一种航天器上多子网数据网络设计

穆强 裴楠 郭坚 程慧霞

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)



一种航天器上多子网数据网络设计

穆强 裴楠 郭坚 程慧霞

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

基于1553B总线归纳了对等子网和上下级子网2种子网间的连接方式，并结合网络连接关系、数据传输机制，提出多子网的数据网络设计思想。该设计既能保证子网的独立性，又能将子网连接为一体,既可解决突发数据的传输问题,又能适用于复杂多子网网络的航天器。以某具体航天器为例，完成包含对等子网和上下级子网的多子网网络数据系统设计，并验证了其可行性。文章提出的设计已应用到航天器工程中，降低了多子网航天器协议设计的难度。

航天器上多子网数据网络；组网方式；传输机制

1 引言

我国的航天器上广泛采用1553B总线连接各个终端，组成数据网络。这些终端分为总线控制器(BC)和远程终端(RT)，其中总线控制器是总线系统中的主控终端，控制和发起数据的传输[1]。目前，大多数航天器仅采用结构相对简单的单级总线网络，所有的数据传输由总线控制器集中控制，多级总线网络的应用并不多；而且，网络之间的数据交互要求也比较简单，一般仅传输少量常规的遥测信息，传输频率和数据量也比较固定。由于航天器网络规模不断扩展，以及多个舱段既能组合工作、又能独立工作的需求，航天器数据网络设计也向多级化发展，须要将整个网络划分为不同子网，再进一步组合为整个航天器的网络，各子网应具备完全对等的功能。这对数据网络设计提出了更高的要求，各种不同传输频率的数据及突发的上下行数据要在各个子网中传输共享，依靠总线控制器集中控制的方式很难实现上述灵活的数据传输机制。

在国外的航天器中，特别是大型航天器，多1553B总线网络的应用比较常见。例如，“国际空间站”中的俄罗斯服务舱信息系统由2层总线网络组成：第1层以6条1553B总线为核心，6条总线分为3组，各组总线分工明确，完成空间站整体管理；第2层混合使用1553B及RS-485等总线连接各分系统的内部网络，负责完成本分系统的内部任务[2]。在国内的航天器中，多总线网络的应用还较少，且通信协议是针对航天器具体功能进行设计的，因此很难推广至其他航天器中应用。近年来，随着国内多总线网络航天器的应用逐渐增加，建立多子网间通信机制的需求越来越明显。为此，本文归纳了目前国内航天器实际采用的2种较为常见的子网间的连接方式，并基于网络连接关系和数据传输机制，提出了多子网的数据网络设计思想，可满足各类数据的子网共享需求，适用于建立多子网的航天器数据网络。结合具体的多子网网络结构数据系统设计实例，验证了该设计思想的可行性。

2 多子网数据网络设计

2.1 多子网的组网方式

根据拓扑结构不同，多个1553B总线网络的组网包括并行组网、层次化组网和混合组网等概念[3]。考虑到网络拓扑关系的复杂度，目前国内航天器实际采用2种较为常见的连接方式，本文将其分别称为对等子网(见图1)和上下级子网(见图2)。

如图1所示，在对等子网中，将每个1553B总线系统看作1个子网，2个子网各自存在自己的总线控制器，且有1个公共终端分别作为2个总线系统的远程终端，作为连接2个子网的网关。与之对比，图2中，公共终端(即网关)作为总线1的远程终端，同时又作为总线2的总线控制器，此时总线1所在子网称为上级子网，总线2所在子网称为下级子网。可见，2种连接方式的差别在于，作为网关的公共终端在2个子网中都是作为远程终端，还是在其中1个子网中是作为总线控制器。为了使不同的子网既能够组合工作，又能够互相分离并独立工作，同一个公共终端不在2个子网中同时作为总线控制器。

图1 对等子网示意Fig.1 Peer-to-peer subnet

图2 上下级子网示意Fig.2 Superior/subordinate subnet

多个子网以上述方式进行连接，可不断扩充航天器数据网络，形成更大规模的网络。根据需要，子网可以按照终端类型进行划分，也可以按照终端设备在航天器中的安装位置划分。例如：不同类的有效载荷设备可划分在不同的子网中，既便于数据的汇集，又有利于大型航天器网络的管理；当多舱段航天器有舱段分离的要求时，在需要分离的舱段内建立独立的子网，可使该舱段内数据的传输具有独立性，便于分离前后的数据传输管理。

2.2 多子网的数据传输机制设计

多子网设计的重点在于建立子网间的数据传输机制，通过对子网间共享的数据进行整理，针对不同的数据传输需求设计对应的传输协议。根据目前航天器的一般数据传输需求，可将数据分为常规数据和突发数据。其中：常规数据一般包括周期性传输的常规遥测数据等；突发数据一般包括上行注入数据、下行事件报告数据等。常规数据的传输由所在子网的总线控制器发起，根据使用需求按照数据传输频度周期性地通过网关向相邻子网进行发布，最终传输至该子网的总线控制器进行管理；突发数据的传输由数据源端发起，数据源端可能是子网的总线控制器或者远程终端，当由远程终端发起时，要首先传输至所在子网的总线控制器，再由总线控制器根据数据使用需求进行分发。在2类数据中，突发数据的高效率传输是协议设计的重点。

在传统的单级总线网络中，所有突发数据的传输都需要总线控制器控制，即使远程终端到总线控制器的传输，也需要总线控制器首先通知远程终端准备数据，等待约定的时间后再通知远程终端发送数据。在传统方式中，当跨越多级子网时，总线控制器要控制读取另外一个子网的远程终端，这时须考虑2个子网的传输延迟等问题，难以确定合适的取回时间，效率比较低；一旦网络扩充，还要重新分析传输的时间，对已完成的设计带来较大影响。另外，在传统方式中是由总线控制器控制突发数据的传输，远程终端没有主动传输的能力，当发生故障或需要报告的事件时，无法送出对应的事件报告，地面控制不能及时发现问题。

在多子网的系统中，为保证各子网的独立性，由每个子网的总线控制器主控所在子网的通信，并赋予远程终端主动发起数据传输的能力；跨子网的传输由总线控制器进行中转，经由网关传输至相邻子网的总线控制器，可解决突发数据跨子网传输的问题。根据突发数据传输要求的发起方不同，可分为航天器上终端自主发起和地面遥控发起，本文对2种突发数据进行综合设计。地面遥控发起的突发数据传输要求，如常见的航天器上计算机内存读出功能，是由地面发送指令，被读出的终端解析后准备好对应的数据，向其所在子网总线控制器发起传送的服务请求，总线控制器响应该请求并获取遥测包(称为数据回传)，并根据包路由规则进行转发。图3为2级子网下行突发数据传输示意，将传输过程中的传输发起和数据回传分离，T0时刻子网1总线控制器发出数据准备通知，经过T1时间后收到回传的数据，T1即为数据回传的延迟，其中包含子网2数据回传延迟T2。数据回传延迟不需要总线控制器控制，而是由远程终端的实际能力动态确定。航天器上终端自主发起的突发数据传输与数据回传是一致的，因此也具备主动发起自身突发数据传输请求的能力，从而将2种因为发起方不同的突发数据传输统一。相同的机制便于扩充至更大型的网络。

图3 突发数据传输过程示意Fig.3 Transfer process of burst data

3 设计实例

3.1 网络结构

以某航天器为例，其数据网络见图4。该航天器通过1553B总线组成网络，整个网络划分为3个子网。子网1和子网2组成对等子网，通过网关A连接，网关A分别作为子网1和子网2的远程终端；子网1和子网3组成上下级子网，其中子网1为上级子网，子网3为下级子网，通过网关B连接，网关B分别作为子网1的远程终端和子网3的总线控制器。

航天器由多个舱段组成，子网1、2、3分别位于不同的舱段中，当子网2所在舱段和子网1所在舱段需要分离时，分离开关2断开，分离后，子网2独立工作。子网3所在舱段和子网1所在舱段需要分离时，分离开关3断开，分离后，子网1和子网3都处于独立工作状态。为了应对舱段分离的需求，子网1、2、3所在舱段中都配备了独立的对地上下行测控通道，可各自独立地对地传输数据，数据传输由各子网中的总线控制器控制。在组合状态下，地面控制中心可通过任意一个舱段的测控通道对航天器实施测控。由于3个子网具备独立工作能力，因此在独立状态下仍可以单独对独立舱段进行测控。另外，当航天器某个对地测控通道发生故障时，作为故障预案，3个舱段中的测控通道可以实现互相备份。因此，须要设计子网间的数据传输机制，实现数据分发和汇集等数据跨舱段共享，同时还要适应舱段分离后的工作需求。

图4 航天器网络结构示意Fig.4 Spacecraft network structure

3.2 数据传输机制

空间数据系统咨询委员会(CCSDS)建议的高级在轨系统(AOS)链路协议[4]、空间包协议[5]、遥控数据链路协议[6]，在我国航天器中已逐渐广泛应用。另外，为提高天地信道的利用率，获取尽可能多的航天器信息，多个国内航天器上实现了对下行遥测包的调度[7]。设计子网间的数据传输机制，须要综合考虑航天器对地测控链路的协议和数据传输需求[8-9]，使天地传输结合为一体，简化地面操作，提高易用性。因此，本文结合CCSDS的协议，应用多子网的数据网络设计思想，完成第3.1节所述网络结构的多子网数据网络设计。

3.2.1 上行数据的传输

上行天地链路采用CCSDS建议的遥控数据链路协议，其中主要数据结构包括遥控包、遥控传送帧(遥控帧)、通信链路传输单元(CLTU)，三者之间的关系和数据格式如图5所示，遥控包的数据格式符合CCSDS空间包协议中遥控包的规定。图6和图7分别为遥控传送帧和遥控包的数据格式。

上行数据设计了2次分发的方式：第1次为链路层分发，确定该遥控帧的目的子网；第2次为网络层分发，确定遥控帧中遥控包在子网内的目的终端。通过2次分发，最大程度地保证了子网内数据通信的独立性，子网间互不影响，地面注入的数据可传送至指定的终端。

由于多个舱段具有组合/独立2种状态，因此为3个舱段分配了不同的航天器标识(SCID)，即通过遥控帧主导头中的航天器标识域可识别该遥控帧传送给哪个舱段。另外，航天器上连接在1553B子网中的终端分配专用的应用过程识别(APID)，遥控包主导头中的应用过程识别域体现了该遥控包的目的终端。地面可通过任意一个舱段的测控通道注入该遥控帧，航天器上收到后，根据航天器标识进行第1次分发。如果是本舱段的数据，则进一步解析出内部的遥控包，再次分发至本子网中的目的终端。如果是其他舱段的数据，则通过相应的网关A或B路由至目的子网，在该子网内进行第2次分发，将解析出的遥控包发送至目的终端。

与单级子网设计思想相比，多子网间2次分发的上行数据传输机制，特别适用于有舱段分离工作模式的航天器，能保证各舱段的独立性，可统一设计组合/独立状态下的数据分发，简化了工作模式变化所带来的传输协议变化，便于实现多子网扩充，满足复杂网络设计需求。

图5 上行链路数据结构Fig.5 Uplink data structure

注：m=1,2,…。图6 遥控传送帧Fig.6 Telecontrol transfer frame

注：n=1,2,…。图7 遥控包Fig.7 Telecontrol packet

3.2.2 下行数据的传输

下行链路采用高级在轨系统链路协议，主要数据结构为信道访问数据单元(CADU)、虚拟信道数据单元(VCDU)、多路协议数据单元(M-PDU)、遥测包等。其中：VCDU的长度在一个特定的航天器任务中是确定的，M-PDU的长度与VCDU数据域长度相同，遥测包符合CCSDS空间包协议中遥测源包的规定。图8为CADU和VCDU的数据结构，图9和图10分别为VCDU主导头和M-PDU的数据结构。

图8 信道访问数据单元和虚拟信道数据单元Fig.8 CADU and VCDU

图9 虚拟信道数据单元主导头Fig.9 Primary header of VCDU

图10 多路协议数据单元Fig.10 M-PDU

下行数据在3个舱段的测控通道下传，首先需要实现的是航天器内跨子网传输，在多个子网中实现数据的共享。因此，航天器内数据传输的主要目的是解决子网间数据共享的问题。因为3个舱段的测控信道都需要对遥测包进行调度下传，所以子网间的数据共享以遥测包为单位，各终端将自身数据组成规定的遥测包，并汇集到所在子网的总线控制器。总线控制器通过网关将遥测包发送至相邻子网，并接收相邻子网送来的其他子网遥测包。由此，任意一个子网的总线控制器都可以获得3个子网的遥测包，其中包括需要下行传输和航天器上自主管理等功能需要的数据信息。

子网间遥测包分为常规遥测包和突发遥测包。常规遥测包设计传输周期为1 s，在各个子网间进行传输。根据可利用带宽资源情况，以及地面遥测监视的需求，分别在3个测控通道下传时对所有遥测源包进行多路复用，形成各自的M-PDU，置入VCDU中，完成下传。突发遥测包由数据源端发起传输请求，将数据传输到所在子网的总线控制器。总线控制器将突发遥测包通过本舱段测控信道下传，并按照包路由规则将突发遥测包传输至相邻子网的总线控制器，通过相邻子网的测控信道再次下传。综上所述，遥测包实现整个航天器的网络共享，并具备多个通道下传的备份能力，且各通道可以独立进行调度控制。当不需要多次备份时，可单独停止遥测包在某个通道的下传，避免信道资源的浪费，而且在单个通道故障情况下也不会影响地面测控。

4 结束语

在航天器研制任务中，数据系统不断趋向复杂化，数据网络设计向多级化发展，将整个网络划分为不同子网，再进一步组合为整个航天器的网络，使多子网数据通信需求越发迫切。本文提出了多子网数据系统设计，可实现子网内部结构对外屏蔽，既能保证子网的独立性，又能将多个子网紧密连接为一体。此外，还重点解决了突发数据的传输问题，使跨子网的突发数据传输简便易行。该设计能够满足多子网组合及分离的工作状态，可方便地进行扩展，降低网络管理的难度，适合应用于复杂网络航天器。目前，此设计方法已在1553B总线上实现，后续可对1553B总线协议的标准化进行深入研究，以进一步推广其应用。

References)

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Commission of Science,Technology and Industry for National Defence.GJB 289A-97 Digital time division command/response multiplex data bus[S].Beijing：Commission of Science,Technology and Industry for National Defence,1997 (in Chinese)

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Zhou Lin.Space station information system project [J].Journal of Telemetry,Tracking,and Command,2005,26(2):50-56 (in Chinese)

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Shao Jinjian，Shao Zongliang.Design of bus topology and communication protocols on 1553B [J].Comuputer Engineering，2011，37(10)：269-270 (in Chinese)

[4]CCSDS.CCSDS 732.0-B-2 AOS space data link protocol [S].Washington D.C.：CCSDS,2006

[5]CCSDS.CCSDS 232.0-B-1 TC space data link protocol [S].Washington D.C.：CCSDS,2003

[6]CCSDS.CCSDS 133.0-B-1 Space packet protocol,recommendation for space data system standards [S].Washington D.C.： CCSDS,2003

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(编辑：夏光)

Design of On-board Multi-subnet Data Network of Spacecraft

MU Qiang PEI Nan GUO Jian CHENG Huixia

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Based on 1553B serial data bus,two link modes of multi-subnets which are peer-to-peer subnet and superior/subordinate subnet are concluded.And a design of multi-subnet is discussed combining with the network link relationship and data transmission mechanism.It can realize the independence of a subnet,and connect multi-subnets together.The problem of transmission of burst data is solved,so the design can be used in a spacecraft including a complex multi-subnet data network.An example of data system design for an actual spacecraft is described which includes a peer-to-peer subnet and a superior/subordinate subnet,and the result shows that this design is feasible.The design proposed has been applied to the spacecraft and can simplify the protocol design of the multi-subnet spacecraft.

spacecraft on-board multi-subnet data network；network mode；transmission mechanism

2015-02-12；

2015-11-10

国家重大科技专项工程

穆强，男，硕士，高级工程师，从事航天器数据管理系统设计工作。Email：muqiang3001@163.com。

V446.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.007