【正文】 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘 要 為了適應(yīng)空間技術(shù)的發(fā)展，滿足復(fù)雜航天器的數(shù)據(jù)處理需求，國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)CCSDS開(kāi)發(fā)了高級(jí)在軌系統(tǒng)AOS。AOS以標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與交換，能夠在空間鏈路中雙向傳輸音頻、視頻、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多種不同類型的數(shù)據(jù)。目前，AOS在航空航天技術(shù)領(lǐng)域中的作用越來(lái)越突出。AOS的核心技術(shù)之一是虛擬信道調(diào)度策略。合理的調(diào)度算法是保證AOS能夠高效、有序的在同一物理信道上傳輸多種不同類型數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)對(duì)AOS中虛擬信道調(diào)度算法進(jìn)行研究。首先，對(duì)虛擬信道進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯瑢?duì)信道的劃分、包的研究都做了詳細(xì)的研究，接著，對(duì)虛擬信道調(diào)度中的經(jīng)典虛擬信道調(diào)度算法進(jìn)行深度研究。 最后，對(duì)傳統(tǒng)的虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行了分析研究 ，通過(guò)建立虛擬信道調(diào)度的仿真模型，分別研究了靜態(tài)優(yōu)先級(jí)算法，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和先到先服務(wù)三種調(diào)度算法，最后對(duì)這些虛擬信道調(diào)度算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果后進(jìn)行了對(duì)比分析。關(guān)鍵詞 CCSDS ；AOS；調(diào)度算法；虛擬信道 Abstract In order to adapt to the development of space technology,to meet the plex spacecraft data processing needs,CCSDS in 1986 developed advanced orbiting system. AOS in a standardized way for data processing and exchange,can in the space link in a variety of bidirectional transmission of audio,video,scientific experiment data of different present,the AOS and role in the field of aerospace technology in more of the core technology of AOS is the virtual channel scheduling scheduling algorithm is to guarantee that AOS can be efficient,orderly transfer key to many different types of data in the same physical channel. This paper focuses on the study of virtual channels in AOS scheduling algorithm,the main contents include:first,The virtual channel is studied, and the research on the channel division and package are both introduced in detail, then, we also study the classical virtual channel scheduling algorithm in the virtual channel scheduling. Finally, the virtual channel scheduling algorithm of traditional is analyzed, through carrying out the simulation model for the establishment of virtual channel scheduling, we do some simulation experiment on the classical virtual channel scheduling the static priority algorithm, time slice rotation and first e first serve three scheduling algorithms, and then we make the simulation experiment of the virtual channel scheduling algorithm, the results obtained are pared and analyzed.Keywords: CCSDS 。AOS。dispatching algorithm。Virtual channel II目 錄1 緒論 1 課題研究的背景和意義 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 本論文的結(jié)構(gòu)安排 22 CCSDS協(xié)議及其應(yīng)用分析研究 4 CCSDS協(xié)議結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用研究 4 CCSDS 協(xié)議層次模型 4 CCSDS 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議 5 高級(jí)在軌系統(tǒng) 6 AOS的特點(diǎn) 6 服務(wù)類型 7 AOS數(shù)據(jù)單元格式 9 多路復(fù)用技術(shù)與虛擬信道 13 本章小結(jié) 153 AOS虛擬信道的研究 16 源包模型 16 虛擬信道的劃分 17 虛擬信道的劃分 17 虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法 18 傳統(tǒng)的虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法 18 基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法 19 本章小結(jié) 204 AOS虛擬信道調(diào)度算法的研究 21 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的性能分析 21 系統(tǒng)緩存容量為無(wú)限大時(shí)VC2性能參數(shù)分析 21 性能分析與仿真 22III 其他調(diào)度算法的仿真研究 24 先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法 24 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法 25結(jié) 論 28致 謝 29參考文獻(xiàn) 30附錄A 英文原文 32附錄B 漢語(yǔ)翻譯 39附錄C 程序代碼 45IV1 緒論 課題研究的背景和意義 隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，世界上主要的一些空間組織于上世紀(jì)80年代成立了國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)( Consultive Committee for Space Data System)[1]，主要為空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)指定標(biāo)準(zhǔn)化的通信體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議與業(yè)務(wù)，建立全球標(biāo)準(zhǔn)化的和開(kāi)放的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)。以提供相互信息的相互支持和傳輸?shù)母咝蔥2]。 現(xiàn)在，為了使得載人和無(wú)人空間站、無(wú)人空間平臺(tái)、自由飛行的空間飛行器等各種空間任務(wù)更好的滿足數(shù)據(jù)的處理和傳輸?shù)囊?，CCSDS提出了一種靈活性更強(qiáng)，更多樣化的數(shù)據(jù)通信和傳輸體制——高級(jí)在軌系統(tǒng)( Advanced Orbit Systems， AOS)[3]。是一個(gè)空間對(duì)空間和空間對(duì)地面的測(cè)控與通信數(shù)據(jù)及其他有效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理的系統(tǒng)， 其目的是建立一個(gè)關(guān)于空空或空地的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，AOS的主要技術(shù)特征是面向由小容量、低速率到大容量、高速率的寬帶數(shù)據(jù)通信需求，提供動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)包自動(dòng)路由和多用戶聯(lián)網(wǎng)能力[4]。通過(guò)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流，AOS利用一個(gè)信道可以同時(shí)傳送數(shù)據(jù)、話音、電視圖象、靜止圖象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、遙測(cè)、遙控等各種不同信息[5]。為了使不同類型的數(shù)據(jù)共享同一信道，AOS提供了不同的傳輸機(jī)制(同步、異步、等時(shí))，可以將具有不同特性和傳輸要求的源包用多個(gè)虛擬信道分開(kāi)， 共用同一物理信道傳輸。虛擬信道調(diào)度策略是當(dāng)前AOS數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心和研究熱點(diǎn)。并且隨著空間技術(shù)的發(fā)展，如載人航天器AOS數(shù)據(jù)系統(tǒng)要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)量的提升。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 目前CCSDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被大部分國(guó)家和地區(qū)的空間組織和商業(yè)機(jī)構(gòu)普遍接受并進(jìn)行應(yīng)用。比如歐洲空間技術(shù)中心、哥達(dá)德飛行中心、NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)的Lockheed Martin導(dǎo)彈與航天公司等[6]。1998年11月20日由美國(guó)、俄羅斯為領(lǐng)導(dǎo)的，包括歐洲、加拿大和日本等12 個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)艙聯(lián)合組成的大型載人航天計(jì)劃（國(guó)際空間站）成功發(fā)射。國(guó)際空間站在數(shù)據(jù)系統(tǒng)體制上就采用了CCSDS的AOS建議標(biāo)準(zhǔn)[7]。這是空間站與AOS 數(shù)據(jù)體制成功結(jié)合的典型例子。高級(jí)在軌系統(tǒng)以CPN（CCSDS主網(wǎng)）模型為搭載基礎(chǔ)，提供空間飛行器與地面網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)通信，從而起到空間計(jì)劃數(shù)據(jù)管理網(wǎng)的作用。CPN的結(jié)構(gòu)由一個(gè)軌道段中的“星載網(wǎng)”通過(guò)CCSDS“SLS（空間鏈路子網(wǎng)）”與一個(gè)“地面網(wǎng)”或另一個(gè)軌道段中的“星載網(wǎng)”相連。但AOS并不限制星載和地面網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和協(xié)議，為其提供了靈活的發(fā)展空間[8]。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 中國(guó)的空間技術(shù)研究院是CCSDS觀察員成員國(guó)，自從1980年以后。一直跟蹤、關(guān)注并研究CCSDS系列標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了許多關(guān)于將AOS體制應(yīng)用于我國(guó)航天器的研究。 我國(guó)為了跟蹤C(jī)CSDS的最新發(fā)展以及在現(xiàn)有條件如何應(yīng)用CCSDS體制。我國(guó)空間技術(shù)研究院于1996年專門成立了CCSDS工作小組。1995年由我國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院總體技術(shù)專業(yè)部開(kāi)展的863課題計(jì)劃“空間站信息與數(shù)據(jù)系統(tǒng)概念研究”首次向國(guó)人計(jì)劃并提出了未來(lái)我國(guó)空間站采用AOS體制的設(shè)計(jì)方案[9]。1996年開(kāi)展預(yù)研項(xiàng)目“CCSDS體制空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究”等，其中包括我國(guó)未來(lái)空間站、高速衛(wèi)星采用AOS體制的設(shè)計(jì)方案。方案預(yù)計(jì)分兩步完成，第一步首先是采用AOS的部分業(yè)務(wù)及功能。接著第二步是全面采用AOS的業(yè)務(wù)與功能。長(zhǎng)期以來(lái)，為達(dá)到我國(guó)航天工程有效載荷數(shù)據(jù)管理和飛行器測(cè)控的工作標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心致力于CCSDS高級(jí)在軌系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的科研和工程應(yīng)用，并取得了顯著成果。自1993年開(kāi)始進(jìn)行AOS（高級(jí)在軌系統(tǒng)）的應(yīng)用研究，首先在載人飛船有效載荷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了AOS標(biāo)準(zhǔn)。為減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，在1999年發(fā)射的“實(shí)踐”五號(hào)衛(wèi)星上成功地進(jìn)行了采用AOS標(biāo)準(zhǔn)的在軌技術(shù)飛行試驗(yàn)，取得了應(yīng)用AOS標(biāo)準(zhǔn)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。其后在“神舟”二號(hào)至“神舟”六號(hào)飛船上有效載荷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)全面應(yīng)用了AOS標(biāo)準(zhǔn)[10]。 本論文的結(jié)構(gòu)安排 本文在高級(jí)在軌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要對(duì)AOS中虛擬信道調(diào)度算法進(jìn)行探討研究，全文共分為四章，具體結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章首先總結(jié)了課題的研究背景和意義。然后介紹了與本設(shè)計(jì)課題相聯(lián)系的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及本論文的結(jié)構(gòu)安排。 第二章對(duì)高級(jí)在軌系統(tǒng)協(xié)議進(jìn)行分析。主要研究了CCSDS的協(xié)議結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，接著對(duì)CCSDS制定的適用于中、高數(shù)據(jù)率航天器的高級(jí)在軌系統(tǒng)(AOS)進(jìn)行分析。主要包括AOS的特征、服務(wù)種類、AOS數(shù)據(jù)單元格式以及多路復(fù)用技術(shù)，并做出了虛擬信道及信道調(diào)度的概念。 第三章對(duì)ASO虛擬信道的劃分進(jìn)行了討論研究，并對(duì)虛擬信道的調(diào)度算法的問(wèn)題展開(kāi)研究，并給出了幾種可行方法。第四章主要對(duì)AOS虛擬信道調(diào)度中的典型虛擬信道調(diào)度算法進(jìn)行研究。建立虛擬信道調(diào)度的仿真模型。通過(guò)仿真運(yùn)行得到一些比較經(jīng)典的虛擬信道調(diào)度算法的長(zhǎng)短處和應(yīng)用情況，并采用分析和仿真相結(jié)合的方式著重研究了靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法。對(duì)其他幾種算法進(jìn)行了也仿真操作。 策略的優(yōu)缺點(diǎn)2222 2 CCSDS協(xié)議及其應(yīng)用分析研究空間科學(xué)的持續(xù)發(fā)展使得許多空間業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和傳輸有了新的需求。空間飛行器的應(yīng)用涉及到了多種學(xué)科[11]。例如，空間生命，空間材料，空間環(huán)境，空間天文等多方面的研究與應(yīng)用。許多空間的任務(wù)要求在航天器與地面站、航天器之間進(jìn)行雙向傳輸多信源、多用戶業(yè)務(wù)要求的信息。1982年，美國(guó)航宇局(NASA)、歐洲空間局(ESA)和許多國(guó)家的空間局成立了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)。這個(gè)委員會(huì)的任務(wù)是開(kāi)發(fā)空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的通信體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議與業(yè)務(wù)使未來(lái)的空間業(yè)務(wù)能夠以標(biāo)準(zhǔn)化的途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與處理[12]，從而達(dá)到國(guó)際間的相互支持、合作與交流的目的。1986年制定的CCSDS COS常規(guī)建議書(shū)重點(diǎn)關(guān)注了常規(guī)自由飛行科學(xué)衛(wèi)星的要求。為了提供方便靈活的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)在常規(guī)分包遙控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又提出了一種更好的優(yōu)化方案，高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）。目前，CCSDS高級(jí)在軌系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的新一代體系標(biāo)準(zhǔn)，許多國(guó)家和組織都已經(jīng)采用這一標(biāo)準(zhǔn)。AOS比常規(guī)建議提供了更為廣泛的數(shù)據(jù)服務(wù)和多種傳輸業(yè)務(wù)。他為空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)帶來(lái)了極大的方便，同時(shí)向下兼容常規(guī)空間數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[13]。本章對(duì)CCSDS AOS協(xié)議進(jìn)行介紹。主要分對(duì)高級(jí)在軌系統(tǒng)進(jìn)行介紹分析，逐步介紹了AOS的特點(diǎn)、服務(wù)類型、AOS數(shù)據(jù)單元格式以及多路復(fù)用技術(shù)等。最后介紹了虛擬信道及調(diào)度的基本內(nèi)容。 CCSDS協(xié)議結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用研究 CCSDS 協(xié)議層次模型 CCSDS自成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已有30多個(gè)空間機(jī)構(gòu)參與支持并逐步建立了一套基本的空間通信標(biāo)準(zhǔn)[14]。這些空間通信標(biāo)準(zhǔn)被廣泛的應(yīng)用于空間通信領(lǐng)域。目前國(guó)際上已有250 多個(gè)空間任務(wù)采用了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)。 CCSDS的主要成果是一系列建議和報(bào)告。按照內(nèi)容劃分CCSDS的建議和報(bào)告主要有八類：遙測(cè)系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助數(shù)據(jù)、射頻與調(diào)制系統(tǒng)、跟蹤與導(dǎo)航系統(tǒng)、信息獲取與交換系統(tǒng)、高級(jí)在軌系統(tǒng)、交互支持業(yè)務(wù)和結(jié)構(gòu)。與國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telemunication Union，ITU)相似[15]。CCSDS建議的形成要經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的程序。各類文件則需采用不同顏色的封面。 CCSDS件類型及相應(yīng)的封面顏色文件類型封面顏色說(shuō)明建議CCSDS藍(lán)皮書(shū)(Blue Book,BB)CCSDS紅皮書(shū)(Red Book,RB)CCSDS粉皮書(shū)(Pink Book,PB)批準(zhǔn)發(fā)布的正式建議建