一種航天器上多子網數據網絡設計

穆強 裴楠 郭堅 程慧霞

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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一種航天器上多子網數據網絡設計

穆強 裴楠 郭堅 程慧霞

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

基于1553B總線歸納了對等子網和上下級子網2種子網間的連接方式，并結合網絡連接關系、數據傳輸機制，提出多子網的數據網絡設計思想。該設計既能保證子網的獨立性，又能將子網連接為一體,既可解決突發數據的傳輸問題,又能適用于復雜多子網網絡的航天器。以某具體航天器為例，完成包含對等子網和上下級子網的多子網網絡數據系統設計，并驗證了其可行性。文章提出的設計已應用到航天器工程中，降低了多子網航天器協議設計的難度。

航天器上多子網數據網絡；組網方式；傳輸機制

1 引言

我國的航天器上廣泛采用1553B總線連接各個終端，組成數據網絡。這些終端分為總線控制器(BC)和遠程終端(RT)，其中總線控制器是總線系統中的主控終端，控制和發起數據的傳輸[1]。目前，大多數航天器僅采用結構相對簡單的單級總線網絡，所有的數據傳輸由總線控制器集中控制，多級總線網絡的應用并不多；而且，網絡之間的數據交互要求也比較簡單，一般僅傳輸少量常規的遙測信息，傳輸頻率和數據量也比較固定。由于航天器網絡規模不斷擴展，以及多個艙段既能組合工作、又能獨立工作的需求，航天器數據網絡設計也向多級化發展，須要將整個網絡劃分為不同子網，再進一步組合為整個航天器的網絡，各子網應具備完全對等的功能。這對數據網絡設計提出了更高的要求，各種不同傳輸頻率的數據及突發的上下行數據要在各個子網中傳輸共享，依靠總線控制器集中控制的方式很難實現上述靈活的數據傳輸機制。

在國外的航天器中，特別是大型航天器，多1553B總線網絡的應用比較常見。例如，“國際空間站”中的俄羅斯服務艙信息系統由2層總線網絡組成：第1層以6條1553B總線為核心，6條總線分為3組，各組總線分工明確，完成空間站整體管理；第2層混合使用1553B及RS-485等總線連接各分系統的內部網絡，負責完成本分系統的內部任務[2]。在國內的航天器中，多總線網絡的應用還較少，且通信協議是針對航天器具體功能進行設計的，因此很難推廣至其他航天器中應用。近年來，隨著國內多總線網絡航天器的應用逐漸增加，建立多子網間通信機制的需求越來越明顯。為此，本文歸納了目前國內航天器實際采用的2種較為常見的子網間的連接方式，并基于網絡連接關系和數據傳輸機制，提出了多子網的數據網絡設計思想，可滿足各類數據的子網共享需求，適用于建立多子網的航天器數據網絡。結合具體的多子網網絡結構數據系統設計實例，驗證了該設計思想的可行性。

2 多子網數據網絡設計

2.1 多子網的組網方式

根據拓撲結構不同，多個1553B總線網絡的組網包括并行組網、層次化組網和混合組網等概念[3]。考慮到網絡拓撲關系的復雜度，目前國內航天器實際采用2種較為常見的連接方式，本文將其分別稱為對等子網(見圖1)和上下級子網(見圖2)。

如圖1所示，在對等子網中，將每個1553B總線系統看作1個子網，2個子網各自存在自己的總線控制器，且有1個公共終端分別作為2個總線系統的遠程終端，作為連接2個子網的網關。與之對比，圖2中，公共終端(即網關)作為總線1的遠程終端，同時又作為總線2的總線控制器，此時總線1所在子網稱為上級子網，總線2所在子網稱為下級子網。可見，2種連接方式的差別在于，作為網關的公共終端在2個子網中都是作為遠程終端，還是在其中1個子網中是作為總線控制器。為了使不同的子網既能夠組合工作，又能夠互相分離并獨立工作，同一個公共終端不在2個子網中同時作為總線控制器。

圖1 對等子網示意Fig.1 Peer-to-peer subnet

圖2 上下級子網示意Fig.2 Superior/subordinate subnet

多個子網以上述方式進行連接，可不斷擴充航天器數據網絡，形成更大規模的網絡。根據需要，子網可以按照終端類型進行劃分，也可以按照終端設備在航天器中的安裝位置劃分。例如：不同類的有效載荷設備可劃分在不同的子網中，既便于數據的匯集，又有利于大型航天器網絡的管理；當多艙段航天器有艙段分離的要求時，在需要分離的艙段內建立獨立的子網，可使該艙段內數據的傳輸具有獨立性，便于分離前后的數據傳輸管理。

2.2 多子網的數據傳輸機制設計

多子網設計的重點在于建立子網間的數據傳輸機制，通過對子網間共享的數據進行整理，針對不同的數據傳輸需求設計對應的傳輸協議。根據目前航天器的一般數據傳輸需求，可將數據分為常規數據和突發數據。其中：常規數據一般包括周期性傳輸的常規遙測數據等；突發數據一般包括上行注入數據、下行事件報告數據等。常規數據的傳輸由所在子網的總線控制器發起，根據使用需求按照數據傳輸頻度周期性地通過網關向相鄰子網進行發布，最終傳輸至該子網的總線控制器進行管理；突發數據的傳輸由數據源端發起，數據源端可能是子網的總線控制器或者遠程終端，當由遠程終端發起時，要首先傳輸至所在子網的總線控制器，再由總線控制器根據數據使用需求進行分發。在2類數據中，突發數據的高效率傳輸是協議設計的重點。

在傳統的單級總線網絡中，所有突發數據的傳輸都需要總線控制器控制，即使遠程終端到總線控制器的傳輸，也需要總線控制器首先通知遠程終端準備數據，等待約定的時間后再通知遠程終端發送數據。在傳統方式中，當跨越多級子網時，總線控制器要控制讀取另外一個子網的遠程終端，這時須考慮2個子網的傳輸延遲等問題，難以確定合適的取回時間，效率比較低；一旦網絡擴充，還要重新分析傳輸的時間，對已完成的設計帶來較大影響。另外，在傳統方式中是由總線控制器控制突發數據的傳輸，遠程終端沒有主動傳輸的能力，當發生故障或需要報告的事件時，無法送出對應的事件報告，地面控制不能及時發現問題。

在多子網的系統中，為保證各子網的獨立性，由每個子網的總線控制器主控所在子網的通信，并賦予遠程終端主動發起數據傳輸的能力；跨子網的傳輸由總線控制器進行中轉，經由網關傳輸至相鄰子網的總線控制器，可解決突發數據跨子網傳輸的問題。根據突發數據傳輸要求的發起方不同，可分為航天器上終端自主發起和地面遙控發起，本文對2種突發數據進行綜合設計。地面遙控發起的突發數據傳輸要求，如常見的航天器上計算機內存讀出功能，是由地面發送指令，被讀出的終端解析后準備好對應的數據，向其所在子網總線控制器發起傳送的服務請求，總線控制器響應該請求并獲取遙測包(稱為數據回傳)，并根據包路由規則進行轉發。圖3為2級子網下行突發數據傳輸示意，將傳輸過程中的傳輸發起和數據回傳分離，T0時刻子網1總線控制器發出數據準備通知，經過T1時間后收到回傳的數據，T1即為數據回傳的延遲，其中包含子網2數據回傳延遲T2。數據回傳延遲不需要總線控制器控制，而是由遠程終端的實際能力動態確定。航天器上終端自主發起的突發數據傳輸與數據回傳是一致的，因此也具備主動發起自身突發數據傳輸請求的能力，從而將2種因為發起方不同的突發數據傳輸統一。相同的機制便于擴充至更大型的網絡。

圖3 突發數據傳輸過程示意Fig.3 Transfer process of burst data

3 設計實例

3.1 網絡結構

以某航天器為例，其數據網絡見圖4。該航天器通過1553B總線組成網絡，整個網絡劃分為3個子網。子網1和子網2組成對等子網，通過網關A連接，網關A分別作為子網1和子網2的遠程終端；子網1和子網3組成上下級子網，其中子網1為上級子網，子網3為下級子網，通過網關B連接，網關B分別作為子網1的遠程終端和子網3的總線控制器。

航天器由多個艙段組成，子網1、2、3分別位于不同的艙段中，當子網2所在艙段和子網1所在艙段需要分離時，分離開關2斷開，分離后，子網2獨立工作。子網3所在艙段和子網1所在艙段需要分離時，分離開關3斷開，分離后，子網1和子網3都處于獨立工作狀態。為了應對艙段分離的需求，子網1、2、3所在艙段中都配備了獨立的對地上下行測控通道，可各自獨立地對地傳輸數據，數據傳輸由各子網中的總線控制器控制。在組合狀態下，地面控制中心可通過任意一個艙段的測控通道對航天器實施測控。由于3個子網具備獨立工作能力，因此在獨立狀態下仍可以單獨對獨立艙段進行測控。另外，當航天器某個對地測控通道發生故障時，作為故障預案，3個艙段中的測控通道可以實現互相備份。因此，須要設計子網間的數據傳輸機制，實現數據分發和匯集等數據跨艙段共享，同時還要適應艙段分離后的工作需求。

圖4 航天器網絡結構示意Fig.4 Spacecraft network structure

3.2 數據傳輸機制

空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)建議的高級在軌系統(AOS)鏈路協議[4]、空間包協議[5]、遙控數據鏈路協議[6]，在我國航天器中已逐漸廣泛應用。另外，為提高天地信道的利用率，獲取盡可能多的航天器信息，多個國內航天器上實現了對下行遙測包的調度[7]。設計子網間的數據傳輸機制，須要綜合考慮航天器對地測控鏈路的協議和數據傳輸需求[8-9]，使天地傳輸結合為一體，簡化地面操作，提高易用性。因此，本文結合CCSDS的協議，應用多子網的數據網絡設計思想，完成第3.1節所述網絡結構的多子網數據網絡設計。

3.2.1 上行數據的傳輸

上行天地鏈路采用CCSDS建議的遙控數據鏈路協議，其中主要數據結構包括遙控包、遙控傳送幀(遙控幀)、通信鏈路傳輸單元(CLTU)，三者之間的關系和數據格式如圖5所示，遙控包的數據格式符合CCSDS空間包協議中遙控包的規定。圖6和圖7分別為遙控傳送幀和遙控包的數據格式。

上行數據設計了2次分發的方式：第1次為鏈路層分發，確定該遙控幀的目的子網；第2次為網絡層分發，確定遙控幀中遙控包在子網內的目的終端。通過2次分發，最大程度地保證了子網內數據通信的獨立性，子網間互不影響，地面注入的數據可傳送至指定的終端。

由于多個艙段具有組合/獨立2種狀態，因此為3個艙段分配了不同的航天器標識(SCID)，即通過遙控幀主導頭中的航天器標識域可識別該遙控幀傳送給哪個艙段。另外，航天器上連接在1553B子網中的終端分配專用的應用過程識別(APID)，遙控包主導頭中的應用過程識別域體現了該遙控包的目的終端。地面可通過任意一個艙段的測控通道注入該遙控幀，航天器上收到后，根據航天器標識進行第1次分發。如果是本艙段的數據，則進一步解析出內部的遙控包，再次分發至本子網中的目的終端。如果是其他艙段的數據，則通過相應的網關A或B路由至目的子網，在該子網內進行第2次分發，將解析出的遙控包發送至目的終端。

與單級子網設計思想相比，多子網間2次分發的上行數據傳輸機制，特別適用于有艙段分離工作模式的航天器，能保證各艙段的獨立性，可統一設計組合/獨立狀態下的數據分發，簡化了工作模式變化所帶來的傳輸協議變化，便于實現多子網擴充，滿足復雜網絡設計需求。

圖5 上行鏈路數據結構Fig.5 Uplink data structure

注：m=1,2,…。圖6 遙控傳送幀Fig.6 Telecontrol transfer frame

注：n=1,2,…。圖7 遙控包Fig.7 Telecontrol packet

3.2.2 下行數據的傳輸

下行鏈路采用高級在軌系統鏈路協議，主要數據結構為信道訪問數據單元(CADU)、虛擬信道數據單元(VCDU)、多路協議數據單元(M-PDU)、遙測包等。其中：VCDU的長度在一個特定的航天器任務中是確定的，M-PDU的長度與VCDU數據域長度相同，遙測包符合CCSDS空間包協議中遙測源包的規定。圖8為CADU和VCDU的數據結構，圖9和圖10分別為VCDU主導頭和M-PDU的數據結構。

圖8 信道訪問數據單元和虛擬信道數據單元Fig.8 CADU and VCDU

圖9 虛擬信道數據單元主導頭Fig.9 Primary header of VCDU

圖10 多路協議數據單元Fig.10 M-PDU

下行數據在3個艙段的測控通道下傳，首先需要實現的是航天器內跨子網傳輸，在多個子網中實現數據的共享。因此，航天器內數據傳輸的主要目的是解決子網間數據共享的問題。因為3個艙段的測控信道都需要對遙測包進行調度下傳，所以子網間的數據共享以遙測包為單位，各終端將自身數據組成規定的遙測包，并匯集到所在子網的總線控制器。總線控制器通過網關將遙測包發送至相鄰子網，并接收相鄰子網送來的其他子網遙測包。由此，任意一個子網的總線控制器都可以獲得3個子網的遙測包，其中包括需要下行傳輸和航天器上自主管理等功能需要的數據信息。

子網間遙測包分為常規遙測包和突發遙測包。常規遙測包設計傳輸周期為1 s，在各個子網間進行傳輸。根據可利用帶寬資源情況，以及地面遙測監視的需求，分別在3個測控通道下傳時對所有遙測源包進行多路復用，形成各自的M-PDU，置入VCDU中，完成下傳。突發遙測包由數據源端發起傳輸請求，將數據傳輸到所在子網的總線控制器。總線控制器將突發遙測包通過本艙段測控信道下傳，并按照包路由規則將突發遙測包傳輸至相鄰子網的總線控制器，通過相鄰子網的測控信道再次下傳。綜上所述，遙測包實現整個航天器的網絡共享，并具備多個通道下傳的備份能力，且各通道可以獨立進行調度控制。當不需要多次備份時，可單獨停止遙測包在某個通道的下傳，避免信道資源的浪費，而且在單個通道故障情況下也不會影響地面測控。

4 結束語

在航天器研制任務中，數據系統不斷趨向復雜化，數據網絡設計向多級化發展，將整個網絡劃分為不同子網，再進一步組合為整個航天器的網絡，使多子網數據通信需求越發迫切。本文提出了多子網數據系統設計，可實現子網內部結構對外屏蔽，既能保證子網的獨立性，又能將多個子網緊密連接為一體。此外，還重點解決了突發數據的傳輸問題，使跨子網的突發數據傳輸簡便易行。該設計能夠滿足多子網組合及分離的工作狀態，可方便地進行擴展，降低網絡管理的難度，適合應用于復雜網絡航天器。目前，此設計方法已在1553B總線上實現，后續可對1553B總線協議的標準化進行深入研究，以進一步推廣其應用。

References)

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Commission of Science,Technology and Industry for National Defence.GJB 289A-97 Digital time division command/response multiplex data bus[S].Beijing：Commission of Science,Technology and Industry for National Defence,1997 (in Chinese)

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Shao Jinjian，Shao Zongliang.Design of bus topology and communication protocols on 1553B [J].Comuputer Engineering，2011，37(10)：269-270 (in Chinese)

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(編輯：夏光)

Design of On-board Multi-subnet Data Network of Spacecraft

MU Qiang PEI Nan GUO Jian CHENG Huixia

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Based on 1553B serial data bus,two link modes of multi-subnets which are peer-to-peer subnet and superior/subordinate subnet are concluded.And a design of multi-subnet is discussed combining with the network link relationship and data transmission mechanism.It can realize the independence of a subnet,and connect multi-subnets together.The problem of transmission of burst data is solved,so the design can be used in a spacecraft including a complex multi-subnet data network.An example of data system design for an actual spacecraft is described which includes a peer-to-peer subnet and a superior/subordinate subnet,and the result shows that this design is feasible.The design proposed has been applied to the spacecraft and can simplify the protocol design of the multi-subnet spacecraft.

spacecraft on-board multi-subnet data network；network mode；transmission mechanism

2015-02-12；

2015-11-10

國家重大科技專項工程

穆強，男，碩士，高級工程師，從事航天器數據管理系統設計工作。Email：muqiang3001@163.com。

V446.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.007