FC-AE-1553光纖總線技術在運載火箭測量系統的應用

王報華，郝現偉，王 昕，郭世友，李大全

FC-AE-1553光纖總線技術在運載火箭測量系統的應用

王報華1,2，郝現偉1，王 昕1，郭世友1，李大全3

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 哈爾濱工業大學，哈爾濱，150006；3. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

運載火箭測量系統使用LVDS、RS422、1553B等總線接口，以混合應用方式構成了測量系統數據傳輸網絡。隨著運載火箭測量系統技術發展，高帶寬傳輸、設備數據共享、電纜網輕質化等需求日益增長，測量系統亟需發展新型總線技術滿足應用需求。FC-AE-1553光纖總線技術具有時間同步、高速傳輸、多冗余和多級網絡級聯等總線網絡特點，能夠應用于航空航天和船舶等高速高可靠應用領域。運載火箭測量系統采用FC-AE-1553光纖總線技術，在保證測量系統高可靠通信的同時，能夠極大提升測量系統數據傳輸通信速率，實現測量系統高速信息傳輸。

測量系統；FC-AE-1553；高速傳輸；高可靠傳輸

0 引 言

運載火箭測量系統是執行運載火箭遙測、外測、安控任務的重要分系統，對于運載火箭狀態監測和飛行評估具有重要意義。運載火箭測量系統設備種類繁多，數量龐大，設備遍布于多個艙段。傳統測量系統采用LVDS、RS422、1553B等總線接口，形成了高、中、低3種通信速率傳輸能力，以混合應用方式構成了測量系統數據傳輸網絡。當前，測量系統混合總線應用方式凸顯出通信帶寬不足、接口種類繁多和電纜網設計復雜等問題，亟需發展新一代高速高可靠總線進行一體化、統一化設計[1]。FC-AE-1553光纖總線具有吉比特數據通信能力，多冗余網絡傳輸，輕質化、抗干擾的物理通信介質，以及高精度的時間同步能力，能夠有效解決運載火箭測量系統應用需求[2]，實現運載火箭測量系統的升級換代。

1 FC-AE-1553光纖總線技術介紹

FC-AE-1553光纖總線采用了多種先進、可靠技術，保證了總線高速傳輸能力和高可靠性。主要包括：

a）采用多層體系結構，由FC-0（物理層）、FC-1（傳輸協議）、FC-2（信令協議）、FC-3（公共服務）和FC-4（高層協議映射）組成；

b）支持PON/仲裁環/交換型網絡拓撲結構，支持雙冗余網絡拓撲結構設計；

c）定義NC、NT、NM端節點功能，NC完成對各NT節點的調度，NM負責監聽網絡數據和工作狀態，支持多NC通信模式；

d）采用流量控制機制，為解決數據沖突及實現總線高吞吐率提供了保證；

e）支持10種交換模式，具備多種網絡訪問能力；

f）支持1.0625 Gb/s、2.125 Gb/s、4.25 Gb/s高速高帶寬傳輸能力；

g）支持大規模節點入網能力，終端數量224-1，子地址數量232-1；

h）網絡時間同步特性，同步精度優于100 ns。

FC-AE-1553光纖總線支持總線型、交換型、仲裁環型拓撲結構，拓撲結構如圖1所示。PON總線型拓撲結構采用分光器、光反射器及端節點設備組成[3]，網絡拓撲結構相對易于實現[4]，但是由于分光器分光比和光纜傳輸衰減等因素，網絡可靠通信需要嚴格的光功率計算和特殊設計才能實現，不利于系統擴展升級。在特殊情況下，若某端節點設備出現故障，一直處于光發射狀態，可能造成網絡出現全局故障。仲裁環網絡拓撲結構存在PON總線網絡拓撲結構相同的全局故障模式。若環路中NT或NM端節點單點故障，則會導致環路通信中斷。雙冗余交換型網絡采用交換機設備實現網絡級聯和設備擴展，能夠更好支撐大規模網絡建設。若有一臺端節點設備發生故障，可對該故障節點設備進行屏蔽，不會出現PON總線、仲裁環網絡拓撲結構的全局故障形式。

圖1 FC-AE-1553光纖總線網絡拓撲結構

2 運載火箭測量系統傳統數據傳輸架構

運載火箭測量系統采用分布采集、逐級綜合的數據傳輸方式，數據采編設備采集各艙段傳感器數據、關鍵設備狀態數據后，發送給數據綜合設備進行綜合編幀，遙測幀數據經遙測發射機調制放大后進行無線下傳。運載火箭測量系統數據傳輸架構如圖2所示。

圖2 測量系統傳統數據傳輸架構

測量系統傳統數據傳輸架構中，數據綜合設備與采編設備采用HDLC接口總線協議完成數據通信，HDLC接口總線協議物理層采用RS422器件，可支持10 Mb/s速率數據傳輸。HDLC接口總線按照“指令-響應”工作方式，數據綜合設備發送命令信號及伴隨時鐘，采編設備返回數據信息及伴隨時鐘。由于HDLC接口總線是點對點傳輸，設備之間均需要獨立的通信接口，造成了電纜網設計復雜及電纜網質量增加。同時，由于HDLC接口總線冗余代價較大，數據采編設備和數據綜合設備之間不具備多冗余傳輸能力，若HDLC接口總線信號發生故障，相關數據采編設備數據將無法傳輸到數據綜合設備，從而造成遙測數據部分丟失。在測量系統傳統數據傳輸方式中，數據綜合設備往往只有1臺設備，數據綜合設備的冗余能力需進一步提高。HDLC接口總線協議采用發送串行同步指令方式進行系統同步，數據綜合設備向數據采編設備發送多比特串行指令，數據采編設備在接收到串行同步指令后，進行本地同步，與數據綜合設備進行時間對齊。由于該系統同步機制未采用時間誤差補償，時間同步精度為1 us以上，系統時間同步性能較差。

3 測量系統FC-AE-1553光纖總線應用

3.1 基于光纖總線的測量系統架構

基于FC-AE-1553光纖總線的雙冗余交換型網絡具備A/B總線冗余通信能力，能夠提高網絡通信可靠性。交換機能夠支持網絡節點靈活接入[5]，是適用于測量系統高速高可靠應用的網絡拓撲結構。測量系統FC-AE-1553光纖總線網絡拓撲結構采用A/B總線完成下行指令及上行數據通信，A/B總線通道形成了2條完全獨立的信息傳輸路徑，避免單總線失效影響系統正常運行。測量系統FC-AE-1553光纖總線網絡拓撲結構如圖3所示。

成都工業學院[3]主要在教學內容上增加零部件測量、檢測、機構調整、汽車配件質量的鑒別與檢測、汽車再制造認識、再生燃料及新能源汽車認識等拓展內容，以引導學生不滿足于現狀、努力學習，達到強化實踐操作技能、提升工作能力的目的。

圖3 測量系統FC-AE-1553光纖總線網絡

圖3中，數據綜合器為NC主控節點設備，采編器為NT端節點設備，測量系統采用A/B總線進行冗余通信，采用交換機實現網絡級聯和節點擴展。在多級火箭中，每級艙段均有網絡交換機設備，采編設備可分別與A/B總線交換機連接，形成A/B總線冗余通信。數據綜合器作為NC節點設備，承擔總線任務調度功能。圖3中，為提高測量系統可靠性，避免NC主控節點失效引起測量系統無法運行，FC-AE-1553光纖總線網絡采用了雙NC工作模式。主NC節點、備NC節點在FC-AE-1553起到雙冗余主控節點作用。為避免主NC、備NC調度沖突，在主NC正常工作時，備NC以NM端節點功能存在，實時監聽網絡運行及主NC工作狀態；主NC設備失效后，備NC設備由NM監聽功能切換為NC主控功能，替代主NC設備執行FC-AE-1553光纖總線網絡數據調度任務。

在基于FC-AE-1553光纖總線的測量系統中，主NC主控節點向遙測發射機發送遙測編幀數據，備NC主控節點作為NM存在時，實時監聽過濾FC-AE-1553光纖總線數據，可以獲取與主NC主控節點完全一致的遙測數據。備NC也把該遙測數據流發往下一級遙測發射機設備，從而使測量系統獲取了雙冗余遙測數據流數據傳輸能力。

3.2 時間觸發及總線調度機制

FC-AE-1553光纖總線采用IEEE1588時間同步協議實現時間同步。IEEE1588時間同步協議主時鐘、從時鐘間前向路徑采用發送Sync同步報文、Follow_up跟隨報文，返向路徑采用發送Delay_req延遲請求報文以及Delay_resp延時請求響應報文。可以精確計算出從時鐘與主時鐘之間的時間偏差offset和網絡延時delay，從時鐘根據時間偏差offset和網絡延時delay參數修正本地時鐘，從而實現與主時鐘的精確時間同步，同步精度可優于100 ns。

基于高精度時間同步特性可建立測量系統網絡通信時間觸發機制，構建調度周期、時間原語信息的嚴格時間相關關系，在調度周期內實現多個任務調度時隙的劃分，能夠形成適用于運載火箭測量系統的高可靠無沖突總線調度機制。圖4為總線調度周期及時隙劃分。按照FC-AE-1553光纖總線時間觸發機制，調度周期劃分為個時隙，測量系統數據調度任務依次安排在時隙內，保證了調度周期內各節點的嚴格時間關系，避免了各任務調度時間碰撞，保證了測量系統任務調度的時間故障隔離能力。

圖4 總線調度周期及時隙劃分

3.3 箭地一體化通信應用

箭地一體化通信是箭上測量系統與地面測發控系統的技術發展趨勢[6]。傳統測量系統箭地通信網絡協議繁多，接口不統一，難以實現箭地一體化通信[7]。箭上測量系統采用FC-AE-1553光纖總線網絡，地面前端測發控系統也采用FC-AE-1553光纖總線接入到箭上測量系統FC-AE-1553光纖總線網絡，能夠實現箭地通信一體化通信應用。地面前端測發控系統增加FC-AE-1553光纖總線網絡節點設備及交換機設備，接入到FC-AE-1553光纖總線網絡后，能夠實現箭上供配電控制、功率控制、參數注入和箭上數據采集監聽等[8]。箭地一體化通信網絡中，前端測發控系統采用NC功能訪問箭上設備節點，箭地FC-AE-1553光纖總線網絡將存在多個NC通信。為避免多NC通信沖突，可在時間觸發機制的基礎上，采用時間分割的方法解決可能發生的訪問沖突，提升系統工作穩定性。對測量系統FC-AE-1553光纖總線網絡調度周期進行分割，NC1、NC2、NC3…NC的占用時間分別為Δ1、Δ2、Δ3…Δt。Δ1、Δ2、Δ3…Δt在時間關系上互相隔離，互不沖突，這樣系統不會發生時間碰撞問題，從而實現了多NC節點無碰撞通信，保證了箭地一體化通信可靠性。網絡調度周期時間分割方法如圖5所示。

圖5 箭地通信多NC通信的時間分割方法

4 FC-AE-1553光纖總線應用測試

5 結束語

基于FC-AE-1553光纖總線應用，運載火箭測量系統實現了高速互聯互通，大量復雜的物理連接關系將轉換為通信時隙資源，簡化了電纜網設計，同時測量系統設備數據訪問獲取將更為便捷，數據處理及應用將更加普遍。采用A/B總線冗余傳輸和數據綜合冗余等冗余設計手段，增強了測量系統FC-AE-1553光纖總線應用可靠性，基于時間同步、時間觸發總線和時間分割機制，測量系統設備同步能力優于100 ns，實現了各任務調度時間的無碰撞通信。FC-AE-1553光纖總線應用突破了傳統測量系統技術瓶頸，實現了運載火箭測量系統數據傳輸領域的升級換代，在航天領域將具有很大的技術應用潛力。

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Application of FC-AE-1553 Optical Fiber Bus Technology in Launch Vehicle Measurement System

WANG Baohua1,2, HAO Xianwei1, WANG Xin1, GUO Shiyou1, LI Daquan3

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin, 150006;3. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The measurement system of launch vehicle uses bus interfaces such as LVDS, RS422 and 1553B buses to form the data transmission network of the measurement system in a hybrid application mode. With the development of launch vehicle measurement system technology, the requirements for high bandwidth transmission, equipment data sharing, and cable network lightweight are growing day by day. It is urgent to develop new bus interface technology for measurement system to meet the application requirements. FC-AE-1553 optical fiber bus technology has the characteristics of time synchronization, high-speed transmission, multi redundancy, multi-level network cascade and other bus networks, and can be applied to high-speed and high reliability applications such as aerospace, shipbuilding, etc. The carrier rocket measurement system adopts FC-AE-1553 optical fiber bus technology, which can greatly improve the data transmission communication rate of the measurement system while ensuring the high reliable communication of the measurement system, and realize high-speed information transmission of measurement systems.

measurement system; FC-AE-1553; high speed transmission; highly reliable transmission

2097-1974(2023)02-0137-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230227

V475.1

A

2022-12-02；

2023-01-04

王報華（1987-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。

郝現偉（1985-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。

王 昕（1983-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。

郭世友（1974-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。

李大全（1975-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。