0 引言

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)是無人機遙控,、遙測以及信息傳輸過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),，無人機將平臺上的各類偵察載荷、任務(wù)系統(tǒng)有機地聯(lián)系在一起,，通過測控系統(tǒng)視距,、超視距鏈路實現(xiàn)空間與地面的信息共享；隨著無人機在軍事,、民用領(lǐng)域大量使用,，執(zhí)行任務(wù)的多樣化，空地間交互操作更加頻繁,，傳統(tǒng)測控系統(tǒng)中采用點到點的傳輸方式很難滿足當前及未來使用的需要,，已成為制約無人機應(yīng)用效能發(fā)揮的瓶頸。

    當前空間通信的發(fā)展趨勢是與地面網(wǎng)融合,，建立天地一體化的信息傳輸系統(tǒng),，實現(xiàn)各類航空器與地面測控、通信網(wǎng)的無縫連接,；將航空器數(shù)據(jù)信息通過測控鏈路送達地面控制中心,，再經(jīng)由地面網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至用戶的傳統(tǒng)使用模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楹娇掌髋c地面網(wǎng)絡(luò)任一用戶間進行端到端的通信模式^[1],。

    目前地面測控、通信網(wǎng)普遍采用TCP/IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)的傳輸標準,，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的標準化是實現(xiàn)天/地基測控網(wǎng)一體化的核心,，由于體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的差異給天地一體化信息傳輸帶來了諸多障礙。

    為適應(yīng)地面以太網(wǎng)的快速發(fā)展,，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems,，CCSDS)在空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)高級在軌系統(tǒng)(Advanced Orbiting Systems，AOS)建議書的基礎(chǔ)上,，針對地空間通信協(xié)議進行了多次修改和升級,， 2012年9月CCSDS發(fā)布了702.1-B-1藍皮書及相關(guān)文本，為航空器和地面系統(tǒng)中實現(xiàn)通過CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議攜帶IP數(shù)據(jù)建立了實踐規(guī)范,。

    針對無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點利用CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范來實現(xiàn)空地間端到端IP數(shù)據(jù)交換是本文研究的重點,。

1 CCSDS協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

1.1 CCSDS空間通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

    CCSDS空間通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)自下而上包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,、網(wǎng)絡(luò)層,、運輸層和應(yīng)用層,。其中，每一層又包括若干個可供組合的協(xié)議^[2],。

    (1)物理層

    物理層標準包括兩部分：無線射頻和調(diào)制系統(tǒng),、Proximity-1。

    (2)數(shù)據(jù)鏈路層

    數(shù)據(jù)鏈路層定義了數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層和同步與信道編碼子層,。

    數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層包含以下四種協(xié)議：TM空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議,、TC空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議以及Prox-1空間鏈路協(xié)議,；同步與信道編碼子層規(guī)定了在空間鏈路上傳送數(shù)據(jù)幀的同步與信道編碼方法,。

    (3)網(wǎng)絡(luò)層

    網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的路由功能，包括：空間分組協(xié)議SPP和SCPS-NP,，對以太網(wǎng)IPv4,、IPv6分組數(shù)據(jù)進行封裝后也可使用空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議傳輸，與SPP,、SCPS-NP可復(fù)用或獨用空間數(shù)據(jù)鏈路,。

    (4)傳輸層

    傳輸層SCPS-TP協(xié)議，向空間通信用戶提供端到端傳輸服務(wù),；以太網(wǎng)TCP,、UDP協(xié)議可基于網(wǎng)絡(luò)層SCPS-NP、IPv4 或IPv6,。

    (5)應(yīng)用層

    應(yīng)用層協(xié)議向用戶提供端到端應(yīng)用服務(wù),。

1.2 CCSDS鏈路層協(xié)議IP數(shù)據(jù)報封裝建議

    IP over CCSDS是指在CCSDS空間鏈路層協(xié)議基礎(chǔ)上實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的傳輸，CCSDS在已發(fā)布的版本中提出了三種封裝方式建議^[3]：

    (1)直接幀封裝方式,，即將IP數(shù)據(jù)包直接放在CCSDS鏈路層AOS幀中傳輸,；

    (2)CCSDS數(shù)據(jù)封裝服務(wù)，這一建議使用了CCSDS封裝（ENCAP）業(yè)務(wù),；

    (3)用戶自定義的串行流封裝,。

    CCSDS鏈路層協(xié)議IP數(shù)據(jù)封裝建議如圖1所示。

    其中,，直接封裝方式由于不具備可操作性,，在正式版本藍皮書中已被去除。

    CCSDS數(shù)據(jù)封裝服務(wù)方式需將IP數(shù)據(jù)進行拆分,、封裝,，恢復(fù)和組裝；優(yōu)點是處理靈活,，但對處理器資源需求較大,，并且由于IP數(shù)據(jù)長度的不固定性、到達時間的隨機性，CCSDS數(shù)據(jù)的成幀時延閾值設(shè)置不合理極易導(dǎo)致成幀時間發(fā)生抖動,，帶來額外的處理時延^[4],，并且由于填充數(shù)據(jù)的加入時機不恰當容易對鏈路帶寬帶來影響。

    用戶自定義串行流封裝方式以數(shù)據(jù)流的形式來傳輸IP數(shù)據(jù),，需選擇一個具備快速定界,、同步、恢復(fù)的算法對數(shù)據(jù)流中IP數(shù)據(jù)進行同步與恢復(fù),，優(yōu)點是可使用可編程邏輯器件來高效地實現(xiàn),。

2 無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點

    與大型航空器測控與信息傳輸系統(tǒng)相比，除鏈路傳輸時延長,、空間誤碼率高等類似特點外,，無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)還具有以下一些特點：

    (1)IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)處理能力有限

    由于無人機設(shè)備艙體積有限以及設(shè)備小型化，低功耗的要求,，對測控與信息傳輸系統(tǒng)中IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)的處理能力帶來了制約,；

    (2)通信鏈路傳輸帶寬的非對稱性

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)一般采用帶寬較窄、高增益的前向鏈路進行了遙控指令的傳輸,；采用帶寬較寬的返向鏈路進行了遙測,、寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸；這種非對稱鏈路極大地影響了TCP協(xié)議的性能,，低速前向鏈路導(dǎo)致的大量返向鏈路ACK包的丟失,，TCP協(xié)議發(fā)送窗口不斷下降，隨著通信鏈路非對稱性的增加,，吞吐率成指數(shù)級的下降^[5],。

    (3)時延的敏感性

    除了空間鏈路不可避免的傳輸時延，無人機要求測控與信息傳輸系統(tǒng)將遙測,、偵察等各類任務(wù)數(shù)據(jù)已盡可能低的處理時延傳送到地面測控通信網(wǎng)中,，以提高對各類特情的響應(yīng)速度。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)地面網(wǎng)和無人機內(nèi)部均使用TCP/IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸標準,，IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)配置在空間鏈路的兩端,，實現(xiàn)IP協(xié)議與CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)間通過CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸,。

    基于IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)的無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)方案設(shè)計

    針對無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點,，結(jié)合CCSDS鏈路層協(xié)議IP數(shù)據(jù)封裝服務(wù)以及用戶自定義數(shù)據(jù)流封裝服務(wù)的優(yōu)點,，提出了一種性能增強IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案，該方案采用了IP數(shù)據(jù)簡單數(shù)據(jù)鏈路(Simple Data Link,，SDL)協(xié)議封裝方法^[6],，對空間鏈路IP數(shù)據(jù)進行快速封裝，降低了CCSDS成幀時延、有效帶寬抖動,，減少了網(wǎng)關(guān)通用處理器資源占用率,，同時也實現(xiàn)了地面IP數(shù)據(jù)的快速同步；利用基于ACK快速確認的TCP協(xié)議分段欺騙技術(shù)^[7]將空間傳輸環(huán)境部分（鏈路時延長,、空間誤碼率高,、鏈路非對稱性）隔離開，提高了TCP協(xié)議在空間鏈路上的傳輸性能,。

3.3 IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸流程

    IP over CCSDS機載網(wǎng)關(guān)采用通用處理器與可編程邏輯器件相結(jié)合的方式,，通用處理器主要用于維護IP數(shù)據(jù)隊列、需確認的TCP數(shù)據(jù)隊列,，實現(xiàn)基于ACK快速確認的TCP協(xié)議分段欺騙算法的機載網(wǎng)關(guān)部分,，避免機載IP網(wǎng)絡(luò)中TCP端點發(fā)送窗口受到非對稱鏈路以及鏈路誤碼率帶來的影響；可編程邏輯器件主要實現(xiàn)SDL封裝協(xié)議,，進行IP數(shù)據(jù)的高速定界服務(wù),，對CCSDS數(shù)據(jù)鏈路層狀態(tài)進行實時監(jiān)控，需要時以SDL空閑幀進行數(shù)據(jù)填充,，滿足CCSDS封裝服務(wù)的數(shù)據(jù)長度要求,，實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的及時推送，采用簡化版的CCSDS封裝服務(wù),，去除IPE封裝服務(wù),，去除VCDU數(shù)據(jù)封裝中的定界服務(wù)，便于實現(xiàn)邏輯流程,。

    IP over CCSDS地面網(wǎng)關(guān)CCSDS數(shù)據(jù)的解析是數(shù)據(jù)封裝的逆過程,，由可編程邏輯器件進行高速的AOS數(shù)據(jù)解封裝，IP數(shù)據(jù)的定界,、同步,；通用處理器主要用于實現(xiàn)基于ACK快速確認的TCP協(xié)議分段欺騙算法的地面網(wǎng)關(guān)部分以及前向控制、業(yè)務(wù)IP數(shù)據(jù)的發(fā)送,。

    IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示,。

3.4 IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)協(xié)議改進

3.4.1 IP數(shù)據(jù)SDL封裝協(xié)議高速定界服務(wù)

    簡單數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(SDL)由IETF(Internet Engineering Task Force)提出, 適用于對同步或異步傳送的可變長度的IP數(shù)據(jù)進行高速定界，具有定幀速率高,，檢錯糾錯性能好等優(yōu)點,。

    SDL協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中PDU Length為信息域長度指示字段,；PDU Length CRC為頭部循環(huán)冗余校驗域,；Protocol域用于區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，替代CCSDS封裝服務(wù)中的IPE封裝服務(wù),，信息域長度為4~64 KB,；FCS為幀校驗序列域,。當數(shù)據(jù)字段長度大于或等于4 B時，數(shù)據(jù)字段的實際長度與信息域長度指示字段相同,；當數(shù)據(jù)長度小于4 B時,，發(fā)送端將數(shù)據(jù)域填充到4 B，接收端根據(jù)幀頭中信息域長度指示字段提取有效數(shù)據(jù),。當沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時PDU Length=0,，SDL幀被稱為空閑幀，接收端丟棄該幀,。

    IP over CCSDS機載網(wǎng)關(guān)使用SDL協(xié)議對IP數(shù)據(jù)進行封裝和定界,，當機載網(wǎng)關(guān)監(jiān)測到鏈路層流控信號為可以發(fā)送時，如SDL封裝隊列中的數(shù)據(jù)不滿足鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)長度時,，使用SDL空閑幀進行填充后立即發(fā)送,，不會帶來額外的時延抖動。

    IP over CCSDS地面網(wǎng)關(guān)采用基于CRC的捕獲方法來確定SDL的幀邊界,，找到SDL幀的起始位置,，根據(jù)PDU Length值計算出整個幀的長度，確定本幀的幀尾位置和下一幀的幀頭位置,，實現(xiàn)幀定界,。

    此算法特別適合使用可編程邏輯器件來進行IP數(shù)據(jù)封裝和定界，速度快,、吞吐量高,、可靠性好，大幅降低了網(wǎng)關(guān)通用處理器的資源占用率,。

3.4.2 基于ACK快速確認的TCP協(xié)議欺騙技術(shù)

    基于ACK快速確認的TCP協(xié)議欺騙技術(shù)由三部分組成,，包括：

    (1)機載CCSDS網(wǎng)關(guān)到機載設(shè)備TCP端；

    (2)機載CCSDS網(wǎng)關(guān)到地面CCSDS網(wǎng)關(guān),；

    (3)地面CCSDS 網(wǎng)關(guān)到地面設(shè)備TCP端,。

    基于ACK快速確認的TCP協(xié)議欺騙技術(shù)組成如圖5所示。

    機載網(wǎng)關(guān)將無人機IP網(wǎng)絡(luò)中源端設(shè)備發(fā)送的TCP數(shù)據(jù)加入到IP數(shù)據(jù)隊列中等待進行發(fā)送,，并進行分類緩存,，等待地面網(wǎng)關(guān)的ACK確認包；受鏈路層流控反饋信號的驅(qū)動,，機載網(wǎng)關(guān)在TCP數(shù)據(jù)送入CCSDS封裝服務(wù)接入點(SAP)后,，立即生成對應(yīng)TCP數(shù)據(jù)的ACK確認信息并發(fā)送到源端設(shè)備，源端設(shè)備認為當前發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)順利送達目的端主機,，立即進行后續(xù)數(shù)據(jù)的發(fā)送,，實現(xiàn)源端設(shè)備TCP數(shù)據(jù)窗口的增長與穩(wěn)定，最終與反向鏈路的發(fā)送帶寬保持一致,。

    地面網(wǎng)關(guān)對接收到的TCP數(shù)據(jù)分組序列號進行檢測，當有不連續(xù)現(xiàn)象出現(xiàn)，認定中間序號的分組因誤碼而丟棄,，而不是因為失序而導(dǎo)致,。地面網(wǎng)關(guān)生成NACK數(shù)據(jù)包，插入前向IP數(shù)據(jù)隊列中進行發(fā)送,，機載網(wǎng)關(guān)可根據(jù)NACK數(shù)據(jù)包進行對應(yīng)TCP數(shù)據(jù)立即重傳,；當?shù)孛婢W(wǎng)關(guān)接收到不是當前期望序列號的報文段時，如序列號小于當前期望的序列號,，直接丟棄處理,，如序列號大于當前期望值時，表明中間有數(shù)據(jù)段丟失,，地面網(wǎng)關(guān)生成SACK應(yīng)答包插入到前向IP數(shù)據(jù)隊列中進行發(fā)送,，機載網(wǎng)關(guān)進行重傳以及非連續(xù)序列號的數(shù)據(jù)段確認，避免不必要的重傳,，提高傳輸效率,。

    地面網(wǎng)關(guān)將接收到的目的端設(shè)備TCP數(shù)據(jù)確認包進行過濾，鏈路發(fā)送時刻到達時,，只將目前連續(xù),、最新的TCP數(shù)據(jù)確認包插入到前向IP數(shù)據(jù)隊列中進行發(fā)送，減少非對稱鏈路前向鏈路的帶寬占用,。

    通過上述幾種ACK快速確認算法,，消除了鏈路時延長、空間誤碼率高,、鏈路帶寬的非對稱性帶來的不利影響,，大幅提高返向鏈路TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

4 測試及性能分析

    無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)測試環(huán)境由多臺計算機以及IP over CCSDS機載、地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成,；機載端計算機用于模擬機載寬帶業(yè)務(wù),，地面端計算機用于模擬地面網(wǎng)對無人機的測控和通信業(yè)務(wù)，機載,、地面端計算機通過以太網(wǎng)與機載,、地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備相連接。通過空間鏈路IP over CCSDS機載,、地面網(wǎng)關(guān),，機載端計算機使用TCP協(xié)議將模擬機載寬帶業(yè)務(wù)發(fā)送到地面端計算機；地面端計算機使用TCP協(xié)議將模擬測控和通信業(yè)務(wù)發(fā)送到機載端計算機,，實現(xiàn)機上設(shè)備與地面端網(wǎng)端到端數(shù)據(jù)傳輸,。

4.1 機載網(wǎng)關(guān)CPU資源占用率測試

    測試中測控與信息傳輸系統(tǒng)返向鏈路帶寬為31.2 Mb/s，機載網(wǎng)關(guān)通用處理器頻率為400 MHz,，機載端計算機模擬寬帶業(yè)務(wù)IP數(shù)據(jù)發(fā)往CCSDS機載網(wǎng)關(guān),。對比采用CCSDS封裝服務(wù)網(wǎng)關(guān),、改進型CCSDS封裝服務(wù)性能增強網(wǎng)關(guān)CPU資源占用率，測試結(jié)果如圖 6 所示,。

    由測試結(jié)果可見,，采用改進型CCSDS封裝服務(wù)性能增強網(wǎng)關(guān)CPU資源占用率在30%左右，明顯低于CCSDS封裝服務(wù)機載網(wǎng)關(guān)約100%的CPU資源占用率,，大幅節(jié)約了網(wǎng)關(guān)通用處理器資源,。

4.2 TCP連接傳輸性能測試

    測試中測控與信息傳輸系統(tǒng)返向鏈路帶寬31.2 Mb/s，前向鏈路帶寬128 kb/s,，中頻連接,，使用無線信道模擬器模擬空間鏈路時延，機載端計算機采用TCP協(xié)議,，通過CCSDS機載,、地面網(wǎng)關(guān)發(fā)送模擬寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到地面端TCP服務(wù)器，文件大小約500 MB,。對比采用CCSDS封裝服務(wù)網(wǎng)關(guān),、改進型CCSDS封裝服務(wù)性能增強網(wǎng)關(guān)TCP數(shù)據(jù)傳輸速率，測試結(jié)果如圖 7所示,。

    由測試結(jié)果可見,，改進型CCSDS封裝服務(wù)性能增強網(wǎng)關(guān)TCP傳輸速率在28 Mb/s左右，明顯高于CCSDS封裝服務(wù)網(wǎng)關(guān)約4 Mb/s 的TCP傳輸速率,。

4.3 Ping包發(fā)送時延測試

    機載端計算機通過CCSDS機載,、地面網(wǎng)關(guān)發(fā)送Ping包到地面端計算機，每秒發(fā)送一次,，測試系統(tǒng)中Ping包發(fā)送處理時延,。對比采用CCSDS封裝服務(wù)網(wǎng)關(guān)（設(shè)置時延閾值3 ms）、改進型CCSDS封裝服務(wù)性能增強網(wǎng)關(guān)（SDL封裝）Ping包發(fā)送處理時延抖動,，測試結(jié)果如圖 8所示,。

    由測試結(jié)果可見，CCSDS封裝服務(wù)網(wǎng)關(guān)（設(shè)置時延閾值3 ms）僅傳輸Ping包時,，由不合理的時延閾值帶來3 ms左右的發(fā)送時延,，Ping包與輕量數(shù)據(jù)同時傳輸時帶來0~3 ms左右的發(fā)送時延，采用改進型CCSDS封裝服務(wù)性能增強網(wǎng)關(guān)（SDL封裝）僅傳輸Ping包時或與輕量數(shù)據(jù)同時傳輸時,，Ping包發(fā)送時延在0~0.4 ms之間,，網(wǎng)絡(luò)傳輸處理時延抖動較低。

5 結(jié)語

    本文將無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的特點與CCSDS建議中IP over CCSDS鏈路層協(xié)議實現(xiàn)方式相結(jié)合,，提出并實現(xiàn)了一種改進型CCSDS封裝服務(wù)性能增強網(wǎng)關(guān),，將無人機機上設(shè)備與地面測控、通信網(wǎng)無縫連接,，搭建了天地一體化信息傳輸?shù)臉蛄?，實現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)交換,。測試結(jié)果表明，采用該技術(shù)能較好地降低IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)通用處理器資源,，降低CCSDS成幀處理時延,，極大地提高TCP 協(xié)議在空間鏈路上的傳輸效率。

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