Как устроена космическая связь
Все кто смотрит телевизор, в курсе, что без спутников невозможно увидеть большинство известных телеканалов (исключение кабельное телевидение). Да и большинство семей уже давно владеет спутниковыми тарелками, которые принимают сигналы лучше, чем антенны из прошлого века. Хотя нам кажется, что спутниковое телевидение пришло в нашу жизнь совсем недавно, оно существует уже довольно давно, и чтобы оно функционировало стабильно, а наши телевизоры показывали качественную картинку, существуют центры космической связи.
Центр космической связи «Дубна» был введен в эксплуатацию в 1980 году и приурочен к московской олимпиаде 1980г., для обеспечения трансляции игр на страны Европы и Атлантического региона. После олимпийских игр ЦКС стал использоваться как объект правительственной связи Кремля с руководством других стран.
Всего в систему космической связи входят
— 24 приемо-передающих земных станций спутниковой связи с антенными системами от 2,4 до 32 метров. 27 приёмо-передающих земных станций для обеспечения телеметрии и телеуправления космическими аппаратами ГП КС, «Еutelsat», «ABS»;
— 11 измерительных и мониторинговых наземных станций для для проведения орбитальных испытаний, предоставления доступа земных станций к космическому сегменту и мониторинга загрузки спутниковых транспондеров западной дуги ГП КС, «Еutelsat», «ABS»;
— 2 независимые опто-волоконные линии связи емкостью 20 Гбит/c (каждая) работают в режиме резервирования друг друга и обеспечивают надежную связь объекта с Техническим центром «Шаболовка» ГП КС. Они позволяют связать ЦКС «Дубна» практически с любым оператором связи Москвы;
— 4 высоковольтных фидера (2 х 10 кВ и 2 х 6 кВ) обеспечивающие резервируемое энергопитание объекта. Для надежной работы технологического оборудования в ЦКС реализована система бесперебойного электропитания общей мощностью 700 КВА. В случае форс-мажорных обстоятельств электроснабжение объекта может быть обеспечено от автономной дизельной электростанции общей мощностью 1800 КВА.
Как было выше сказано, комплекс имеет 24 станции спутниковой связи с антенными системами от 2,4 до 32 метров, которые позволяют организовывать каналы передачи через российские и зарубежные спутники связи.
ГКС также принадлежит самая крупная в России орбитальная группировка из 13 геостационарных спутников, работающих в С-, Ku-, Ка- и L- диапазонах. Зоны обслуживания космических аппаратов ГПКС, расположенных на дуге орбиты от 14° з.д. до 145° в.д., охватывают всю территорию России, страны СНГ, Европы, Ближнего Востока, Африки, Азиатско-Тихоокеанского региона, Северной и Южной Америки, Австралии.
Вещание происходит с транспондера, который находится на спутнике. На одном спутнике может находится 40-60 транспондеров. Большинство из них находятся над экватором на высоте 35 786 км. Поэтому спутниковые антенны в Северном полушарии устанавливают в южном направлении.
Зеркало, которое все неправильно называют тарелкой, собирает сигнал, приходящий со спутников, концентрирует его и отражает на приемник-передатчик, который расположен над плоскостью зеркала.
При высоте орбиты спутников 35 786 км. путь луча от Земли требует около 0,12 секунды, а ход луча земля-спутник-земля занимает примерно 0,24 секунды. При этом полная реальная задержка при использовании спутниковой связи составит почти полсекунды.
Обратите внимание на табличку.
Срок службы одного спутника составляет 15 лет. Этого времени вполне хватает на работу и обеспечение разивающихся за это время технологий спутниковой связи. Потом спутник устаревает, и на его замену приходит новый. Спутники очень дорогие, 190-230 млн. долларов стоит постройка и вывод спутника на геостационарную орбиту.
Основная задача владельца спутника: построить, запустить и сдавать в аренду потребителям его частотный диапазон.
В качестве владельца выступают крупные организации (компании с огромными финансовыми возможностями и сильной инфраструктурой). В России таких организаций всего две: (ОАО “Газпром космические системы” и ФГУП “Космическая связь”), которые заказывают постройку, финансируют производственный процесс и производят запуск самих спутников на геостационарную орбиту. Дальше обеспечивают повседневную эксплуатацию (коррекцию положения спутника на орбите, мониторинг и управление работой бортового оборудования).
Далее мы идем в здание, где находятся компьютеры, которые работают со своими космическими аппаратами, обрабатывают сигналы и сюда идёт постоянный приём телеметрии.
Я знаю, что среди вас есть специалисты по космической связи, здесь все в порядке?
Территория ГКС усеяна спутниковыми тарелками всех размеров.
Есть даже вот такой необычной формы.
Как нам рассказали, спутниковое телевидение в России очень актуально, что можно заметить, если проехаться на машине вдоль городов или деревень, на домах которых зачастую стоят ржавые тарелки «Триколора». Прокладывать кабели в отдаленные места довольно дорого и нерентабельно, а в районах вечной мерзлоты они на вес золота, тут следует учитывать, что и кабели не вечны.
В конце экскурсии попадаем в главный центр управления. Здесь находятся сервера компании и множество мониторов, по картинкам на которых специалисты отслеживают качество передачи сигналов.
Теперь и вы знаете, как устроена космическая связь, спасибо что дочитали этот пост!
Связь в космосе: как это работает
Кадр из фильма “Космическая одиссея 2001 года” (1968)
Представьте, что вам нужно пробросить песчинку через ушко иглы с расстояния 16 000 километров. Примерно тем же самым занимались ученые, отправив в 2004 году к комете Чурюмова-Герасименко межпланетную станцию «Розетта». В 2015 году станция и комета находились на расстоянии около 265,1 млн км от Земли. Однако надёжная связь позволила «Розетте» не только сесть на комету, но и получить ценнейшие научные данные.
Сегодня космическая связь — одно из самых сложных и перспективных направлений развития коммуникационных технологий. Орбитальные спутники уже дали нам GPS, ГЛОНАСС, глобальные точнейшие цифровые карты, интернет и голосовую связь в самых отдаленных районах Земли, но мы смотрим дальше. Как космическая связь работает сейчас и что нас ожидает в будущем?
Путь «Розетты»
Основой инфраструктуры наземных станций, используемых во время миссии «Розетты», стала компьютерная система Intermediate Frequency Modem System (IFMS), разработанная BAE Systems. Помимо расшифровывания 350 гигабайт данных, переданных станцией, система позволила точно рассчитать положение космического корабля, действуя как GPS для Солнечной системы.
Система IFMS принимала и передавала сигналы в течение всей 10-летней миссии и сопровождала станцию около 800 миллионов километров. IFMS позволяет измерять скорость с точностью до долей миллиметра в секунду, а положение космического аппарата с точностью в пределах метра в любой точке Солнечной системы.
Модули IFMS размещаются на наземных станциях Европейского космического агентства (ЕКА), модернизированных более 20 лет назад для более совершенного получения радиосигналов с космических аппаратов. Вместо аналоговой обработки — настройки на сигнал, фильтрации и демодуляции — новая (на тот момент) технология позволила преобразовывать необработанный сигнал в цифровую форму, из которой программное обеспечение извлекало необходимую информацию.
После преобразования большая часть последующей обработки сигнала выполняется с помощью ППВМ-микрочипов (программируемая пользователем вентильная матрица, field-programmable gate array, FPGA). Они состоят из логических блоков, которые могут быть подключены параллельно для выполнения вычислений. Это позволило разработать сложные алгоритмы для поддержания высокого уровня шумоподавления и стабильности сигналов из космоса.
Наземная сеть антенн Deep Space Network (DSN)
В основном спутники обеспечивают радиосвязь как ретрансляторы, однако для связи с межпланетными космическими аппаратами требуется более продвинутая система, состоящая из больших антенн, сверхмощных передатчиков и сверхчувствительных приемников.
Канал передачи данных на Землю очень узкий — например, параболическая антенна DSS (Deep Space Stations) недалеко от Мадрида принимает данные на скорости 720 Кб/сек. Конечно, марсоход передает всего 500-3200 бит в секунду по прямому каналу, однако основной канал проходит через орбитальный спутник Марса — получается около 31 Мб данных в сутки от марсохода, плюс еще данные, полученные от измерительных датчиков самого спутника.
Связь на расстоянии 55 миллионов километров поддерживает международная сеть радиотелескопов и средств связи Deep Space Network. DSN является частью NASA. В России же для связи с далекими космическими аппаратами используют знаменитый Восточный центр дальней космической связи, расположенный неподалеку от Уссурийска.
На сегодняшний день DSN объединяет три наземные базы, расположенные на трех континентах — в США, Испании и Австралии. Станции удалены друг от друга примерно на 120 градусов долготы, что позволяет им частично перекрывать зоны действия друг друга.
Спутник Mars Odyssey — самый долго действующий космический аппарат из всех, когда-либо отправленных на Марс — обменивается данными с DSN с помощью антенны с высоким коэффициентом усиления на частоте 8406 МГц. Прием данных от марсоходов ведется на УВЧ-антенну.
«Роуминг» по Солнечной системе
DSS-63
Марс — далеко не единственное место во Вселенной, с которым нам нужно поддерживать связь. Например, межпланетные зонды отправлялись к Сатурну и Титану, а Вояджер-1 вообще улетел на 20 миллиардов километров от Земли.
Чем дальше от нас улетают межпланетные станции, тем сложнее уловить их радиосигналы. Мы пока не можем по всей Солнечной системе расставить орбитальные спутники, поэтому вынуждены строить огромные параболические антенны.
Возьмём, к примеру, Мадридский комплекс дальней космической связи. Главная параболическая антенна комплекса DSS-63 имеет зеркало диаметром более 70 метров и весом 3,5 тысячи тонн. Для отслеживания зондов антенна вращается на четырех шариковых подшипниках весом в одну тонну каждый.
Антенна не только принимает сигнал, но и передает. И хотя траектория движения и вращения Земли давно посчитана и пересчитана, найти маленький объект в космосе, чтобы точно направить на него огромную антенну, — задача очень сложная.
Для поиска отдаленных объектов используется радиотриангуляция. Две наземные станции сравнивают точный угол, под которым сигнал попадает на зеркало антенны в разные промежутки времени, и таким образом вычисляется расстояние до объекта и его местоположение.
Центры дальней космической связи
Разработка в 50-х гг. первой советской межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7, оснащенной радиоуправлением, поставила перед ее создателями сложную задачу – необходимо было построить большую сеть измерительных станций, которые могли бы определять скорость и корректировать полет ракеты.
Для поддержки запусков первых спутников оборудование, первоначально созданное для испытаний баллистической ракеты, было модернизировано и размещено в научно-измерительных пунктах (НИП). С них осуществлялась передача команд на космические аппараты.
В стране построили десятки НИП. Часть измерительного оборудования разместили на специальных кораблях Военно-морского флота. Корабли участвовали в испытаниях всех типов советских МБР, искусственных спутников и автоматических межпланетных станций, обеспечивали все отработочные и штатные околоземные и лунные полёты советских космических кораблей.
После развала СССР корабли измерительного комплекса за редким исключением были уничтожены. Однако сохранились другие важные для космической связи объекты. По географическим причинам наиболее важные командно-измерительные пункты создали в Крыму (16-й НИП – Западный Центр дальней космической связи) и в Приморском крае (15-й НИП – Восточный Центр дальней космической связи известный как объект «Уссурийск»).
Западный Центр в Евпатории принимал и обрабатывал информацию с первой автоматической станции «Луна», поддерживал связь с межпланетными станциями серий «Венера», «Марс», «Эхо», управлял аппаратами во множестве других проектах.
Главный объект Центра – антенна АДУ-1000 с 8 параболическими зеркалами диаметром 16 метров.
Объект «Уссурийск» был создан в 1965 году в результате перевода Радиоэлектронной части военно-космических сил в районе села Галёнки, в 30 км к северо-западу от Уссурийска. В 1985 году здесь был построена одна из крупнейших в мире антенн – РТ-70 с диаметром зеркала 70 м (такая же антенна находится и в Крыму).
РТ-70 продолжает действовать и будет использоваться в самых перспективных разработках страны – в новой российской лунной программе, стартующей в 2019 году (проект «Луна-25»), и для единственного в мире проекта орбитальной рентгеновской астрономии на ближайшие 15 лет «Спектр-Рентген-Гамма».
Работа устройства Deep Space Optical Communication.
Сейчас на земной орбите находится около 400 коммерческих спутников связи, но в ближайшем будущем их станет гораздо больше. Компания ViaSat объявила о совместном проекте с Boeing по запуску трех спутников нового поколения, пропускная способность которых будет более 1 Тбит/сек — это больше пропускной способности всех вместе взятых работающих спутников на 2017 год.
ViaSat планирует предоставлять доступ в интернет на скорости 100 Мбит/сек по всему миру на частоте 20 ГГц, используя фазированные антенные решетки, а также многопозиционные системы передачи данных.
Компания SpaceX планирует уже в 2019 году начать запускать на орбиту более 12 000 спутников связи (в 30 раз больше всех сегодня летающих!), которые будут работать на частотах 10,7-18 ГГц и 26,5-40 ГГц.
Как вы можете себе представить, нужно обеспечить управление всей орбитальной группировкой спутников таким образом, чтобы не допустить столкновений аппаратов. Кроме того, рассматриваются проекты создания каналов связи со всеми искусственными объектами Солнечной системы. Все эти требования вынуждают инженеров ускорить развертывание новых каналов.
Межпланетные телекоммуникации в радиочастотном спектре с 1960 года увеличились на восемь порядков в пропускной способности, однако нам по-прежнему не хватает скорости для передачи изображений и видео высокой четкости, не говоря уже о коммуникации с тысячами объектов одновременно. Один из перспективных способов решения проблемы — лазерная связь.
Впервые космическая лазерная связь была испытана российскими учеными на МКС 25 января 2013 г. В том же году на аппарате Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer испытывалась система двусторонней лазерной связи между Луной и Землей. Удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит/сек с аппарата на наземную станцию, и 20 Мбит/сек с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км от Земли.
Проект Laser Communications (LASERCOM) в будущем сможет решить вопрос связи в околоземном пространстве, Солнечной системе и, возможно, в межзвездных миссиях.
Лазерная связь в глубоком космосе будет проверена в ходе миссии «Психея». Зонд стартует в 2022 году, а в 2026 году достигнет металлического астероида 16 Psyche. На борту зонда будет установлено специальное оборудование Deep Space Optical Communications (DSOC) для передачи большего количества данных. DSOC должно повысить производительность и эффективность связи космических аппаратов в 10-100 раз по сравнению с обычными средствами, без увеличения массы, объема, мощности и спектра.
Ожидается, что использование лазерной связи приведет к революционным изменениям в будущих космических миссиях.
Немного о стандартах космической связи
Спутник Метеор М1
Источник: vladtime.ru
Введение
Эксплуатация космической техники невозможна без радиосвязи, и в этой статье я постараюсь объяснить основные идеи, которые легли в фундамент стандартов, разработанных Международным Консультативным Комитетом по космическим системам передачи данных (Consultative Committee for Space Data Systems – CCSDS. Далее будет использоваться эта аббревиатура).
Эта публикация будет посвящена в основном канальному уровню, однако основные понятия для других уровней тоже будут введены. Статься ни коим образом не претендует на доскональное и полное описание стандартов. С ним вы можете ознакомиться на сайте CCSDS. Однако они очень тяжелы для восприятия, и чтобы в них разобраться мы потратили немало времени, поэтому здесь хочу привести базовую информацию, обладая которой разобраться со всем остальным будет гораздо легче. Итак, начнём.
Благородная миссия CCSDS
Возможно, у кого-то возник вопрос: зачем всем придерживаться стандартов, если можно разработать свой проприентарный стек протоколов радиосвязи (или свой стандарт, с блэк-джеком и новыми фичами), повысив тем самым безопасность системы?
Как показывает практика, выгоднее придерживаться стандартам CCSDS по следующему ряду причин:
Архитектура
Стандарты представляют собой совокупность документов, отражающих самую обычную модель OSI (Open System Interconnection), за исключением того, что на канальном уровне общность ограничивается разделением на телеметрию (канал «вниз» — космос – Земля) и телекоманды (канал «вверх»).
Рассмотрим некоторые уровни подробнее, начиная с физического, и двигаясь вверх. Для большей наглядности будем рассматривать архитектуру принимающей стороны. Передающая представляет собой её зеркальное отражение.
Физический уровень
На данном уровне происходит преобразование модулированного радиосигнала в битовый поток. Стандарты здесь носят в основном рекомендательный характер, так как на этом уровне сложно абстрагироваться от конкретной реализации железа. Здесь ключевая роль CCSDS – определить допустимые модуляции (BPSK, QPSK, 8-QAM и т.д.) и дать некоторые рекомендации по реализации механизмов символьной синхронизации, компенсации доплеровского сдвига и т.п.
Уровень синхронизации и кодирования
Формально является подуровнем канального уровня, однако очень часто выделяется в отдельный уровень ввиду своей важности в рамках стандартов CCSDS. Данный уровень преобразует битовый поток в так называемые кадры (телеметрии или телекоманд), о которых мы поговорим позже. В отличие от символьной синхронизации на физическом уровне, которая позволяет получить корректный битовый поток, здесь выполняется кадровая синхронизация. Рассмотрим путь, который данные проходят на данном уровне (снизу вверх):
Однако перед этим стоит сказать пару слов о кодировании. Эта процедура необходима чтобы находить и/или исправлять битовые ошибки, неминуемо возникающие при отправке данных по радиоканалу. Здесь мы не будем рассматривать процедуры декодирования, а только получим сведения, необходимые для понимания дальнейшей логики работы уровня.
Коды бывают блоковые и непрерывные. Стандарты не вынуждают использовать конкретный тип кодирования, однако оно как таковое должно присутствовать. К непрерывным относятся свёрточные (colvolutional) коды. С помощью них кодируется непрерывный битовый поток. В отличие от блочных кодов, где данные делятся на кодовые блоки (codeblock), и могут быть декодированы только в рамках цельных блоков. Кодовый блок представляет собой передаваемые данные и присоединённую избыточную информацию, необходимую для проверки правильности получения данных и исправления возможных ошибок. К блочным кодам относятся знаменитые коды Рида-Соломона.
Если используется свёрточное кодирование, битовый поток с начала поступает на декодер. Результатом его работы (всё это, разумеется, происходит непрерывно) становятся блоки данных CADU (channel access data unit). Данная структура необходима для кадровой синхронизации. В конце каждого CADU присоединено синхронизационный маркер (ASM – attached synch maker). Это известные заранее 4 байта, по которым синхронизатор находит начало и конец CADU. Так и достигается кадровая синхронизация.
Следующий опциональный этап работы уровня синхронизации и кодирования связан с особенностями работы физического уровня. Это дерандомизация. Дело в том, что для достижения символьной синхронизации необходимы частые переключения между символами. Так, если мы будем передавать, предположим, килобайт данных, состоящих исключительно из единиц, синхронизация будет потеряна. Поэтому при передаче входные данные смешиваются с периодичной псевдослучайной последовательностью, чтобы плотность нулей и единиц была равномерной.
Далее происходит декодирование блоковых кодов, и то, что осталось будет конечным продуктом уровня синхронизации и кодирования – кадром.
Канальный уровень
С одной стороны обработчик канального уровня получает кадры, а с другой стороны выдаёт пакеты. Так как формально размер пакетов не ограничен, для их надёжной пересылки необходимо разбивать их на более мелкие структуры – кадры. Здесь мы рассмотрим два подраздела: отдельно для телеметрии (TM) и телекоманд (TC).
Телеметрия
Проще говоря, это те данные, которые наземная станция получает от КА. Вся передаваемая информация делится на небольшие фрагменты фиксированной длины – кадры, которые содержат передаваемые данные и служебные поля. Рассмотрим структуру кадра подробнее:
И начнём рассмотрение с основного заголовка кадра телеметрии. Далее позволю себе в некоторых местах просто переводить стандарты, попутно давая некоторые разъяснения.
Поле идентификатора главного канала (Master Channel ID) должно содержать в себе номер версии кадра и идентификатор аппарата.
Каждый КА, по стандартам CCSDS должен иметь свой уникальный идентификатор, по которому можно, имея кадр, определить, какому аппарату он принадлежит. Формально необходимо подавать заявку на регистрацию аппарата, и его название, вместе с идентификатором, будет опубликовано в открытых источниках. Однако часто Российские производители игнорируют данную процедуру, присваивая аппарату произвольный идентификатор. Номер версии кадра помогает определить какая версия стандартов используется, чтобы правильно прочитать кадр. Здесь мы рассмотрим только самый консервативный стандарт с версией «0».
В поле идентификатора виртуального канала (Virtual Channel ID) должен содержаться VCID того канала, с которого поступил пакет. Никаких ограничений на выбор VCID нет, в частности виртуальные каналы не обязательно нумеруются последовательно.
Очень часто возникает необходимость мультиплексировать передаваемые данные. Для этого существует механизм виртуальных каналов. Например, спутник Метеор-М2 передаёт цветное изображение в видимом диапазоне, разделяя его на три чёрно-белых – каждый цвет передаётся в своём виртуальном канале отдельным пакетом, хотя в структуре его кадров есть некоторое отклонение от стандартов.
Поле флага Operational Control должен быть индикатором наличия или отсутствия поля Operational Control в кадре телеметрии. Эти 4 байта в конце кадра служат для поддержания обратной связи при контроле доставки кадров телекоманд. О них мы поговорим чуть позже.
Счётчики кадров главного и виртуального канала – это поля, увеличиваемые на единицу при отправке каждого кадра. Служат индикатором того, что ни один кадр не был потерян.
Статус данных кадра телеметрии – это ещё два байта флагов и данных, из которых мы рассмотрим лишь некоторые.
Поле флага дополнительного заголовка (Secondary Header) должно быть индикатором наличия или отсутствия дополнительного (Secondary Header) в кадре телеметрии.
При желании можно добавить к каждому кадру дополнительный заголовок и размещать там любые данные на своё усмотрение.
Поле указателя на первый заголовок (First Header Pointer), при значении флага синхронизации «1», должен сдержать бинарное представления позиции первого октета первого Пакета в поле данных (Data Field) кадра телеметрии. Позиция отсчитывается с 0 в возрастающем порядке от начала поля данных. Если нет начала пакета в поле данных кадра телеметрии, тогда поле указателя на первый заголовок должно иметь значение в бинарном представлении «11111111111» (такое может происходить, если один длинный пакет распространяется более чем на один кадр).
Если же в поле данных содержится пустой пакет (Idle Data), то указатель на первый заголовок должен иметь значение в бинарном представлении «11111111110». По данному полю приёмник должен осуществлять синхронизацию потока. Данное поле гарантирует восстановление синхронизации даже в случае пропуска кадров.
То есть пакет может, предположим, начинаться в середине 4-го кадра, и заканчиваться в начале 20-го. Чтобы найти его начало, как раз служит это поле. У пакетов тоже есть заголовок, в котором прописана его длина, поэтому при нахождении указателя на первый заголовок обработчик канального уровня должен его прочитать, тем самым определив, где закончится пакет.
Если поле контроля ошибок представлено, то оно должно содержаться в каждом кадре телеметрии для определённого физического канала на протяжении всей миссии.
Данное поле вычисляется применением CRC метода. Процедура должна принять n-16 бит кадра телеметрии и вставить результат вычисления в последние 16 бит.
Телекоманды
Кадр телекоманд имеет несколько существенных отличий. Среди них:
Многие поля уже знакомы нам из заголовка кадра телеметрии. Они имеют такое же назначение, поэтому здесь рассмотрим только новые поля.
Один бит флага обхода должен использоваться для контроля проверки кадров на приёмнике. Значение «0» данного флага должно указывать, что данный кадр является кадром типа А и его проверка должна осуществляться согласно FARM. Значение «1» данного флага должно указывать приёмнику, что данный кадр является кадром типа Б и должен обойти стороной проверку согласно FARM.
Этот флаг информирует приёмник, нужно ли использовать механизм подтверждения доставки кадров, который называется FARM — Frame Acceptance and Reporting Mechanism.
Флаг команды управления должен использоваться для понимания, транспортирует ли поле данных команду или данные. Если флаг равен «0», то поле данных должно содержать данные. Если флаг равен «1», то поле данных должно содержать контрольную информацию для FARM.
FARM представляет собой конечный автомат, параметры которого можно настраивать.
RSVD. SPARE – зарезервированные биты.
Похоже, у CCSDS есть на них планы в будущем, и для обратной совместимости версий протокола они зарезервировали эти биты уже в нынешних версиях стандарта.
Поле длины кадров должно содержать число в битовом представлении, которое равно длина кадра в октетах минус один.
Поле данных кадра должно следовать после заголовка без пропусков и содержать целое число октетов, которое может быть длиной максимально 1019 октетов. Данное поле должно содержать либо блок данных кадра, либо информацию команды управления. Блок данных кадра должен содержать в себе:
Поле флагов размером два бита должно содержать:
Рассмотрим подробнее механизм функционирования системы контроля доставки кадров. Данная система предусматривает только работу с кадрами телекоманд ввиду их важности (телеметрию всегда можно запросить снова, а КА должен слышать наземную станцию отчётливо, и всегда подчиняться её командам). Итак, предположим, мы решили перепрошить наш спутник, и отправляем на его борт бинарный файл размером 10 килобайт. На канальном уровне файл разбивается на 10 кадров (0, 1, …, 9), которые поочерёдно отправляются наверх. Когда передача закончена, КА должен подтвердить корректность приёма пакета, или сообщить на каком кадре произошла ошибка. Эта информация отправляется в поле оперативного контроля в ближайшем кадре телеметрии (Либо КА может инициировать передачу пустого кадра (idle frame), если ему нечего сказать). По полученной телеметрии мы либо убеждаемся, что всё хорошо, либо приступаем к перепосылке сообщения. Предположим, спутник не услышал кадр №7. Значит, отправляем ему кадры 7, 8, 9. В случае если ответа не последовало, пакет отправляется целиком ещё раз (и так несколько раз, пока не поймём, что попытки тщетны).
Ниже приведена структура поля оперативного контроля с описанием некоторых полей. Данные, содержащиеся в этом поле, называются CLCW – Communication Link Control Word.
Так как по картинке вполне можно догадаться о назначении основных полей, а на другие смотреть скучно, прячу детальное описание под спойлер
Тип контрольного слова (Control Word Type):
Для данного типа контрольного слова должен содержать 0
Версия контрольного слова (CLCW Version Number):
Для данного типа контрольного слова должно равняться «00» в битовом представлении.
Поле статуса (Status Field):
Использование данного поля определяется для каждой миссии отдельно. Может использоваться для локальных улучшений разными космическими агентствами.
Идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identification):
Должен содержать идентификатор виртуального канала, с которым связано данной контрольное слово.
Флаг доступа к физическому каналу:
Флаг должен предоставлять информацию о готовности физического уровня приёмника. Если физический уровень приёмника не готов для приёма кадров, то поле должно содержать «1», иначе «0».
Флаг сбоя синхронизации:
Флаг может сообщать о том, что физический уровень работает при плохом уровне сигнала и количество отклоненных кадров слишком высоко. Использование данного поля опционально, если используется, то должно содержать «0» при наличии синхронизации, и «1» при её отсутствии.
Флаг блокировки:
Данный бит должен содержать статус блокировки FARM для каждого виртуального канала. Значение «1» в данном поле должно указывать на то, что FARM заблокирован и кадры будут отбрасываться для каждого виртуального уровня, иначе «0».
Флаг ожидания:
Данный бит должен использоваться для индикации того, что приёмник не может обработать данный на указанном виртуальном канале. Значение «1» указывает на то, что все кадры будут отбрасываться на данном виртуальном канале, иначе «0».
Флаг перепосылки:
Данный флаг должен содержать «1» если один или больше кадров типа А были отброшены или найдены пропуски, поэтому необходима перепосылка. Флаг «0» указывает, что не было отброшенных кадров и пропусков.
Значение ответа:
Номер кадра, который не был принят. Определяется по счётчику в заголовке кадра телекоманд
Сетевой уровень
Немного коснёмся и этого уровня. Здесь возможны два варианта: либо использовать протокол космического пакета, либо инкапсулировать любой другой протокол в CCSDS пакет.
Обзор протокола космического пакета – тема для отдельной статьи. Он создан для того, чтобы так называемые приложения могли бесшовно обмениваться данными. У каждого приложения есть свой адрес, и базовый функционал для обмена данными с другими приложениями. Также есть сервисы, выполняющие маршрутизацию трафика, выполняющие контроль доставки и т.п.
С инкапсуляцией всё проще и понятнее. Стандарты дают возможность инкапсулировать в CCSDS пакеты любые протоколы, добавив дополнительный заголовок.
Где заголовок имеет различные значения в зависимости от длины инкапсулируемого протокола:
Здесь основное поле – длина длины. Она может варьироваться от 0 до 4 байт. Также в этом заголовке необходимо указать тип инкапсулированного протокола, с помощью таблицы отсюда.
При инкапсуляции IP используется ещё одна надстройка, чтобы определить тип пакета.
Необходимо добавить ещё один заголовок, длиной от одного октета:
Где PID – ещё один идентификатор протокола, взятый отсюда
Заключение
С первого взгляда может показаться, что заголовки CCSDS крайне избыточны, и некоторые поля можно было бы отбросить. Действительно, эффективность результирующего канала (до сетевого уровня) составляет порядка 40%. Однако, как только возникает необходимость реализации данных стандартов, становится понятно, что у каждого поля, у каждого заголовка есть своя важная миссия, игнорирование которой приводит к целому ряду неоднозначностей.
Если хабраобщество проявит интерес к этой теме, буду рад опубликовать ещё целый ряд статей, посвящённый теории и практике космической связи. Спасибо за внимание!
