管理系统》 已于2005年7月 在《计算机应用研究》 发表已于2005年已 目录遥科学空地数据链路的研究背景现有遥科学空地数据链路技术研究遥科学空地下行数据链路方案设计遥科学空地上行数据链路方案设计遥科学空地数据链路方案的验证发表论文从事的相关科研工作 论文期间从事的科研工作开题以来， 主要从事以下与论文有关的科研课题：测控系统天线伺服上位机软件开发XX-2号卫星数传模拟器；神舟6号某国外基带测控站；北斗二代基带测控系统；“远望号”新测量船测控系统 谢谢！
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