神舟飛船交會對接信息流可靠性設計

蘭天 高建軍 王菁

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

空間交會對接是航天器在太空中同一軌道上逐漸接近，并最終建立組合體的過程。從20世紀60年代美蘇兩國分別實現交會對接至今，世界上已進行了數百次航天器交會對接[1-3]。實現交會對接是我國載人航天工程第二階段發展戰略的重要一步，即在發射目標飛行器后發射神舟飛船，由兩者共同進行我國首次空間交會對接試驗[4]。

航天器中的信息流是由不同系統、分系統間交互傳輸的指令、數據等信息共同組成的。傳統的數管分系統通常采用“透明轉發”的方式處理信息流，不對其內容進行處理、校驗。在交會對接過程中，神舟飛船內部及飛船與目標飛行器間需通過信息流交互實現協同。若按傳統方式處理交會對接信息流，當傳輸數據內容不正確時，會引起誤操作，進而導致交會對接的失敗。因此，數管分系統需針對我國交會對接試驗的特殊需求進行專門的方案設計，以確保交會對接信息流的可靠傳輸。

在我國交會對接試驗中，由制導導航與控制（GNC）、對接機構、測控和數管等4個分系統共同實現。針對交會對接試驗中協同控制的需要，本文提出了一種交會對接信息流可靠性設計方案，將信息流處理分為信息采集、信息鑒別和信息轉發3步，并根據飛船內部信息流及飛船與目標飛行器間信息流各自的特點，分別從軟、硬件角度，通過硬件冗余、信息鑒別、智能轉發等設計，達到了信息流可靠傳輸的目的。

2 交會對接信息流分析

在交會對接中，協同控制的目的是2個航天器間的對接機構實現物理連接并鎖緊。在飛船內部，交會對接過程中需要進行協同的分系統主要有GNC、對接機構、數管和測控等，各分系統間的協同通過信息流交互實現，如圖1所示。

圖1 交會對接協同控制Fig.1 Cooperation control in rendezvous and docking

為實現對接機構的接近、接觸、鎖緊，需通過GNC分系統控制航天器的軌道、姿態、速度。在神舟飛船中，GNC進行控制的依據是由數管分系統負責傳輸的交會對接信息流。如圖1所示，在交會對接過程中，飛船數管從飛船對接機構、飛船GNC 采集交會對接狀態數據，在數管內部對采集到的信息進行鑒別、處理。當判定數據有效時，數管分系統將交會對接信息轉發給GNC，并通過指令控制GNC分系統相關設備的工作模式。同時，飛船數管通過飛船測控將交會對接信息經無線信道轉發給目標飛行器，交會對接信息經目標飛行器測控、目標飛行器數管的處理后，最終到達目標飛行器GNC分系統。飛船GNC與目標飛行器GNC 依據收到的交會對接信息，分別調整飛船與目標飛行器的軌道、姿態、速度，以使飛船對接機構、目標飛行器對接機構實現接近、接觸、鎖緊。

在上述過程中，數管主要通過1553B 總線實現與其他分系統間的信息交互[5-7]。與各終端連接的1553B總線均包括A、B兩條總線，默認使用A總線通信；2條總線互為備份，若其中一條總線發生故障，則自主切為另一條總線工作。中央終端單元（CTU）作為1553B總線的控制端，負責控制1553B總線上的所有通信。數管遠置終端單元（RTU）分布于神舟飛船的不同艙段，RTU可將通過硬口采集遙測數據在1553B總線上傳回CTU。

3 交會對接信息流可靠性設計

數管分系統在進行信息傳輸時需遵循2條原則：不錯傳和不漏傳。在交會對接信息流設計中，數管分系統需解決的主要問題有：①如何控制信息采集的開始/停止；②如何判斷信息采集通道的有效性，當信息采集通道無效時，如何切換信息采集通道；③如何鑒別信息的有效性，并采取相應動作；④如何節約飛船與目標飛行器間有限的無線信道資源。

為解決上述問題，數管分系統將交會對接信息流的處理劃分為3個環節：信息采集、信息鑒別及信息轉發，并從飛船內部信息流及飛船與目標飛行器間信息流2個角度分別設計信息流傳輸方案。

在信息采集環節，需保證采集通道的有效性。為此，一方面需對采集通道進行冗余設計，在某條通道出現故障時可切換到其他通道；另一方面需對采集通道進行定期巡檢，以確定各條通道的工作狀態，選擇有效的采集通道。

在信息鑒別環節，需驗證采集回來信息的有效性，并根據信息是否有效，決定下一步的處理方式。通常，可通過數據校驗和對信息的有效性進行驗證。當信息有效時，繼續進行信息轉發；當信息無效時，應不予轉發，并通過自動或手動方式切換采集通道。

在信息轉發環節，需根據信道選擇轉發方式，在確保正確轉發的同時，也要考慮到信道資源的合理利用。按傳輸信道不同，交會對接信息流可分為兩類：一類是飛船內部分系統間的信息流，另一類是飛船與目標飛行器間的信息流。飛船內部分系統間的信息流通過1553B總線傳輸，在總線流量允許條件下，應通過多重轉發方式提高傳輸可靠性。飛船與目標飛行器間的信息流通過無線信道傳輸，考慮到無線信道容量有限，為減少對信道流量的浪費，應在轉發信息前對信息內容進行判斷，避免轉發無用信息。

3.1 飛船內部信息流可靠性設計

在交會對接過程中，GNC分系統負責控制飛船的軌道、姿態和速度，由對接機構分系統實現飛船與目標飛行器的物理連接。對接機構分系統與GNC分系統間需相互協作，共同完成與目標飛行器的交會對接。在神舟飛船中，GNC與對接機構間的通信通過數管分系統實現，如圖2所示。

圖2 神舟飛船內部交會對接信息流Fig.2 Rendezvous and docking information stream in Shenzhou spaceship

飛船內部信息流處理也分為信息采集、信息鑒別和信息轉發3個環節。數管RTU 通過硬通道采集對接機構分系統交會對接狀態后，通過1553B 總線將信息發給數管CTU。在CTU 內部對信息進行處理后，轉發給GNC分系統。

在信息采集環節，數管分系統需解決3個問題：①對信息采集開始/停止的控制；②對信息采集通道有效性的判斷；③在某條信息采集通道發生故障時，對信息采集通道進行切換的方式。

在該方案中，數管分系統使用程控指令實現對信息采集開始/停止的控制。從圖2中可見，交會對接信息從對接機構分系統到數管分系統需經歷2步：首先，由多個數管RTU 通過遙測采集通道從對接機構控制器采集交會對接信息；然后，數管CTU從選定RTU 處獲取數據。1553B 總線的操作都由數管CTU 發起，數管分系統通過程控指令控制CTU 內部狀態，進而控制信息采集的開始/停止。當數管CTU 在收到“開始轉發交會對接用信息”指令后，開始周期性通過RTU 從對接機構控制器采集數據；在收到“停止轉發交會對接用信息”指令后，停止采集。控制指令可以預先植入飛船的飛行程序，也可通過遙控實時上注。圖中虛線表示RTU之間互為冗余關系，CTU 根據信息有效性判斷準則，決定從其中某一個RTU 采集數據為有效數據。

該方案通過總線巡檢實現對RTU到CTU 通道有效性的判斷。數管CTU 周期性查詢RTU 的總線終端狀態，若某RTU 的總線終端狀態顯示與該RTU“A、B 總線皆不能正常通信”，則認為該采集通道無效；否則，認為該采集通道有效。

如圖3所示，該方案根據信息鑒別環節對交會對接信息的校驗結果，判斷對接機構到RTU 通道的有效性。交會對接信息的校驗準則由數管與對接機構協商決定，包括以下3項：

（1）從對接機構采集的交會對接信息的校驗和計算結果正確；

（2）RTU 設備工作正常，采集數據有效并且不全部等于CTU 默認填充值；如果CTU 與RTU 間1553B總線通信異常，CTU 會將從RTU 采集到的數據用默認填充值替代；

（3）從對接機構采集數據的指定字節不是無效值：通過該指定字節中表示對接機構控制器的工作狀態，由對接機構分系統與數管分系統約定什么是該字節數據的無效值。只要對接機構分系統工作正常時，該字節不可能是無效值。

圖3 神舟飛船內部交會對接信息鑒別流程Fig.3 Rendezvous and docking information identifying flowin Shenzhou spaceship

當滿足以上所有條件時，認為交會對接信息有效；否則，認為信息無效。當發現有無效信息時，則懷疑此條采集通道上從對接機構到RTU 通道工作不正常，考慮切換采集通道。數管分系統設置了“自動切換”和“手動切換”兩種采集通道切換模式。在“自動切換”模式下，由數管CTU 自主切換采集通道，若切換后采集到的數據仍然無效，則繼續切換；在“手動切換”模式下，通過遙控注入選擇采集通道。

在信息鑒別環節判定當次采集數據有效后，進入信息轉發環節。從圖2中可見，在進行數據轉發時，數管CTU 不再檢查與GNC分系統各控制器間的通信狀態，直接將校驗正確的數據發向所有GNC控制器。

由本節可見，該方案通過硬件設計上的采集通道冗余、1553B總線冗余及軟件設計上的采集通道切換、數據有效性校驗等策略，為飛船內部交會對接信息流可靠性傳輸提供了保障。

3.2 飛船與目標飛行器間信息流可靠性設計

GNC分系統針對交會對接任務設計了一系列測量敏感器，如CCD、交會雷達、GPS等。在交會對接的不同階段，各GNC 敏感器的測量精度和測量范圍各不相同。而且由于遮擋、設備特點和測量原理等原因，決定了這些敏感器存在測量視場受限等問題。為在合適的時間以合適的方式使用合適的敏感器，需在飛船GNC與目標飛行器GNC 間建立協同控制[8]。

如圖4所示，飛船與目標飛行器間的交會對接信息流由飛船GNC分系統產生，通過數管、測控等分系統轉發給目標飛行器GNC分系統，目標飛行器GNC根據收到的信息進行相應操作。同時，飛船GNC需在交會對接過程中切換GNC 測量敏感器的工作狀態。

圖4 飛船與目標飛行器間交會對接信息流Fig.4 Rendezvous and docking information stream between spaceship and target spacecraft

在該方案中，對飛船與目標飛行器間交會對接信息流的處理同樣被分為信息采集、信息鑒別和信息轉發3個環節。在信息鑒別環節，通過程控指令實現了GNC測量敏感器的工作模式切換。

在信息采集環節，該方案以程控指令控制信息流傳輸的開始/停止，控制指令可以是飛船飛行程序中預先植入的指令，也可以是通過遙控注入的指令。

該方案通過總線巡檢判斷信息采集通道的有效性。若某GNC 控制器的總線終端狀態顯示與該GNC控制器“A、B 總線皆不能正常通信”，則認為該采集通道無效；否則，認為該采集通道有效。飛船GNC分系統由多個主、備份控制器，數管分系統在完成采集通道有效性判斷后，從中選擇一個通道進行采集；采集通道選擇準則由數管分系統、GNC分系統協商決定，包括以下3項：

（1）與任意數量GNC主份控制器通信正常，從其中優先級最高者處進行采集；

（2）與所有GNC主份控制器通信均不正常，且與任意數量GNC 備份控制器正常通信時，從GNC備份控制器中優先級最高者處進行采集；

（3）與所有GNC 主、備控制器通信均不正常，從GNC主份控制器中優先級最高者處進行采集。

在信息鑒別環節，數管分系統需做三方面工作：一是對采集到的信息進行校驗；二是根據交會對接信息判發程控指令，控制GNC測量敏感器切換工作模式；三是節約無線信道資源，避免發送無用信息。

飛船與目標飛行器間交會對接信息鑒別流程如圖5所示。在交會對接過程中，周期性進行對交會對接信息的鑒別，并根據鑒別結果進行相應操作。在鑒別過程中，首先判斷GNC 控制器的工作狀態，隨后從有效的GNC 控制器采集交會對接信息。該方案通過校驗和對采集信息的有效性進行判斷；當校驗和有效性判斷不正確時，本次采集的內容無效，不做進一步處理；當校驗和有效性判斷正確時，為避免無線信道資源浪費，飛船數管進一步判斷本次采集的交會對接信息與上一次發送的交會對接信息是否重復；若數據重復，為節約無線信道資源，不向測控分系統轉發；若不重復，則按約定次數向目標飛行器連續轉發交會對接信息，在到達約定次數之前，不因采集信息無效而停止轉發。當本次采集是第一次有效采集時，直接按約定次數向目標飛行器連續轉發交會對接信息。

在完成交會對接信息有效性、重復性的判決后，數管分系統需根據變化后信息的穩定性判發是否發送相應程控指令，控制GNC 測量敏感器切換工作模式。信息穩定性的判斷標準由數管、GNC 協商決定：當交會對接信息指定字節變化，且發生變化后連續數次采集信息有效，數管發送相應程控指令；否則，數管不發送程控指令。

在完成一次交會對接信息鑒別并進行相應操作后，該進程掛起，等待下一周期的執行。

由本節可見，該方案通過硬件設計上的1553B總線冗余及軟件設計上的采集通道選擇、數據有效性校驗、根據數據重復性的選擇性轉發、根據數據變化后穩定性判發條件令等策略，實現了飛船與目標飛行器間的交會對接信息流的可靠傳輸及飛船GNC測量敏感器工作模式切換，為飛船與目標飛行器的交會對接提供了保障。

圖5 飛船與目標飛行器間交會對接信息鑒別流程Fig.5 Rendezvous and docking information identifying flow between Spaceship and Target Spacecraft

4 結束語

我國首次空間交會對接試驗的圓滿成功，在飛船內部、飛船與目標飛行器間實現交會對接信息流的可靠傳輸至關重要。本文在分析交會對接信息流傳輸需求的基礎上，在信息流傳輸過程中綜合使用硬件冗余、軟件鑒別等手段，實現了交會對接信息流的可靠傳輸。該方案具有高實時性、高可靠性的特點，已在神舟飛船上得到應用，并可用于未來航天器間的交會對接。

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