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1、065Satellite& Network064102015PublicationPapers 论文选登立方星空间协议+ 胡行毅 中国科学院国家空间科学中心1.概述2014年12月18日美国科学杂志发布的2014年十大科学突破的新闻中，被喻为一场外太空革命的立方星（CubeSat）入选。按微小卫星分类，立方星就是皮星，其概念最早于1999年由美国加州理工学院和斯坦福大学提出。仅2013年国外至少有超过75颗立方星成功被发射到太空中，它们基本上都是由来自世界各个学院和大学的学生所制造，立方星已成为超微小卫星的通用标准。这一标准最显著的特征是采用了单元结构的类似PC104工控机的长针排插连接。最近
2、几年立方星已成为航天领域的研究热点之一，这是因其体积小、重量轻、成本低、功能扩展性强等优点，因而发展迅速，应用前景广阔。立方星计划起初仅是一个教学实验计划，但是在商业机构和美国政府的运作下，已经建立起立方星的研究平台，开启了一个全新的空间时代。在商业上，采用货架产品，未来也许能打造出每个人都可负担得起的私人卫星，只需要几百美元就能拥有一颗属于自己“控制”的卫星，这些只有纸盒大小的卫星可以在地球轨道上完成特定的单一任务。2012年一家位于美国加州的NanoSatisfi公司启动了一项ArduSat开源卫星项目，研制出一个体积非常小，但是“五脏六腑”齐全的纳卫星，重量只有1公斤左右，ArduSat
3、纳卫星将实现很多人的卫星梦想，这颗卫星在2013年8月份随日本的货运飞船升空，ArduSat-1、ArduSat-X通过国际空间站的机械臂弹射进入太空部署。当前的ArduSat卫星造价约20万美元，发射费用约10万美元左右，其研制成本和发射成本远远低于从数亿美元至数十亿美元不等的传统卫星。NanoSatisfi研制的ArduSat纳卫星可以配置各种先进的仪器，比如光谱仪、盖革计数器以及天线等单元设备，科学家试图研发出更多的低成本卫星，由于价格低廉，一些企业家或者个人都有能力负担，未来五年内或将推出多达150颗的纳卫星，第一个商业市场将是教育领域，另外一个应用领域为气象监测，可以凭借低成本的Cu
4、besat Space Protocol【摘 要】 立方星概念提出多年了，国外已经有商业公司在做产品供选购。2014年3月国际空间站（ISS）释放并部署了33颗立方星的星群。立方星的研发需要有协议支撑，立方星空间协议（CSP）是为设计立方星和嵌入式系统的小规模的网络层传递协议规则。文章对此加以介绍，内容包括：协议描述、支持的OS、物理层驱动、协议报头、CSP初始化等，以资参考。【关键词】 立方星；微小卫星；通信协议特点打造监测网络，比如监视滑雪场的温度，大气环境等。纳卫星涉及的产业链可能高达数十亿美元。Cornell大学的博士生Zac Manchester提出可以利用纳卫星组成空间环境监测星座
5、。低成本使得纳卫星具有更加广阔的应用前景，这就如同苹果手机和电脑改变世界那样，纳卫星可以实现更多人拥有卫星的梦想。实现这种想法需要设计开发的标准化与规范化，立方星空间协议（CSP）就是为设计立方星项目，加速实施立方星及其分系统研发的一个良好的协议规则。CSP概念最初是丹麦奥尔堡大学（Aalborg Universitet）的学生于2008年搞出来的，是为设计立方星和嵌入式系统的小规模的网络层传递协议。其后，为开发AAUSAT3立方星任务而由分拆公司GOMspace ApS做了进一步研发并集成于其产品中。协议是基于一个包含网络层、传输层与MAC子层信息的32位的报头。其实现不仅是设计限于诸如8位
6、AVR微处理器的嵌入式系统，也适用于Atmel公司的32位ARM和AVR微处理器。具体实施是用开源GNU C语言编写的，现在移植运行在FreeRTOS和POSIX上以及基于Pthreads的操作系统，例如Linux和BSD上运行。当然，版本1.1也支持Mac OS X和MS Windows。英语缩写CSP原本是CAN空间协议的缩写，这是因为第一MAC层驱动程序是为CAN总线编写的。后来由于物理层扩展到包括若干其它的技术，例如：空间链路、I2C、RS-232接口等。因而，名称缩写就原封不动地扩展到更一般化的立方星空间协议。2013年2月25日AAUSAT3发射入轨，首次证明了用CSP协议开发的A
7、AU立方星任务执行得非常成功。实际上，今天的协议和实施积极地维护了丹麦Aalbory大学的学生和分拆公司GOMSpace ApS之所为。源代码在GNU 宽通用公共许可证（LGPL）下可获得，并由开源代码软件平台GitHub托管服务。2.立方星空间协议描述CSP使得分布式嵌入系统具有面向服务的网络拓扑结构。CSP的层次对应于TCP/IP模型的相同层次。其实现由一个面向传输层协议（层次4）的连接，路由器核心（层次3）连接以及若干网络接口（层次1-2）的连接所组成。由于通信总线本身就是其他分系统的接口，所以一个面向服务的拓扑结构较便于设计卫星分系统。这就说明每个分系统的开发仅需要思考定义服务合约和一
8、组与其系统相对应的端口数目。而且，分系统之间的依赖性减少了，而增加通信总线上多个相同的通信节点还容易提高系统的冗余度。CSP的主要特性包括：路由网络协议，采用静态路由的路由核心，支持包的正向透明传输，亦即空间链路；面向连接的操作和无连接的操作（可编程模型），即不仅支持类似于UDP的连接操作，也支持基于RUDP的面向连接的操作；065Satellite& Network064102015PublicationPapers 论文选登立方星空间协议+ 胡行毅 中国科学院国家空间科学中心1.概述2014年12月18日美国科学杂志发布的2014年十大科学突破的新闻中，被喻为一场外太空革命的立方星（Cub
9、eSat）入选。按微小卫星分类，立方星就是皮星，其概念最早于1999年由美国加州理工学院和斯坦福大学提出。仅2013年国外至少有超过75颗立方星成功被发射到太空中，它们基本上都是由来自世界各个学院和大学的学生所制造，立方星已成为超微小卫星的通用标准。这一标准最显著的特征是采用了单元结构的类似PC104工控机的长针排插连接。最近几年立方星已成为航天领域的研究热点之一，这是因其体积小、重量轻、成本低、功能扩展性强等优点，因而发展迅速，应用前景广阔。立方星计划起初仅是一个教学实验计划，但是在商业机构和美国政府的运作下，已经建立起立方星的研究平台，开启了一个全新的空间时代。在商业上，采用货架产品，未来
10、也许能打造出每个人都可负担得起的私人卫星，只需要几百美元就能拥有一颗属于自己“控制”的卫星，这些只有纸盒大小的卫星可以在地球轨道上完成特定的单一任务。2012年一家位于美国加州的NanoSatisfi公司启动了一项ArduSat开源卫星项目，研制出一个体积非常小，但是“五脏六腑”齐全的纳卫星，重量只有1公斤左右，ArduSat纳卫星将实现很多人的卫星梦想，这颗卫星在2013年8月份随日本的货运飞船升空，ArduSat-1、ArduSat-X通过国际空间站的机械臂弹射进入太空部署。当前的ArduSat卫星造价约20万美元，发射费用约10万美元左右，其研制成本和发射成本远远低于从数亿美元至数十亿美
11、元不等的传统卫星。NanoSatisfi研制的ArduSat纳卫星可以配置各种先进的仪器，比如光谱仪、盖革计数器以及天线等单元设备，科学家试图研发出更多的低成本卫星，由于价格低廉，一些企业家或者个人都有能力负担，未来五年内或将推出多达150颗的纳卫星，第一个商业市场将是教育领域，另外一个应用领域为气象监测，可以凭借低成本的Cubesat Space Protocol【摘 要】 立方星概念提出多年了，国外已经有商业公司在做产品供选购。2014年3月国际空间站（ISS）释放并部署了33颗立方星的星群。立方星的研发需要有协议支撑，立方星空间协议（CSP）是为设计立方星和嵌入式系统的小规模的网络层传递
12、协议规则。文章对此加以介绍，内容包括：协议描述、支持的OS、物理层驱动、协议报头、CSP初始化等，以资参考。【关键词】 立方星；微小卫星；通信协议特点打造监测网络，比如监视滑雪场的温度，大气环境等。纳卫星涉及的产业链可能高达数十亿美元。Cornell大学的博士生Zac Manchester提出可以利用纳卫星组成空间环境监测星座。低成本使得纳卫星具有更加广阔的应用前景，这就如同苹果手机和电脑改变世界那样，纳卫星可以实现更多人拥有卫星的梦想。实现这种想法需要设计开发的标准化与规范化，立方星空间协议（CSP）就是为设计立方星项目，加速实施立方星及其分系统研发的一个良好的协议规则。CSP概念最初是丹麦
13、奥尔堡大学（Aalborg Universitet）的学生于2008年搞出来的，是为设计立方星和嵌入式系统的小规模的网络层传递协议。其后，为开发AAUSAT3立方星任务而由分拆公司GOMspace ApS做了进一步研发并集成于其产品中。协议是基于一个包含网络层、传输层与MAC子层信息的32位的报头。其实现不仅是设计限于诸如8位AVR微处理器的嵌入式系统，也适用于Atmel公司的32位ARM和AVR微处理器。具体实施是用开源GNU C语言编写的，现在移植运行在FreeRTOS和POSIX上以及基于Pthreads的操作系统，例如Linux和BSD上运行。当然，版本1.1也支持Mac OS X和M
14、S Windows。英语缩写CSP原本是CAN空间协议的缩写，这是因为第一MAC层驱动程序是为CAN总线编写的。后来由于物理层扩展到包括若干其它的技术，例如：空间链路、I2C、RS-232接口等。因而，名称缩写就原封不动地扩展到更一般化的立方星空间协议。2013年2月25日AAUSAT3发射入轨，首次证明了用CSP协议开发的AAU立方星任务执行得非常成功。实际上，今天的协议和实施积极地维护了丹麦Aalbory大学的学生和分拆公司GOMSpace ApS之所为。源代码在GNU 宽通用公共许可证（LGPL）下可获得，并由开源代码软件平台GitHub托管服务。2.立方星空间协议描述CSP使得分布式嵌
15、入系统具有面向服务的网络拓扑结构。CSP的层次对应于TCP/IP模型的相同层次。其实现由一个面向传输层协议（层次4）的连接，路由器核心（层次3）连接以及若干网络接口（层次1-2）的连接所组成。由于通信总线本身就是其他分系统的接口，所以一个面向服务的拓扑结构较便于设计卫星分系统。这就说明每个分系统的开发仅需要思考定义服务合约和一组与其系统相对应的端口数目。而且，分系统之间的依赖性减少了，而增加通信总线上多个相同的通信节点还容易提高系统的冗余度。CSP的主要特性包括：路由网络协议，采用静态路由的路由核心，支持包的正向透明传输，亦即空间链路；面向连接的操作和无连接的操作（可编程模型），即不仅支持类似
16、于UDP的连接操作，也支持基于RUDP的面向连接的操作；066067Satellite& NetworkPublication Papers论文选登102015模块化的网络接口系统。模块化的操作系统接口：FreeRTOS，Posix；类似于Berkeley 套接字（BSD/Posix套接字）的简单的API；服务处理程序实现了类似于ping和缓冲区状态的Internet控制报文协议（ICMP）式的请求；支持网络回环接口流量，亦即能用于分系统任务间的内部进程通信；如果物理接口支持的话则支持广播流量选项；如果物理接口支持的话则支持混杂模式选项；实现了可靠的数据报协议（RDP）。用扩展的微型加密算法（XTEA）以计数（CTR）模式支持加密包选项；支持具有截断的安全哈希算法1-哈希消息认证码（SHA1- HMAC）的RFC2104身份认证包的HMAC选项；源代码包含了支持分段CAN 总线的MAC子层接口。Atmel AT90CAN128,Atmel AT91SAM7A1和全部支持Linux SocketCAN框架的主机驱动程序都是现成的
