一、序言

笔者长期投身于业余卫星的开发工作。

虽然承担的工作偏向于总体方向，但毕竟业余卫星的爱好是从业余无线电发展而来的，因此在广泛调研业余卫星设计的时候就着重于观察各国业余卫星的遥测与遥控协议。

八方奇才各显神通，不妨多与大家共同品鉴，因此便有了本系列的文章。

本系列的文章限于篇幅，主要将只介绍各国的业余无线电发展现况，并挑出几个具有代表性的卫星/组织所使用的协议标准。

二、俄罗斯业余卫星发展现况

苏联是世界上最早发展业余卫星的国家之一。其业余卫星活动可以追溯到20世纪70年代末。

当时，苏联启动了Radio Sputnik（简称RS）系列计划。这一计划的初衷是为全苏无线电爱好者提供专用的空间通信平台，同时承担军事预备役训练机构——全苏支援陆海空军志愿协会（DOSAAF）的技术培训任务。

（经常使用业余卫星的爱好者应该会感到眼熟，没错，RS-44 卫星的大名 DOSAAF-85 就和此有关。）

图：Radio Sputnik 1 (RS 1)

1978年，RS-1和RS-2卫星的发射标志着苏联业余卫星时代的正式开启。这些卫星不仅验证了空间转发器的可靠性，还通过开放的频率和协议，在全球范围内培养了大量无线电技术人才。随后，RS-10和RS-11等更为复杂的双转发器平台进一步增强了苏联在国际业余无线电界的影响力。

与此同时，“火花”（Iskra）系列卫星代表了另一条发展路径，即由高等院校（如莫斯科航空学院）自主研发，并从苏联开发的有人驾驶空间站部署的小型载荷。

1991年，苏联解体。原苏联的航天事业在分裂中遭到了极大的打击，其遗产由苏联加盟国，主要是俄罗斯继承。同时，Radio Sputnik 也出现了较长时间的空窗期。在千禧年后，随着俄罗斯国情趋于平稳，航天活动逐步恢复，Radio Sputnik 计划也开始借助国际空间站等平台再度开展，开始使用RS**S的呼号。

图：ARISSat-1 (RS01S)

这一时期的 Radio Sputnik 由高等院校主导，以技术验证和教学培养为目的，卫星平台多为自主设计，不再依赖军用平台，其遥测与遥控协议设计开始多样化发展。

2021年，“Space-π”项目启动。这一项目是目前 Radio Sputnik 计划最重要的增长引擎。该项目旨在让中小学生和年轻科学家参与卫星全生命周期的运营。在这一计划下，俄罗斯的民营航天企业开始成为主力，提供卫星的设计与运营，其中最具代表性的公司有两家，分别是 Sputnix 与 GEOSCAN。

图：Sputnix 公司 Logo

图：GEOSCAN 公司 Logo

在俄当局对 Space-π 项目的大力推广下， Radio Sputnik 卫星急剧增多。面对多卫星的统一测控需求，Sputnix 与 GEOSCAN 分别提出了自己的测控协议。

三、Sputnix 统一协议

Sputnix 公司成立于 2011 年。该公司业务为微卫星组件和技术的制造开发及运营服务。

2014年，该公司发射其首颗卫星；

2018年，该公司与天狼星教育中心合作，制造了天狼星1号和2号立方星；

以上卫星仍使用传统 AX.25 测控协议。

但作为与 Radio Sputnik 1 同时代的技术，AX.25 协议在信道性能、协议开销等方面完全落后，理应被扫入时代的垃圾堆。

2021年，Space-π 项目提供了大量订单，为了提高测运控效率，Sputnix 开始设计并大规模推行其自主研发的 USP 协议。

协议参照：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

该协议基于国际空间数据系统咨询委员会 (Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS) 提出的 CCSDS 131.0-B-3 蓝皮书，针对 1200-115200bps 低速链路进行优化，设计了用于星地链路的遥测/遥控数据传输协议。

图：CCSDS 131.0-B-5 蓝皮书

遥测的同步和信道编码

TM SYNCHRONIZATIONAND CHANNEL CODING

这一蓝皮书总结了人类在数十年航天探索实践中的测控技术成果，给出了推荐的最优的方案。

CCSDS 131.0-B-5 是 CCSDS 131.0-B-3的更新版本

USP在该蓝皮书的基础上，定义了测控通信的物理层与数据链路层。

图：USP Protocol Description Ver 1.04

1. 调制模式

该协议在物理层面，推荐使用 GMSK 模式，并允许FSK及其变体实现。

笔者认为，这一建议是基于两重考虑的。

首先，小型立方体卫星大多使用基于 COTS（商业现货）的收发器，例如德州仪器生产的 CC11xx 系列、升特生产的 SX127x 系列， ADI 的 ADF7021……此类器件一般用于地面常规物联网应用，出于历史因素，均提供基于FSK的调制模式。

其次，GMSK及其相关信号均为恒包络，能够应用非线性的高效功放。

图：帧结构

2. 前导码

在帧结构方面，该协议采用了 32 bits 以上，极性为 0x55 的前导码，用以接收端的识别与时钟同步。

3. 帧同步头

帧同步头则使用了64位的非标准同步字0x5072F64B2D90B1F5，容许 13 位的错误。一般来说，只有长码字（512B及以上）或者高增益编码方式（LDPC、Trubo）才有必要采用64位同步字以降低误同步概率。在这使用似乎不合常理。

其实，这是为了应对 COTS 收发器功能限制的措施。在CCSDS标准中，ASM应当在加扰后一同进入卷积器之前加入。这就要求同步器必须拥有解加扰和解卷积的能力。很显然 COTS 收发器无法提供此类高级功能。

图：CCSDS 131.0-B-5 第三章

因此，USP 采取了一种折中方案，将同步字完全置于所有信道编码之外。这样一来，接收端无需解卷积、解扰，即可直接在基带比特流上完成同步检测。

但代价也很直接，同步字不再受到任何 FEC 保护，其检测性能完全取决于自身的相关特性与长度。为了避免同步性能成为整条链路的短板，只能通过增加同步字长度来弥补，这也就是64位同步字的根本动机。

进一步地，USP还考虑了典型硬件仅支持32位同步检测的约束，将同步字设计为前后两段均具备良好自相关特性的结构，使用硬件对前 32 位进行检测，然后使用软件进行后32位的检测，每段最多允许 7 个bit的错误，实现了完整的同步，在复杂度与性能之间取得平衡。

需要注意的是，64 bit 整体判决与前后 32 bit 分段判别的误同步概率是不一致的

$$P_{64/13} = P_{32/7}^2$$

$$P_{64/7 \times 2} = 2P_{32/7}$$

4. PLS码块

图：PLS-Code 机制

在帧同步后，有一个 PLS 码块。

PLS（Physical Layer Signaling，物理层信令）是 USP 协议承担物理层配置指示的关键字段，其作用与 DVB-S2 中的 PLS 十分相似，用于传输本数据包所采用的信道配置。接收端必须先通过 PLS 获得这些必要的解码参数。因此PLS 必须在帧同步之后发送，并且必须具备极高的可靠性。

这是 USP 协议用于实现可变信道的方案。

它采用了一个 7 bit → 64 bit 的线性分组码来承载 PLS 信息。原始 7 bit 理论可以包含128种不同的模式组合，不过 USP 目前只有两种定义，这两种模式分别对应了两种不同的数据块长度。

PLS=0 表示使用完整的 RS(255,223)数据块，即 223 字节的长帧；PLS=1 则表示采用虚拟填充得到的 48 字节短帧。

短帧模式下仅输入 48 字节的有效载荷，然后填充至 223 字节送入 RS(255,223) 编码器。编码完成后，发送端将填充字节从输出比特流剔除，只保留有效载荷与 RS 码块。接收端接收后重新填充，进行解码。

长帧用于大容量遥测数据传输，而短帧则用于 ACK、命令、状态等低时延场景。

两者都使用相同的 FEC 结构（卷积码 r=1/2 + RS(255,223)），但数据块长度不同，从而实现了 USP 的可变长度能力。

由于 PLS-code 位于所有信道编码之外，并且采用了汉明距离高达 32 的 64 bit 码字，因此即使在同步刚建立、信噪比仍然较低的情况下，接收端也能以极高概率正确恢复 PLS，从而正确配置后续的解码链路。

对承载模式信息的 7 bit 进行编码，编码后的 64 bit 字段具有 32 bit 的汉明距离。这意味着即便在刚完成同步或信噪比偏低的情况下，PLS 仍能以极高概率被正确恢复。

之所以必须如此，是因为 PLS 的错误会导致灾难性后果。一旦 PLS 解码错误，接收机将以错误的块长、错误的 RS 结构或错误的卷积码配置去处理后续数据，最终导致整帧无法恢复。相比之下，数据区的错误还能依靠 FEC 纠正，而 PLS 错误则是“不可恢复”的。正因如此，USP 选择了一个远强于常规控制字段的编码方式。

从结构上看，USP 的 PLS 码字与 DVB‑S2 的 PLS 码字完全等价，只是定义方式不同。其生成矩阵由 7 行 64 列组成，原始 7 bit 的每一位对应矩阵的一行，编码过程即为对相应行进行按位 XOR。编码完成后，再与一个固定的 64 bit 序列进行加扰，以避免出现长串 0 或 1，从而改善自相关特性和检测性能。由于整个 PLS 字段同样置于所有 FEC 之外，因此其检测性能完全依赖于该 64 bit 码字本身的距离性质。

完成 PLS 解码后，接收机即可获得本帧的 FEC 类型与数据块长度，从而正确配置后续的解卷积器、解扰器与 RS 解码器。此时，接收机才真正具备了解码数据帧的全部条件。

5. Type字段

图：USP 协议的 Type 字段

随后，遥测帧内提供了一个 16 Bit 的 Type 字段，该字段作用与以太网中的 EtherType 完全一致，用来标识封装的上层协议。当前 USP 仅提供了 AX.25 协议，Type 值0x08FF。

6. 有效载荷

有效数据，即载荷部分紧跟在这一字段之后。对于不具备自描述能力的协议（如 AX.25），USP 允许在 Type 字段之后增加一个可选的 16 bit 小端长度字段，用于明确指示后续数据的边界。

7. 信道编码

信道编码方面，USP 协议所使用的 RS 码与卷积码均与 CCSDS 131.0-B-3 推荐一致。

8. 基准测试

附录1中提供了协议的能量性能基准测试。

测试在 AWGN 信道下，分别给出了软判决与硬判决维特比解码的 Eb/N0–PER 曲线，并将误码来源拆分为同步错误、PLS-code 错误与 FEC 解码错误三部分。

图：不同参数下的 Eb/N0 → PER 图

用于评估协议在高斯白噪声信道下的性能

结果表明：

软判决条件下，当 Eb/N0 ≈ 2.8 dB 时实现 PER≤0.001；

硬判决条件下，当 Eb/N0 ≈ 4.1 dB 时实现PER≤0.001，性能下降约 1.5 dB。

曲线同时也表明，同步字与 PLS-code的错误概率远低于 FEC 的错误概率，说明 USP 的同步与信令设计不会成为链路性能瓶颈，整体性能接近卷积码与 RS 码的理论可达极限。

附录2中给出了同步字自相关性能测试结果，用于评估同步字在噪声环境下的可检测性与抗误触发能力。

图：同步字自相关性能测试

测试结果表明：

完整 64 bit 同步字在汉明距离空间中具有尖锐的自相关主峰和极低的旁瓣，从而显著降低了误同步概率；

同步字的前 32 bit 也经过优化，使其在硬件只能检测 32 bit 的条件下仍保持良好自相关特性。此外，前导码与同步字的拼接不会破坏自相关结构，保证了同步检测的稳定性。

这些测试结果说明 USP 的同步字设计在噪声环境下具有极高的可检测性和可靠性。

9. 笔者的话

说实话，笔者初次翻看本协议的文档的时候，刚看到 AX.25 的字眼便认为又是一个往牛粪上贴金箔的东西。

但一番仔细阅读下来，感受到了协议设计者的高明、专业和丰富的工程经验，也受到了不小的启发，在此向设计者致敬。

四、GEOSCAN 业余无线电遥测协议

不同于Sputnix公司，GEOSCAN的规模较大，业务较广。

GEOSCAN是一家俄罗斯技术企业集团，同样成立于2011年。专门从事无人驾驶航空系统、立方星、航空电子设备、无线通信系统等产品的设计和制造。

此外，大地扫描的专业知识扩展到了无人驾驶航空摄影服务，包括多光谱和热成像、机载激光扫描、地质勘探和航空显示。

GEOSCAN自2022年开始发射卫星，用于遥感和产品试验。可能是出于频谱资源的使用费的考虑，GEOSCAN 尝试搭载业余任务并借此使用免费的业余无线电频率。

GEOSCAN 推出了 GRTP 协议，即Geoscan amateur Radio Telemetry Protocol。

协议参照：

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

GRTP 协议主要由两个部分组成，相对更简单一点。

物理层统一规定为GFSK，采用PN9加扰器，CRC16-CCITT，统一长度60字节。

第一部分是传统的AX.25，用于遥测的传输，没有什么好讲的：

图：遥测量换算

第二部分则是GEOSCAN自定义的64字节帧，用于图像和大文件的传输：

图：自定义帧

时钟同步长32 bit，极性0xAA；

同步字字长32 bit，0x930B5IDE；

Header字段共有两字节，

第一字节为卫星编号，用于身份标识；

第二字节为预留字节，目前暂无用途。

紧接其后的是数据字段：

图：图像传输数据结构

如图所示，提供了简单的分片重组能力。

总体而言，GEOSCAN 的标准相对不明确，不统一，也没有任何用心设计过的迹象，所以自然也没有什么东西可讲。

不过 GEOSCAN 的图像遥感等能力非常好，贡献了不少的漂亮图片。

五、碎碎念

心血来潮，花了半天时间写完这篇文章，甚至有些迫在眉睫的事情都没有理会。

确实已经很久没有写过成体系的文章了，一方面是忙，一方面也是心累。

先看看反响如何，计划下一期写一下西班牙的遥测协议。

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