空間站信息系統仿真驗證平臺設計

王立勝，魏 然，沈宗月，王秉臣，朱 波，朱智超，賴安學

（1.上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海 201109；2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著人類對空間探索的不斷深入，空間站逐漸成為探索太空必不可少的工具。受體積和重量的影響，空間站需要逐艙發射、空中對接，實現整個空間站艙段間的信息并網，系統繁冗復雜。與其他飛行器相比，信息系統架構亦將有所改變，且會涉及多種空間應用新技術，如高速以太網技術、多總線通信管理調度、基于新型架構處理器的實時多任務應用開發、WIFI無線通信等，國內均為首次空間應用。高速以太網的功能及性能是否滿足信息安全可靠及時的傳輸需求，多組1553B總線的通信管理與調度，新型架構處理器中實時多任務應用開發，以及WIFI無線通信的熱點捕獲、性能是否滿足空間應用環境中的可靠通信，諸多關鍵技術均無應用先例。建立信息系統仿真驗證平臺，可在技術狀態尚不成熟時提供一相對靈活、開放的仿真環境，針對關鍵技術進行攻關研究與仿真驗證，為信息系統設計積累經驗與技術。仿真驗證平臺需模擬信息系統的體系架構，實現各類信息流的發送、傳輸與接收，完成對各項關鍵技術的仿真驗證，并提供軟件開發所需的硬件環境。為此，本文對空間站信息系統仿真驗證平臺設計進行了研究。

1 信息系統概述

1.1 組成架構

參考國際空間站建設情況，未來空間站信息系統架構如圖1所示，其結構分為系統網與高速網兩部分。系統網采用分層拓撲結構設計，分為控制層和用戶層，兩層相對獨立。控制層由中央處理器和多組1553B總線組成，每組總線均采用A、B互為備份；用戶層根據需要由不同應用系統設備和相應總線組成。高速網基于千兆以太網交換技術，物理部分采用樹型拓撲結構，分為頂層交換機和接入交換機。頂層交換機以千兆以太網交換機為核心，下連接入交換機；通過頂層交換機實現空間站的高速網互聯。系統網與高速網之間通過中央處理器連接，中央處理器作為以太網與總線間的網關，構成完整的信息系統架構。

1.2 工作原理

信息系統高速網與系統網既相對獨立又密切聯系。系統網主要用于信息系統核心服務，完成系統指令的控制，遙測參數的采集、處理和傳輸等功能；高速網主要用于語音、圖像、載荷數據等信息傳輸、操作控制、重要參數顯示及越限報警等。此外，系統網的控制指令、遙測數據除通過系統網傳輸外，還可通過高速網傳輸，而高速網的部分重要和關鍵數據也可通過系統網傳輸，兩網相互補充、協同工作，提高整個信息系統的可靠性。

系統網控制層由中央處理器負責各組總線的通信管理調度、在軌軟件運行維護、控制指令發送及遙測數據采集組幀等，設置遠置終端實現不同應用系統的遙測采集和指令發送；中央處理器與終端通過1553B總線進行遙測數據和控制指令的傳送。可將總線根據不同功能和應用需求進行分組，如GNC總線、平臺總線、數管總線、載荷總線等；其中載荷總線采用總線開關將艙內與艙外部分分開，在艙外設備異常時可進行故障隔離，不影響艙內系統總線的正常通信。用戶層由不同應用系統設備通過其應用總線與各執行設備通信，用于應用系統自身設備的控制與數據采集。

高速網通過頂層交換機與接入交換機構成了信息傳輸的主干網及接入網，主干網通過頂層交換機實現高速網互聯，接入網提供各終端設備的接入端口。終端設備的信息通過接入網進入主干網，與其他終端設備進行信息交互。對實時性要求較高的設備，如視頻處理器、儀表控制器、話音處理器、載荷管理器等直接接入主干網，對實時性要求一般的設備通過接入網連接到網絡。高速網設置數據復接器，對圖像、話音、遙測等數據進行復接處理后，經通信網關送高速通信機下傳；不能及時下傳的數據，在大容量固存中進行存儲。高速通信機接收的上行數據經通信網關安全過濾后進入高速網。

圖1 信息系統組成架構Fig.1 Architecture of information system

2 仿真驗證平臺設計方案

仿真驗證平臺模擬未來的空間站信息系統，采用工控機、功能板卡以及與航天產品相對應的低等級設備進行構建；同時為適應嵌入式軟件全生命周期的研制需求，構建數字化計算機平臺，提供軟件設計開發和仿真驗證環境。整個仿真驗證平臺包括1553B總線網絡、高速以太網絡、WIFI通信仿真驗證及數字化虛擬計算機開發仿真環境，平臺組成結構如圖2所示。

系統網設計中，中央處理器采用工控機及功能板卡模擬，5組總線中1組總線用于空間站艙段間的通信，其余總線用于本地控制層；為簡化仿真驗證系統，控制層總線只有2組接總線RT模擬器。用工控機與總線仿真卡模擬1553B總線RT，每組總線最多可動態模擬總線RT30個。標準總線測試儀用作1553B總線監視器，監視記錄每組總線的通信，便于總線通信異常時的問題查找與定位。用工控機模擬測控通信機，仿真與中央處理器的遙控遙測通信功能。中央處理器通過以太網接口與頂層交換機連接，實現系統網與高速網間的通信鏈路。此外，在中央處理器中構建數字化虛擬硬件環境，進行軟件開發調試。

高速以太網交換機采用商用標準千兆以太網交換機，配有100／1 000M自適應電接口和1 000M光接口，分為頂層核心交換機和接入交換機。高速通信模擬器用一臺工控機作為高速網的數據處理器，通過光網口進行數據接收與處理，包括不同數據的分類、話音與圖像的復現等。用攝像機、話筒產生話音、圖像等網絡數據。用2臺帶千兆自適應網口的計算機模擬兩個高速節點，產生不同速率的數據源。用1臺工控機實現網絡管理器，對交換機進行管理設置，如優先級、基于端口的VLAN劃分等，并用標準的網絡測試設備網絡測試儀測試網絡吞吐率、延遲、帶寬利用率、丟包率等網絡性能。

圖2 仿真驗證平臺結構Fig.2 Frame of simulation platform

用WIFI無線接入點（AP）和無線終端對 WIFI通信功能進行仿真驗證。AP選用標準設備，接入以太網交換機；用有視頻與話音功能的便攜式計算機模擬無線終端。無線終端可在AP間直接進行信息傳輸，或通過AP接入以太網交換機，與以太網其他節點設備進行信息交互，或經以太網傳輸，通過另外的AP與其他無線終端進行信息交互。通過無線終端的移動以及遮擋AP使其信號產生強弱變化等方法驗證WIFI無線通信的功能與性能。

仿真平臺設計中需注意：多組總線的通信調度與數據融合；高速以太網多種信息流及通信速率的同時模擬，驗證相互間的影響關系；模擬WIFI通信的信號強弱變化，驗證其功能與性能；在無硬件條件下提供軟件開發調試環境；驗證所仿真的信息系統架構的合理與可行性。

3 仿真驗證試驗與結果

針對未來空間站信息系統將涉及的各項關鍵技術，在仿真驗證平臺上進行相應的仿真驗證，主要包括系統網多總線管理調度、高速以太網的功能與性能、WIFI無線通信、基于新架構的數字化仿真、信息系統完整信息流通信鏈路與協議仿真等。

3.1 多總線管理調度及數據融合仿真

3.1.1 驗證內容

以往飛行器僅有一組1553B總線的通信，未涉及多組總線的應用。需對多組1553B總線通信的管理調度、多組總線傳輸能力是否為各組總線的傳輸能力總和、數據通信與處理協議與單組總線的一致性，以及多組總線的數據融合等技術的應用進行仿真驗證；另外對遙測數據組幀、遙控數據解幀以及不同通信途徑與方式，如接口類型、通信速率匹配等，也需進行測試驗證。

3.1.2 驗證方案

多總線通信管理調度策略驗證結構如圖3所示。中央處理器和遠置終端組成1553B多總線網絡，中央處理器作為總線BC，在其上進行軟件開發，與兩組總線RT模擬器通信。中央處理器通過多組總線網絡采集各1553B總線RT遙測數據，并將采集的數據按CCSDS格式組幀，通過以太網接口送給高速通信模擬器，通過串行接口送測控通信機模擬器，通過總線接口送其他艙段中央處理器模擬器；同時接收測控模擬器、其他艙段中央處理器模擬器、高速通信模擬器的遙控指令和注數，進行CCSDS解包后通過總線向對應1553B總線RT發送。通過上述途徑實現對多組總線通信管理調度策略、多組總線數據的融合、應用協議以及可能出現的各種問題進行仿真驗證。用1553B總線監視器監視總線網絡上的所有信息，分析總線通信。

圖3 多總線通信管理調度策略驗證結構Fig.3 Approval simulation of multibus management

3.1.3 驗證結果

在中央處理器和兩組1553B總線RT模擬器中分別運行BC，RT仿真軟件，中央處理器能按正常調度與兩組總線RT通信，獲取RT端的遙測數據，并將采集到的兩組總線RT遙測數據統一組幀、多途徑發送，同時進行后臺歸檔文件存儲，經比對遙測數據及組幀格式完全正確；中央處理器將各途徑接收到的遙控指令解幀處理后分發給不同總線RT，RT端能正確接收并執行指令。仿真結果顯示：多組1553B總線通信管理調度運行正常，數據融合組幀解幀功能正確，通信接口與速率等完全匹配。

3.2 高速以太網功能與性能驗證

3.2.1 驗證內容 仿真驗證以太網功能，如虛擬局域網VLAN劃分、安全控制特性、優先級等QoS策略設置以及流量控制等；測試驗證以太網性能，如以太網吞吐率、傳輸時延、丟包率等［1－3］。

3.2.2 驗證方案 高速以太網通信技術驗證結構如圖4所示。用平臺中的以太網交換機及網絡接口的圖像、話音設備、由工控機模擬的載荷設備、數據接收設備、網絡測試儀組成高速以太網絡，根據信息流的重要程度設置不同優先級，并通過網絡管理器對交換機進行VLAN劃分、安全控制策略、擁塞控制策略、優先級分配、端口流量限制等協議策略設置；通過圖像、話音設備及載荷模擬設備進行不同類型數據的發送，并控制載荷模擬器發送的數據量，在高速通信模擬器端接收并分類進行處理，圖像、話音解碼復現，載荷數據解析顯示。用網絡測試儀測試以太網的吞吐率、傳輸時延、丟包率等性能。由此驗證高速以太網的各項功能及網絡策略設置的合理性，并最終驗證高速以太網在信息安全可靠及時傳輸對航天應用的支持程度。

圖4 高速以太網通信技術驗證結構Fig.4 Approval simulation of Ethernet communication

3.2.3 驗證結果 傳輸靜止圖像數據時，接收端圖像播放流暢無卡頓，且與發送端的圖像源播放幾乎同步；實時視頻通信時，實時視頻流暢且無延遲；實時話音通信時，可流暢地進行話音交談，無卡頓現象，但有稍許的延遲感，通過調整接收緩存的大小，延遲感可減小甚至消失；大流量數據傳輸時，接收端與發送端同時實時刷新，顯示內容同步，比較發送端源文件及接收端接收保存的文件，內容完全一致。用網絡測試儀的測試結果為：高速以太網支持QoS業務分級功能、訪問控制列表ACL功能、虛擬局域網VLAN功能、端口鏡像功能等，吞吐率能達到100%，丟包率能達到0，傳輸時延千兆端口最大不超過50μs，百兆端口最大不超過200μs。仿真測試結果顯示：高速以太網帶寬與時延特性能滿足靜止圖像、實時視頻、話音以及大流量數據的通信，預測未來空間站可能的任務情況，高速以太網功能性能滿足應用需求。

3.3 WIFI無線通信仿真驗證

3.3.1 驗證內容 驗證WIFI無線熱點自動捕獲、配置、安全連接認證工作情況；驗證無線終端在移動過程中、在熱點切換情況下無線通信的可靠性和連續性，獲取無線通信對數據傳輸、話音傳輸、圖像傳輸的具體應用效果［5］。

3.3.2 驗證方案 WIFI無線通信仿真驗證結構如圖5所示。用 WIFI無線接入設備（AP）和終端組成無線網絡，將2個WIFI無線AP通過有線網絡接口接入以太網交換機，相隔一定距離，在其間進行信號遮擋；在兩個 WIFI無線終端間、WIFI無線終端與以太網節點設備間進行圖像、語音、數據等信息交互；使一個無線終端不停地在兩AP間來回移動，與兩個AP間的信號強度不斷出現強／弱、弱／強變化，仿真AP熱點的切換，測試在終端移動過程中以及在熱點間切換時WIFI通信的可靠性，驗證其自動捕獲與配置功能［4］。

圖5 WIFI無線通信仿真驗證結構Fig.5 Approval simulation of WiFi communication

3.3.3 WIFI無線通信仿真結果 仿真結果顯示：在信號覆蓋范圍內，WIFI無線終端能夠自動捕獲無線AP熱點信號，進行安全認證、關聯過程，隨后即可進行無線通信；兩終端通過同一個AP覆蓋直接通信，信號無遮擋時在802.11g模式下實際吞吐量可 達 約 10Mb／s，在 802.11n 模 式 下 可 達 約20Mb／s，一般不丟包，視頻圖像傳輸流暢，話音清晰連貫；終端移動過程中，信號強度未下降時吞吐量保持不變，圖像、話音仍可正常通信；遮擋導致信號強度下降時性能相對變差，偶有丟包，圖像偶有卡頓，話音偶有斷續；終端繼續移動，導致熱點切換至另一AP時，吞吐量又可達到無遮擋時的水平，切換過程有數據丟失，圖像、話音有瞬時斷續。

3.4 基于新架構的數字化仿真

3.4.1 仿真內容 中央處理器作為信息管理控制中心，集多種功能于一體，任務多，功能復雜，實時性要求也高，因而采用基于新型架構處理器進行實時多任務的軟件開發。為此需仿真處理器平臺硬件環境，進行實時操作系統的移植、適應性裁剪、核心控制軟件的設計開發、調試測試，以及控制策略與應用協議的仿真驗證，具體功能包括多任務管理技術、應用協議與控制策略、故障注入、系統功能冗余、多組1553B總線通信管理調度、遙測數據采集組幀、遙控指令及注數分發、時間產生與維護、與高速網的協議轉換與信息交互、分包遙控及分包遙測處理等。

3.4.2 仿真方案 在仿真平臺上用iSystem數字化虛擬開發仿真軟件構建處理器硬件模擬環境，并連接真實的外圍硬件接口，如1553B總線BC控制器接口、串行接口、以太網接口，構建外圍通信環境；在虛擬處理器平臺上進行實時操作系統的移植裁剪、嵌入式計算機板級支持包BSP配置，并進行多任務系統軟件的開發與仿真驗證，完整地實現多任務核心控制軟件開發、調試和測試，通過數字化技術驗證控制策略、應用協議，并進行故障模擬注入，驗證處理器BSP配置的可靠性、操作系統內核裁減的安全性、應用軟件任務調度的實時性和合理性，適應嵌入式軟件全生命周期的研制需求［6］。iSystem數字化計算機系統由iSystem Target目標處理器虛擬機、iSystem Device Model外部設備模型、iSystem Debugger調試器、iSystem ObjectCode Analyzer目標碼覆蓋率分析模塊組成，用其構建的數字化開發驗證環境如圖6所示。

圖6 數字化開發驗證環境構建Fig.6 Composing of digital development environment

3.5 信息系統聯合仿真

3.5.1 仿真內容 仿真信息系統的全部信息流通路，系統網與高速網間協同工作與數據交互的正確性、整個系統信息流連通性，以及數據交換、速率匹配、各功能協同工作及相互影響，如系統網遙測遙控信息流，高速網的視頻、語音、遙測傳輸等，進而仿真驗證信息系統整體架構的合理性。仿真信息系統的各種工作模式，測試功能和性能，同時可模擬總線和網絡的各種故障，檢查信息系統的故障處理和系統重構能力。

3.5.2 仿真方案 在各項技術仿真驗證完成后，設置多組1553B總線網、高速以太網、WIFI無線網絡同時聯合工作，模擬信息系統的完整信息流，對各功能配合情況、速率與接口匹配情況進行整體驗證；人為設置故障模式，仿真驗證系統的處理及重構情況。3.5.3 仿真結果 仿真結果顯示，在系統網、高速網各類數據流同時運行的情況下，仿真效果與單一數據流仿真時效果一致。由此驗證了系統網1553B總線網絡、高速網千兆以太網網絡及整個信息系統體系架構的合理性。

4 結束語

本文對空間站信息系統仿真驗證平臺設計進行了研究，仿真驗證了未來將應用的關鍵技術和體系架構，為空間站信息系統設計積累了經驗及技術。該平臺可實現基于實時操作系統的多任務實時軟件更全面深入的測試與驗證，可基于虛擬環境開展基于硬件環境無法進行的測試和驗證工作，如目標碼覆蓋率分析、CPU故障注入等，還可作為今后信息系統及單機設備功能和性能測試平臺。若產品出現問題時，可用該平臺進行分析和試驗，更好地復現、分析和解決，而且能遠程再現故障，無需設備的來回運送，更好地支持總體工作。

［1］ SEIFERT R.千兆以太網技術與應用［M］.朗 波（譯）.北京：機械工業出版社，2000.

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［6］ 曹 晗.基于SPARC平臺的VxWorks虛擬化技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.