國際空間站信息系統(tǒng)架構(gòu)綜述

陳志國 張 強

（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用總體部）

1 引言

正在建設(shè)和使用中的國際空間站（International Space Station，ISS）集成了16個國家的空間技術(shù)力量，主要由俄羅斯的“曙光”號多功能貨艙、“星辰”號服務(wù)艙、美國的“團結(jié)”號節(jié)點艙、“命運”號實驗艙和加拿大“機械臂”、日本“希望”號實驗艙、歐洲航天局“哥倫布”艙等組成。

整個國際空間站的管理主要由美國實驗艙負(fù)責(zé)，姿態(tài)軌道控制以及能源供給由美國實驗艙和俄羅斯服務(wù)艙共同負(fù)責(zé)，因此各艙間要進行頻繁的通信。信息系統(tǒng)不但傳送各種命令信息，還要傳輸各種實驗數(shù)據(jù)，因此要具備良好的可靠性、實時性和傳輸性，它是國際空間站上既關(guān)鍵又復(fù)雜的一個系統(tǒng)。

2 國際空間站信息系統(tǒng)概況

下面以俄羅斯服務(wù)艙、美國實驗艙、歐洲航天局“哥倫布”艙為例，介紹國際空間站信息系統(tǒng)的概況[1]。

2.1 俄羅斯服務(wù)艙

俄羅斯服務(wù)艙內(nèi)部信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1示。該系統(tǒng)主要由控制計算機、控制臺計算機、終端計算機和一個兩層總線網(wǎng)絡(luò)組成。控制計算機是數(shù)據(jù)管理主機，負(fù)責(zé)組合體控制和系統(tǒng)管理。控制臺計算機是航天員的操作臺，而終端計算機則是制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）主機，負(fù)責(zé)組合體的軌道、姿態(tài)控制。三者都進行了冗余設(shè)計，利用拜占庭（Byzantine）故障算法，用四臺相同的計算機（含硬件和軟件）同步操作、執(zhí)行相同的用戶任務(wù)軟件，將運算結(jié)果進行邏輯表決，作為這臺計算機的最后輸出，從而保證了程序輸出的正確性。

第一層網(wǎng)絡(luò)以六條1553B總線為核心，負(fù)責(zé)空間站的整體管理；所有主機設(shè)備都掛在該網(wǎng)絡(luò)上。六條總線分成三組（兩個一組），各組總線分工明確。第二層網(wǎng)絡(luò)為各分系統(tǒng)內(nèi)部的總線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)完成本分系統(tǒng)的任務(wù)，根據(jù)任務(wù)需要可以采用各種總線結(jié)構(gòu)，既可以選擇1553B總線，也可以選用串行通信線（如RS-422、RS-485）,或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線（如 SM系統(tǒng)管理總線、CAN總線）。

在第一層網(wǎng)絡(luò)中，第一組（總線5、6）為遙測總線，負(fù)責(zé)采集組合體環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、壓力和氣體質(zhì)量、電源和供配電、乘員和環(huán)控生保分系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)以及各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在遙測總線上掛接其他分系統(tǒng)主機，在控制計算機的第二層網(wǎng)絡(luò)中連接若干遠(yuǎn)置單元，組成一個分布式遙測遙控系統(tǒng)。

第二組（總線3、4）為系統(tǒng)指令總線，負(fù)責(zé)發(fā)送系統(tǒng)命令，包括整個空間實驗室控制中心根據(jù)飛行任務(wù)需要發(fā)出的各種指令，轉(zhuǎn)達(dá)地面指控中心的命令，例如：交會對接、出艙活動、故障的屏蔽和切換等指令。各分系統(tǒng)主機都掛在該總線上。

第三組（總線1、2）為GNC推進器專用總線，負(fù)責(zé)空間站軌道、姿態(tài)控制。控制計算機和終端計算機連在該總線上。由終端計算機控制的第二層網(wǎng)絡(luò)采用SM總線，是I2C、I2R工業(yè)總線的一種，稱為系統(tǒng)管理總線（簡稱SM總線）。GPS可連接若干測量單元（MU）和太陽敏感器、GPS等設(shè)備。由于俄羅斯服務(wù)艙是空間站初期的組裝中心，因此該艙具有軌道、姿態(tài)機動功能。

每一組中的兩條總線互為備份，其中一條（含總線A、B）工作時，另一條（含總線A、B）處于備援狀態(tài)。

控制計算機負(fù)責(zé)管理整個空間站的工作，控制應(yīng)用任務(wù)運行，監(jiān)控總線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上某一設(shè)備故障時，控制計算機發(fā)出屏蔽故障設(shè)備的指令；同理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一條總線故障時，就將傳輸工作切換到備援總線上。

圖1 俄羅斯服務(wù)艙內(nèi)部信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 美國實驗艙

圖2 為美國實驗艙的信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)具有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一層是核心光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)（FDDI），用于整個空間站的控制，稱為核心網(wǎng)絡(luò)。通過該網(wǎng)絡(luò)將多個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理器、多功能乘員工作站、海量存儲單元以及與國際設(shè)備艙的接口互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都通過一個環(huán)形集線器相連。

信息系統(tǒng)設(shè)計了兩個獨立的光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)，一個為空間站核心系統(tǒng)服務(wù)，另一個專用于有效載荷，兩個光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)都采用了冗余結(jié)構(gòu)。這兩個網(wǎng)絡(luò)通過一個網(wǎng)橋互連，在正常情況下，網(wǎng)橋?qū)⒖臻g站的內(nèi)務(wù)處理工作和有效載荷操作隔離開，但又允許必要的信息交互。核心光纖網(wǎng)絡(luò)通過路由器與其他艙段進行信息交流。

第二層是一組1553B總線網(wǎng)絡(luò)，稱為本地網(wǎng)絡(luò)，是各分系統(tǒng)的內(nèi)部主網(wǎng)，負(fù)責(zé)傳送、處理本地的系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理器作為分系統(tǒng)的主機提供了FDDI和第二層1553B總線間的接口功能，連接標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理器的這條1553B總線稱為第二層總線網(wǎng)絡(luò)。

第三層是一組1553B總線，也可以采用其他工業(yè)總線（例如SM、CAN總線），稱為應(yīng)用總線，用于本地數(shù)據(jù)采集和控制，各分系統(tǒng)根據(jù)需要進行設(shè)計。例如GNC主機與其下屬的許多軌道機動單元（ORU）之間，遙測分系統(tǒng)與和其下屬遙測采編單元、多路選擇器和多路分配器之間，可以設(shè)置第三層網(wǎng)絡(luò)。

圖2 美國實驗艙信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 歐洲航天局“哥倫布”艙

“哥倫布”艙內(nèi)部信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[2]。該系統(tǒng)硬件由兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)IEEE P1196和通用處理資源組成分布式結(jié)構(gòu)。其中一個網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)核心平臺系統(tǒng)，另一個網(wǎng)絡(luò)專門負(fù)責(zé)有效載荷系統(tǒng)，兩個局域網(wǎng)均基于IEEE802.4令牌協(xié)議總線,獨立工作在不同的域中，通過一個網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)互連,網(wǎng)橋允許有限的、必要的數(shù)據(jù)傳送。通用處理資源主要包括多個標(biāo)準(zhǔn)處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集和分配設(shè)備、通用海量存儲器等設(shè)備。

路由器用于與空間站核心網(wǎng)絡(luò)（位于美國實驗艙）保持通信。兩個網(wǎng)絡(luò)、遙測和時間分配單元（Telemetry and Time distribution Unit，TTU）都提供訪問地面、空間站的接口。

3 系統(tǒng)特點和趨勢分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)分層管理

美國實驗艙、“哥倫布”艙均設(shè)計了兩個相互獨立的網(wǎng)絡(luò)，一個為核心平臺系統(tǒng)服務(wù)，另一個為有效載荷系統(tǒng)服務(wù)。這兩個網(wǎng)絡(luò)通過一個網(wǎng)橋互連，可以進行必要的數(shù)據(jù)通信。平臺網(wǎng)絡(luò)與有效載荷網(wǎng)絡(luò)相互獨立，是為了避免因?qū)嶒炘O(shè)備的更換而影響到平臺的正常工作。

網(wǎng)絡(luò)的分層管理可以與空間站任務(wù)分層相適應(yīng)。核心網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)整個空間站的運行管理層；本地網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)各分系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互。由于各層的分工明確，層與層之間關(guān)系為數(shù)據(jù)交換，只要將信息接口規(guī)定明確，各層之間就不會互相影響，因此各層網(wǎng)絡(luò)可以相對獨立地運行。表1為三個艙段網(wǎng)絡(luò)特點匯總。

圖3 哥倫布艙信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 國際空間站三艙網(wǎng)絡(luò)特點匯總表

3.2 基于CCSDS的天地一體化網(wǎng)絡(luò)

國際空間站在數(shù)據(jù)體制上采用了高級在軌業(yè)務(wù)（AOS）標(biāo)準(zhǔn)，使用了四種業(yè)務(wù)，即路徑業(yè)務(wù)、位流業(yè)務(wù)、包裝業(yè)務(wù)和合路業(yè)務(wù)。遙測數(shù)據(jù)、高速有效載荷數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)采用路徑業(yè)務(wù)傳送；話音數(shù)據(jù)、部分高速有效載荷數(shù)據(jù)的傳送采用位流業(yè)務(wù)[3]。

由于國際空間站對通信業(yè)務(wù)提出了新的需求，CCSDS對常規(guī)系統(tǒng)的協(xié)議進行了延伸，提供了靈活性更強、更多樣化的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，即高級在軌業(yè)務(wù)（AOS）[4]。AOS包含8種服務(wù)，如路徑業(yè)務(wù)、包裝業(yè)務(wù)、多路復(fù)用業(yè)務(wù)、位流業(yè)務(wù)、虛擬信道訪問業(yè)務(wù)、虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)、插入業(yè)務(wù)等。利用AOS標(biāo)準(zhǔn)，可以把多種信源（應(yīng)用過程）產(chǎn)生的不同速率、不同容量、不同字長、不同傳輸精度、不同許可延時的數(shù)據(jù)合并成一條統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流來傳送。這種傳送方式可以大大提高天地通信的效率[5]。

為了適應(yīng)航天員長期在軌生活作業(yè)的特殊性要求，空間站網(wǎng)絡(luò)與地面因特網(wǎng)通過空間鏈路構(gòu)建一體化的航天互聯(lián)網(wǎng)[6]。在新的空天數(shù)據(jù)傳輸體系中，實現(xiàn)了核心平臺測控數(shù)據(jù)流與有效載荷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的合并統(tǒng)一；實現(xiàn)了為航天員提供收發(fā)傳遞電子郵件、文件傳輸、遠(yuǎn)程終端訪問、高速視頻流等服務(wù)；天地間信息傳輸模式由封閉的點對點模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放的網(wǎng)絡(luò)模式，實現(xiàn)了航天員與公眾在線交互能力的提高，公眾對航天事業(yè)的關(guān)注度和參與度的提高。

3.3 模塊化設(shè)計

歐洲航天局“哥倫布”艙發(fā)射時間較晚，因此采用了更多的先進技術(shù)。為達(dá)到至少30年在軌服務(wù)的設(shè)計要求，對于信息系統(tǒng)來說，可維修性和可替換性至關(guān)重要，即信息系統(tǒng)應(yīng)支持在役載荷的維修和升級換代，并支持科學(xué)實驗項目的更換。

硬件層面上，“哥倫布”艙的最顯著特點是有效載荷管理按照項目劃分，采用國際標(biāo)準(zhǔn)機柜，形成可互換有效載荷的機柜方案，實現(xiàn)了硬件的模塊化。根據(jù)尺寸劃分，每個機柜可以安裝3個小型有效載荷，而大型有效載荷則需要2個機柜組合使用。信息系統(tǒng)可向安裝在機柜中的有效載荷提供不同類型的數(shù)據(jù)服務(wù)。每個機柜上都裝配一個網(wǎng)絡(luò)連接器、一條串行通信線以及來自一個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集單元的輸入輸出端口，每個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集單元可以采集一個或幾個有效載荷項目。

軟件層面上，“哥倫布”艙信息系統(tǒng)的系統(tǒng)管理、分系統(tǒng)管理、有效載荷管理等均設(shè)計成高度可替換的模塊，允許更換和升級。為了處理故障設(shè)備，信息系統(tǒng)提供故障診斷、隔離和恢復(fù)服務(wù)。“模塊化”軟件進一步加強了軟件的可替換性，規(guī)定了各軟件模塊的適用范圍與相互關(guān)系，允許增加、移除軟件模塊，而不影響其他軟件模塊工作。

3.4 COTS技術(shù)和開放式系統(tǒng)

COTS（Commercial On The Shelf）是商用貨架產(chǎn)品，包括COTS標(biāo)準(zhǔn)、COTS產(chǎn)品以及在軍用產(chǎn)品上的應(yīng)用。開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不僅可使用被認(rèn)可的工業(yè)組織開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，也可以使用事實標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)和已有的軍事標(biāo)準(zhǔn)。開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Open System Architecture,OSA）是采用開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7][8]。

國際空間站上采用了大量的開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和COTS技術(shù)，比如VME底板總線、FDDI網(wǎng)絡(luò)、CAN工業(yè)總線和商用VxWorks操作系統(tǒng)等。最典型的應(yīng)用還是ESA為國際空間站研制的標(biāo)準(zhǔn)化有效載荷計算機（SPLC）[9][10]。ESA為SPLC設(shè)計了一種可由有效載荷開發(fā)者擴充的開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，提供了標(biāo)準(zhǔn)COTS采購清單，可由有效載荷開發(fā)者訂購。SPLC盡可能回避特殊設(shè)計，在任何可能之處都采用公開的標(biāo)準(zhǔn)和COTS產(chǎn)品，比如采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的VME背板總線，商用的VxWorks內(nèi)核等。由于只需付出一次開發(fā)鑒定費用即可為所有有效載荷都提供一臺計算機，再加上多次采購、十年壽命期內(nèi)硬件的更換、軟件的維護等，大大降低了有效載荷開發(fā)的成本[11]。

COTS技術(shù)與開放式系統(tǒng)技術(shù)并非同義詞，但COTS技術(shù)在很大程度上為開放式系統(tǒng)技術(shù)的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。COTS技術(shù)用于開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著明顯的好處：有成熟的標(biāo)準(zhǔn)；在產(chǎn)品開發(fā)早期易于得到所需的產(chǎn)品，以進行快速原型設(shè)計，驗證原理和確認(rèn)需求；可得到所需的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境，且僅需有限的專門培訓(xùn)；工具和測試設(shè)備既可用于生產(chǎn)，也可供用戶使用；批量生產(chǎn)的COTS產(chǎn)品降低了系統(tǒng)的成本。

4 結(jié)束語

國際空間站的建造大大促進了參與國的航天技術(shù)水平和空間實驗水平的提高。國際空間站的信息系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的CCSDS-AOS數(shù)據(jù)體制，向天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)分層管理，且平臺網(wǎng)絡(luò)與有效載荷網(wǎng)絡(luò)相互獨立；采用了模塊化設(shè)計，嘗試了COTS技術(shù)。

［1］周林.國際空間站信息系統(tǒng)方案.遙測遙控，2005.3：50-56

［2］Palous J.Columbus data management system.AIAA/NASA Second International Symposium on Space Information Systems，1990

［3］譚維熾.空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)[M].中國科學(xué)技術(shù)出版社，北京.2004.2

［4］陳洪，李勇文.基于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的載人航天通信.測控與通信，2003.3：57-59

［5］CCSDS 701.0-B-1.Recommendation for space data system standards.Advanced Orbiting Systems.CCSDS Recommendation，Blue Book.1989

［6］沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想.中國工程科學(xué)，2006.10:19-30

［7］謝文濤.開放式航空電子系統(tǒng)和COTS技術(shù).航空電子技術(shù)，2000.3:18-25

［8］沈遠(yuǎn)海，徐世均.美國COTS技術(shù)的發(fā)展和對策分析.2002.2:47-5015101038996

［9］Lamport.The Byzantine General’s Problem.1982.7:382-401

［10］周林.國際空間站上使用的兩種計算機.遙測遙控，2004.7:36-40

［11］C.Taylor等，郭樹玲譯.用于國際空間站有效載荷的標(biāo)準(zhǔn)化計算機.控制工程，1998.4:33-39