大型載人航天器載荷數據傳輸系統設計

劉彥偉 趙振昊 楊佳欣 易予生

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

為了更好地利用太空資源,開展空間科學試驗、空間應用試驗、航天醫學試驗和航天技術試驗等項目,充分發揮載人航天的科學、經濟效益是載人航天器基本任務之一[1-3]。大型載人航天器一般由多個艙段組成,往往采取分步發射的方式,通過交會對接和轉位完成載人航天器的組裝建造[4-5]。大型載人航天器可在艙內布置若干個科學實驗柜、在艙外設置暴露試驗平臺,持續支持開展空間生命科學、微重力科學、航天醫學、航天新技術等多學科領域的空間科學與技術試驗[4-5],每個試驗載荷項目每天均產生大量載荷試驗數據,需及時下傳至地面供科研人員研究。

國內外航天器均設計數據總線系統用于有效試驗載荷的數據傳輸,常用數據總線包括:ML-STD-1553B總線、CAN總線、IEEE1394總線、SpaceWire總線[6-9]等。其中:ML-STD-1553B總線和CAN總線的通信速率較低,最大通信速率為1Mbit/s;IEEE1394總線的通信速率最大為400Mbit/s,通信距離僅為4.5m;SpaceWire總線的通信速率為2～400Mbit/s,通信距離為10m。“國際空間站”為有效試驗載荷專門設計了兩種數據總線,美國實驗艙采用光纖分布式數據接口(FDDI)網絡,通信速率為100Mbit/s;歐洲航天局哥倫布艙采用IEEE802.4總線網絡,通信速率為10Mbit/s[10]。我國載人航天器也為有效試驗載荷專門設計數據總線用于傳輸試驗數據,空間實驗室采用IEEE1394總線,通信速率為100Mbit/s;貨運飛船采用雙絞網線以太網,通信速率最大為100Mbit/s[11-12]。從通信速率和傳輸距離來看,采用常用數據總線設計的數據傳輸系統已不能滿足大型載人航天器空間試驗載荷任務需求。

與常用數據總線相比,光纖以太網通信具有傳輸速率高、通信容量大、穩定性高、質量輕等優點,是航天器數據總線傳輸的重要發展方向[13-15]。大型載人航天器往往是按照艙段分步發射、在軌完成組裝,在空間試驗載荷設計上有著顯著特點:①試驗載荷規模大:大型載人航天器在艙內、艙外均可大規模支持空間科學與技術試驗。艙內可安裝幾十個實驗柜,每個實驗柜均相對于將一個地面實驗室搬到了太空,艙外可設計支持若干個標準艙外載荷,用于支持多學科的各類實驗(試驗)項目[5];②試驗數據量大:每個科學實驗柜和艙外載荷在開啟試驗任務后,每天產生大量的試驗數據,最多可達幾百個Gbyte的數據量,需及時下傳至地面;③數據傳輸要求高:載荷試驗數據在載人航天器內的傳輸時延和丟包率要求均比較高,傳輸時延要求在微妙級,丟包率要求為0,即不能有數據丟失。針對大型載人航天器艙內/艙外試驗載荷多、試驗數據量大、數據傳輸要求高的特點,本文提出一種基于光纖以太網的大型載人航天器載荷數據傳輸系統設計方法,采用雙環+樹形的網絡拓撲結構,配置千兆速率(1Gbit/s)和萬兆速率(10Gbit/s)的光纖以太網接口,在艙內通過已鋪設光纜與艙內試驗載荷互連、在艙外通過光纖在軌拼接技術實現與艙外試驗載荷互連,為大型載人航天器艙內外各類試驗載荷提供高速數據傳輸和下行通道服務。

1 系統設計

1.1 設計原則

大型載人航天器載荷數據傳輸系統用于傳輸空間試驗載荷的各類應用數據,遵循以下基本原則。

(1)系統的可擴展性。可適應載人航天器單艙、兩艙、多艙多種飛行模式,具備網絡擴展的能力。

(2)數據接口的標準化。物理接口和網絡協議棧采用標準數據接口模塊,可適應不同試驗載荷數據的傳輸。

(3)艙內/艙外的覆蓋性。對空間試驗載荷的支持最大化,網絡需覆蓋艙內和艙外全部試驗載荷,并為載荷提供最大的數據傳輸服務。

1.2 拓撲結構

大型載人航天器載荷數據傳輸系統設計分為兩層:骨干傳輸層和匯聚接入層,采用雙環+樹形的網絡拓撲結構。骨干傳輸層主要由各艙骨干交換機和穿艙光纖組成,骨干交換機均采用主備份冗余設計,提供千兆速率和萬兆速率的以太網標準接口,萬兆光接口用于各艙之間載荷數據高速傳輸,千兆光接口用于與高速通信處理器連接。匯聚接入層由載荷信息主機和艙內/艙外試驗載荷終端(包含科學實驗柜、艙外試驗載荷等)構成,實現試驗載荷接入載荷數據傳輸系統和試驗數據的匯聚和傳輸。

在大型載人航天器各艙段單艙飛行階段,載荷數據傳輸系統呈現樹形結構,負責本艙段各載荷設備的試驗數據傳輸。在大型載人航天器多艙段形成組合體后,通過穿艙光纖互聯,大型載人航天器載荷數據傳輸系統自主重構形成雙環+樹形的網絡拓撲結構,完成載荷數據傳輸系統多艙并網,建立艙段之間萬兆速率的高速傳輸通道,負責大型載人航天器各艙載荷設備的試驗數據傳輸。

中國山水畫的特別之處正因為它是一種孕育五千年文化的承載，并追求超然物外的精神性因素，這是中國傳統文化的思想追求和體現，在師造化、師心、師萬物的過程中追求筆墨精神的純化，繪畫的標準是多元的文化載體，尤其在東西方審美精神意趣以及標準的共同作用下，如何去寫生創作，怎樣是國畫藝術的最好表達，對于每一位畫家來說本身的理解也是不盡相同的，但只要是用心，真心地表達自我，去抒發自我對筆墨、文化的理解則都可以看做是好的本體的最佳的表達和追求。

大型載人航天器載荷數據傳輸系統拓撲結構示意如圖1所示。

圖1 大型載人航天器載荷數據傳輸系統拓撲結構示意圖Fig.1 Topology diagram of large manned spacecraft payload data transmission system

大型載人航天器各艙的骨干交換機采用統一設計和研制,骨干交換機設計標準的光纖以太網接口,支持萬兆、千兆速率兩種光接口形式,每個端口均采用全雙工傳輸模式,萬兆光接口符合IEEE 802.3ae規范,千兆光接口符合IEEE 802.3z規范。

1.3 網絡協議

大型載人航天器載荷數據傳輸系統采用基于以太網的TCP/IP協議體系,按照應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層對傳輸數據進行協議處理。大型載人航天器載荷數據傳輸系統以太網協議體系如圖2所示。

圖2 大型載人航天器載荷數據傳輸系統以太網協議圖Fig.2 Ethernet protocol diagram of large manned spacecraft payload data transmission system

1.4 數據傳輸模式

大型載人航天器試驗載荷數據傳輸主要包括載荷數據內部通信、載荷數據下行兩種模式。

載荷數據內部通信時(無論跨艙通信或本艙載荷設備間通信),為了提高傳輸效率,減少傳輸延時,骨干交換機根據以太網數據幀的MAC地址進行二層交換,將數據實時轉發至接收設備端口。例如,艙段2載荷設備A向艙段1載荷設備B發送數據的載荷數據內部通信示意圖如圖3所示。

圖3 載荷數據內部通信模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of payload data internal communication mode

載荷數據下行時,骨干交換機根據以太網數據幀的IP地址和MAC地址進行三層交換。

由載荷設備通過載荷信息主機將下行的試驗數據發送給本艙段的骨干交換機,若通過本艙段的高速通信處理器下行,則由本艙段骨干交換機直接轉發至高速通信處理器(載荷數據下行模式1);若通過其他艙段的高速通信處理器下行,則由本艙段骨干交換機先轉發至其他艙段的骨干交換機、再轉發至高速通信處理器(載荷數據下行模式2);高速通信處理器按照IP over CCSDS協議將數據下行至地面,地面網關將數據恢復為正常的以太網數據幀傳送至地面接收終端。

假設當前通過艙段2的高速通信處理器下行數據,分別以艙段2的載荷和艙段1的載荷為例,載荷數據下行通信模式示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 載荷數據下行通信模式1示意圖Fig.4 Schematic diagram of payload data downlink communication mode

圖5 載荷數據下行通信模式2示意圖Fig.5 Schematic diagram of payload data downlink communication mode

1.5 光纖在軌拼接

基于光纖以太網的大型載人航天器載荷數據傳輸系統支持的艙內/艙外試驗載荷均通過光纖接入,其中:艙內試驗載荷所用光纖為預先鋪設,在發射前已完成連接;艙外試驗載荷均在機械臂照料下通過載荷適配器(含主動端和被動端兩部分,被動端安裝在暴露試驗平臺上,主動端與艙外試驗載荷連接)完成在軌安裝、更換,其所需接入載荷數據傳輸系統光纖無法提前連接,需在軌對艙外載荷與大型載人航天器平臺之間光纖進行自動拼接。

光纖在軌拼接的關鍵在于載荷適配器主動端與被動端之間的光纖精準對接,設計采用光纖浮動連接器自動插合的方式來實現,即:載荷適配器主動端配置1個光纖浮動連接器(頭)、載荷適配器被動端配置1個光纖浮動連接器(座),通過光纖浮動連接器頭座之間的插合連接完成光纖在軌拼接。在大型載人航天器機械臂照料下,載荷適配器按照捕獲、粗導向、精導向的順序進行主動端、被動端之間的捕獲、連接與鎖緊。載荷適配器主動端捕獲被動端后,在主動端驅動力矩作用下,完成主動端、被動端的導向、拉近、姿態校正,在精導向一段距離后進一步完成主動端、被動端的光纖浮動連接器的姿態自校正、插合連接,實現連接器內部光纖的精準對接,最終完成艙外試驗載荷與艙內載荷信息主機的光纖互連互通。

由于光信號對光纖端面接觸好壞較為敏感,而機械臂照料艙外試驗載荷安裝時存在一定的操作偏差,載荷適配器的光纖浮動連接器設計具有一定的容差能力,在光纖浮動連接器插合過程中能夠自動校正器件姿態,確保光纖浮動連接器的光纖端面接觸良好。

1.6 空間環境防護

大型載人航天器載荷數據傳輸系統針對空間環境開展了防輻射設計,從設備、系統兩個層面采取了如下設計措施。

1)設備層面

載荷數據傳輸系統核心設備為骨干交換機,骨干交換機易受空間輻射影響的器件包括處理器、網絡交換芯片、光收發組件,針對這些器件重點開展了單粒子防護設計。針對處理器,骨干交換機選用具備錯誤檢查和糾正(ECC)功能的器件,在程序運行時對單粒子效應進行檢錯糾錯。當出現單比特錯誤時,處理器自動完成糾錯處理,消除單粒子事件對程序運行區的錯誤累積;當發生2bit及以上錯誤時,自主進行設備復位重載。針對網絡交換芯片,設計定期對芯片自檢并上報結果,設置專門刷新芯片對網絡交換芯片進行定時刷新,防止單粒子效應帶來的影響。針對光收發組件,骨干交換機軟件對關鍵數據進行三取二表決、對關鍵寄存器進行定時刷新,在光收發組件發生單粒子翻轉或鎖定時,軟件可自主對光收發組件進行斷電再加電的重啟操作,及時消除空間單粒子對光收發組件的影響。

2)系統層面

載荷數據傳輸系統設備骨干交換機、載荷信息主機均采用主備機冗余設計,默認情況下設備工作在主機,當主機受空間輻射影響而處置措施無效時,可以通過地面指令切換至備機,確保載荷數據傳輸系統正常工作;同時,骨干交換機與載荷信息主機、骨干交換機與骨干交換機之間均采取光纖交叉冗余連接設計,即兩兩設備之間同時有4條光纖鏈路,當某條光纖鏈路出現故障時,可及時切換至其他光纖鏈路,保證數據傳輸不受影響。

2 在軌飛行應用

某個大型復雜載人航天器通過發射多個艙段、在軌完成了組裝建造,基于光纖以太網的載荷數據傳輸系統設計方法,構建了載荷數據傳輸系統并完成了多艙段組合體的并網,為該大型載人航天器艙內、艙外試驗載荷建立了全方位的高速數據傳輸通道。

該大型載人航天器艙內載荷信息主機、各個科學實驗柜均已完成開機在軌測試。利用載荷信息主機對載荷數據內部通信、載荷數據下行傳輸模式進行了在軌專項測試,在典型的艙間數據傳輸速率、數據下行傳輸速率下,測試無丟包,滿足設計要求。同時,材料暴露試驗裝置等若干個艙外試驗載荷已出艙安裝至大型載人航天器艙外特定載荷適配器工位,完成了光纖在軌拼接,順利接入載荷數據傳輸系統。經在軌測試,各個艙外載荷已完成設備自檢和數據下行測試,設備工作正常,數據通過載荷數據傳輸系統下行正常。

經過在軌飛行試驗,該大型載人航天器載荷數據傳輸系統為艙內/艙外試驗載荷提供的各項服務均正常,驗證了基于光纖以太網的載荷數據傳輸系統系統設計方法是合理、可行的。

3 展望

隨著以太網技術在航天器上的進一步應用與發展,大型載人航天器在載荷數據傳輸系統設計的后續發展可以體現在以下兩個方面。

1)基于光纖的Wi-Fi

為了便于后續任務擴展,更加靈活的支持艙內/艙外載荷試驗任務,基于成熟的5GHz Wi-Fi技術,由航天員在艙內布局一定數量的無線Wi-Fi設備,通過光纖接入到現有載荷數據傳輸系統,數據傳輸速率可達到1Gbit/s,能夠為艙外試驗載荷、移動類載荷(微小飛行器、立方星)提供高速數據無線傳輸服務。

2)時間觸發(TTE)以太網

TTE以太網是在標準以太網基礎上實現的時間觸發網絡協議,其具備高傳輸速率(1Gbit/s)、良好兼容性、確定性、高可靠性的優點,成為國內外航天器應用的研究熱點。當前,TTE以太網已經在國外航天領域得到了應用,“獵戶座”載人飛船采用了TTE以太網用于數據傳輸,而國內尚無報道有航天器應用TTE以太網。TTE以太網兼容了時間觸發協議和以太網技術的優勢,能夠在同一個網絡平臺上兼容普通網絡數據流,可與現有載荷數據傳輸系統進行兼容。

4 結束語

大型載人航天器載荷數據傳輸系統基于光纖以太網技術構建,設備之間采用光纖互聯,可滿足載荷試驗數據高速傳輸的需求,具備以下優勢:①擴展性好,網絡拓撲設計能夠適應大型載人航天器多種構型模式,支持有線和無線接入,具備網絡擴展能力;②傳輸速率高,艙間傳輸速率最高可達9.99Gbit/s、單個試驗載荷接入速率可達1Gbit/s;③協議標準化,物理接口和網絡協議棧均采用了標準數據接口模塊,能夠適應國內外各類試驗載荷。

由于光纖非常細,且光信號傳輸性能對光纖端面潔凈與否、接觸好壞較為敏感,載荷數據傳輸系統針對艙外試驗載荷應用存在以下薄弱環節:

(1)由于艙外試驗載荷以及所需的載荷適配器主動端均為在軌安裝,其設備上的光接口以及光纖連接器在地面測試、試驗、運輸、艙內安裝及自檢過程中存在引入灰塵等多余物的可能,若多余物控制不到位則將導致光纖端面不夠潔凈,影響光信號的傳輸性能,進而影響載荷數據的傳輸。

(2)艙外試驗載荷接入載荷數據傳輸系統過程中,需完成光纖在軌拼接。載荷適配器及其光纖浮動連接器均具備一定的姿態校正能力,但當載人航天器機械臂操作偏差過大時,存在姿態校正能力不足的問題,可能會導致光纖浮動連接器的光纖端面接觸不夠良好,影響光信號的傳輸性能,進而影響載荷數據的傳輸。