3. 遥测数据格式与帧结构

卫星遥测数据从星上传感器到地面解码终端，中间要经过打包、成帧、编码、调制、传输、解调、同步、解帧、解码等多个环节。若不了解帧结构，拿到一串二进制码流就无从判断“从哪里开始、哪里是头、哪里是数据、哪里是尾”。本节围绕 CCSDS 遥测帧与 AOS 空间链路两类典型格式，把帧同步字、帧头、数据域、帧尾的字段定义讲清楚，并给出可对照的字段解析方法。

一、为什么需要“帧”这一层结构

遥测源产生的数据长度不一、速率不一，直接上信道无法被地面可靠识别。成帧的作用是把数据切成固定或可变长度的传输单元，并在单元前后加上同步、标识、计数、校验等信息，使接收端能够：找到帧边界、判断帧类型、识别卫星与虚拟信道、检测传输错误、按序重组数据。CCSDS（空间数据系统咨询委员会）定义了遥测帧（TM）与高级在轨系统（AOS）空间链路两类主流格式，前者多用于常规遥测，后者适合高速、多业务混合传输。

二、CCSDS 遥测帧的字段构成

一个标准 CCSDS 遥测传输帧由五部分组成：帧同步字、传输帧主导头、传输帧数据域、帧差错控制域（可选）、帧尾（可选）。其中帧同步字与主导头是解码的入口。

帧同步字（ASM）：固定为 32 bit，十六进制 1A CF FC 1D。它不参与帧内计数，作用是让接收机在连续比特流中通过相关检测锁定帧起点。同步字允许一定比特误码，通常采用容错相关器，例如允许 2 bit 错误仍判为同步。

传输帧主导头：共 48 bit（6 字节），字段依次为：

• 传输帧版本号（2 bit）：标识 CCSDS 版本，常为 00。
• 航天器标识符（SCID，10 bit）：区分不同卫星，例如 0x03A。
• 虚拟信道标识符（VCID，3 bit）：区分同一卫星内不同数据流，如遥测工程参数、载荷数据、文件传输。
• 运行控制字（OCF）标志（1 bit）：指示本帧是否携带 OCF。
• 主信道帧计数（8 bit）：用于丢帧检测与顺序判断。
• 虚拟信道帧计数（8 bit）：按虚拟信道独立计数。
• 帧副导头标志（1 bit）：指示数据域前是否有副导头。
• 同步标志（1 bit）：指示数据域是否含同步码。
• 包序标志（1 bit）：指示数据域是否以 CCSDS 包起始。
• 段长度标识（2 bit）：标识帧数据域首尾是否为包片段。
• 帧副导头计数（8 bit）：副导头长度计数。

数据域：承载 CCSDS 空间包或位流数据。若为包模式，数据域内是若干完整或分段的 CCSDS 包，包由 6 字节包头（版本号、类型、副导头标志、应用过程标识 APID、序列标志、包序列计数、包数据长度）加包数据组成。若为位流模式，则按预定义格式直接填充采样值。

帧差错控制域（FECF）：16 bit，采用 CRC-16/CCITT 对整帧（不含同步字）计算，用于检错。地面解码时先校验 FECF，错误帧可丢弃或标记。

帧尾：在 CCSDS 中通常指运行控制字（OCF），32 bit，携带星上时间、指令回执、模式字等实时状态，位置在 FECF 之前或之后取决于配置。

三、AOS 空间链路帧的差异

AOS 面向高速、多用户、多业务场景，其传输帧结构与 CCSDS TM 帧相似但更灵活。主要差异：

• 帧长度可变，由帧头中的“帧长”字段或固定配置决定，支持 1024、2048、4096 bit 等。
• 虚拟信道数量更多，VCID 扩展为 6 bit 或 8 bit，可同时承载遥测、遥控、图像、文件等多路数据。
• 插入业务与位流业务并存，数据域可混合封装包、位流、空闲帧。
• 帧头含“信号域”与“帧计数”，并支持帧内插入 OCF 或帧尾附加 Reed-Solomon 校验。
• 同步字仍为 1A CF FC 1D，但 AOS 帧可选用更长的相关同步序列以提升低信噪比下的捕获概率。

四、字段解析的实际操作

假设地面收到一段十六进制码流，前 4 字节为 1A CF FC 1D，说明已找到帧同步字。接着读取 6 字节主导头，例如 03 A0 12 34 56 78。按位拆解：版本号取最高 2 bit，SCID 取后续 10 bit，VCID 取 3 bit，依次得到卫星号、虚拟信道号、主帧计数与虚拟信道计数。若帧副导头标志为 1，则数据域前若干字节为副导头，需按副导头计数跳过。随后按包模式解析：读取 6 字节包头，取 APID 与包序列计数，再按包数据长度截取有效数据。最后用 CRC-16 校验整帧，若校验通过则数据可信，否则标记为坏帧。

实际工程中，帧同步字检测、帧头解析、CRC 校验、包重组通常由 FPGA 或专用解码软件完成。地面软件需要维护“帧计数连续性”判断：若主信道帧计数跳变，说明中间丢帧；若虚拟信道帧计数跳变，说明该 VC 丢帧。这是回放分析中判断数据完整性的关键依据。

五、回放分析中的字段使用要点

在回放分析时，帧头字段是建立时间轴与数据归属的基础。主信道帧计数与虚拟信道帧计数应逐帧记录，形成连续性曲线；若某 VC 计数出现跳变，可定位丢帧区间。SCID 用于区分多星数据，VCID 用于区分同一星内不同业务，APID 进一步区分具体应用过程。FECF 校验结果决定该帧是否参与后续统计。OCF 中的星上时间可与地面接收时间比对，用于分析传输时延与时钟漂移。