中國首份CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書編制及應(yīng)用

何熊文 詹盼盼 徐明偉 顧明 程博文 齊征 閻冬 朱劍冰 楊麗君

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084)

未來空間任務(wù)的發(fā)展對(duì)航天器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化提出了更高的要求，航天器需要具備器地、器間、器內(nèi)一體化組網(wǎng)的能力，并為用戶提供更多更好的智能化服務(wù)。這些需求導(dǎo)致航天器軟件的功能大幅增加，其復(fù)雜度大幅提升，需要開發(fā)與之配套的航天器通用軟件體系結(jié)構(gòu)以降低復(fù)雜度，提升重用率和提高開發(fā)效率。

以國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)、歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化組織(ECSS)為主的國際空間標(biāo)準(zhǔn)化組織，在空間網(wǎng)絡(luò)器內(nèi)、器間、器地通信過程的標(biāo)準(zhǔn)化方面做了大量的工作，力求提高航天器的組網(wǎng)通信能力。同時(shí)，地面互聯(lián)網(wǎng)工程指導(dǎo)組(IETF)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也開始應(yīng)用于空間。與組網(wǎng)通信相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議涉及到幾十種，其層次劃分結(jié)構(gòu)、相關(guān)接口并不統(tǒng)一，如何融合形成統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，已成為一個(gè)世界性難題，為此，CCSDS設(shè)立了專門的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)工作組，至今仍在開展研究。在與協(xié)議配套的航天器軟件體系結(jié)構(gòu)方面，由于與航天器需求、接口和協(xié)議、硬件息息相關(guān)，長期處于定制開發(fā)狀態(tài)，目前尚缺乏很完備的統(tǒng)一可重用軟件體系結(jié)構(gòu)，NASA和ESA均為此作了大量的努力，但仍未從根本上解決問題。NASA和ESA于2015年在CCSDS立項(xiàng)了2份空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)橘皮書(即試驗(yàn)性規(guī)范)：①NASA主導(dǎo)的橘皮書《作為CCSDS星載參考體系結(jié)構(gòu)的NASA cFS飛行軟件》，目前仍處于編寫階段，尚未有初稿；②ESA主導(dǎo)的橘皮書《作為CCSDS星載參考體系結(jié)構(gòu)的ESA SAVIOR飛行軟件》，由于沒有完成工程實(shí)現(xiàn)最終放棄。

20世紀(jì)80年代以來，中國開始對(duì)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書進(jìn)行了一系列的研究，并積極參與CCSDS相關(guān)工作。中國空間技術(shù)研究院(CAST)、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心(NSSC)和北京跟蹤與通信技術(shù)研究所作為CCSDS觀察員組織，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)開展了大量研究，并在所研制航天器系統(tǒng)中推廣應(yīng)用；清華大學(xué)、南京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也積極開展CCSDS標(biāo)準(zhǔn)研究工作。其中，CAST在空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)方面開展了長期的研究、技術(shù)攻關(guān)和驗(yàn)證工作，于2015年在CCSDS工作組會(huì)議上進(jìn)行報(bào)告后引起國際高度關(guān)注，并受邀制定中國首份CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書(橘皮書)——《作為CCSDS星載參考體系結(jié)構(gòu)的CAST飛行軟件》[1]。該項(xiàng)橘皮書的編制歷時(shí)6年，在2016年提交初稿后經(jīng)過工作組多次討論、CCSDS工程指導(dǎo)組(CESG)投票、CCSDS管理委員會(huì)(CMC)投票等過程，在2021年11月正式發(fā)布。為了能夠?yàn)橹袊嚓P(guān)專家后續(xù)編寫CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書提供參考，本文總結(jié)了該CCSDS橘皮書編制及應(yīng)用情況，并給出編制的啟示。

1 CCSDS橘皮書編制

1.1 橘皮書編制背景

CCSDS成立于1982年，是國際上最權(quán)威的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)，其制定了400余份標(biāo)準(zhǔn)建議書，已在全世界超過1000個(gè)航天器中應(yīng)用。CCSDS的研究范疇包含空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)業(yè)務(wù)(SIS)、空間鏈路業(yè)務(wù)(SLS)、航天器接口業(yè)務(wù)(SOIS)、任務(wù)操作和信息管理業(yè)務(wù)(MOIMS)、交互支持業(yè)務(wù)(CSS)、系統(tǒng)工程(SE)共6個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，如圖1所示[2]。其研究的成果主要以標(biāo)準(zhǔn)建議書的形式呈現(xiàn)，具體包括白皮書(原始草稿)、紅皮書(評(píng)審稿)、藍(lán)皮書(推薦標(biāo)準(zhǔn))、綠皮書(原理性說明等)、黃皮書(記錄文件)、紫皮書(推薦實(shí)踐稿)、橘皮書(試驗(yàn)規(guī)范)、銀皮書(過時(shí)文件)等。

圖1 CCSDS技術(shù)領(lǐng)域

由于各領(lǐng)域獨(dú)立開展工作，其制定的標(biāo)準(zhǔn)建議書相互之間可能會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的情況，需要SE領(lǐng)域進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。目前，SE領(lǐng)域正在制定空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以理清各領(lǐng)域之間的關(guān)系，尤其是SOIS領(lǐng)域與MOIMS領(lǐng)域、SLS領(lǐng)域、SIS領(lǐng)域的接口關(guān)系。在上述背景下，中國的CCSDS橘皮書重點(diǎn)說明SOIS領(lǐng)域與SLS領(lǐng)域和SIS領(lǐng)域各業(yè)務(wù)及協(xié)議之間的接口關(guān)系，以及在工程中如何與實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用相結(jié)合。

1.2 橘皮書主導(dǎo)思想及原則

編制一份CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書，不同于編寫通常的技術(shù)報(bào)告文檔。橘皮書作為國際組織的實(shí)踐指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，偏重于提供協(xié)議和業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、應(yīng)用情況，但并不是直接羅列相關(guān)業(yè)務(wù)、協(xié)議的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具體方案或研制流程。編制橘皮書的指導(dǎo)思想和期望目標(biāo)，是通過總結(jié)實(shí)踐過程和經(jīng)驗(yàn)給出一種成功的實(shí)施實(shí)例，更進(jìn)一步分析、驗(yàn)證CCSDS相關(guān)業(yè)務(wù)和協(xié)議體系的合理性、必要性、有效性、可操作性及應(yīng)用價(jià)值；提出業(yè)務(wù)之間的關(guān)系和接口設(shè)計(jì)，以及在實(shí)際系統(tǒng)、設(shè)備中落實(shí)方法等核心關(guān)鍵，以起到指導(dǎo)CCSDS相關(guān)領(lǐng)域深化演進(jìn)和工程實(shí)踐、解答專業(yè)難點(diǎn)的作用。

經(jīng)過反復(fù)研究、討論、提煉，編制組最終確定以下編制原則和方法。①對(duì)體系結(jié)構(gòu)清晰簡明展示，給出整體、直觀、結(jié)構(gòu)化的介紹，而不過多描述內(nèi)部設(shè)計(jì)和研制過程。②對(duì)核心關(guān)鍵問題重點(diǎn)分析說明，突出關(guān)鍵機(jī)制和核心關(guān)系，解釋清楚技術(shù)路線和難點(diǎn)解決方法。③以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的典型示例，使標(biāo)準(zhǔn)建議書使用者既容易理解體系結(jié)構(gòu)的工作原理，又方便理解工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用方法。在上述編制原則指導(dǎo)下，最終確定了橘皮書前述的主要內(nèi)容，即重點(diǎn)說明SOIS領(lǐng)域與其他領(lǐng)域之間的關(guān)系、SOIS領(lǐng)域各業(yè)務(wù)之間的關(guān)系、與硬件設(shè)備的關(guān)系這3個(gè)核心關(guān)系問題。

1.3 橘皮書章節(jié)結(jié)構(gòu)

橘皮書的章節(jié)結(jié)構(gòu)，既符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書體例，又體現(xiàn)了編制指導(dǎo)思想，重點(diǎn)突出核心關(guān)鍵。正文共分為7個(gè)部分，分別為：①介紹。包括目的、范圍、術(shù)語，結(jié)構(gòu)說明、參考文獻(xiàn)。②CAST飛行軟件體系結(jié)構(gòu)概述。對(duì)背景、基本分層結(jié)構(gòu)和接口進(jìn)行整體說明。③業(yè)務(wù)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的選擇與整合。說明該體系結(jié)構(gòu)中選擇和整合的標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)，包括需求與組合關(guān)系，以及SOIS與包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS)、SIS協(xié)議、SLS協(xié)議的關(guān)系。④SOIS各業(yè)務(wù)之間的聯(lián)系。提出命名機(jī)制和主要業(yè)務(wù)關(guān)系及尋址機(jī)制，建立各層業(yè)務(wù)及協(xié)議之間的關(guān)聯(lián)。這部分是本橘皮書的關(guān)鍵內(nèi)容。⑤SOIS與硬件間的接口。對(duì)綜合電子系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)對(duì)象進(jìn)行分析，分別說明智能節(jié)點(diǎn)、簡單智能節(jié)點(diǎn)、非智能節(jié)點(diǎn)的訪問方法。⑥SOIS電子數(shù)據(jù)表單(SEDS)的應(yīng)用。說明SEDS在體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，并提供典型示例。⑦應(yīng)用業(yè)務(wù)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)帶來的好處。介紹試驗(yàn)驗(yàn)證情況，總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)化、靈活性、擴(kuò)展性和可靠性方面的提升效果。另外，附錄包括CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書原語實(shí)現(xiàn)的過程和方法實(shí)例、縮略語、SEDS描述參數(shù)和SEDS描述接口。

1.4 橘皮書核心內(nèi)容

橘皮書核心內(nèi)容為CAST飛行軟件業(yè)務(wù)和協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，以及與它們配套的軟件體系結(jié)構(gòu)“伏羲”。其中，業(yè)務(wù)和協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。該體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過對(duì)多領(lǐng)域航天器綜合電子系統(tǒng)需求進(jìn)行綜合分析，對(duì)CCSDS和ECSS等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行選擇后給出的，其關(guān)鍵在于各不同領(lǐng)域不同業(yè)務(wù)和協(xié)議之間如何進(jìn)行交互，其命名和編址機(jī)制如何設(shè)計(jì)等。

注：UDP為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議；IPoC為IP通過CCSDS；AOS為高級(jí)在軌系統(tǒng)；COP-1為命令操作規(guī)程-1；DS為串行數(shù)字量；ML為存儲(chǔ)器加載。

與業(yè)務(wù)和協(xié)議體系結(jié)構(gòu)配套的軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

(1)分層。通過分層，將復(fù)雜問題分解到具體的層次中處理，使之簡單化。建立一個(gè)分層的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)各層的業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。這樣，一方面屏蔽底層硬件接口和協(xié)議變化帶來的影響，使得單層的變化不影響其他層，并支持技術(shù)的升級(jí)換代；另一方面，將一些通用的功能采用標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，以提高軟件的可重用性。

(2)操作系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化和驅(qū)動(dòng)程序統(tǒng)一框架。為了支持不同操作系統(tǒng)的更換，CAST飛行軟件體系結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)化的操作系統(tǒng)接口，制定設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架，支持綜合電子系統(tǒng)各種不同設(shè)備類型接口的驅(qū)動(dòng)，并具備可擴(kuò)展能力，使得軟件能適應(yīng)不同的設(shè)備控制需求。

(3)統(tǒng)一的信息傳輸機(jī)制?；贑CSDS，ECSS，IETF部分協(xié)議建立統(tǒng)一的信息傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)器地、器內(nèi)、器間通信一體化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，支持協(xié)議的變更和升級(jí)，支持上層應(yīng)用的靈活信息傳輸。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件及構(gòu)件接口。定義標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件及構(gòu)件接口，將標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)及協(xié)議采用軟件構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，使得新任務(wù)軟件的開發(fā)可以通過組裝標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件及任務(wù)特殊需求構(gòu)件達(dá)到軟件快速開發(fā)的目的，從而縮短軟件研制周期。在業(yè)務(wù)及協(xié)議構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮不同項(xiàng)目的不同需求，盡量將項(xiàng)目的共性需求抽象出來，并識(shí)別項(xiàng)目的個(gè)性需求，采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)將其隔離，提高軟件構(gòu)件的靈活性和可重用性。

設(shè)計(jì)完成的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：API為應(yīng)用程序編程接口；BSP為板級(jí)支持包；CPU為中央處理單元；ROM為只讀存儲(chǔ)器；RAM為隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器；AN為模擬量；ONOFF為開關(guān)命令；TTE為時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)。

2 CCSDS橘皮書應(yīng)用

2.1 橘皮書應(yīng)用情況

橘皮書中提出的體系結(jié)構(gòu)目前已開始在遙感、載人、導(dǎo)航等領(lǐng)域中應(yīng)用。在某遙感衛(wèi)星中，經(jīng)需求分析，通過CCSDS和ECSS等標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)及協(xié)議的選型，確定本衛(wèi)星采用哪些業(yè)務(wù)和協(xié)議，形成適合本衛(wèi)星的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，將體系結(jié)構(gòu)中標(biāo)準(zhǔn)化的軟件構(gòu)件功能對(duì)標(biāo)該衛(wèi)星的遙控、遙測(cè)、校時(shí)、總線、熱控、能源等功能需求和特定的自主任務(wù)管理等需求，對(duì)CAST飛行軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪、組裝和適配，形成符合本衛(wèi)星需求的軟件體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步明確了需要根據(jù)衛(wèi)星特點(diǎn)進(jìn)行額外定制開發(fā)的軟件構(gòu)件。軟件體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用過程為：以分層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在亞網(wǎng)層-空間子網(wǎng)，選用AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議[3]、遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議[4]構(gòu)件滿足上行幀解析和下行幀組裝調(diào)度的需求；在亞網(wǎng)層-星載子網(wǎng)，選用包業(yè)務(wù)[5]構(gòu)件、存儲(chǔ)器訪問業(yè)務(wù)[6]構(gòu)件、同步業(yè)務(wù)[7]構(gòu)件，定制開發(fā)內(nèi)總線和CAN總線鏈路協(xié)議構(gòu)件及驅(qū)動(dòng)，以滿足飛行軟件與航天器內(nèi)其他設(shè)備通信的需求；在傳遞層，選用空間包協(xié)議[8]滿足空間包路由轉(zhuǎn)發(fā)的需求；在應(yīng)用支持層，選用消息傳輸業(yè)務(wù)[9]、命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)[10-12]、時(shí)間訪問業(yè)務(wù)[13]和ESA制定的PUS[14]業(yè)務(wù)等軟件構(gòu)件滿足空間包的協(xié)議跨層傳輸、航天器內(nèi)指令分發(fā)、數(shù)據(jù)采集和時(shí)間訪問的需求；在應(yīng)用管理層，選用遙控、遙測(cè)、熱控和能源等管理業(yè)務(wù)滿足用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)的處理需求。與此同時(shí)，通過選用PUS業(yè)務(wù)軟件構(gòu)件和定制開發(fā)自主任務(wù)管理構(gòu)件，滿足衛(wèi)星自主任務(wù)管理的需求。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，遙感衛(wèi)星中一共選用了33個(gè)業(yè)務(wù)及協(xié)議軟件構(gòu)件進(jìn)行配置，定制開發(fā)了7個(gè)軟件構(gòu)件，軟件代碼重復(fù)利用率達(dá)到70%(大部分功能均通過軟件體系結(jié)構(gòu)已有構(gòu)件進(jìn)行配置完成)。此外，在標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)、協(xié)議、接口支持下，實(shí)現(xiàn)了軟件體系結(jié)構(gòu)對(duì)本衛(wèi)星軟件的通用支持和從傳統(tǒng)軟件開發(fā)模式向基于軟件體系結(jié)構(gòu)和軟件構(gòu)件的組裝開發(fā)模式的轉(zhuǎn)變。

除了在遙感領(lǐng)域的成功應(yīng)用之外，在載人、導(dǎo)航等領(lǐng)域的航天器中也開始了橘皮書體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)了協(xié)議體系和軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中繼承和延續(xù)了CCSDS橘皮書中的設(shè)計(jì)理念和方法，使用CCSDS，ECSS，IETF相融合的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行選擇和優(yōu)化，以軟件構(gòu)件的形式實(shí)現(xiàn)相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，再通過高效的軟件構(gòu)件之間的接口完成數(shù)據(jù)信息和控制信息的傳輸交互。

2.2 后續(xù)推廣應(yīng)用

橘皮書體系結(jié)構(gòu)通過在層次化的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)，構(gòu)建了航天器綜合電子系統(tǒng)通用的軟件框架和基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)。在標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)、協(xié)議、接口關(guān)系支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器飛行軟件的通用支持，可應(yīng)用于未來大多數(shù)航天器，為智能化和網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用提供支撐。該體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能夠避免大量重復(fù)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試工作，在便利地滿足空間任務(wù)需求的同時(shí)有效降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

由于應(yīng)用了CCSDS的大量業(yè)務(wù)和協(xié)議并將其采用軟件構(gòu)件的方式予以實(shí)現(xiàn)，飛行軟件的整個(gè)開發(fā)模式將發(fā)生根本性的變革，從傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)化為基于軟件體系結(jié)構(gòu)和軟件構(gòu)件的組裝開發(fā)模式，大幅提高軟件開發(fā)效率，提升軟件的可靠性。后續(xù)推廣應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。重點(diǎn)根據(jù)不同航天器在協(xié)議、總線、業(yè)務(wù)、硬件配置方面的特殊需求，從橘皮書中推薦的業(yè)務(wù)和協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中選擇所需的業(yè)務(wù)及協(xié)議，并且按需進(jìn)行參數(shù)配置，必要時(shí)提出航天器專用的業(yè)務(wù)及協(xié)議。該階段由于使用了CCSDS的業(yè)務(wù)和協(xié)議，可減少通用功能的設(shè)計(jì)活動(dòng)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更聚焦于特殊需求相關(guān)的內(nèi)容。

(2)軟件研制階段?；陂倨岢龅能浖w系結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)開發(fā)及使用過程中，主要的工作從軟件程序的設(shè)計(jì)、更改轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)構(gòu)件參數(shù)的設(shè)計(jì)和配置。每項(xiàng)CCSDS業(yè)務(wù)都包含大量對(duì)屬性和運(yùn)行規(guī)則的描述參數(shù)。在全局命名規(guī)則的統(tǒng)一設(shè)定下，根據(jù)飛行軟件的功能需求、硬件環(huán)境和設(shè)備與用戶對(duì)象等的屬性和要求，對(duì)各項(xiàng)通用軟件構(gòu)件及專用軟件構(gòu)件進(jìn)行組裝和配置初始化參數(shù)，并在軟件構(gòu)件組裝及仿真驗(yàn)證工具的支持下，對(duì)系統(tǒng)的信息流、性能進(jìn)行仿真，必要時(shí)修改構(gòu)件的參數(shù)配置及連接關(guān)系。由于設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)化的體系結(jié)構(gòu)，用戶重點(diǎn)關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)軟件構(gòu)件的參數(shù)配置及組裝，而無需進(jìn)行重復(fù)的軟件設(shè)計(jì)，通過分層及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)和協(xié)議的重復(fù)使用，還可降低系統(tǒng)驗(yàn)證的復(fù)雜度，并持續(xù)提升可靠性。此外，由于已經(jīng)將CCSDS標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)和協(xié)議通過軟件構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，且其能通過組合滿足不同的需求，因此用戶可以重復(fù)使用已有的軟件構(gòu)件，只需要開發(fā)航天器特殊需求相關(guān)的少量軟件構(gòu)件即可。

(3)軟件測(cè)試階段?？梢詮?fù)用橘皮書所提構(gòu)件對(duì)應(yīng)的測(cè)試用例，只需要設(shè)計(jì)航天器特殊需求對(duì)應(yīng)的測(cè)試用例即可，而且繼承復(fù)用的軟件構(gòu)件內(nèi)部測(cè)試項(xiàng)目可以不重復(fù)進(jìn)行，測(cè)試工作量大為減少。

(4)軟件維護(hù)階段。由于采用了分層的體系結(jié)構(gòu)，不同層應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)、協(xié)議，當(dāng)需要更換某一種業(yè)務(wù)或協(xié)議時(shí)，只需要將其對(duì)應(yīng)的軟件構(gòu)件進(jìn)行替換即可，對(duì)其他層不會(huì)造成影響，從而可以方便地對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)維護(hù)。

3 CCSDS橘皮書編制啟示

3.1 長時(shí)間的技術(shù)攻關(guān)和積累是基礎(chǔ)

中國首份CCSDS橘皮書是CAST總體設(shè)計(jì)部項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān)多年后總結(jié)形成的成果。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了空間和星內(nèi)一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，以及與之配套的靈活而統(tǒng)一的全新飛行軟件體系結(jié)構(gòu)“伏羲”，研究并實(shí)現(xiàn)了42種業(yè)務(wù)和協(xié)議軟件構(gòu)件，為編制CCSDS國際標(biāo)準(zhǔn)奠定了深厚的技術(shù)基礎(chǔ)。

橘皮書對(duì)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)以及軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，彌補(bǔ)了原有CCSDS SOIS參考體系結(jié)構(gòu)的缺陷，解決了CCSDS各領(lǐng)域間各層難以接通和融合的工程化應(yīng)用問題，整合了空間通信與星載通信的國際國內(nèi)先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，通過采用統(tǒng)一的星載網(wǎng)絡(luò)對(duì)象尋址命名機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)化通信接口、通用通信服務(wù)機(jī)制等技術(shù)方法，建立了支持天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)機(jī)制，為航天器智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供了重要技術(shù)支撐。

3.2 積極參與國際組織會(huì)議并展示成果

20世紀(jì)80年代末CAST的總體設(shè)計(jì)部部分專家開始接觸CCSDS，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)逐步開始學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了大量的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)。例如：CAST已在大部分航天器中應(yīng)用了AOS、遙控和空間包協(xié)議(SPP)等協(xié)議，在火星環(huán)繞器和火星車之間應(yīng)用了鄰近空間鏈路協(xié)議(Proximity-1)，在載人航天器中應(yīng)用了IPoC[15]。在應(yīng)用過程中逐漸從與國際同行的跟跑到并駕齊驅(qū)，甚至部分研究成果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)反超。例如：團(tuán)隊(duì)整合了CCSDS定義的遙控、AOS、SOIS、SPP、AMS[16]，以及ESA制定的PUS、時(shí)分復(fù)用1553B總線協(xié)議、UDP/IP、IPoC、TTE[17]等多種航天器協(xié)議，建立了統(tǒng)一空間子網(wǎng)與星載子網(wǎng)的分層次信息服務(wù)機(jī)制及協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，在國際上率先提出了SOIS的完整合理的工程實(shí)現(xiàn)方法，解決了CCSDS目前尚未解決的其他標(biāo)準(zhǔn)與SOIS接口、SOIS各業(yè)務(wù)間接口、SOIS與硬件接口等難題。

航天強(qiáng)國的實(shí)現(xiàn)并不只是在于自己閉門造車搞研究提升技術(shù)水平，也在于在國際航天業(yè)內(nèi)的影響力和話語權(quán)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)深知這一點(diǎn)，從2015年起，團(tuán)隊(duì)多位核心成員通過電話會(huì)議和現(xiàn)場(chǎng)參會(huì)探討等方式廣泛深入?yún)⑴cCCSDS等國際組織的技術(shù)研討，在保護(hù)核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上，將協(xié)議體系結(jié)構(gòu)及軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和理念與國際同行進(jìn)行深入交流。中國航天工作者深入的專業(yè)研究和敬業(yè)的工作精神得到了國際同行的高度認(rèn)可。

3.3 在國際標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)亮點(diǎn)工作和主張

從研究工作成果和經(jīng)驗(yàn)提煉轉(zhuǎn)化為國際標(biāo)準(zhǔn)，需要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的類型特點(diǎn)和任務(wù)要求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的作用和目的有自己的分析和定位，形成明確的指導(dǎo)思想和編制原則。所編制標(biāo)準(zhǔn)能否達(dá)到預(yù)期的價(jià)值和效果，關(guān)鍵在于對(duì)已有技術(shù)攻關(guān)成果經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)提煉，明確在標(biāo)準(zhǔn)中需要展示表達(dá)的核心內(nèi)容和技術(shù)脈絡(luò)。一方面，需要圍繞本技術(shù)領(lǐng)域的核心重點(diǎn)、困惑難點(diǎn)梳理具有共性、需要指導(dǎo)、可標(biāo)準(zhǔn)化的問題及解決方法；另一方面，從自身工作中提煉關(guān)鍵、具有特色、可供指導(dǎo)借鑒的技術(shù)內(nèi)容，在設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)框架下針對(duì)性介紹。此外，還要注意符合保密要求。在橘皮書的編制中，經(jīng)過深入研究和反復(fù)論證，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了明確的大綱和方案，針對(duì)業(yè)界關(guān)注的各標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)接口問題，抓住關(guān)鍵難點(diǎn)，重點(diǎn)說明SOIS與其他業(yè)務(wù)之間關(guān)系、SOIS各業(yè)務(wù)之間的關(guān)系、與硬件設(shè)備的關(guān)系這3個(gè)核心問題，從而取得了較好的效果。

CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議書的編制過程相對(duì)較長，從意向提出到正式發(fā)布往往要持續(xù)數(shù)年。在橘皮書的編制過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)持續(xù)深化研究工作，積極與國際同行交流并表達(dá)自己主張，在SOIS領(lǐng)域工作與標(biāo)準(zhǔn)建議書編制之間形成良性互動(dòng)，不但推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展，而且在國際上提出中國的建議，進(jìn)一步提升了地位和話語權(quán)。

3.4 確保橘皮書的質(zhì)量

橘皮書的形成，歷經(jīng)大綱討論、項(xiàng)目立項(xiàng)、人員選擇、內(nèi)容編寫、中英翻譯、國內(nèi)專家評(píng)審把關(guān)、CCSDS工作組評(píng)審把關(guān)、CCSDS首席編輯把關(guān)、CCSDS CESG和CMC審查等過程。確保標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量貫穿于以上每個(gè)環(huán)節(jié)，以下對(duì)幾個(gè)重要的方面進(jìn)行說明。

(1)立項(xiàng)時(shí)機(jī)成熟，項(xiàng)目論證充分。橘皮書立項(xiàng)時(shí)，該參考體系結(jié)構(gòu)已由項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)5年，并研制完成了原理樣機(jī)，因此立項(xiàng)時(shí)充分討論了該橘皮書的必要性、可行性、用途、技術(shù)領(lǐng)域范圍、技術(shù)成熟度及相關(guān)性。

(2)重視標(biāo)準(zhǔn)編制，人員嚴(yán)細(xì)選擇。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)均為資深飛行軟件研發(fā)人員，具備豐富的專業(yè)知識(shí)、工程經(jīng)驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)編制經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)曾分別編制我國國標(biāo)、國軍標(biāo)等并悉知相關(guān)法規(guī)文件規(guī)定。

(3)嚴(yán)格審查把關(guān)，落實(shí)審查意見。橘皮書從立項(xiàng)到發(fā)布經(jīng)過多次CCSDS工作組研討、國內(nèi)專家(中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所組織)等嚴(yán)格把關(guān)審查，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容、格式、技術(shù)問題依據(jù)、完整性、協(xié)調(diào)性、英文的準(zhǔn)確性等進(jìn)行認(rèn)真、嚴(yán)格、充分的審查，并對(duì)匯總意見處理進(jìn)行了重點(diǎn)審查。

4 結(jié)束語

中國首份CCSDS橘皮書的編制過程雖然艱辛，但最終在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的共同努力下得以正式發(fā)布。這也標(biāo)志著中國在CCSDS的角色由觀察者向標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)制定者轉(zhuǎn)變邁出了關(guān)鍵性的一步。以該CCSDS橘皮書的發(fā)布為契機(jī)，后續(xù)可在航天器中進(jìn)一步推廣應(yīng)用橘皮書中的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)，提升航天器的功能性能，推動(dòng)不同領(lǐng)域航天器互聯(lián)互通以提升整體應(yīng)用效能。另外，可針對(duì)CCSDS SOIS領(lǐng)域目前已有建議書的不足，進(jìn)一步主導(dǎo)制定新的或者修訂已有的標(biāo)準(zhǔn)建議書。

致謝

橘皮書的編制得到了中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部趙和平研究員、譚維熾研究員、劉崇華研究員、郭堅(jiān)研究員、孫勇研究員在技術(shù)上的指導(dǎo)和支持，得到了北京跟蹤與通信技術(shù)研究所陳運(yùn)軍研究員、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心黃永輝研究員和呂良慶研究員在編制內(nèi)容上的建議，得到了中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部刁偉明老師、中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所周玉霞研究員在標(biāo)準(zhǔn)化方面的支持，在此一并表示感謝。