我國載人航天器信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

王九龍 郭中偉 田莊

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

載人航天器信息系統(tǒng)是載人航天器的重要組成部分，以電子設(shè)備或組合的形式完成載人航天器各功能單元的信息采集和控制，同時(shí)采用通信技術(shù)建立各功能單元、航天員、各艙段或飛行器、地面之間的聯(lián)系，形成信息共享的整體，確保載人航天器的健康和穩(wěn)定運(yùn)行，支持載人航天器各項(xiàng)任務(wù)的完成。

為滿足載人航天器的飛行要求，需要信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面對航天器的跟蹤測軌、遙測遙控、數(shù)據(jù)傳輸和圖像話音通信，并能夠?qū)⑤d人航天器信息與其他在軌航天器、艙外活動(dòng)的航天員進(jìn)行交互，能夠?qū)⒑教炱鲀?nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和處理，具備自主信息管理能力，自主完成故障的檢測、診斷與處置，同時(shí)提供人機(jī)交互界面，供航天員參與對航天器維護(hù)。

載人航天器信息系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)包括測控的覆蓋率、信息傳輸?shù)乃俾?、信息處理和存儲的能力、用戶終端的使用性能等，隨著載人航天器的發(fā)展，不斷追求測控全覆蓋，信息的傳輸和處理能力不斷提高，以及航天員等用戶的信息體驗(yàn)不斷增強(qiáng)[1]。

本文所描述信息系統(tǒng)涉及我國載人航天器發(fā)展的3個(gè)階段，包括早期載人飛船階段(神舟一號～神舟七號)、交會對接階段(神舟八號～神舟十一號、天宮一號～天宮二號)、空間站階段，對各階段載人航天器信息系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和指標(biāo)進(jìn)行了分析對比。

1 載人飛船信息系統(tǒng)

載人航天初期采用陸基統(tǒng)一S頻段(USB)系統(tǒng)進(jìn)行測控，采用1553B總線進(jìn)行載人飛船平臺設(shè)備互連，作為基礎(chǔ)技術(shù)完成了神舟一號無人飛船到神舟七號載人飛船的發(fā)射和返回。

1.1 載人飛船USB測控系統(tǒng)

載人飛船采用USB測控體制，由USB應(yīng)答機(jī)和安裝在I/III象限的天線、遙控解調(diào)器和遙測中控采編單元等組成，除完成測距、測速任務(wù)外，還負(fù)責(zé)傳輸上行遙控、話音和下行工程遙測數(shù)據(jù)。在地面站和測量船的支持下，系統(tǒng)測距誤差小于15 m，測速誤差小于5 cm/s，測控距離大于2100 km。

在測量船的支持下，采用S頻段數(shù)傳信道傳輸話音圖像和數(shù)管遙測數(shù)據(jù)。S頻段數(shù)傳機(jī)傳輸2路768 kbit/s數(shù)據(jù)，分別為768 kbit/s圖像話音數(shù)據(jù)的I支路、768 kbit/s飛船平臺數(shù)據(jù)的Q支路。載人飛船USB測控系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 載人飛船USB測控系統(tǒng)Fig.1 USB TT&C system of manned spacecraft

1.2 載人飛船圖像話音系統(tǒng)

載人飛船設(shè)計(jì)了圖像話音系統(tǒng)，返回艙、軌道艙、推進(jìn)艙攝像機(jī)等多個(gè)圖像源通過圖像切換器選擇，可選1路或2路送圖像編碼器編碼后通過I支路下傳地面，采用MPEG4圖像壓縮算法，形成單幅768 kbit/s圖像(含伴音)或者雙幅384 kbit/s圖像(含伴音)。同時(shí)，可將圖像送至儀表液晶顯示器顯示，供航天員在軌監(jiān)測。圖像系統(tǒng)組成詳見圖2。

圖2 載人飛船圖像通信系統(tǒng)Fig.2 Image communications system of manned spacecraft

話音子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)航天員與地面指揮員、航天員之間，以及航天員與家屬之間的上下行通話，由頭戴送受話器和話音處理設(shè)備組成，話音采用AMBE體制，話音編解碼速率為8 kbit/s。神舟七號載人飛船還配置了出艙活動(dòng)無線通信系統(tǒng)，工作在超高頻(UHF)，能夠傳輸1路AMBE型話音和1路遙測數(shù)據(jù)。

1.3 載人飛船數(shù)管系統(tǒng)

載人飛船數(shù)管系統(tǒng)由中央處理單元(CTU)通過1553B總線將飛船上各分系統(tǒng)連接起來，采集遙測參數(shù)，發(fā)送分系統(tǒng)所需的指令，并將收集到的數(shù)據(jù)通過測控系統(tǒng)向地面?zhèn)鬏?。CTU采用三余度容錯(cuò)計(jì)算機(jī)，CPU采用INTEL 80C86，主頻為8 MHz，自主研制實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)以支持應(yīng)用任務(wù)，1553B通信速率為1 Mbit/s。另外，配有1臺應(yīng)急數(shù)據(jù)記錄器用于數(shù)據(jù)存儲，存儲容量為512 Mbyte。載人飛船的數(shù)管系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

注：GNC為制導(dǎo)導(dǎo)航與控制。圖3 載人飛船數(shù)管系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of data management system of manned spacecraft

1.4 載人飛船人機(jī)交互系統(tǒng)

航天員通過顯示器掌握飛船狀態(tài)，必要時(shí)通過手控指令對飛船進(jìn)行控制。2臺液晶顯示器作為主要顯示設(shè)備，屏幕尺寸為12.1英寸，分辨率為1024×768，設(shè)置2路數(shù)字顯示信號輸入接口和3個(gè)模擬顯示信號輸入接口，為航天員提供飛船相關(guān)參數(shù)的顯示和各種攝像圖像的顯示。

1.5 載人飛船信息系統(tǒng)特點(diǎn)

載人飛船信息系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下。

(1)在我國載人航天器上首次采用USB測控系統(tǒng)，不僅完成了載人飛船的測控任務(wù)，也為后續(xù)載人航天器測控奠定了基礎(chǔ)。

(2)在我國載人航天器上首次采用1553B總線技術(shù)進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)，采用三余度容錯(cuò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和姿態(tài)軌道控制，控制完成了載人飛船飛行，也為后續(xù)載人航天器數(shù)據(jù)管理和姿態(tài)軌道控制奠定了基礎(chǔ)。

(3)在我國載人航天器上首次采用液晶顯示器作為主要顯示設(shè)備，作為載人航天器人機(jī)交互的主要手段。

2 交會對接階段載人航天器信息系統(tǒng)

在交會對接階段，采用天基中繼與USB相配合完成了載人航天器的測控通信，發(fā)展了基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的導(dǎo)航定位技術(shù)，通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位和S頻段空空通信技術(shù)完成了各次交會對接任務(wù)。

2.1 中繼測控系統(tǒng)

2008年4月25日，根據(jù)載人航天任務(wù)需要，我國發(fā)射第1顆天鏈一號中繼衛(wèi)星，神舟七號載人飛船搭載了中繼終端進(jìn)行測試。由于中繼測控具有更高的測控覆蓋率和通信速率，因此從神舟八號開始，載人航天器全面采用中繼測控。

天鏈一號中繼衛(wèi)星具有S頻段和Ka頻段2個(gè)信道。載人航天器通過中繼終端捕獲并跟蹤中繼衛(wèi)星，建立與中繼衛(wèi)星的前向、返向通信鏈路，在1顆衛(wèi)星的支持下測控通信覆蓋率大于40%，返向速率為144 Mbit/s。窄波束中繼S頻段傳輸速率與USB一致，但跟蹤測軌的覆蓋率大為提高。載人飛船中繼測控系統(tǒng)組成見圖4。

圖4 載人飛船中繼測控系統(tǒng)Fig.4 Relay TT&C system of manned spacecraft

2.2 交會對接測量與通信系統(tǒng)

隨著全球?qū)Ш较到y(tǒng)的發(fā)展，載人航天器開始采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行定位和導(dǎo)航，采用以國產(chǎn)北斗系統(tǒng)為主兼容GPS的導(dǎo)航(BD-GPS)，能夠?qū)崟r(shí)處理解算出載人飛行器的3維速度、3維坐標(biāo)和時(shí)間等數(shù)據(jù)并提供給相關(guān)用戶，測距精度優(yōu)于15 m(1σ)，測速精度優(yōu)于0.1 m/s(1σ)。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)還用于交會對接相對位置姿態(tài)測量,目標(biāo)飛行器采用空空通信將自身導(dǎo)航信息傳輸給追蹤飛行器，追蹤飛行器將2個(gè)飛行器間的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計(jì)算，可得出2個(gè)飛行器的相對位置和姿態(tài)信息，用于交會對接[2-4]。載人航天器交會對接測量與通信系統(tǒng)組成見圖5。

圖5 交會對接測量與通信系統(tǒng)Fig.5 Measurement and communications system for rendezvous and docking

2.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

天宮一號目標(biāo)飛行器平臺部分采用了3組1553B總線，與載人飛船互聯(lián)采用了單獨(dú)的1553B總線，用于傳輸?？亢筝d人飛船的測控?cái)?shù)據(jù)。數(shù)管主計(jì)算機(jī)采用了32位RISC技術(shù)CPU ERC 32，SPARC V7架構(gòu)，主頻25 MHz，采用C語言編程。另外，采用大容量存儲器，存儲容量32 Gbyte?？臻g技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)采用了IEEE1394總線，用于傳輸高速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通信速率100 Mbit/s。系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 天宮一號數(shù)管系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Architecture of data management system of Tiangong-1

神舟八號載人飛船繼續(xù)采用1553B總線系統(tǒng)，增加了單獨(dú)的與天宮一號停靠后對接的1553B總線系統(tǒng)，數(shù)管CTU的CPU升級為INTEL 80486，主頻25 MHz，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件采用C語言編程。

2.4 交會對接階段信息系統(tǒng)特點(diǎn)

交會對接階段信息系統(tǒng)特點(diǎn)如下。

(1)在我國載人航天器上應(yīng)用中繼進(jìn)行測控，極大提高了通信速率和測控覆蓋率，使我國載人航天器的測控從地基為主轉(zhuǎn)向天基為主。

(2)采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)完成載人航天器導(dǎo)航和差分定位，支持完成了飛船與目標(biāo)飛行器的交會對接任務(wù)，并為后續(xù)載人航天器交會對接任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

(3)載人航天器數(shù)據(jù)管理和姿態(tài)軌道控制主計(jì)算機(jī)升級為32位CPU，采用C語言編程，提高了計(jì)算能力和研制水平。

3 空間站信息系統(tǒng)

空間站信息系統(tǒng)進(jìn)一步提高傳輸性能,利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建造了站載高速以太網(wǎng)，與高速中繼一起形成天地一體化網(wǎng)絡(luò)[5]。

3.1 空間站中繼測控系統(tǒng)

隨著天鏈二號中繼衛(wèi)星的發(fā)射，我國在軌中繼衛(wèi)星已達(dá)3顆以上，天鏈二號的轉(zhuǎn)發(fā)能力也得到大幅提升，實(shí)現(xiàn)了對低軌航天器的測控轉(zhuǎn)發(fā)近全覆蓋?？臻g站窄波速中繼終端工作在S頻段和Ka頻段，測控覆蓋率可達(dá)93%，Ka頻段完成高速數(shù)據(jù)的雙向傳輸，返向最大數(shù)據(jù)率1.2 Gbit/s。采用了國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)高級在軌系統(tǒng)(AOS)設(shè)計(jì)，根據(jù)AOS協(xié)議對遙測、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和組幀，采用基于信道和優(yōu)先級相結(jié)合的調(diào)度策略進(jìn)行調(diào)度。空間站中繼系統(tǒng)組成如圖7所示。

注：KPU為核心處理單元；SSA-SMA為S頻段單址天線-多址天線。圖7 空間站中繼測控系統(tǒng)Fig.7 Relay TT&C system of space station

新增中繼寬波速測控，由于中繼寬S頻段的波束范圍寬，且不需配置跟蹤指向系統(tǒng)，使得飛行器飛行姿態(tài)有較大變化時(shí)還能建立通信，可用于入軌初期、交會對接、轉(zhuǎn)位等姿態(tài)不穩(wěn)情況下的應(yīng)急通信。另外，當(dāng)窄波速中繼Ka頻段有更高優(yōu)先級的任務(wù)不能為空間站服務(wù)時(shí)，SMA可以提供應(yīng)急通信，包括遙控遙測和應(yīng)急通話。

3.2 空間站網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)

空間站信息系統(tǒng)是一個(gè)基于多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的可重組的計(jì)算機(jī)分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？臻g站根據(jù)需求擴(kuò)充了1553B總線的平臺控制網(wǎng)，形成系統(tǒng)網(wǎng)。新增通信網(wǎng)用于傳輸航天員產(chǎn)生或使用的數(shù)據(jù)、艙內(nèi)外圖像話音數(shù)據(jù)等，采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)。新增載荷網(wǎng)用于傳輸各種空間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用萬兆以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以兼容傳輸通信網(wǎng)和系統(tǒng)網(wǎng)數(shù)據(jù)，作為三艙數(shù)據(jù)通信的骨干網(wǎng)。系統(tǒng)網(wǎng)、通信網(wǎng)和載荷網(wǎng)構(gòu)成空間站三網(wǎng)體系架構(gòu)[6]。

通過網(wǎng)關(guān)將三網(wǎng)互連，使系統(tǒng)網(wǎng)、通信網(wǎng)和載荷網(wǎng)相對獨(dú)立，但又互相連接。無線射頻系統(tǒng)作為空間站接口，對內(nèi)聯(lián)系三網(wǎng)，對外與地面、其他航天器、艙外航天員建立數(shù)據(jù)信息聯(lián)系。空間站三網(wǎng)體系架構(gòu)見圖8。

圖8 空間站網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)Fig.8 Network architecture of space station

3.3 空間站系統(tǒng)網(wǎng)

系統(tǒng)網(wǎng)支持空間站功能平臺完成各自獨(dú)立功能任務(wù)，完成指令、遙測數(shù)據(jù)獨(dú)立傳輸，對通信網(wǎng)和載荷網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)生故障或安全危害時(shí)可及時(shí)干預(yù)，保證空間站健康運(yùn)行?？臻g站各艙段每個(gè)分系統(tǒng)均由1個(gè)至多個(gè)1553B總線網(wǎng)組成，空間站各艙系統(tǒng)網(wǎng)通過艙間1553B總線連接，連成一個(gè)整站的系統(tǒng)網(wǎng)。

系統(tǒng)網(wǎng)終端由3個(gè)層次的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，每層計(jì)算機(jī)采用通用化設(shè)計(jì)，稱為通用計(jì)算機(jī)。第1層計(jì)算機(jī)為數(shù)管系統(tǒng)的核心處理單元，三機(jī)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，采用國產(chǎn)RISC技術(shù)CPU BM3803，SPARC V8架構(gòu)，主頻100 MHz；操作系統(tǒng)使用自研EVTOS(優(yōu)先級搶占+時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度)。系統(tǒng)網(wǎng)第2層計(jì)算機(jī)為各分系統(tǒng)/子系統(tǒng)控制器，CPU采用國產(chǎn)BM3803。系統(tǒng)網(wǎng)第3層計(jì)算機(jī)為各分系統(tǒng)/子系統(tǒng)終端，按區(qū)域分散配置，采用國產(chǎn)BM3803或80C32 CPU，用于采集該區(qū)域設(shè)備數(shù)據(jù)，控制該區(qū)域設(shè)備運(yùn)行。

空間站采用綜合電子設(shè)計(jì)，按區(qū)域配置通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的綜合業(yè)務(wù)單元，實(shí)現(xiàn)模擬量遙測采集、溫度量遙測采集、程控指令輸出、自鎖閥和電磁閥驅(qū)動(dòng)控制、傳感器12 V供電的綜合化管理。空間站綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。

注：LVDS為低電壓差分信號；BC為總線控制器；MT/RT為總線監(jiān)視器/總線終端。圖9 空間站綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 Avionic architecture of space station

3.4 空間站通信網(wǎng)

通信網(wǎng)完成圖像、話音、航天員辦公及生活服務(wù)等功能，基于千兆光纖以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建，通信協(xié)議采用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，以雙冗余架構(gòu)方式增加通信網(wǎng)可靠性。對于千兆光纖以太網(wǎng)，單向最大傳輸速率能達(dá)到1000 Mbit/s。通信網(wǎng)配有網(wǎng)絡(luò)管理器存儲圖像，整站存儲容量達(dá)30 Tbyte。

通信網(wǎng)分為匯聚層、接入層和用戶終端3層結(jié)構(gòu)。匯聚層由1臺頂層交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)管理器組成，負(fù)責(zé)艙段數(shù)據(jù)匯聚、艙間路由與天地路由。接入層由多臺接入交換機(jī)及無線收發(fā)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)艙段終端的有線或無線網(wǎng)絡(luò)接入。高速通信處理器作為天地鏈路與艙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，采用IP over CCSDS協(xié)議進(jìn)行IP協(xié)議與AOS天地鏈路傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)天地一體化互聯(lián)網(wǎng)[7]。空間站通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖10。通信網(wǎng)還配置艙內(nèi)外無線收發(fā)設(shè)備，具備無線Wi-Fi支持功能，為艙內(nèi)外無線設(shè)備提供無線接入通信網(wǎng)的能力，支持出艙活動(dòng)通信、艙內(nèi)移動(dòng)通信、智能家居通信等。配置的無線收發(fā)設(shè)備采用802.11n協(xié)議2.4G頻段工作，通過百兆網(wǎng)口接入通信網(wǎng)。

圖10 空間站通信網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)Fig.10 Architecture of communications network of space station

3.5 空間站載荷網(wǎng)

載荷網(wǎng)完成試驗(yàn)與載荷數(shù)據(jù)的管理、傳輸，它基于萬兆以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建，滿足大數(shù)據(jù)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸速率。各個(gè)艙段載荷網(wǎng)通過光纖電纜互連，構(gòu)成雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，艙間傳輸能力最高達(dá)9.9 Gbit/s。

與通信網(wǎng)相同，載荷網(wǎng)也分為匯聚層、接入層和載荷終端3層結(jié)構(gòu)。匯聚層由1臺骨干交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)管理器組成，負(fù)責(zé)艙段和艙間綜合數(shù)據(jù)匯聚、艙間路由和天地路由。載荷網(wǎng)還配置艙內(nèi)外無線收發(fā)設(shè)備，具備無線Wi-Fi支持功能，為艙內(nèi)外載荷設(shè)備提供無線接入載荷網(wǎng)的能力。配置的無線收發(fā)設(shè)備采用802.11n協(xié)議5G頻段工作，通過百兆網(wǎng)口接入載荷網(wǎng)。

通信網(wǎng)和載荷網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“物理統(tǒng)一，邏輯隔離”，即通信網(wǎng)和載荷網(wǎng)都屬于空間站以太網(wǎng)，兩者之間存在物理連接，但在正常工作的情況下，載荷網(wǎng)和通信網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信相互隔離，相互之間沒有影響。只有當(dāng)通信網(wǎng)故障時(shí)，在系統(tǒng)網(wǎng)的干預(yù)下通信網(wǎng)與載荷網(wǎng)的通道被激活，通信網(wǎng)數(shù)據(jù)才可以通過載荷網(wǎng)傳輸。

3.6 空間站圖像話音系統(tǒng)

空間站配置圖像系統(tǒng)、話音系統(tǒng)、艙外無線通信系統(tǒng)，用于支持航天員在艙內(nèi)和艙外的活動(dòng)。圖像系統(tǒng)依托通信網(wǎng)配置，各類攝像機(jī)帶有網(wǎng)絡(luò)接口，直接接入網(wǎng)絡(luò)，并可在地面終端、艙內(nèi)顯示器、筆記本計(jì)算機(jī)上顯示；可在地面觀看各類圖像，包括太陽翼展開、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、交會對接時(shí)外來飛行器圖像、艙內(nèi)人員活動(dòng)等；在圖像的提示下通過天地話音與航天員溝通，極大方便了天地協(xié)同操作。所有攝像機(jī)具備圖像采集、編碼、壓縮功能；編碼方式采用H.264標(biāo)準(zhǔn)，具備7.68 Mbit/s高清圖像及高像素靜止圖像的可切換工作模式，地面可同時(shí)選擇觀看多路圖像。

空間站話音通信包括任務(wù)話、專用話和IP電話。配置數(shù)字式話音處理器，集中管理任務(wù)話和專用話，實(shí)現(xiàn)所有話音終端的接入、管理、通信等功能，完成天地會議通話、專用通話、出艙通信等多種模式的話音通信。話音終端包括有線和無線方式。中繼Ka頻段傳送高清AAC體制網(wǎng)絡(luò)格式話音，其他通過中繼SMA、USB、空空通信、出艙通信傳送普通AMBE體制話音。作為集中話音處理系統(tǒng)的補(bǔ)充，配置話音撥號終端，通過以太網(wǎng)接口直接與通信網(wǎng)接入交換機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)航天員在軌撥號的IP電話功能，完成航天員與地面家屬或載荷支持人員的網(wǎng)絡(luò)電話業(yè)務(wù)。

配置出艙活動(dòng)無線通信系統(tǒng)，工作在UHF，能夠支持2名航天員出艙，能夠傳輸2路AMBE型話音和2路航天服遙測數(shù)據(jù)。另外，配置Wi-Fi無線通信裝置，可以傳送艙外活動(dòng)高清圖像(H.264標(biāo)準(zhǔn)，速率為7.68 Mbit/s)。

3.7 空間站人機(jī)交互和智能家居系統(tǒng)

空間站配備高清智能顯示器，可以顯示多路高清視頻，在各艙共配備1臺或多臺21英寸智能顯示器，支持三艙及來訪?？控涍\(yùn)飛船、光學(xué)艙圖像顯示，支持高清圖像，可同時(shí)接收10路視頻信號，實(shí)時(shí)選擇4路進(jìn)行解碼并同時(shí)顯示。航天員通過智能顯示器進(jìn)行整站狀態(tài)監(jiān)測，采用觸控方式選擇視頻圖像顯示，進(jìn)行手控指令發(fā)送，接收地面上行信息和視頻音頻，進(jìn)行天地視頻通話。空間站人機(jī)交互和智能家居系統(tǒng)見圖11。

注：RFID為射頻識別。圖11 空間站人機(jī)交互和智能家居系統(tǒng)Fig.11 Human-computer interaction and smart home system of space station

為了保障航天員在軌駐留有安全、便利、舒適、智能的工作生活環(huán)境，空間站將艙內(nèi)各類工作和生活設(shè)備內(nèi)置無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接口，接入艙內(nèi)無線Wi-Fi網(wǎng)，可用手持終端或其他人機(jī)交互接口對設(shè)備進(jìn)行使用控制，構(gòu)成智能家居系統(tǒng)[8-9]。

3.8 空間站信息系統(tǒng)特點(diǎn)

我國空間站信息系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

(1)在我國載人航天器上首次采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的三網(wǎng)架構(gòu)，既滿足了平臺任務(wù)控制的高可靠要求，又滿足了載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅芤螅瑯O大提高了空間站的運(yùn)行效能。

(2)建成天地一體化高速互聯(lián)網(wǎng)，將話音、圖像、智能家居、物資管理、載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)利用最新互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，提升了空間任務(wù)的信息化水平。

(3)建立空間站分層通用計(jì)算機(jī)型譜體系，CPU、操作系統(tǒng)等元器件和軟件全部國產(chǎn)化，完成空間站全自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)空間站自主健康管理。

(4)建立嚴(yán)密的空間站信息安全防護(hù)體系，測控等敏感數(shù)據(jù)全部加密防護(hù)，采用全面網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)和監(jiān)管，確?？臻g站信息安全。

4 載人航天器信息系統(tǒng)主要技術(shù)和性能發(fā)展

4.1 測控覆蓋率和傳輸能力

航天器測控系統(tǒng)是確保航天器安全可靠工作的重要手段，也是航天器應(yīng)用的重要支持設(shè)施，提高測控覆蓋率和通信速率一直是載人航天器的追求目標(biāo)。載人飛船階段采用地基USB測控系統(tǒng)，在地面站、測量船的支持下，測控覆蓋率可達(dá)16%，傳輸速率可達(dá)1.5 Mbit/s。載人交會對接階段開始采用中繼測控，在1顆中繼衛(wèi)星的支持下測控覆蓋率可達(dá)40%，傳輸速率可達(dá)144 Mbit/s?？臻g站階段全面采用中繼測控，在3顆中繼衛(wèi)星的支持下測控覆蓋率可達(dá)93%，傳輸速率可達(dá)1.2 Gbit/s。在北斗短報(bào)文系統(tǒng)的支持下，測控覆蓋率可達(dá)100%。性能比較見表1。

表1 載人航天測控性能比較Table 1 TT&C performance comparison of manned space

4.2 圖像和話音通信技術(shù)

圖像和話音通信是載人航天的特有需求，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，載人航天器圖像話音通信從早期采用電路交換發(fā)展到空間站階段采用網(wǎng)絡(luò)通信，圖像的交換能力從最初的6路發(fā)展到空間站數(shù)十路，圖像分辨率從MEPG4標(biāo)準(zhǔn)(單路768 kbit/s)發(fā)展到H.264標(biāo)準(zhǔn)(單路7.68 Mbit/s)，支持4K和8K標(biāo)準(zhǔn)的手持?jǐn)z像機(jī)，效果良好。話音通信從AMBE體制話音發(fā)展到多路高音質(zhì)AAC體制話音，提高了通話品質(zhì)。

4.3 艙載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

載人航天器艙內(nèi)設(shè)備互聯(lián)一直采用成熟可靠的1553B總線技術(shù)，由于其速率不高(1 Mbit/s)，只用于平臺核心設(shè)備之間的通信。為了克服1553B傳輸性能的不足，同時(shí)提高即插即用等易用性，針對圖像話音、載荷等非平臺核心設(shè)備，空間站又采用了高速以太網(wǎng)，將艙上傳輸速率提高到了10 Gbit/s以上。目前，正在研發(fā)一種新型以太網(wǎng)，稱為時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTE)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中加入時(shí)間特性，克服以太網(wǎng)通信中時(shí)間不確定的不足，可用于平臺核心設(shè)備(如控制系統(tǒng))的通信，使載人航天器通信性能全面升級。

4.4 艙載信息處理能力

載人航天器主計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力隨著時(shí)代的發(fā)展不斷提高，早期載人飛船數(shù)管計(jì)算機(jī)和GNC計(jì)算機(jī)均采用了16位CPU，主頻8 MHz，采用8086匯編語言，系統(tǒng)存儲容量512 Mbyte。交會對接階段，載人航天器數(shù)管計(jì)算機(jī)采用了32位CPU，主頻25 MHz，采用C語言編程，系統(tǒng)存儲容量提高到32 Gbyte?？臻g站將站上主計(jì)算機(jī)和各分系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)CPU統(tǒng)一為國產(chǎn)32位CPU，主頻最高為100 MHz，系統(tǒng)存儲容量達(dá)30 Tbyte。圖12給出了載人航天器主計(jì)算機(jī)性能比較。

圖12 載人航天器主計(jì)算機(jī)性能比較Fig.12 Performance comparison of main computer of manned spacecraft

4.5 載人航天器軟件技術(shù)

我國載人航天工程立項(xiàng)以來，對軟件采用產(chǎn)品管理的理念和方法，采用了軟件工程化開發(fā)流程，建立了軟件配置管理庫，各研制單位進(jìn)行了軟件能力成熟度模型(CMM)資質(zhì)認(rèn)證，經(jīng)過載人航天的發(fā)展，形成了有效的軟件開發(fā)體系。目前，采用首先進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行配置項(xiàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，加快了軟件研制進(jìn)程，提高了研制質(zhì)量。軟件編程語言從載人航天初期的匯編語言發(fā)展到交會對接階段的C語言，提高了編程效率。分系統(tǒng)控制器軟件從載人航天初期的順序編程加中斷，發(fā)展為全面采用自研實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，提升了軟件服務(wù)性能。軟件維護(hù)能力全面提升，從載人航天初期只有GNC和數(shù)管主計(jì)算機(jī)具備在線維護(hù)能力，到空間站階段所有分系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)具備在線維護(hù)能力，提高了軟件易用性。

4.6 自主健康管理技術(shù)

為了對載人航天器在軌發(fā)生的故障能夠自主快速處置，防止故障擴(kuò)散，在缺少測控支持的條件下，需要航天器具備自主診斷和處理故障的能力。載人航天器的健康管理系統(tǒng)從早期的各分系統(tǒng)配置的故障診斷系統(tǒng)，到空間站階段的向集系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、故障診斷和故障修復(fù)為一體的航天器集成健康管理系統(tǒng)發(fā)展。

載人飛船具有對推進(jìn)分系統(tǒng)故障檢測和處理的功能[10]。數(shù)管系統(tǒng)對推進(jìn)管路壓力等參數(shù)進(jìn)行采集和判斷，故障時(shí)將該管路關(guān)閉，啟用備份管路。進(jìn)入空間站以后，各分系統(tǒng)均配置了通用計(jì)算機(jī)，因此，分系統(tǒng)級的故障由分系統(tǒng)計(jì)算機(jī)完成診斷，如艙體泄漏、熱控管路泄漏、壓力應(yīng)急、推進(jìn)管路泄漏等，分系統(tǒng)計(jì)算機(jī)向數(shù)管系統(tǒng)申請?jiān)O(shè)備管理指令處理。整站級的故障由數(shù)管分系統(tǒng)統(tǒng)一診斷和處理，如單母線掉電的檢測和處理，在整站發(fā)生單母線掉電的故障模式下能夠立即切除故障配電線路，使整站進(jìn)入安全供電狀態(tài)。整站與分系統(tǒng)故障檢測和處理相配合，形成一個(gè)集成式的健康管理系統(tǒng)。

4.7 電子產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展

我國載人航天器一開始就制定了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化系列化的發(fā)展路線[11]，立足于產(chǎn)品自行研制，各類產(chǎn)品均制定了產(chǎn)品型譜和發(fā)展路線圖。艙載計(jì)算機(jī)按通用化設(shè)計(jì)，形成完整的計(jì)算機(jī)型譜。射頻電子產(chǎn)品采用軟件無線電技術(shù)，各類嵌入式電子產(chǎn)品采用片上系統(tǒng)(SOC)等芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品小型化。截至目前，載人航天器電子信息產(chǎn)品已形成門類齊全的產(chǎn)品現(xiàn)貨，全部產(chǎn)品國內(nèi)研制，關(guān)鍵元器件實(shí)現(xiàn)自主可控。

為了提高載人航天器的應(yīng)用水平，在非涉及飛行安全的領(lǐng)域大力提倡采用商用產(chǎn)品，如各類攝像機(jī)和視頻圖像設(shè)備、廚房家居設(shè)備等，降低研制成本，提高應(yīng)用性能和易用性。

4.8 載人航天器信息安全

為了防止載人航天器信息泄露對航天器安全造成危害，同時(shí)防止非法用戶利用和攻擊載人航天器，從載人飛船開始就對載人航天器信息進(jìn)行安全防護(hù)。對話音進(jìn)行了加解密，防止話音被竊聽。對上行遙控指令和注入數(shù)據(jù)采用了最高防護(hù)級別，地面發(fā)送時(shí)進(jìn)行加密和數(shù)字簽名，船上接收時(shí)進(jìn)行解密和簽名認(rèn)證，防止重放攻擊。

由于空間站運(yùn)行時(shí)間長，除了遙控、注入數(shù)據(jù)和話音，對下行遙測也進(jìn)行了加密，確?？臻g站遙測不被竊取和利用。對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在天地網(wǎng)絡(luò)接口處設(shè)置安全網(wǎng)關(guān)，確保站上網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的安全隔離。對站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了IP網(wǎng)段劃分、虛擬信道與IP映射設(shè)計(jì)、源IP地址過濾設(shè)計(jì)、交換機(jī)端口限速設(shè)計(jì)等安全性設(shè)計(jì)，采用了網(wǎng)絡(luò)終端安全協(xié)議設(shè)計(jì)。對于接入空間站網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，對設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信功能、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)流量等進(jìn)行安全性測試，評估其網(wǎng)絡(luò)安全性，上站前完成網(wǎng)絡(luò)接入安全測試和認(rèn)證。

5 載人航天器信息系統(tǒng)發(fā)展展望

目前，載人航天除了繼續(xù)建造和運(yùn)營空間站外，開始研制載人新飛船和登月艙，目標(biāo)是載人登月。空間站信息系統(tǒng)產(chǎn)品面臨升級換代的問題，新飛船和登月艙等信息系統(tǒng)需要根據(jù)深空任務(wù)需求做體系的改變。信息系統(tǒng)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)繼續(xù)發(fā)揮快速發(fā)展的航天設(shè)施的作用增強(qiáng)測控通信能力。在空間站任務(wù)中利用北斗短報(bào)文技術(shù)進(jìn)一步提高測控覆蓋率。在載人月球探測任務(wù)中利用深空通信的基礎(chǔ)設(shè)施，面向深空地球站和天鏈中繼衛(wèi)星設(shè)計(jì)測控通信系統(tǒng)，發(fā)展相控陣天線等新技術(shù)提高測控性能。

(2)發(fā)展新一代星載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，載人航天主用的1553B總線通信由于其速率低和終端少導(dǎo)致平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，空間站主用的高速以太網(wǎng)存在通信時(shí)間不確定等問題，發(fā)展新一代星載總線技術(shù)迫在眉捷。目前，TTE由于在以太網(wǎng)通信中增加了傳輸定時(shí)功能成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，可能成為新一代航天器主用網(wǎng)絡(luò)之一。

(3)以高性能計(jì)算機(jī)為代表的新一代信息產(chǎn)品的產(chǎn)生，使信息系統(tǒng)性能大幅提高。隨著國產(chǎn)化高性能電子產(chǎn)品不斷推出，高主頻CPU、大門數(shù)FPGA、大容量存儲器等面世，主計(jì)算機(jī)性能進(jìn)一步增強(qiáng)，航天器信息處理和存儲能力進(jìn)一步增強(qiáng)。空間站和其他載人航天器的產(chǎn)品可以不斷升級換代，提高信息系統(tǒng)能力。

(4)信息系統(tǒng)體系架構(gòu)和功能進(jìn)一步優(yōu)化。隨著載人航天器計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)性能的提高，信息系統(tǒng)體系架構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，發(fā)展可由軟件定義的體系架構(gòu)，系統(tǒng)靈活性大大增強(qiáng)。另外，信息系統(tǒng)功能進(jìn)一步綜合，智能化水平不斷提高，能極大提高航天器的信息化水平。

6 結(jié)束語

信息系統(tǒng)在載人航天器發(fā)展中起到了重要的基礎(chǔ)性支撐作用，不但對航天器的生存，而且對航天器的應(yīng)用至關(guān)重要。隨著地面信息技術(shù)的發(fā)展，航天器信息系統(tǒng)不斷吸收新技術(shù)，不斷降低成本，并與地面信息系統(tǒng)形成有機(jī)整體，對航天器的運(yùn)行起著越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 李雙博,張艷松,李德仁,等.我國天基信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望[J].中國工程科學(xué),2020,22(1):127-132

Li Shuangbo, Zhang Yansong, Li Deren, et al. Development status and future prospect of space-based information systems in China [J]. Strategic Study of CAE, 2020, 22(1): 127-132 (in Chinese)

[2] 石云墀.載人航天空空通信子系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].上海航天,2011,28(6):38-42

Shi Yunchi. Space to space communication subsystem manned spaceflight and its key technology [J]. Aerospace Shanghai, 2011, 28(6): 38-42 (in Chinese)

[3] 王冬霞，辛潔，薛峰，等.GNSS星間鏈路自主導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].宇航學(xué)報(bào)，2016,37(11)：1279-1288

Wang Dongxia， Xin Jie， Xue Feng， et al. Development and prospect of GNSS autonomous navigation based on inter-satellite link [J]. Journal of Astronautics， 2016, 37(11)： 1279-1288 (in Chinese)

[4] 王乃雯，石云墀.目標(biāo)飛行器測控與通信分系統(tǒng)[J].上海航天,2011,28(6):12-16

Wang Naiwen， Shi Yunchi. TT&C telecommunication subsystem of target spacecraft [J]. Aerospace Shanghai, 2011, 28(6): 12-16 (in Chinese)

[5] 沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想[J].中國工程科學(xué),2006,8(10):19-30

Shen Rongjun. Some thoughts of Chinese integrated space-ground network system [J]. Strategic Study of CAE, 2006, 8(10): 19-30 (in Chinese)

[6] 周建平.我國空間站工程總體構(gòu)想[J].載人航天,2013,19(1):1-10

Zhou Jianping. Chinese space station project overall vision [J]. Manned Spaceflight, 2013, 19(1): 1-10 (in Chinese)

[7] 龍吟，朱珂，丁凱，等.天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中航天器網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].航天器工程，2016，25(1):77-83

Long Yin, Zhu Ke, Ding Kai, et al. Design and implementation of spacecraft gateway in integrated space-ground network [J]. Spacecraft Engineering, 2016， 25(1): 77-83 (in Chinese)

[8] 王遠(yuǎn)春.智能家居讓生活更美好[J].中國公共安全,2020(4):160-162

Wang Yuanchun.Smart homes make life better [J]. China Public Security, 2020(4): 160-162 (in Chinese)

[9] 謝鋒.基于OPENWRT的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南寧：廣西大學(xué),2015

Xie Feng. Design and implementation of smart home system based on OPENWRT [D]. Nanning: Guangxi University, 2015 (in Chinese)

[10] 鄭曉霞，王九龍.航天器自主故障檢測和識別的知識庫設(shè)計(jì)研究[J].航天器工程，2005,14(4):6-10

Zheng Xiaoxia, Wang Jiulong. Design and research of autonomy default diagnosis and distinguish of spacecraft [J]. Spacecraft Engineering, 2005, 14(4): 6-10 (in Chinese)

[11] 王九龍.我國衛(wèi)星綜合電子現(xiàn)狀和發(fā)展建議[J].航天器工程，2007,16(5):68-73

Wang Jiulong. Development state and thought of the satellite synthesized electronic system [J]. Spacecraft Engineering, 2007, 16(5): 68-73 (in Chinese)