天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的航天器IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

丁凱 陳淞 朱珂 龍吟

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的航天器IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

丁凱 陳淞 朱珂 龍吟

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

為了將地面IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于航天器內(nèi)部設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，并實(shí)現(xiàn)與地面站的互連，根據(jù)航天器與地面站之間通信鏈路的特點(diǎn)，提出一種IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信。在航天器上采用以太網(wǎng)協(xié)議完成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，配置天地網(wǎng)關(guān)設(shè)備完成與地面測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)之間的IP包交換；地面測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)采用計(jì)算機(jī)IP網(wǎng)絡(luò)，并配套相應(yīng)的天地網(wǎng)關(guān)設(shè)備，完成與航天器的IP包交換。根據(jù)航天器數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出一種速率控制策略，優(yōu)先傳輸控制數(shù)據(jù)，控制圖像話音數(shù)據(jù)周期平均速率，控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)IP包平均速率。地面仿真試驗(yàn)及實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明：文章提出的航天器IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，適應(yīng)航天器與地面站的通信鏈路，可直接應(yīng)用于高、中、低軌航天器的天地一化網(wǎng)絡(luò)通信，也可為后續(xù)月球、火星等探測(cè)任務(wù)提供參考。

天地一體化網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)；速率控制

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為地面計(jì)算機(jī)互聯(lián)的通用網(wǎng)絡(luò)，各種商用平臺(tái)、工業(yè)平臺(tái)大部分基于IP計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搭建，并已在全球?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。我國航天器測(cè)控通信網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了IP化，并已基于IP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了全球測(cè)控通信網(wǎng)的一體化通信，而航天器上數(shù)據(jù)通信還在使用總線或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，尚未使用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。目前，航天器上基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備越來越多，如果設(shè)備之間信息互連方式采用IP網(wǎng)絡(luò)，一方面能夠充分利用成熟的IP技術(shù)，統(tǒng)一設(shè)備間接口和交互協(xié)議，提高設(shè)備的通用性和靈活性，降低研制成本；另一方面，如果航天器上的網(wǎng)絡(luò)與地面站網(wǎng)絡(luò)都是基于IP包，僅是空間鏈路采用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)，兩者通過網(wǎng)關(guān)加以轉(zhuǎn)換，這樣有利于航天器與地面站網(wǎng)絡(luò)的一體化通信，地面站可以通過IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制航天器，甚至將來隨著網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的進(jìn)步，航天員家屬可以通過家里的互聯(lián)網(wǎng)直接與在軌航天員通話，提高航天員在軌工作的舒適度。

在國外，“國際空間站”(ISS)上已經(jīng)進(jìn)行了基于IP網(wǎng)絡(luò)的天地通信協(xié)議的試驗(yàn)[1]，但并未作為任務(wù)系統(tǒng)投入使用。國內(nèi)對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)在天地間的應(yīng)用研究剛剛開始，大部分是理論研究[2-4]，沒有完整的天地一體化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

本文根據(jù)航天器與地面站數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，提出了一種航天器IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了適合于天地間通信的網(wǎng)關(guān)協(xié)議和速率控制策略，實(shí)現(xiàn)了航天器與地面站網(wǎng)絡(luò)的一體化通信，并已在貨運(yùn)飛船上成功應(yīng)用。本文的設(shè)計(jì)可直接應(yīng)用于高、中、低軌航天器的天地一化網(wǎng)絡(luò)通信，也可為后續(xù)月球、火星等探測(cè)任務(wù)提供參考。

2 航天器IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

考慮到航天器數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦^承性和安全性，傳統(tǒng)的遙控、遙測(cè)信息保持傳統(tǒng)的空間協(xié)議傳輸，本文設(shè)計(jì)的航天器IP網(wǎng)絡(luò)主要是完成航天器監(jiān)控圖像、航天員話音、個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，以及一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的天地傳輸。圖像、話音數(shù)據(jù)的傳輸具有實(shí)時(shí)性和同步性要求，個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)無同步性要求，但具有突發(fā)、數(shù)據(jù)速率不均勻的特點(diǎn)。同時(shí)，航天器與地面站之間需要專門研制的通信設(shè)備和協(xié)議進(jìn)行通信，接口單一。因此，為航天器構(gòu)建的IP網(wǎng)絡(luò)要能適應(yīng)上述應(yīng)用環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)的航天器IP網(wǎng)絡(luò)，既能完成航天器內(nèi)部設(shè)備間的通信，又能通過網(wǎng)關(guān)(包含與CCSDS協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換)連接起天地間的設(shè)備，使天地間的設(shè)備能夠直接互相訪問，從而實(shí)現(xiàn)在軌上網(wǎng)。

2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

航天器內(nèi)部有固定攝像機(jī)、手持?jǐn)z像機(jī)、話音終端、個(gè)人計(jì)算機(jī)、試驗(yàn)載荷等網(wǎng)絡(luò)終端，為了將各網(wǎng)絡(luò)終端聯(lián)系在一起形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在航天器內(nèi)部配套以太網(wǎng)交換機(jī)和無線熱點(diǎn)，使用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了與地面站網(wǎng)絡(luò)通信，配置天地網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行上行、下行IP數(shù)據(jù)的封裝，實(shí)現(xiàn)與CCSDS協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，地面站網(wǎng)絡(luò)使用目前的傳輸控制協(xié)議(TCP)/IP網(wǎng)絡(luò)，航天器天地網(wǎng)關(guān)在天地通信網(wǎng)絡(luò)之間起橋梁作用，進(jìn)行三層網(wǎng)絡(luò)交換，實(shí)現(xiàn)一體化的IP網(wǎng)絡(luò)通信。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 航天器IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of spacecraft IP network

2.2協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

航天器IP網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)[5]，對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行5層數(shù)據(jù)處理，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，具體的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Protocol architecture

1)應(yīng)用層

應(yīng)用層包括傳輸圖像和話音的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)，以及個(gè)人計(jì)算機(jī)支持的萬維網(wǎng)(HTTP)協(xié)議、文件傳輸協(xié)議(FTP)等，可直接為用戶提供服務(wù)。

2)傳輸層

傳輸層支持面向連接的TCP和無連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)，為用戶終端間的不同進(jìn)程提供通信業(yè)務(wù)。對(duì)于低軌航天器，如果直接采用對(duì)地鏈路，雙向時(shí)延約3 ms，如果采用同步軌道的中繼衛(wèi)星進(jìn)行中繼，雙向時(shí)延約550 ms，均小于TCP默認(rèn)的重傳時(shí)間3 s，可以直接使用TCP進(jìn)行傳輸。但是，由于時(shí)延較大，使用TCP傳輸效率不高，使用中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)通信時(shí)，通信速率低于30 kbit/s，因此只能應(yīng)用在數(shù)據(jù)量不大但需要可靠傳輸?shù)牡胤?如產(chǎn)品狀態(tài)的設(shè)置和觀察)；而對(duì)于大數(shù)據(jù)量傳輸(如圖像數(shù)據(jù)、載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù))，必須使用UDP傳輸，這樣可以達(dá)到天地鏈路的極限速率。

3)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層支持IP協(xié)議、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)和地址解析協(xié)議(ARP)。其中：IP協(xié)議用于傳輸天地間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括圖像、話音、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)及載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。ICMP用于檢查天地網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性。IP包和ICMP包均可以在航天器間傳輸。ARP僅用于航天器內(nèi)部及地面站網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，其作用是完成航天器(或地面站網(wǎng)絡(luò))內(nèi)部設(shè)備的尋址，不在天地間傳輸。

4)數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層支持IEEE802.3規(guī)定的以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)航天器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的有線通信；支持IEEE802.11規(guī)定的WiFi協(xié)議，實(shí)現(xiàn)航天器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的無線通信；支持IPoC(IP over CCSDS)協(xié)議[6]，實(shí)現(xiàn)天地間的IP包傳輸。航天器內(nèi)部配套的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的交換，通過在交換機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)快速生成樹協(xié)議(RSTP)，建立各個(gè)有線終端(含無線接入點(diǎn)和網(wǎng)關(guān))介質(zhì)訪問控制(MAC)地址與交換機(jī)接口號(hào)的映射表，實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶MAC數(shù)據(jù)幀的交換。映射表根據(jù)接收到的用戶MAC數(shù)據(jù)幀實(shí)施更新，確保數(shù)據(jù)交換的及時(shí)性。有線終端、天地網(wǎng)關(guān)及無線接入點(diǎn)均支持ARP，在每個(gè)終端內(nèi)部均有一個(gè)ARP緩存區(qū)，根據(jù)ARP，每個(gè)終端在該緩存區(qū)建立IP地址和MAC地址的對(duì)應(yīng)表，并可實(shí)時(shí)更新。根據(jù)對(duì)應(yīng)表，有線終端可實(shí)現(xiàn)通過IP地址在上述的交換機(jī)上完成IP包通信。

目前，地面站網(wǎng)絡(luò)較為成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各航天器的測(cè)控通信任務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)層均采用IP協(xié)議，但數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并非全部采用IEEE802.3協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)航天器與地面站網(wǎng)絡(luò)的互連，要建立天地網(wǎng)關(guān)完成天地間網(wǎng)絡(luò)層IP包的互通，實(shí)現(xiàn)一體化通信。當(dāng)航天器上的有線終端a需要地面終端b通信時(shí)，有線終端a內(nèi)部的ARP緩存區(qū)中并沒有地面終端b的IP地址和其物理地址的對(duì)應(yīng)表(地面終端b不一定采用以太網(wǎng)協(xié)議)，此時(shí)有線終端a將目的IP地址(地面終端b的IP地址)與子網(wǎng)掩碼進(jìn)行“與”操作，得到網(wǎng)絡(luò)號(hào)。如果網(wǎng)絡(luò)號(hào)是本航天器網(wǎng)絡(luò)，則直接在ARP緩存區(qū)中查找該IP對(duì)應(yīng)的MAC地址，直接轉(zhuǎn)發(fā)；如果不是本航天器網(wǎng)絡(luò)，則將該IP包發(fā)給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)(天地網(wǎng)關(guān))，由于每個(gè)有線終端的ARP緩存區(qū)中均有默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的MAC地址，因此可通過2層交換機(jī)完成交換。天地網(wǎng)關(guān)收到目的IP地址是非航天器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包后，將該IP包通過IPoC協(xié)議和封裝業(yè)務(wù)完成封裝[7]，通過CCSDS高級(jí)在軌系統(tǒng)(AOS)協(xié)議[8]發(fā)送到地面站天地網(wǎng)關(guān)，地面站天地網(wǎng)關(guān)可根據(jù)該IP包的目的IP地址轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包至地面終端b。天地間網(wǎng)絡(luò)通信的IP包傳遞過程如圖3所示。地面終端b要發(fā)送數(shù)據(jù)包至航天器有線終端a時(shí)，采用相反的過程。使用天地網(wǎng)關(guān)后，航天器和地面站網(wǎng)絡(luò)可以采用不同數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議，只要天地間在網(wǎng)絡(luò)層以上采用相同的協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。由于地面站設(shè)備不受質(zhì)量和功耗的限制，因此可以在地面站的天地網(wǎng)關(guān)處配置服務(wù)器，建立防火墻，從而確保航天器的網(wǎng)絡(luò)安全。

航天器內(nèi)部的無線接入點(diǎn)完成無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，無線網(wǎng)絡(luò)采用IEEE802.11協(xié)議，有線網(wǎng)絡(luò)采用IEEE802.3協(xié)議，兩者的IP地址統(tǒng)一分配。無線接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)MAC地址與有線網(wǎng)MAC地址的映射。如果有線終端a要傳輸數(shù)據(jù)給無線終端，則其IP包的源IP地址為有線終端，目的IP地址為無線終端，在傳輸過程中不修改。但是，MAC數(shù)據(jù)幀的MAC地址會(huì)發(fā)生改變，有線終端a發(fā)出MAC數(shù)據(jù)幀時(shí)，源MAC地址為有線終端a，目的MAC地址為無線接入點(diǎn)，無線接入點(diǎn)收到該MAC數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)目的IP地址將目的MAC地址改為無線終端，源MAC地址改為無線接入點(diǎn)，然后通過無線鏈路發(fā)給無線終端。該傳輸流程見圖4。反之，如果無線終端要發(fā)送數(shù)據(jù)給有線終端，則采用相反的流程，如果有線終端是網(wǎng)關(guān)，則可以完成無線終端與地面站網(wǎng)絡(luò)之間的互通。

圖3 天地間網(wǎng)絡(luò)IP包傳輸流程Fig.3 IP packets transfer flow between spacecraft and ground

圖4 航天器內(nèi)有線終端和無線終端之間IP包傳輸流程Fig.4 IP packets transfer flow between a wired end and a wireless end in spacecraft

5)物理層

航天器內(nèi)部設(shè)備的百兆有線網(wǎng)絡(luò)物理層采用符合10BASE-T/100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)線，千兆有線網(wǎng)絡(luò)采用符合1000BASE-LX標(biāo)準(zhǔn)的光纖或同軸線。航天器與地面站網(wǎng)絡(luò)的物理層采用Ka頻段中繼通信鏈路，通過AOS協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP包與其他數(shù)據(jù)對(duì)天地鏈路的共享。

2.3速率控制策略

在航天器中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類繁多，按照數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求可以分為3類：①數(shù)據(jù)有實(shí)時(shí)性要求，但數(shù)據(jù)流量不高，如控制數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，需要立即執(zhí)行，延時(shí)必須做到最小。②數(shù)據(jù)既有實(shí)時(shí)性要求，又有流暢性要求，如圖像、話音數(shù)據(jù)，要在確保數(shù)據(jù)傳輸流暢的情況下盡可能減小延時(shí)，這類數(shù)據(jù)的流量一般比較固定。③數(shù)據(jù)沒有實(shí)時(shí)性和流暢性要求，但數(shù)據(jù)流量大，如試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)要分配較大信道帶寬，但由于沒有實(shí)時(shí)性要求，可以根據(jù)信道的負(fù)荷情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流量。信道負(fù)荷小時(shí)可增大流量，信道負(fù)荷小時(shí)可減小流量，甚至?xí)和＿@類數(shù)據(jù)的傳輸，待信道負(fù)荷減小后再恢復(fù)。由于天地間的信道容量固定，為了同時(shí)滿足上述3類數(shù)據(jù)的速率需求，要制定合理的策略來控制網(wǎng)絡(luò)的交換速率。首先要確?？刂茢?shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性，控制數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高，有數(shù)據(jù)滿幀后立即發(fā)送，同時(shí)，為了保證可靠性，在速率需求不高的情況下，在傳輸層選擇TCP進(jìn)行可靠傳輸。其次是圖像話音數(shù)據(jù)，由于有流暢性和實(shí)時(shí)性要求，也采用立即發(fā)送的策略，為了滿足信道的速率要求，要在源端控制速率，圖像按照幀控制壓縮率，話音按照接收機(jī)的緩存和大小控制周期平均速率。最后是沒有實(shí)時(shí)性要求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)后發(fā)送，因此在源端采用控制IP包平均速率的方法，即每個(gè)IP包發(fā)出去后，都必須等待一段時(shí)間間隔，確保每個(gè)IP包傳輸平均速率均不超過分配的鏈路速率，見式(1)。

(1)

式中：t為傳輸下一個(gè)IP包與本IP包之間的時(shí)間間隔；L為本IP包的長度，bit；vavg為該類數(shù)據(jù)所分配的平均速率；vmax為交換機(jī)端口傳輸速率，百兆終端為100 Mbit/s。

若傳輸一幀1000 byte的數(shù)據(jù)，假設(shè)端口輸出平均速率要求5 Mbit/s，由于交換機(jī)端口速率為100 Mbit/s，因此1000 byte數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸時(shí)間為0.08 ms，而平均速率要求為5 Mbit/s，本IP包平均傳輸時(shí)間為1.6 ms，因此下一幀數(shù)據(jù)需要在本包發(fā)送完成1.52 ms后才允許進(jìn)行傳輸，傳輸間隔等待過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要在終端應(yīng)用層進(jìn)行緩存。

采用上述策略，既滿足了各類數(shù)據(jù)的要求，又確保了天地網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生擁堵。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的設(shè)計(jì)，搭建了天地一體化網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)(見圖5)。航天器網(wǎng)絡(luò)以一臺(tái)交換機(jī)作為中心連接各設(shè)備，包括固定攝像機(jī)、手持?jǐn)z像機(jī)、無線耳麥、筆記本電腦。航天器網(wǎng)關(guān)將IP封裝至天地通信鏈路數(shù)據(jù)幀內(nèi)，同時(shí)從地面站上行數(shù)據(jù)幀中解析出IP數(shù)據(jù)包并分發(fā)；地面站網(wǎng)關(guān)完成相反的功能。地面站網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架與航天器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架類似，使用臺(tái)式計(jì)算機(jī)代替筆記本電腦，并用網(wǎng)絡(luò)圖像處理設(shè)備來完成下行圖像的解碼和顯示，使用地面站收發(fā)設(shè)備模擬器模擬天地通信時(shí)延。

在演示驗(yàn)證中，8 Mbit/s手持?jǐn)z像機(jī)(見圖6)的高清圖像均能夠正常下傳，可同時(shí)在天地間進(jìn)行流暢的話音對(duì)話，話音速率控制在平均60包/秒，最大不超過64包/秒，最小不小于59包/秒(見圖7)，速率控制均勻，話音流暢，未發(fā)生丟包(見圖8)。

圖6 手持?jǐn)z像機(jī)圖像Fig.6 Images taken by a handheld camera

圖7 話音數(shù)據(jù)包速率Fig.7 Audio packet rate

圖8 話音數(shù)據(jù)包傳輸統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.8 Statistical results of audio packet transmission

在貨運(yùn)飛船與地面站的聯(lián)試中，航天器產(chǎn)品、天地鏈路和地面站網(wǎng)絡(luò)均使用真實(shí)飛行設(shè)備，測(cè)試人員在貨運(yùn)飛船計(jì)算機(jī)上成功訪問了地面站服務(wù)器。圖9為聯(lián)試系統(tǒng)，圖10為聯(lián)試時(shí)訪問的網(wǎng)頁。在聯(lián)試中測(cè)試了天地IP包傳輸時(shí)延為526 ms，如圖11所示。本文的設(shè)計(jì)還經(jīng)過了貨運(yùn)飛船的在軌飛行使用驗(yàn)證，通過一體化網(wǎng)絡(luò)下行的高清圖像清晰流暢(見圖12)，證明了設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

圖9 天地一體化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)試系統(tǒng)Fig.9 Integrated test system of integrated space-ground network

圖10 聯(lián)試中貨運(yùn)飛船訪問地面站服務(wù)器Fig.10 Ground station sever access by cargo spacecship in integrated test

圖11 天地間IP包傳輸時(shí)延測(cè)試Fig.11 IP packets transfer delay tests between spacecraft and ground

4 結(jié)束語

本文根據(jù)航天器天地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，提出了一種適用于航天器的IP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了適合天地間通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)和速率控制策略，并進(jìn)行了驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)航天器與地面站的IP網(wǎng)絡(luò)通信。該IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也能為在空間網(wǎng)絡(luò)中引入延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)[9]奠定較好的基礎(chǔ)。DTN通過在傳輸層使用增加束協(xié)議(BP)[10]實(shí)現(xiàn)長時(shí)延的可靠傳輸，提高傳輸效率。根據(jù)該協(xié)議的建議，在傳輸層使用UDP，通過UDP封裝BP包，由BP包來提高行星際網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸?shù)男省：罄m(xù)將在如何引入并實(shí)現(xiàn)BP、利克里德傳輸協(xié)議(LTP)[11-12]，以及如何使用BP等協(xié)議提高可靠傳輸效率上開展相關(guān)工作，并最終將該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到深空探測(cè)任務(wù)中。

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Spacecraft IP Network Design Used in Integrated Space-ground Network

DING Kai CHEN Song ZHU Ke LONG Yin

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

In order to use IP (internet protocol) technology to transmit information between spacecraft equipments and to link spacecraft and ground stations, an IP network protocol architecture is proposed based on the characteristics of the links between spacecraft and ground stations to realize integrated space-ground network communications. The Ethernet is used to exchange data between spacecraft equipments, and a space gateway is used to exchange IP packages with ground stations. IP network is used in ground stations, and a ground gateway is used to exchange IP packages with spacecraft. A rate control strategy based on the characteristics of spacecraft data is presented. The control data is transmitted immediately, the video and audio data rate is controlled based on periods, and the experimental data rate is controlled based on IP package. The results of ground simulation and system test show that the spacecraft IP network design mentioned above is suitable for the space and ground station communications links， and can be used in the integrated space-ground network of GEO, MEO or LEO spacecraft and as a reference for the moon and Mars missions.

integrated space-ground network； network protocol architecture； rate control

TP393

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.011

2017-07-20；

2017-07-31

國家重大科技專項(xiàng)工程

丁凱，男，高級(jí)工程師，從事航天器測(cè)控與通信技術(shù)研究工作。Email：dingkai@tsinghua.org.cn。

(編輯：夏光)