基于CCSDS标准的卫星信道编码技术研究

陈翔

（广州气象卫星地面站，广州，510640）

摘要：现有卫星数据传输大都采用时分、频分多路复用体制和固定数据格式，而卫星上有多种探测仪器，大量数据需要同时向地面传输，为了提高信道传输效率和增加灵活性，必须采用国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS：Consultative Committee for Space Data System)标准分包传输[1]。本文介绍了目前CCSDS标准下的主要信道编码技术，卫星的在轨效益将会在采用CCSDS标准后大幅提高，在采用CCSDS标准后，只要在地面站统一射频频率测控站与应用站都可以进行测控，也都可以进行接收遥感数据，本国与外国的地面站也可以交互支持，这样一颗卫星可以发挥过去几颗卫星的作用,实施CCSDS标准的关键是打破测控系统与应用系统的界限，即实现AOS(高级在轨数据系统)。

关键词：数据传输 CCSDS 信道编码 AOS

前言

CCSDS标准是一种先进和成熟的数据系统体制,它实现了高效的空间数据通信，优化利用空间资源,它具有充分的开放性，使交互支持有了坚实的技术基础,它面向多用户多任务提供了高度灵活的服务,它统一了空间数据系统产品标准，扩大了国际合作的范围。CCSDS标准在国外的航天任务中已经得到广泛应用，至今采用CCSDS标准的空间任务已超过250个，包括各种不同类型的航天器。在我国,CCSDS标准的实施是一种必然趋势。

数据链路层是空间数据系统的核心层，包含了CCSDS数据链路层协议和信道编码[2]。迄今为止，CCSDS共开发了三个数据链路层协议，它们是：①分包遥测和分包遥控，适用于常规航天器的数据系统，实现的码速率中等，业务相对简单；②高级在轨数据系统，适用于大型和载人航天器，实现的码速率范围宽，业务种类多，而且具有网络接入能力，可与地面因特网互联实现空间多媒体通信；③近距空间链路，适用于互相接近的航天器之间附加的空间链路，目前主要是点对点通信。数据链路层的信道编码中开发了BCH编码、卷积码、RS码、Turbo码以及数据链路的各种数据结构，如分包遥控的命令链路传输单元CLTU、分包遥测的传送帧及近距空间链路传输单元PLOP等。

1CCSDS帧格式

CCSDS在航天器数据系统的基础上提出了拥有灵活多样的数据处理业务的高级在轨系统（Advanced Orbiting Systems，AOS）建议[3]，AOS数据传输是面向数据流的，采用协议分层结构，它的协议分层关系是基于国际标准化组织制定的开放系统互联（ISO-OSI）而设计的。

ISO-OSI标准所对应的数据链路层在CCSDS标准中被定义为两个子层，分别是数据链路协议层以及同步和信道编码层，数据链路协议层定义了传输帧及其格式，同步和信道编码层在空间链路上对传输帧提供一些必要的附加功能，包括同步传输帧、纠错编解码（可选）和加解扰（可选）。每一个传输帧包含一个同步标志以及一定格式的数据单元，按照CCSDS101.0-B-4建议书中的规定，同步标志为1ACFFC1D，该同步标志适用于传输帧不采用Turbo编码的情况下。

基于CCSDS标准的AOS的传输帧格式没有加上帧同步标志，因为加帧同步标志是在信道编码时完成的，也就是图中显示的帧组成部分是未经过编码的帧数据。其中1 Octet=8 bit，帧同步标志为十六进制“1ACFFC1D”。

传输帧主导头（Transfer Frame Primary Header）由5部分连续组成。

当传输帧主导头没有差错控制时，长度为6 Octets，否则长度为8 Octets。传输帧插入区（Transfer Frame Insert Zone）：此域可选，如果物理信道允许传输帧插入区插入数据时，那么插入区数据将存在于每一个传输帧（包括空闲帧），并且在一次特定的任务中，长度保持不变。

传输帧可选用或不选用RS纠错编码，RS编码是针对除帧同步标志外的所有数据，如果选用RS编码，那么传输帧长度与所选交织深度有关，交织深度可为1，2，3，4，5，当交织深度为5，采用RS（255, 223）编码时，帧长度最长，为10232bbits（255*8*5+32 bits）。在一次特定的任务中，帧长度选定后将保持不变，否则会影响接收系统的帧同步，导致丢失数据或接收错误数据。

2CCSDS信道编码技术

信道编码层包含的功能及其之间的逻辑关系如下：首先，卫星从数据链路层读取一帧数据，即将打包后的数据再切成帧数据，然后对数据进行处理，最后送入物理层发送，除了加同步字是必须的，其它功能根据系统需求进行选择。

1) RS纠错编码和Turbo纠错编码

信息在有干扰的信道传输时，难免发生差错，为了提高信息传输的可靠性，一般需要采用纠错码来提高系统的抗干扰能力[4]。CCSDS建议了两种比较常用的纠错编码方式，一种是RS纠错编码，另一种是Turbo纠错编码,RS纠错编码具有很强的纠正随机错误和突发错误能力，在众多通信系统、深太空以及存储系统得到广泛应用。从1987年开始，CCSDS不仅将RS（255, 223）码作为常规在轨系统（COS）分包遥测信道编码的标准，也将它作为高级在轨系统(AOS)前向和反向纠错编码标准，它对实现信道纠错以及低差错率传输起着非常重要的作用。Turbo纠错码的译码要采用迭代的过程，而且算法本身比较复杂，导致其译码复杂。

2) 交织

在高频信道下，突发错误和随机错误都可能存在，突发性干扰的分布具有很强的相关性，容易造成连续成片的错误，误码个数一旦超出纠错码的纠错范围，就会造成误码。为了克服连续成片的错误带来的纠错困难，在数字通信中通常采用交织器，将数据按照一定的规则打乱，这样，即使在传输过程中发生成片错误，接收端通过解交织器恢复数据时，差错也分散到了不同位置。交织器将连续成片的错误分散后的误码个数落在纠错码的纠错范围内，这样能提高系统抗突发差错能力和降低译码的复杂度，因此交织器应用广泛。

3总结与展望

通过研究分析CCSDS标准的卫星信道编码技术，介绍了CCSDS标准及传输帧格式，分析基于CCSDS标准的卫星信道编码技术，着重讲述了RS编码、交织及加扰的原理。CCSDS对卫星数据经过所有物理层、链路层、网络层和应用层都给出了基本的标准规范，虽然具体核心技术还需要自主研制，但CCSDS在所有标准协议中给出了较为明确的参考，对算法、密钥位要求、数据格式等都有基础示例，可根据其规范进行修改，完成对卫星数据的接收。

参考文献

[1] 杨奕飞, 丛波, 李强. 2007. CCSDS标准在新一代航天测控系统中的应用研究[J]. 电视技术. 47(6): 166~168

[2]余波. 2005. 符合CCSD标准的复苏基变换域RS（255, 223）译码算法研究及其实现[J] 成都: 电子科技大学图书馆

[3]李玮. 2009. 基于CCSDS标准的帧同步算法研究及其FPGA实现[J]. 成都: 西南交通大学图书馆

[4]左键存, 宋文涛. 2002. Turbo码综合性能分析与Turbo编码调制[J]. 通信技术. (2): 18~20

作者简介：陈翔（1978.10）男，汉族，广州，硕士研究生学历，高级工程师，从事工作：气象卫星地面应用系统。