支持多種飛船交會對接的數(shù)據(jù)分級管理方法

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(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

我國于2011年起發(fā)射了天宮一號目標飛行器，并在軌與三艘載人飛船執(zhí)行了多次交會對接[1-3]。在此期間，天宮一號目標飛行器數(shù)管完成了國內(nèi)首次組合體信息管理任務。

隨著航天領(lǐng)域需求迅速發(fā)展，與單一航天器對接已不能滿足要求。我國后續(xù)將逐步發(fā)射空間實驗室、載人飛船、貨運飛船?？臻g實驗室將作為目標航天器實現(xiàn)與載人飛船和貨運飛船的交會對接，并執(zhí)行不同任務。為此空間實驗室數(shù)管除了需實現(xiàn)本航天器的數(shù)據(jù)管理、指令控制、飛行程序控制、儀表顯示數(shù)據(jù)組織等功能[4]以外，還要具備與不同種類航天器的組合體信息管理能力。包括與載人飛船相關(guān)的遙測合路、遙控分發(fā)、航天員手控指令互傳[5-6]，以及與貨運飛船相關(guān)的操作過程控制、信息互傳等。文獻[5]和文獻[6]中描述了載人飛船在與目標飛行器交會對接過程中和組合體狀態(tài)下的數(shù)據(jù)管理解決途徑和交會對接信息流可靠性設計，但未提及組合體信息管理的主控方目標飛行器的數(shù)據(jù)管理方案。

國際空間站[7]作為國外航天器組合體的典型代表，實現(xiàn)了多艙段的組合體管理。國際空間站采用一個100Mbps的FDDI(fiber distributed data interface,光纖分布式數(shù)據(jù)接口)網(wǎng)絡，用于整個空間站的控制，稱為核心網(wǎng)絡。核心光纖網(wǎng)絡通過路由器與各艙段進行信息交流。以光纖網(wǎng)絡作為艙間數(shù)據(jù)傳輸通道更適應于多個艙段的組合體并且艙間數(shù)據(jù)流量在1 Mbps以上的復雜信息系統(tǒng)；而艙間數(shù)據(jù)流量較小且傳輸信息可靠性要求較高的組合體更適合采用1553B總線作為艙間數(shù)據(jù)傳輸總線。

國內(nèi)航天器組合體艙間傳輸數(shù)據(jù)流量較小，一般小于100 Kbps，普遍采用1553B作為艙間數(shù)據(jù)傳輸總線。最早的目標飛行器只能支持與單一種類航天器對接；之后的CE-5探測器由四個子系統(tǒng)組成，只有組合體到各子系統(tǒng)獨立飛行模式的切換，也不能支持與不同種類航天器的對接。綜上，以1553B總線作為信息交互通道，支持同一目標航天器與不同種類航天器可靠對接，并執(zhí)行不同的組合體信息管理功能，這在以往的國內(nèi)外航天領(lǐng)域都沒有先例。

為彌補這一研究空白，本文提出了一種支持多種飛船交會對接的多網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分級管理方法，包含網(wǎng)絡拓撲設計、對接總線協(xié)議復用、遙測管理實現(xiàn)策略、多網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分級管理等。該方法可滿足空間實驗室作為目標航天器，與載人飛船和貨運飛船進行多次對接和分離，并完成不同組合體信息管理功能的嶄新需求。更能夠支持數(shù)據(jù)源種類多，數(shù)據(jù)流量差異大的航天器組合體的數(shù)據(jù)復接和下行。該方法已應用于空間實驗室數(shù)管，并通過了長期在軌飛行實驗，驗證了該方法的正確性和可靠性。

1 組合體信息管理需求分析

空間實驗室在軌飛行期間，需先后與載人飛船和貨運飛船分別交會對接形成組合體。空間實驗室數(shù)管需作為主控方，實現(xiàn)與載人飛船組合體和與貨運飛船組合體的不同信息管理功能，同時也需具備獨立飛行信息管理的能力。

空間實驗室與不同飛船的快速對接和分離過程中，如采用雙方平臺1553B總線網(wǎng)絡直接并網(wǎng)，總線的阻抗瞬間不匹配或一方總線故障會直接影響雙方總線通信；另外直接并網(wǎng)方式會使空間實驗室、載人飛船、貨運飛船三方的平臺信息流設計和總線協(xié)議設計都具有耦合性，造成系統(tǒng)靈活性下降。此外，與不同飛船對接的組合體需要對多種類復雜數(shù)據(jù)進行存儲和復接，包括空間實驗室遙測、載人飛船遙測、貨運飛船遙測、航天員生理數(shù)據(jù)、可變載荷試驗數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的接口、格式、數(shù)據(jù)率、存儲模式、控制粒度、下行優(yōu)先級都有不同要求。如何自動靈活的切換遙測模式、適應這些多種類復雜數(shù)據(jù)的下行需求，也是組合體信息管理設計中的難題。

為解決上述問題，本文提出了一種主從式總線網(wǎng)絡拓撲設計，采用一套專用對接1553B總線，將空間實驗室和飛船子網(wǎng)從物理上完全隔離，提高故障情況下的冗余容錯能力；并給出了相應的對接總線協(xié)議復用策略，可靈活支持不同飛船的信息傳輸需求。更適應于空間實驗室與不同飛船多次組合和分離的需求。本文還給出了組合體遙測管理和模式快速切換的實現(xiàn)策略，以及對高、中、低速數(shù)據(jù)區(qū)分不同網(wǎng)絡，進行多網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分級管理的方法，以實現(xiàn)組合體遙測和其他各類復雜數(shù)據(jù)流的復接下行。

1.1 網(wǎng)絡拓撲設計

針對上述組合體信息管理需求，本文提出的主從式總線網(wǎng)絡拓撲設計的基本框架如圖1所示。空間實驗室平臺總線網(wǎng)絡為主網(wǎng)，以核心數(shù)據(jù)處理設備為主控終端，以兩套1553B串行數(shù)據(jù)總線連接各分系統(tǒng)終端，完成平臺數(shù)據(jù)管理功能?？臻g實驗室數(shù)管采用了交會對接專用的網(wǎng)關(guān)設備作為主控終端，以一套專用1553B對接總線連接載人飛船、貨運飛船相關(guān)設備形成從網(wǎng)，完成交會對接數(shù)據(jù)交互的功能。對接總線上還配置了專用總線開關(guān)用于總線連接和斷開的迅速切換。

圖1 組合體網(wǎng)絡拓撲圖

組合體狀態(tài)下，主網(wǎng)和從網(wǎng)協(xié)同完成組合體信息管理工作。在交會對接分離后，從網(wǎng)總線連接斷開，主網(wǎng)獨立完成空間實驗室信息管理任務。

通過該網(wǎng)絡拓撲設計，保證了空間實驗室與載人/貨運飛船雙方信息流設計的獨立性，能夠支持交會對接過程船器的快速對接和撤離，同時在故障情況下確保船器雙方各自平臺信息管理功能不受影響。充分滿足了空間實驗室與載人/貨運飛船交會對接的可靠性、靈活性、實時性的兼容要求。

1.2 對接總線協(xié)議復用設計

設計對接總線協(xié)議時，考慮到船器間手控指令和遙控轉(zhuǎn)發(fā)的突發(fā)性和高實時、高可靠要求，以及貨運飛船、載人飛船不同數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)流量傳輸要求，采用了一種對接總線協(xié)議復用設計。主要策略如下：

1)載人飛船和貨運飛船連接到對接總線的終端設備復用對接總線的同一RT地址。

2)飛船到空間實驗室數(shù)據(jù)傳輸為載人飛船/貨運飛船方發(fā)起，通過設置服務請求方式進行。實際前后兩次服務請求設置的間隔時間由載人飛船/貨運飛船確定，空間實驗室數(shù)管不對發(fā)送周期進行檢查，定期查詢到服務請求后就發(fā)起數(shù)據(jù)采集。這樣實際數(shù)據(jù)傳輸速率由載人飛船/貨運飛船方控制，可適應不同飛船的數(shù)據(jù)傳輸速率差異。

3)空間實驗室網(wǎng)關(guān)向載人飛船貨運飛船方發(fā)送數(shù)據(jù)時，不論數(shù)據(jù)長度是否大于64字節(jié)，都發(fā)送勤務指令。載人飛船/貨運飛船方先刷新子地址數(shù)據(jù)，再設置服務請求編碼。每次設置完服務請求，先收到所設子地址的勤務指令后(即空間實驗室網(wǎng)關(guān)已將數(shù)據(jù)讀完)，再次刷新子地址數(shù)據(jù)，并再次設置新的服務請求。這樣通信收發(fā)雙方完成了一次握手，保證了數(shù)據(jù)既不會丟失，也不會重復。以此滿足對接數(shù)據(jù)或控制指令傳輸?shù)母呖煽恳蟆?/p>

4)載人飛船/貨運飛船需傳輸?shù)倪b測格式不一致，為了使系統(tǒng)能夠適應不同飛船數(shù)據(jù)的變化，由飛船將數(shù)據(jù)封裝為AOS(Advanced Orbiting System高級在軌系統(tǒng))標準[8]的MPDU(多路復用數(shù)據(jù)單元)格式，在MPDU中實現(xiàn)包一級的調(diào)度，可按照需求傳輸不同種類的數(shù)據(jù)包。對于空間實驗室而言，無需關(guān)心包一級的內(nèi)容，只需將固定長度的MPDU采集并透明傳輸即可，如此可兼容不同飛船的遙測格式差異。

5)空間實驗室到載人飛船的儀表顯示參數(shù)和到貨運飛船的操作控制信息、載人飛船到空間實驗室的手控指令和貨運飛船到空間實驗室的操作控制信息、載人/貨運飛船發(fā)到空間實驗室的遙測數(shù)據(jù)、空間實驗室到載人/貨運飛船的遙控轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)都屬于不同信息流，但復用同一子地址。這樣空間實驗室網(wǎng)關(guān)不需了解當前是與哪種飛船對接，也不需進行工作模式切換，只需在核心數(shù)據(jù)處理設備的驅(qū)動下完成各種數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，提高了網(wǎng)關(guān)設計的靈活性和可靠性。

通過對接總線協(xié)議的復用設計，有效實現(xiàn)了組合體狀態(tài)下貨運飛船、載人飛船不同類型和流量數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

1.3 遙測管理實現(xiàn)策略

本文給出的組合體遙測管理方法選用了AOS提供的8種業(yè)務中的3種：E—PDU業(yè)務、多路復用數(shù)據(jù)單元(M—PDU)業(yè)務、虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)業(yè)務[9]。物理信道有2個主信道：信道合路器輸出768 Kbps信道和海量存儲器輸出20 Mbps信道。

信道合路器輸出768 Kbps信道設置6種虛擬信道，具體見表1。

表1 信道合路器輸出的虛擬信道表

填充數(shù)據(jù)海量存儲器輸出20 Mbps信道設置5種虛擬信道，具體見表2。

表2 海量存儲器輸出的虛擬信道表

具體的遙測管理實現(xiàn)策略如下：

圖2 組合體分級管理信息流圖

獨立運行時，空間實驗室核心數(shù)據(jù)處理設備先將自身的內(nèi)部參數(shù)與總線采集來的各分系統(tǒng)終端遙測數(shù)據(jù)，分別包裝成E—PDU并組成M—PDU，入境時通過總線將實時遙測數(shù)據(jù)輸出給信道合路器；出境時將延時遙測M—PDU送海量存儲器中存儲，入境后發(fā)送給信道合路器，由信道合路器負責組織將數(shù)據(jù)生成VCDU 和信道存儲數(shù)據(jù)單元(CADU)輸出。

組合體運行時，載人飛船/貨運飛船CTU切換遙測模式，將組織好的遙測M—PDU通過對接總線送給空間實驗室網(wǎng)關(guān)；空間實驗室CTU也同時切換遙測模式。在測控區(qū)內(nèi)，將網(wǎng)關(guān)收到的飛船遙測轉(zhuǎn)發(fā)到信道合路器。信道合路器將飛船遙測生成VCDU 和信道存儲數(shù)據(jù)單元(CADU)，再與空間實驗室自身遙測及其他平臺數(shù)據(jù)CADU共同混合復接，完成船器子網(wǎng)遙測合路下行；在測控區(qū)外，將網(wǎng)關(guān)收到的飛船遙測轉(zhuǎn)發(fā)到海量存儲器。海量存儲器將飛船遙測生成VCDU，再與空間實驗室自身遙測VCDU共同存儲，在入常規(guī)測站時將船器延時遙測發(fā)送至信道合路器合路下行，在入中繼測站時與其他載荷、乘員數(shù)據(jù)合路發(fā)到測控設備下行。

本文提出的遙測管理實現(xiàn)策略根據(jù)飛行階段、關(guān)鍵事件及其組合條件切換遙測模式，適用于獨立運行和載人飛船組合體、貨運飛船組合體等不同階段的遙測需求。

1.4 多網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分級管理

交會對接組合體狀態(tài)下空間實驗室數(shù)管需完成自身主網(wǎng)和載人飛船/貨運飛船從網(wǎng)的互聯(lián)、以及高中低速數(shù)據(jù)的混合復接和多路下行。組合體各設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類多、變化大、傳輸率差異也很大。

空間實驗室應用了高、中、低速三種類型網(wǎng)絡，用于分別傳輸這些種類繁多的：1394[10]和LVDS總線構(gòu)成高速網(wǎng)絡，用于傳輸各類可變試驗載荷設備的實驗數(shù)據(jù)，最大帶寬100 Mbps；中速網(wǎng)絡包含船器共4套1553B總線，用于傳輸船器平臺設備遙測及其他中速數(shù)據(jù)，設計最大數(shù)據(jù)處理能力800 kbps；低速網(wǎng)絡采用422接口、模擬量接口、數(shù)字量接口等，用于傳輸話音數(shù)據(jù)、離散的溫度量和模擬量數(shù)據(jù)、長度較短的數(shù)字量數(shù)據(jù)等。

本文提出的多網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分級管理方法對于上述數(shù)據(jù)的管理分成兩級：第一級是核心數(shù)據(jù)處理設備，通過AOS的包裝業(yè)務和多路復用業(yè)務，完成中低速網(wǎng)絡和飛船從網(wǎng)數(shù)據(jù)的調(diào)度和合路；第二級包含信道合路器和海量存儲器。兩者均采用了AOS的虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務。信道合路器完成了中速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的復接；海量存儲器完成中高速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的存儲和復接。具體組合體狀態(tài)下信息分級管理如圖2所示。

第一級核心數(shù)據(jù)處理設備通過中低速網(wǎng)絡采集各類遙測數(shù)據(jù)后，首先組織遙測源包，再計算遙測源包的數(shù)據(jù)量，動態(tài)地將待發(fā)送的遙測源包平均分配到兩條1553B總線網(wǎng)絡發(fā)送到第二級的信道合路器或海量存儲器，防止由于數(shù)據(jù)量過大導致其中一條總線過載。并且根據(jù)源包的重要性程度不同，地面向CTU注入指令使能和禁止系統(tǒng)內(nèi)的部分源包，動態(tài)調(diào)節(jié)總線通信的數(shù)據(jù)流量，均衡總線負載。核心數(shù)據(jù)處理設備將調(diào)度后的源包組織成MPDU再發(fā)往第二級合路。

第二級的信道合路器完成空間實驗室遙測、飛船遙測、話音的復接合路。在測控區(qū)內(nèi)，高速數(shù)據(jù)復接器接收船器實時遙測、話音和海量存儲器發(fā)來的船器延時遙測，為不同類型的數(shù)據(jù)分配多個虛擬信道，將多個虛擬信道復接發(fā)往測控設備下行。

第二級的海量存儲器在測控區(qū)外將船器延時遙測、乘員數(shù)據(jù)、各類可變高速載荷數(shù)據(jù)進行分區(qū)存儲，在測控區(qū)內(nèi)海量存儲器將這些不同分區(qū)以固定優(yōu)先級依次回放：船器延時遙測〉乘員數(shù)據(jù)〉載荷數(shù)據(jù)，并將回放數(shù)據(jù)分配多個虛擬信道再復接合路，發(fā)往測控設備下行。

該分級管理方法更能適應多數(shù)據(jù)源的復雜信息管理需要，復接數(shù)據(jù)種類更多，速率更加多樣化，系統(tǒng)的靈活性、可擴展能力更強，滿足了組合體不同用戶的需求。

2 系統(tǒng)試驗驗證

支持多種飛船交會對接的多網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分級管理方法已經(jīng)應用于空間實驗室數(shù)管分系統(tǒng)，首先在分系統(tǒng)測試期間，對該方法的正確性和可靠性進行了試驗驗證?？臻g實驗室數(shù)管分系統(tǒng)進行了連續(xù)100小時的模擬飛行。期間通過載人飛船、貨運飛船的數(shù)據(jù)流模擬軟件分別模擬與不同飛船的反復對接和分離，并通過軟件調(diào)整對接總線數(shù)據(jù)傳輸速率。通過試驗發(fā)現(xiàn)，應用該數(shù)據(jù)分級管理方法后，空間實驗室可以支持與載人飛船、貨運飛船的任意次數(shù)交會對接，可迅速實現(xiàn)獨立運行和組合體遙測模式切換，當對接總線傳輸速率從28 Kbps至36 Kbps變化時，總線上各類數(shù)據(jù)傳輸均正確、可靠。

該方法還通過了空間實驗室與載人飛船和貨運飛船在軌飛行實驗，驗證了與載人飛船和貨運飛船共四次交會對接組合體狀態(tài)下的不同信息管理功能?？臻g實驗室至今已在軌運行超過一年，組合體狀態(tài)下運行時間超過兩個月。通過該方法實現(xiàn)了共4條1553B總線的數(shù)據(jù)管理，空間實驗室、載人船/貨運船3條總線每條流量均大于200 Kbps。與載人船對接時，對接總線流量31 Kbps；與貨運船對接時，對接總線流量32 Kbps。乘員及各類載荷數(shù)據(jù)流平均流量為20 Mbps，瞬時最大速率為44 Mbps。各類高、中、低速數(shù)據(jù)均可正常復接下行。

3 結(jié)論

多航天器的組合體信息管理是未來航天領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。本文提出的支持多種飛船交會對接的數(shù)據(jù)分級管理方法，可支持同一目標航天器與不同種類航天器可靠對接，并執(zhí)行不同組合體信息管理功能。該方法已經(jīng)在空間實驗室數(shù)管中應用，并在空間實驗室與載人飛船和貨運飛船的交會對接任務中完成了在軌飛行驗證。該方法還可作為載人航天領(lǐng)域后續(xù)的空間站等大規(guī)模航天器組合體信息管理的技術(shù)基礎。

參考文獻：

[1] 何 宇，楊 宏，白明生．空間實驗室技術(shù)綜述及發(fā)展戰(zhàn)略[J]．載人航天，2009，15(3).

[2] 張柏楠，戚發(fā)軔． 中國載人航天技術(shù)的歷史性跨越[J]．航天器工程，2008，17(5)：1-6.

[3] 林來興．空間交會對接技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[4] 譚維熾，顧瑩琦．空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)[M]．北京：中國科學技術(shù)出版社，2004.

[5] 王 菁．載人飛船交會對接及組合體模式下的數(shù)據(jù)管理[J]．航天器工程，2012 ，21(4) .

[6] 蘭 天，高建軍，王 菁．神舟飛船交會對接信息流可靠性設計[J]．航天器工程，2011，20(6).

[7] 周 林．國際空間站信息系統(tǒng)方案[J]．遙測遙控，2005，26(2)：50-56.

[8] Consultative Committee for space Data System．AOS space data link protocol[S]．CCSDS 732.0-B-2.Recommended Standard，Issue 2．Washington．DC，USA：CCSDS, 2006．

[9] 田 莊，張慶君．載人航天器AOS虛擬信道調(diào)度策略研究[J]．航天器工程，2006，15(2)：20-22.

[10] IEEE Std 1394a,IEEE standard for a high performance serial bus-amendment[S]．2000．