国之重器出版工程 空间数据系统

本书梳理了空间数据系统的发展历史和背景，给出了空间数据系统的标准体系和空间数据系统的相关技术基础，系统阐述了空间数据系统分层模型中各层的组成、原理和相互关系，自上而下对模型中的应用层业务、空间网络、空间链路、同步和信道编码、射频与调制等标准和技术进行了深入的分析，并结合工程实际应用加以说明。此外，还对邻近空间链路、器载数据处理与接口和空间数据安全等辅助性的标准协议进行了分析和应用阐述。 本书可作为高等院校宇航相关专业学生的教学参考书，也可供从事宇航工程、航天器总体设计、空间数据系统设计及有关专业的科技人员参考。

赵和平，研究员，博士生导师，中国空间技术研究院科技委常委、全国军用测控标准化委员会委员、中国空间技术研究院空间数据系统咨询委员会首席代表。主要从事航天器总体、测控通信、综合电子系统、空间信息安全等方面的研究工作。入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。作为主要完成者获部级科学技术进步一等奖1项，国防科学技术二等奖1项、三等奖4项。 何熊文，研究员，空间数据系统咨询委员会航天器接口业务领域副主席，现任职于中国空间技术研究院总体部。主要从事航天器综合电子系统、空间网络、星载接口、星载嵌入式软件等方向的研究工作。作为主要完成者获授权专利9项，发表核心期刊论文10余篇。 刘崇华，研究员，现任职于中国空间技术研究院总体部，“北斗三号”卫星副总设计师。主要从事航天器总体、测控通信、综合电子系统等方向的研究工作。获部级科技进步一等奖1项，二等奖1项，三等奖5项。 强晖萍，高级工程师，现任职于中国空间技术研究院总体部，主要从事航天器测控通信等方向的研究工作。参与了我国“嫦娥三号”、“嫦娥四号”和火星探测等深空探测器的测控通信系统设计和研制工作。

第 1 章 绪论 001

1. 1 空间数据系统的产生背景和主要功能 002

1. 1. 1 空间数据系统的产生背景 002

1. 1. 2 空间数据系统的主要功能 004

1. 2 空间数据系统技术的发展和演变 006

1. 2. 1 空间数据系统的发展过程 006

1. 2. 2 以功能划分的独立设备 008

1. 2. 3 统一载波测控系统和计算机应用 011

1. 2. 4 多种数据混合传输和动态调度机制 014

1. 3 未来空间数据系统的发展趋势 016

参考文献 020

第 2 章 空间数据系统的标准体系 021

2. 1 空间数据系统标准的发展历程 022

2. 1. 1 靶场间仪器组标准 022

2. 1. 2 欧洲空间局标准 023

2. 1. 3 CCSDS 标准 024

2. 2 CCSDS 标准的建立和演变 026

2. 2. 1 计算机网络和移动通信技术的发展和标准化 026

2. 2. 2 空间技术发展的需求 027

2. 2. 3 CCSDS 的建立和早期工作 028

2. 2. 4 CCSDS 标准的重规划和新发展 030

2. 3 空间通信协议体系 037

2. 3. 1 空间通信协议功能和组成 037

2. 3. 2 应用层 038

2. 3. 3 传输层 039

2. 3. 4 网络层 039

2. 3. 5 数据链路层 041

2. 3. 6 物理层 041

2. 3. 7 空间通信协议的组合应用方式 041

2. 4 航天器内部通信协议体系 043

2. 4. 1 器内通信协议功能和组成 043

2. 4. 2 应用支持层 044

2. 4. 3 传递层 045

2. 4. 4 亚网层 046

2. 5 航天器运行管理和信息存档标准 047

2. 5. 1 地面系统组成及主要功能 047

2. 5. 2 任务操作 048

2. 5. 3 空间信息管理 050

2. 6 交互支持标准 052

2. 6. 1 交互支持的概念 052

2. 6. 2 空间链路扩展业务 054

2. 7 CCSDS 标准在空间数据系统中的应用 056

2. 7. 1 使用空间包的端到端数据传输 056

2. 7. 2 使用IP 通过CCSDS 空间链路协议的端到端路由 057

2. 7. 3 使用CFDP 协议的端到端数据传输 059

2. 7. 4 空间通信协议与航天器内部通信协议的连接 060

参考文献 062

第3 章 空间数据系统相关技术基础 064

3. 1 通信网络分层模型 065

3. 2 协议、服务和业务 070

3. 3 服务类型和服务质量 073

3. 4 交换技术 076

3. 4. 1 电路交换 076

3. 4. 2 报文交换 077

3. 4. 3 包交换 077

3. 4. 4 帧中继 078

3. 4. 5 信元交换 078

3. 4. 6 高层交换技术 079

3. 5 网络寻址和路由 080

3. 5. 1 网络地址 080

3. 5. 2 端到端数据传输过程 082

3. 5. 3 网络路由 084

3. 6 多路复用 086

3. 6. 1 经典的多路复用方法 086

3. 6. 2 动态多路复用方法 087

3. 6. 3 虚拟信道 088

3. 7 差错控制 090

3. 7. 1 停—等协议 091

3. 7. 2 回退N 协议 091

3. 7. 3 选择重传协议 092

参考文献 093

第4 章 应用层业务 094

4. 1 空间数据系统应用层的特点 095

4. 2 应用层总体架构 101

4. 2. 1 应用管理层业务 102

4. 2. 2 应用支持层业务 103

4. 2. 3 应用层数据结构 103

4. 3 遥控管理业务 107

4. 3. 1 业务信息流 107

4. 3. 2 业务支持关系 109

4. 3. 3 PUS 服务应用 109

4. 3. 4 SOIS 服务接口 113

4. 4 遥测管理业务 114

4. 4. 1 业务信息流 114

4. 4. 2 业务支持关系 115

4. 4. 3 PUS 服务应用 116

4. 4. 4 SOIS 服务接口 119

4. 5 航天器管理业务 120

4. 5. 1 业务信息流 120

4. 5. 2 业务支持关系 121

4. 5. 3 PUS 服务应用 121

4. 5. 4 SOIS 服务接口 123

4. 6 内务管理业务 124

4. 6. 1 业务信息流 124

4. 6. 2 业务支持关系 125

4. 6. 3 PUS 服务应用 125

4. 6. 4 SOIS 服务接口 127

4. 7 任务专用业务和业务功能扩展 128

4. 7. 1 数据和信息获取 128

4. 7. 2 数据处理 130

4. 7. 3 输出执行 130

4. 8 载荷数据处理业务 131

4. 8. 1 数据压缩 131

4. 8. 2 数据存储和访问 135

4. 8. 3 数据传输 136

参考文献 140

第5 章 空间网络 141

5. 1 空间网络实现机制 142

5. 1. 1 太阳系互联网络 142

5. 1. 2 SSI 下的空间网络体系结构 144

5. 1. 3 空间包传输方式的扩展 145

5. 2 容延迟网络 147

5. 2. 1 束协议(BP) 148

5. 2. 2 利克莱德传输协议(LTP) 152

5. 3 IP 通过CCSDS 链路 159

5. 3. 1 IP 通过CCSDS 空间链路的一般过程 159

5. 3. 2 服务定义 160

5. 3. 3 业务实现 162

5. 4 封装业务 164

5. 4. 1 服务定义 165

5. 4. 2 业务实现 166

5. 5 空间包的端到端传输 169

5. 5. 1 空间包协议 169

5. 5. 2 流量控制 174

5. 5. 3 动态路由 178

参考文献 180

第6 章 主空间链路 181

6. 1 概述 182

6. 2 遥控空间数据链路协议 184

6. 2. 1 协议原理及提供的服务 184

6. 2. 2 协议数据格式 192

6. 2. 3 协议应用及设计方法 197

6. 3 高级在轨系统空间数据链路协议 202

6. 3. 1 协议原理及提供的服务 202

6. 3. 2 协议数据格式 207

6. 3. 3 协议应用及设计方法 211

6. 4 遥测空间数据链路协议 215

6. 4. 1 协议原理及提供的服务 215

6. 4. 2 协议数据格式 216

6. 4. 3 协议应用及设计方法 218

6. 5 统一空间数据链路协议 219

6. 5. 1 协议原理及提供的服务 219

6. 5. 2 协议数据格式 222

参考文献 226

第7 章 同步和信道编码 227

7. 1 概述 228

7. 2 差错控制方式 230

7. 3 编码原理 233

7. 3. 1 编码的基本原理 233

7. 3. 2 编码分类 236

7. 3. 3 线性分组码 236

7. 3. 4 循环码 239

7. 3. 5 交织码 243

7. 3. 6 级联码 244

7. 4 常用编码 246

7. 4. 1 循环冗余校验码(CRC 码) 246

7. 4. 2 BCH 码 249

7. 4. 3 R S 码 252

7. 4. 4 卷积码 255

7. 4. 5 Turbo 码 259

7. 4. 6 低密度校验码LDPC 261

7. 5 遥测同步和信道编码 264

7. 5. 1 概述 264

7. 5. 2 帧校验 266

7. 5. 3 同步 266

7. 5. 4 伪随机化 268

7. 5. 5 卷积编码 269

7. 5. 6 R S 编码 271

7. 5. 7 级联码 275

7. 5. 8 Turbo 码 276

7. 5. 9 传送帧的LDPC 编码 280

7. 5. 10 同步化传送帧的LDPC 编码 283

7. 6 遥控同步和信道编码 287

7. 6. 1 概述 287

7. 6. 2 同步 288

7. 6. 3 伪随机化 289

7. 6. 4 BCH 编码 290

7. 6. 5 LDPC 编码 291

7. 6. 6 通信链路传输单元(CLTU) 293

7. 7 邻近空间链路编码和同步 296

7. 7. 1 概述 296

7. 7. 2 PLTU 和辅助序列 298

7. 7. 3 卷积编码 301

7. 7. 4 LDPC 编码 301

7. 8 信道编码比较 303

参考文献 305

第8 章 射频与调制 306

8. 1 概述 307

8. 2 频率资源及利用 308

8. 2. 1 无线电频率划分 308

8. 2. 2 频率选择与利用 311

8. 3 标准统一载波测控体制 314

8. 3. 1 基本原理 314

8. 3. 2 PCM PSK PM 调制与解调 316

8. 3. 3 射频链路设计与计算 318

8. 4 扩频统一载波测控体制 322

8. 4. 1 基本原理 322

8. 4. 2 直接序列扩频 323

8. 4. 3 扩频跳频 324

8. 4. 4 扩频体制的优势 325

8. 5 高速数据传输 326

8. 5. 1 四相相移键控 326

8. 5. 2 最小频移键控 330

8. 5. 3 网格编码调制 333

8. 6 射频测量技术 337

8. 6. 1 测距 337

8. 6. 2 测速 341

8. 6. 3 测角 342

8. 7 新技术发展及应用 345

8. 7. 1 测距数传一体化 345

8. 7. 2 正交振幅调制技术 346

8. 7. 3 激光通信技术 349

参考文献 351

第9 章 邻近空间链路 352

9. 1 邻近空间链路协议的用途和特点 353

9. 2 邻近空间链路协议模型 356

9. 3 邻近空间链路协议工作过程 358

9. 3. 1 链路和会话建立过程 358

9. 3. 2 通信改变过程 359

9. 3. 3 重同步过程 360

9. 3. 4 链路和会话终止过程 360

9. 4 邻近空间链路的数据链路层 362

9. 4. 1 提供的服务 362

9. 4. 2 分层结构 365

9. 4. 3 通信过程 370

9. 4. 4 数据格式 373

9. 5 邻近空间链路的物理层 380

9. 5. 1 概述 380

9. 5. 2 射频设备 382

9. 5. 3 通信信道属性 382

9. 5. 4 性能要求 384

参考文献 386

第 10 章 器载数据处理与接口 387

10. 1 航天器接口业务参考架构 388

10. 2 应用支持层业务的实现 392

10. 2. 1 命令与数据获取业务 392

10. 2. 2 消息传输业务 408

10. 2. 3 时间访问业务 416

10. 3 传递层业务的实现 419

10. 4 亚网层业务的实现 423

10. 4. 1 包业务 423

10. 4. 2 存储器访问业务 425

10. 4. 3 同步业务 429

10. 4. 4 设备发现业务 429

10. 4. 5 测试业务 430

10. 5 汇聚层的实现 432

10. 6 物理设备及其驱动程序 436

10. 6. 1 设备驱动程序统一接口 438

10. 6. 2 操作系统I O 框架接口 439

10. 6. 3 驱动程序实现体 440

参考文献 441

第 11 章 空间数据安全 442

11. 1 空间数据系统面临的安全威胁 443

11. 1. 1 对空间数据系统的干扰 444

11. 1. 2 对空间数据系统的入侵 444

11. 2 空间数据系统的安全需求 446

11. 2. 1 空间链路抗干扰需求 446

11. 2. 2 空间数据安全需求 448

11. 3 数据安全机制 450

11. 3. 1 机密性 450

11. 3. 2 认证 452

11. 3. 3 数据完整性 453

11. 3. 4 访问控制 453

11. 4 数据安全实施 454

11. 4. 1 数据安全机制在系统中的位置选择 454

11. 4. 2 整体加密和传输安全 454

11. 4. 3 数据链路层安全 455

11. 4. 4 网络层和空间包安全 460

11. 4. 5 应用层安全 461

11. 5 基本的数据安全算法 462

11. 5. 1 序列密码算法 462

11. 5. 2 分组密码算法 464

11. 5. 3 公开密钥密码算法 467

11. 5. 4 认证和完整性算法 468

11. 6 一种适合空间任务使用的复合加密算法 469

11. 7 密钥管理 473

11. 7. 1 密钥管理的重要性 473

11. 7. 2 密钥的产生、传送和使用 474

11. 7. 3 密钥协商协议 475

11. 8 高速数据流加密的实现 480

11. 8. 1 航天器高码速率数据加密的需求 480

11. 8. 2 加密方案的选择 481

11. 8. 3 钟控序列发生器的加速机制 482

参考文献 486

第 12 章 空间数据系统标准的综合应用 487

12. 1 概述 488

12. 2 PUS 业务与SOIS 业务的综合应用 489

12. 2. 1 PUS 在轨监视业务 489

12. 2. 2 PUS 在轨作业定时计划业务 491

12. 2. 3 PUS 设备命令分发业务 492

12. 3 航天器内部通信标准和空间通信标准的综合应用 496

12. 3. 1 场景设定 496

12. 3. 2 信息流及操作过程 497

12. 4 SOIS 业务与硬件设备的配合使用 503

12. 4. 1 智能节点访问方法 504

12. 4. 2 简单智能节点访问方法 507

12. 4. 3 非智能节点访问方法 510

12. 5 典型遥感卫星任务中的标准配置 516

参考文献 519

索引 521