TTE在運載火箭控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

許 聰 張 磊 凌 震

北京航天自動控制研究所，北京100854

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TTE在運載火箭控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

許 聰 張 磊 凌 震

北京航天自動控制研究所，北京100854

提出了時間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time-Triggered Ethernet, TTE)在運載火箭控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)想。首先介紹了TTE，從通信機制、時間同步、實時性與容錯性等方面分析了TTE在火箭控制系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢。針對火箭控制系統(tǒng)的功能組成，提出一種基于TTE的雙通道冗余總線拓撲結(jié)構(gòu)，分析了基于TTE的控制系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)流。對TTE在運載火箭中的應(yīng)用進行了探索，可為TTE在航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供借鑒。

總線技術(shù)；運載火箭；控制系統(tǒng)；時間觸發(fā)以太網(wǎng)

總線作為運載火箭控制系統(tǒng)的“骨架”和“神經(jīng)”，關(guān)系著整個火箭系統(tǒng)的性能和其完成任務(wù)的能力，火箭控制系統(tǒng)總線的應(yīng)用研究受到各國重視。目前國內(nèi)在運載火箭控制系統(tǒng)中，大多采用1553B總線、CAN總線等傳統(tǒng)總線作為系統(tǒng)的控制和測試總線，很多總線系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)負載率在50%左右，接近總線允許負載率上限，難以擴展新功能[1]。隨著未來航天技術(shù)的發(fā)展，對于越來越多的設(shè)備子系統(tǒng)間大量的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，傳統(tǒng)總線直接面臨2個方面的問題：

1) 1553B總線1Mbps的帶寬已無法滿足現(xiàn)代系統(tǒng)應(yīng)用的需求；

2) 新的運載火箭等航天設(shè)施內(nèi)部正在增加大量的包括音頻視頻采集、存儲及傳輸?shù)茸酉到y(tǒng)，傳統(tǒng)總線難以對這些子系統(tǒng)進行有效的管理和控制。

為了解決以上問題，對實時以太網(wǎng)技術(shù)TTE進行研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于TTE的運載火箭控制系統(tǒng)總線系統(tǒng)，分析基于TTE的火箭控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。探索TTE在運載火箭控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，為TTE在航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供借鑒。

1 TTE簡介

TTE是在標準IEEE802.3以太網(wǎng)上實現(xiàn)的時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它的核心是定義了如何在標準的以太網(wǎng)中實現(xiàn)高精度的時鐘同步，并提供高傳輸帶寬，以滿足大數(shù)據(jù)量實時通信的需求。國際汽車工程師學會(Society of Automotive Engineer, SAE)已于2011年11月形成并發(fā)布SAE-AS6802“時間觸發(fā)以太網(wǎng)標準”。TTE在運載火箭應(yīng)用中主要具有以下優(yōu)勢：

1) 高寬帶：支持100Mbps和1Gbps的傳輸帶寬，未來可擴展向10Gbps，可以滿足未來大容量火箭系統(tǒng)及其他航天器的總線帶寬需求；

2) 實時性與確定性：采用時間觸發(fā)機制，在設(shè)計階段已經(jīng)將總線資源與任務(wù)調(diào)度計劃制定完畢，系統(tǒng)中每個節(jié)點都在預(yù)定時間段使用資源，提供一種能以固定的端到端延遲和微秒級時延抖動進行確定性消息傳遞的服務(wù)；

3) 容錯性與可靠性：在通信過程中，一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)及數(shù)據(jù)傳輸。抖動時間可達到微秒級，實時可靠性高，非常適合于高可靠性要求的航天應(yīng)用場合；

4) 兼容性：TTE兼容了時間觸發(fā)協(xié)議和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，能夠支持多種通信介質(zhì)，并支持普通以太網(wǎng)、AFDX等多種通信報文。

目前TTE已在國外航空航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用。NASA通過使用TTE為“獵戶座”號多用途載人飛船提供高完整性、高確定性的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，確保關(guān)鍵傳感器和設(shè)備的傳輸時間和數(shù)據(jù)響應(yīng)時間，并通過TTE網(wǎng)絡(luò)的容錯機制保證飛船上數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵接口的可靠性和安全性[2]；在航空領(lǐng)域，時間觸發(fā)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的接受并應(yīng)用，包括洛克希德馬丁公司的F16發(fā)動機控制系統(tǒng)、空客A380的機艙壓力系統(tǒng)、波音787的環(huán)控和電源系統(tǒng)等。這些都表明TTE在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。

2 TTE特性分析

2.1 通信機制

SAE-AS6802“時間觸發(fā)以太網(wǎng)標準”并不重新定義IEEE802.3標準以太網(wǎng)，它只對標準以太網(wǎng)MAC層以上進行了改造，以支持時間觸發(fā)通信。通過對鏈路層的改造，TTE增強了以太網(wǎng)服務(wù)的時間確定性，可提供具有高實時性的確定性消息傳遞服務(wù)。TTE具有靈活的時分多路復(fù)用的帶寬劃分，如圖1所示，以太網(wǎng)帶寬之上的灰色部分對應(yīng)鏈路層改造的內(nèi)容，TTE除了支持時間觸發(fā)(Time-triggered, TT)傳輸之外，還保留了部分事件觸發(fā)的異步通信，如速率約束流量(Rate-constrained, RC)和盡力傳流量(Best-effort, BE)[3]。在3類流量傳輸中，TT流量在預(yù)定時刻進行通信，其優(yōu)先級最高，通信實時性最好；RC流量適于實現(xiàn)確定性和實時性比TT流量相對較弱的應(yīng)用；BE流量的優(yōu)先級最低。

圖1 TTE網(wǎng)絡(luò)的帶寬劃分示意圖

TTE網(wǎng)絡(luò)由通信節(jié)點與TTE交換機組成，網(wǎng)絡(luò)中的所有操作以全局時間為觸發(fā)條件。整個網(wǎng)絡(luò)的通信配置表采取專用工具利用離線方式生成，生成過程中保證所有共享資源互不沖突，在網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點在某一個時刻最多只有一條消息需要發(fā)送，不會出現(xiàn)多條消息競爭使用同一輸出鏈路的情況。

圖2為一個簡單的TTE網(wǎng)絡(luò)通信過程，發(fā)送端ES1經(jīng)通道A以3ms為周期發(fā)送TT1幀和RC1幀序列，發(fā)送端ES2經(jīng)通道B以2ms為周期發(fā)送TT2幀和BE2幀序列。接收端ES3收到經(jīng)通道C傳輸?shù)闹芷跒?ms的集成幀序列。當不同類型的數(shù)據(jù)幀傳輸發(fā)生沖突時，TT數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級最高，數(shù)據(jù)傳輸實時性最好；其次傳輸RC數(shù)據(jù)幀；BE數(shù)據(jù)幀最后傳輸，實時性最差。

圖2 TTE網(wǎng)絡(luò)通信過程舉例

現(xiàn)有運載火箭控制系統(tǒng)大多采用1553B總線，傳輸帶寬低，數(shù)據(jù)傳輸通道分時復(fù)用，不適合傳輸大容量數(shù)據(jù)。另外，在主-從式的通信模式中，從節(jié)點的行為受控于主節(jié)點，其請求的實時性往往不能保證。相比之下，TTE網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸帶寬高，網(wǎng)絡(luò)中不同的鏈路通道可并發(fā)數(shù)據(jù)；時間觸發(fā)機制也保證了系統(tǒng)具有很高的實時性，更加符合未來運載火箭控制系統(tǒng)高帶寬、長實時性的應(yīng)用需求。

2.2 時鐘同步協(xié)議

根據(jù)功能不同，TTE網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在時鐘同步過程可分為3種類型：同步主站(Synchronization Master, SM)、壓縮主站(Compression Master, CM)和同步客戶端(Synchronization Client, SC)。同步主站是指提供本地時鐘參與全局統(tǒng)一時間計算的節(jié)點，一般為終端；壓縮主站是指對各同步控制器發(fā)送的時鐘按一定的算法進行表決計算，生成全局統(tǒng)一時間的節(jié)點，一般為交換機；同步客戶端是指主節(jié)點、壓縮節(jié)點以外的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，只接收統(tǒng)一發(fā)布的全局統(tǒng)一時間。

TTE的同步算法由底層硬件實現(xiàn)。同步過程如圖4所示：1)同步主站以時間觸發(fā)方式向壓縮主站發(fā)送協(xié)議控制幀(Protocol Control Frame, PCF)，PCF中包含本地時鐘信息并記錄傳輸過程中的傳輸延遲。壓縮主站根據(jù)這些協(xié)議控制幀到達的時間計算一個時間平均值，并形成新的協(xié)議控制幀；2)壓縮主站同時向同步主站和同步客戶端發(fā)送新的協(xié)議控制幀，二者根據(jù)新的協(xié)議控制幀矯正自己的本地時鐘，實現(xiàn)全局同步[3]。

圖3 同步流程

總線網(wǎng)絡(luò)的時間同步對未來大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\載火箭十分重要，其同步精度及容錯能力直接影響運載火箭控制系統(tǒng)的各項性能指標。TTE網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點通過獲取網(wǎng)絡(luò)上的統(tǒng)一時鐘同步幀實現(xiàn)全局時間同步，網(wǎng)絡(luò)同步精度可低于1μs[4]。TTE可為運載火箭控制系統(tǒng)提供高精度的網(wǎng)絡(luò)同步通信。

2.3 實時性與容錯性分析

TTE作為時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)，在實時性、延遲性以及消息競爭方面優(yōu)勢明顯。TTE在進行TT數(shù)據(jù)收發(fā)時不會產(chǎn)生沖突，在單跳網(wǎng)絡(luò)拓撲下，TT數(shù)據(jù)能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸時延<12.5μs，時延抖動<1μs[4]。同時TTE支持各種實時或非實時數(shù)據(jù)在同一鏈路通過多種通信報文進行傳輸，這一特點非常適合于對空間、尺寸及功耗都極其敏感的航天應(yīng)用。

TTE網(wǎng)絡(luò)中每個組件都包括一個控制器，也有相應(yīng)的安全防護機制，即“開關(guān)”，各設(shè)備通過“開關(guān)”連接到網(wǎng)絡(luò)中，當某個組件發(fā)生故障而不能正常收發(fā)數(shù)據(jù)或一段時間內(nèi)未在指定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)時，“開關(guān)”可以通過交叉比對監(jiān)測到錯誤，通過控制器將相應(yīng)的節(jié)點關(guān)閉，控制故障節(jié)點的數(shù)據(jù)不發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，從而避免了對其他節(jié)點的影響和故障的擴散，提高了整個系統(tǒng)的容錯性能[5]。此外，TTE也可以冗余備份的方式提高系統(tǒng)的可靠性與容錯性，這也是目前運載火箭采用的主要容錯技術(shù)。通過這2種容錯技術(shù)，TTE可以提供高可靠的網(wǎng)絡(luò)通信。

3 在火箭控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)想

3.1 控制系統(tǒng)組成和功能

控制系統(tǒng)由制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和測試發(fā)射控制系統(tǒng)組成(圖4)?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)包括：在發(fā)射前對運載火箭進行可靠、準確地檢測和發(fā)射；對運載火箭實施姿態(tài)控制，保證在各種條件下的飛行穩(wěn)定性；控制運載火箭將有效載荷送入預(yù)定軌道，保證入軌精度符合要求。

目前完成上述功能的測試發(fā)射控制系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：測發(fā)控計算機、信號采集與轉(zhuǎn)換設(shè)備、監(jiān)視通信設(shè)備、指揮監(jiān)控設(shè)備、瞄準設(shè)備和檢測設(shè)備等；飛行控制系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：箭載計算機、慣性測量設(shè)備、各級遙測站點、各級綜合控制器和各級伺服控制器等。

圖4 運載火箭控制系統(tǒng)組成

3.2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總線拓撲結(jié)構(gòu)的確定是系統(tǒng)設(shè)計的首要工作，它體現(xiàn)了運載火箭控制系統(tǒng)中各個設(shè)備互聯(lián)的物理映像及它們之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嗷リP(guān)聯(lián)性。典型的TTE總線系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)式拓撲結(jié)構(gòu)，它采用單通道的網(wǎng)絡(luò)，也可以采用雙冗余、多冗余通道網(wǎng)絡(luò)。圖5所示為采用雙冗余通道網(wǎng)絡(luò)的一個例子，其中數(shù)值為101～105，表示TTE終端設(shè)備，是同步網(wǎng)絡(luò)中的同步主站(SM)；201和202表示網(wǎng)絡(luò)中互為冗余的TTE交換機。

圖5 典型TTE網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

以某型號火箭(二級火箭)為例，基于TTE的運載火箭控制系統(tǒng)總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示，飛行控制系統(tǒng)、測試發(fā)射控制系統(tǒng)的終端設(shè)備分別連接到3臺TTE交換機并組網(wǎng)?？偩€系統(tǒng)采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)式拓撲，控制系統(tǒng)中的終端設(shè)備和總線通道采用雙冗余的總體方案：控制系統(tǒng)終端設(shè)備可以通過雙通道和交換機連接，總線的雙通道通過不同的交換機連接。控制系統(tǒng)系統(tǒng)級冗余結(jié)構(gòu)不僅提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，還不會對火箭系統(tǒng)的體積、重量等造成嚴重的負擔，是運載火箭控制系統(tǒng)總線常用的冗余方案之一。

飛行控制系統(tǒng)的終端設(shè)備以及測試發(fā)射控制系統(tǒng)中的部分終端設(shè)備對實時性要求較高，這類需要被實時控制的終端設(shè)備通過標準TTE控制器(Standard TTE Controller, STEC)接入TTE總線網(wǎng)絡(luò)，它們支持TT，RC和BE傳輸；而其它不需要被實時控制的終端設(shè)備通過標準以太網(wǎng)控制器(Standard Ethernet Controller, SEC)接入TTE總線網(wǎng)絡(luò)，它們只傳輸RC和BE流量。

圖6 基于TTE的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)流分析

運載火箭的發(fā)射與飛行過程可簡單分為地面測試階段和飛行階段。從地面測試階段到飛行階段存在彈地分離，飛行階段又存在一級分離和二級分離，物理結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致火箭控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流隨之改變。

運載火箭控制系統(tǒng)的信息大致分為2類：1)控制信息，對實時性和可靠性的要求較高，一旦出現(xiàn)故障就可能導(dǎo)致飛行失敗，控制信息是總線傳輸?shù)暮诵模?)測量信息，主要是給其它系統(tǒng)使用。顯然系統(tǒng)總線要優(yōu)先保證控制信息的傳輸[6]。

火箭控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流在地面測試階段和各級飛行階段都有所不同。在飛行階段主要包括： 1)飛行參數(shù)測量終端向箭載控制計算機傳送的敏感信息； 2)箭載控制計算機向執(zhí)行機構(gòu)終端傳送的指令信息； 3)各終端輸出的提供給測量或其它系統(tǒng)的信息； 4)箭載控制計算機發(fā)送的總線控制用信息等。

在地面測試階段除包括上述飛行階段的各類信息外，還包括： 1)各終端的自檢測和檢測信息；2)箭載或地面計算機的指令信息； 3)地面向各終端發(fā)出的測試信息； 4)射前裝訂信息等。

3.3.1 地面測試階段

在地面測試階段，地面設(shè)備通過電纜與運載火箭連接。對于圖6所示的拓撲結(jié)構(gòu)而言，運載火箭地面測試階段的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流與圖6是類似的，3臺TTE交換機級聯(lián)形成總線通道，終端設(shè)備通過STEC或SEC連接到總線網(wǎng)絡(luò)中，除了ES10只能傳輸RC和BE流量外，其余終端設(shè)備都支持TT傳輸。此時在控制系統(tǒng)總線同步網(wǎng)絡(luò)中，測試發(fā)射控制系統(tǒng)中的TTE交換機SW3作為總線同步網(wǎng)絡(luò)的壓縮主控器，所有控制系統(tǒng)終端設(shè)備作為同步主控器，SW2和SW3作為同步客戶端。

地面測試階段總線通道級聯(lián)的交換機最多，總線網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備也最多，除終端設(shè)備ES10外，其它終端設(shè)備都支持TT流量傳輸，TTE支持超過1Gbps的傳輸帶寬，可以保證數(shù)據(jù)流量的確定性和實時性。

3.3.2 彈地分離

運載火箭點火后彈地分離，箭體與測發(fā)控設(shè)備的物理連接斷開，火箭進入飛行階段?；鸺w行時的遙測、遙控由測控系統(tǒng)實現(xiàn)，箭上控制系統(tǒng)通過遙測站點接收遙測、遙控信息并向測控系統(tǒng)發(fā)送自身測試信息。在飛行階段只考慮箭上控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流。

在飛行階段箭上控制系統(tǒng)總線同步網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)火箭發(fā)射前預(yù)設(shè)置，選擇TTE交換機SW1作為箭上總線同步網(wǎng)絡(luò)的壓縮主控器，SW2作為同步客戶端，箭上終端設(shè)備作為同步主控器，通過總線網(wǎng)絡(luò)同步形成新的火箭控制系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)。對于圖6所示的拓撲結(jié)構(gòu)而言，彈地分離后的火箭控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖7所示。

相比地面測試階段，飛行階段的總線通道由2個TTE交換機級聯(lián)組成，總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點減少，信息的周期性更強。此時控制系統(tǒng)中的終端設(shè)備都支持TT流量傳輸，可以保證流量的強實時性，滿足飛行控制系統(tǒng)對實時性的要求。

3.3.3 各級分離

運載火箭發(fā)生一級分離后，箭上設(shè)備只有火箭二級部分以及載荷服務(wù)單元。此時在箭上控制系統(tǒng)總線同步網(wǎng)絡(luò)中，TTE交換機SW1作為總線同步網(wǎng)絡(luò)的壓縮主控器，二級系統(tǒng)的終端設(shè)備作為同步主控器，網(wǎng)絡(luò)中沒有同步客戶端。對于圖6所示的拓撲結(jié)構(gòu)而言，一級分離后的火箭控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖8所示。

圖7 彈地分離階段控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

相比彈地分離階段，一級分離后總線網(wǎng)絡(luò)由一臺TTE交換機連接剩余的控制系統(tǒng)終端組成，總線網(wǎng)絡(luò)中沒有交換機級聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進一步減少，總線信息量減小?？刂葡到y(tǒng)終端設(shè)備都支持TT流量傳輸，總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸可以獲得更強的實時性，滿足飛控系統(tǒng)對實時性的要求。

圖8 一級分離后控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

運載火箭發(fā)生二級分離后，若載荷與箭體也分離，則箭上控制系統(tǒng)任務(wù)已完成；若載荷與箭體仍然連接在一起，此時的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流與圖8是類似的。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有運載火箭控制系統(tǒng)總線的不足，分析了TTE關(guān)鍵特性及其在火箭應(yīng)用中的優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)總線，TTE采用時間觸發(fā)機制，實時可靠性高，具有良好的兼容性及安全性。此外其高達1Gb/s甚至更高的傳輸速率可以滿足運載火箭大容量數(shù)據(jù)實時通信的要求。

作為國際上最新的網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)，TTE技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具備諸多優(yōu)勢，已經(jīng)在國外載人飛船飛控系統(tǒng)、航空飛行器航電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。國內(nèi)研究機構(gòu)已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)控制理論、同步算法等方面對TTE展開了相關(guān)研究，仍需在控制芯片選擇、路由交換機設(shè)計和控制網(wǎng)絡(luò)的測試驗證等方面進行深入研究，實現(xiàn)在運載火箭控制系統(tǒng)上的實際應(yīng)用。

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The Application of TTE in the Control System of Launch Vehicle

Xu Cong， Zhang Lei， Ling Zhen

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China

TheideaofTTEappliedtolaunchvehiclecontrolsystemisintroduced.Firsty, TTEtechnologyisintroduced,andtheadvantagesarestudiedforvehicleapplicationandthecharacteristicsofTTEintheviewofthemechanismofnetworkcommunication,timesynchronization,real-timeandfault-tolerantperformance.Accordingtothefunctionandcomponentofthelaunchvehiclecontrolsystem,akindofdual-channelredundantbustopologybasedonTTEisdesignedandthedataflowoflaunchvehiclecontrolsystembasedonTTEisanalyzed.TheresultofthepapercannotonlyshowstheTTEexplorationinlaunchvehicleapplication,butalsoprovidesaguidelineforTTEresearchinthefieldofspaceapplication.

Bustechnology;Launchvehicle;Controlsystem; TTE

2016-06-13

許 聰(1993-)，男，山西運城人，碩士研究生，主要研究方向為控制系統(tǒng)實時總線技術(shù)；張 磊(1972-)，男，河北晉州人，研究員，主要研究方向為導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)；凌 震(1978-)，男，江蘇句容人，高級工程師，主要研究方向為測發(fā)控系統(tǒng)綜合設(shè)計。

V448.2；TP336

A

1006-3242(2017)01-0086-06