衛星內無線射頻總線設計

孫兆偉，邢雷，徐國棟，范國臣

(1.哈爾濱工業大學衛星技術研究所，黑龍江哈爾濱150080;2.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100000)

20世紀90年代以來，出現了新型現代小衛星，采用新的設計思想，打破傳統大衛星的分系統界線，強調功能集成、系統集成和充分發揮軟件功能，并且廣泛采用現代微電子技術、微機械技術和納米技術等高新技術，促使星載數據總線在不斷的發展和完善，它的速度、使用靈活性和可靠性得到極大提高，提升了小衛星整體性能水平，在現代小衛星中有著舉足輕重的地位.星載數據總線按是否有鏈接電纜可分為有線總線和無線總線2類.目前在小衛星上以電纜傳輸的有線總線應用為主［1-3］.長期以來無線通信主要應用在星地鏈路或星間鏈路上，技術成熟度高，而對星內的無線網絡研究比較少.歐美一些大學和航天機構相繼提出了星內無線通信的思想、評估報告和研制計劃［4-7］，并開展了先期研究工作，重點研究光通信和射頻通信2種方式.西班牙航空航天技術研究所建立并完成了星內光鏈路通信實驗［4-5］，由于光通信技術設備相對復雜，且通信鏈路容易與儀器設備和結構板發生干涉，短時內難以在星上廣泛應用.與光通信技術比，射頻通信技術相對成熟，且設備簡單，研究星內無線組網通信技術多采用射頻通信方案，具有代表性的有英國的Surrey大學和荷蘭的Delft大學［8-9］，其中Delft大學在Delfi-C3衛星上完成了自主式無線太陽敏感器(autonomous wireless sun sensor，AWWS)的演示驗證，同時還進行了商用藍牙和ZigBee技術作為星內無線網絡通信協議的研究［10-12］.

本文在國內外衛星研究成果基礎上，針對衛星無線網絡系統的特殊性和航天領域高可靠性和實時性的需求，采用在哈爾濱工業大學研制的試驗三號衛星上具有飛行經歷的商用現貨器件(commercial off-the-shelf，COTS)nF2401無線射頻芯片為基礎建立衛星內無線總線數據通信系統，并設計了一種適應衛星內無線總線系統的通信協議(satellite wireless area network，SWAN)，該系統支持設備即插即用、實時性好、可靠性高，并具有相應的容錯和故障處理能力，能夠實現衛星的快速測試、快速集成和裝配，適合快速響應空間的技術要求.

1 無線衛星設計思想

傳統衛星電子系統的設計與實現中，通常采用基于有線的星形結構或總線結構將星載計算機與敏感器、執行機構、平臺及有效載荷各個下位機采用一定的接口連接，電纜數量眾多.設計時既要考慮到電纜線的可靠性、安全性進行相應的單點雙線、雙點雙線等冗余設計，還要考慮電纜線路鋪設的合理性，將不同種類的電纜進行分別綁扎和固定，避免線纜間的干擾，同時需留有一定的安全距離和操作空間.有線數據接口電路設計相對復雜，要考慮匹配性和安全性等.據統計［1］連接星內各分系統的接口硬件和線纜的重量占了衛星整體重量的6%～10%.測試過程中，設備的接入與移除需按嚴格的操作流程進行，增加了測試的復雜性，也引入人為操作失誤的可能.

基于現代小衛星多、快、好、省的設計目標，提出無線衛星的概念，衛星內的分系統、部件或單機之間采用無線通信方式來交換數據信息，除電源電纜線之外，衛星內各系統之間沒有其他電纜連接.無線衛星避免了傳統的有線總線形式的衛星系統各部件故障對總線的干擾，克服了部件故障導致的衛星系統安全性、可靠性隱患.無線衛星平臺較傳統衛星平臺有著很大的技術優勢，提高載荷比，減少發射成本，縮短研發周期;減小設備之間復雜連接關系、數據鏈路物理隔離、簡化測試和總裝流程;設備實現即插即用和系統的快速測試.本文重點進行了星內無線射頻總線系統的研究.

2 衛星內無線總線網絡體系結構

無線衛星平臺設計將衛星獨立的分系統部件或設備作為基本通信節點單元，組成星內的無線總線網絡系統，它們之間相互配合來實現衛星的姿態控制、星務管理等功能，完成衛星任務.節點之間通過無線射頻總線進行信息交互，網絡的體系結構如圖1所示.

圖1 無線射頻總線網絡系統體系結構Fig.1 Architecture of wireless RF bus

從圖1中可以看出，衛星的分系統之間除了有電源線與電源系統連接外，沒有其他有線連接，衛星的單個獨立系統或部件作為無線總線網絡中的一個節點可以根據任務需求與網絡中的任何其他節點進行信息交互.不同于有線總線的連接方式，無線網絡系統中的節點之間在進行信息交互時沒有復雜的物理連接.無線方式能夠更好地支持設備即插即用和分系統的模塊化設計，同時無線自組織網絡等技術能夠使得衛星的分系統部件自由加入和退出整個網絡，這就使得衛星的分系統部件之間的連接更加靈活，能夠大大的簡化衛星的測試和集成裝配的流程.

2.1 網絡節點硬件電路設計

與傳統衛星不同，無線衛星中的各個網絡節點具有更強的自我診斷和處理能力，既減小了對星載計算機的依賴，又減輕了星載計算機的負荷.星內無線總線網絡系統中的每個基本通信節點都具有射頻通信、自診斷和互診斷功能，由中央處理器CPU、存儲器SRAM、電源模塊DC-DC、射頻通信模塊RFIC、看門狗電路WDT構成，其組成如圖2所示.

圖2 基本通信節點組成框圖Fig.2 Composition block diagram of basic communication node

選擇具有使能端控制的電源模塊，看門狗電路的輸出與電源模塊的使能端相連，當網絡節點異常時，WDT輸出信號導致DC-DC的使能有效，使DCDC不輸出，通信節點處于短暫的斷電狀態，當DCDC的使能端處于三態后，DC-DC模塊將重新輸出，實現節點的自斷電再加電功能，進而解除空間粒子造成的非永久性故障.電源輸入端設計有短路保護電路，在節點發生短路故障時將故障節點從系統切除，保證衛星安全.

星內射頻通信功能既可以通過自行設計射頻電路來實現，也可以選用現有的射頻IC來實現，考慮到開發成本和研制周期，本設計選用無線收發一體單片射頻芯片nF2401來實現，該芯片在試驗三號衛星上成功進行了星地通信試驗.1個CPU連接2個nRF2401互為備份，使射頻通信模塊可以在全雙工通信模式和半雙工通信模式之間進行靈活切換.每個nRF2401均可以進行收發，但為半雙工狀態，通過設置nRF2401，可以使其中的一個nRF2401工作在發送狀態，而另一個nRF2401工作在接收狀態，在發送的同時可以進行接收，實現射頻模塊全雙工通信，將接收數據與發送數據進行比較后，即可了解發送出去的數據在信道中是否出現碰撞.如果其中一片RF2401出現故障，另一片NRF2401作為備份器件將替換其工作，此時單片射頻芯片將進行收發交替工作，工作在半雙工狀態.

CPU可以采用通用微處理器、FPGA和SOPC等技術實現，針對不同的設備處理要求可以進行相應設計.無線衛星打破傳統衛星設計的以星載計算機為核心的網絡拓撲結構，建立分布式網絡，通過嵌入在各節點中的CPU完成控制管理功能.每個節點均是一個獨立的個體，可以實現傳統星載計算機的全部或部分功能，在綜合考慮成本和可靠性的基礎上，CPU選用在試驗三號衛星上進行了星載計算機功能演示的COTS器件嵌入式處理器AT91.

每個節點自動采集數據并通過無線總線網絡進行廣播發送，每個節點可以接收網絡的所有信息，也可以設置濾波選擇接收特定信息，完成相關的信息處理，并將處理過程信息和結果進行廣播，在處理過程中根據不同節點計算結果對信息的處理過程進行修正，提高了運算速度并隨時掌握和控制信息處理過程及中間結果，實現了并行處理和容錯設計.

2.2 衛星無線總線網絡協議設計

星內無線總線網絡系統需要一個網絡協議的支持才能夠正常工作，但星內無線網絡技術剛剛起步，目前還沒有統一的協議標準，本設計從衛星星內通信需求出發，設計了通用的星內無線網絡協議SWAN，該協議采用3層模型結構，直接映射到OSI模型的相應層上，如圖3所示.

圖3 SWAN與OSI模型映射關系Fig.3 Mapping of SWAN and OSI model

2.2.1 物理層設計

SWAN協議的物理層對應OSI模型的第1層，用來實現星內無線總線網絡的基本通信功能.本設計選用的nRF2401是采用SOC方法設計的，調制方式為GFSK，只需少量外圍元件便可組成射頻收發電路，且通信協議簡單并對用戶透明，工作于2.4～2.5 GHz的ISM頻段，支持多點間通信，最高傳輸速率可達1 Mbit/s，具有恒幅包絡、功率譜集中、頻譜較窄等優良特性.具有直接和突發2種工作模式，突發工作模式更適合星內無線通信應用.

2.2.2 數據鏈路層設計

SWAN協議的數據鏈路層對應OSI模型的第2層，進行節點間的數據傳輸鏈路規劃，完成無線網絡系統中的鏈路控制.衛星系統設計時，設計者對系統內的每個節點可以獲得很多先驗知識，利用這些先驗知識，建立了一種基于星內網絡先驗知識的鏈路控制訪問方法，實現SWAN協議的鏈路控制.

為每個節點分配一個唯一的標識ID，按照ID號由小到大的順序先后訪問信道，如圖4所示.當節點擁有發送權限時進行數據發送，節點對信道的占用時間分為數據發送時間和等待時間，但不得大于節點發送的保護時間，發送后自動轉換為接收節點，其他節點利用接收到的ID信息自主決定自身節點何時可以占用當前信道進行信息發送.

圖4 SWAN數據鏈路控制方法Fig.4 Control for SWAN data link

無線總線網絡通信周期既可以采用固定周期，也可以采用變周期，本協議中支持2種周期設置.重點進行了固定通信周期的研究，在鏈路規劃中每個節點在1次通信周期中至少有1次信道使用權限，所有節點之間可以自由通信，通信流程如圖5所示.

系統初始化時為每個節點分配固定的身份標識ID為1，2，…，N，N為當前所有節點的最大ID號，參照現有衛星的通信需求，設定通信周期為T，節點上限數量為100個，設定固定時隙，則整個通信周期為T=ΔT×100，在一個周期T內，所有節點輪詢1次.

網絡中的每個節點有發言權時，無論是否有數據都要先發送一幀標定幀，監聽到每個節點的前趨節點(上一節點的ID號)和后繼節點(下一節點的ID號)，M號節點一直監聽前面節點L發出的標定幀，并不斷清空自身計時器設定新的等待時間，直到擁有話語權，在規定時隙內完成發送任務，然后監聽后面的節點發送的標定幀，如果監聽到節點號N發送的標定幀后經過10個等待周期后都沒有新的標定幀出現，則可判定N為當前網絡中的最大ID號，M號節點等待M個時隙后具有發言權，這樣就判定出最后一個節點ID號，形成環路，指定管理間隔時間，1號節點就能具有發言權，整個通信周期隨節點的接入與退出可進行變化調整或保持不變，根據具體情況還設有一定的空閑時間，留有冗余，在滿足系統實時性要求的情況下增加系統穩定性和可靠性.

圖5 SWAN數據鏈路控制流程Fig.5 Flow chart of SWAN data link control

在星內無線網絡中，發送節點在發送同時監聽發送出去的數據，以保證發送數據的正確性，同時能夠驗證信道是否有沖突.同時每個接收節點自行對收到的數據進行判讀，利用nF2401內置的CRC算法來驗證接收端接收數據的正確性，但CRC只能檢錯不能糾錯，因此同時采用漢明碼糾檢錯算法，使之和CRC校驗結合使用，漢明編碼及譯碼表保存在PROM，采用(8，4)漢明碼實現糾1檢2處理，提高數據傳輸的可靠性.

SWAN協議具有SOIS所描述的即插即用體系結構，SOIS中的所有功能在SWAN協議的數據鏈路層中實現，具有發現新設備、配置以及重新配置無線設備的服務等功能，網絡可以隨時加入新設備、移除或退出一個舊的設備，不受影響.SWAN協議的即插即用實現的狀態圖如圖6所示，新加入的節點設備由上電自檢狀態確認先后經過ID沖突檢測階段、設備配置階段、設備自舉階段后，完成了設備的加入過程，進入正常通信階段，所有的加入流程均在一個網絡通信周期內完成，一個通信周期后進入正常的通信流程.

圖6 SWAN協議即插即用狀態轉換圖Fig.6 Plug and play state transition diagram of SWAN protocol

2.2.3 應用層設計

SWAN協議的應用層對應OSI模型的第7層，為用戶根據實際應用需求定義部分，結構比較靈活，SWAN協議中數據幀格式包括:前導碼、目的地址、試驗數據和CRC校驗，數據大小為256bit，除前導碼和目的地址外采用(8，4)漢明碼.

SWAN協議的發送節點在數據鏈路層采用廣播方式發送數據幀，網絡中所有節點都能夠收到發送節點發送的數據.在應用層采用面向數據的尋址方式能夠對接收到的數據進行過濾，通過在應用層數據幀中設置相應的幀編號標識來表示數據幀的具體含義，接收節點可以根據自身需要篩選出需要的數據進行處理，同時還能夠對不需要的數據進行屏蔽.

3 地面仿真驗證

為了驗證星內無線總線網絡系統方案的可行性，構建基于SWAN協議的星內無線網絡系統，該系統由4個網絡節點和一臺監視終端組成.系統通信周期設為250 ms，發送節點的時隙為12 ms，網絡容量為30個節點，當前網絡中有4個節點分別代表衛星平臺的不同系統或部件，傳輸速率1 Mbit/s.

仿真系統能夠對SWAN協議和所設計的硬件電路進行全面考核與測試.

3.1 網絡節點自斷電再加電測試

分別對4個仿真網絡節點，通過地面注入故障的方式，引起看門狗電路作用，4個網絡節點均可靠的自動斷電再加電.驗證了自斷再加電功能的正確性.

3.2 網絡節點誤碼率測試

在軟件中加入了專用的誤碼率測試程序，進行誤碼率測試時，發送節點發送約定格式的數據，通信距離3 m，傳輸速率1 Mbit/s，接收節點將接收到的數據保存并與發送節點發送的數據進行比對.發送節點發送640 000 bit數據，接收節點分別采用CRC校驗方式和采用CRC與漢明碼結合的方式接收數據，各測試3組數據，測試情況如表1所示.

表1 系統誤碼率測試統計Table 1 BER test results

從表1可以看出，CRC校驗能夠有效檢測出錯誤的數據幀，避免接收節點誤操作，但無法糾正錯誤，系統誤碼率在1.5×10－6～2.0×10－6.由于在測試過程中沒有出現雙錯和雙錯以上的錯誤，在加入漢明碼糾檢錯后，單比特錯誤均糾正，數據全部正確接收，提高了信道的可靠性.

3.3 網絡節點即插即用功能驗證

采用實時監控信道中的數據的方法來驗證網絡的即插即用功能.

在網絡中有3個節點正常工作的情況下，加入第4個節點，通過驗證平臺中的監控終端實時監控到當前無線信道中的所有信息，包括當前節點個數，節點的ID等信息，網絡成功檢測到加入的新節點，且網絡工作正常;在網絡有4個節點正常工作情況下，一個節點主動退出網絡后，網絡仍正常工作，驗證了網絡的即插即用功能的正確性.

4 結論

本文研究了衛星內無線射頻總線網絡的設計與仿真驗證，得出結論:

1)基于商用現貨器件的衛星內無線射頻網絡節點實現方式簡單可靠，既簡化了設備之間的連接關系，又降低了研制與發射成本.

2)采取的自斷電再加電技術，保障了商用芯片在空間應用的可靠應用，提高了衛星自主運行能力，減少地面測控的干預.

3)所設計的三層無線網絡協議，實現了設備的即插即用，為系統的快速測試提供了保障.

本文對星內無線網絡的總體設計與實現進行了初步研究，在后續工作需對無線總線所帶來的EMC等問題進行進一步研究.將無線射頻通信技術應用于衛星內總線通信的設計是航天領域一項重大變革，在此方面的研究對于發展我國的衛星、飛船、空間站乃至星際航天器計劃具有重要的作用.

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