載人飛船交會對接及組合體模式下的數據管理

王菁

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

早期航天器上有獨立的遙測、遙控和跟蹤定位分系統等，隨著航天器的日益復雜，自主管理的需求越來越多，也越來越復雜，傳統的遙測、遙控分系統已不能滿足任務需求，因此產生了一個綜合完成遙測遙控和自主管理任務的分系統——數據管理分系統（DMS）。數據管理分系統是整個衛星系統的關鍵組成部分，它實現對衛星的控制和進行實驗數據傳送的功能，與測控、結構、熱控、控制分系統一起并列成為衛星平臺的五大支柱［1］。

作為載人飛船的重要組成部分，數管分系統（簡稱數管）負責對整船實施數據管理，功能包括總線通信管理、遙測數據采集、遙測處理與包裝下行、遙控注入數據處理與轉發、飛行程序控制、指令發送、數據記錄與回放、時間管理、故障檢測與處理等。

載人飛船數管分系統采用以1553B 串行數據總線連接的兩級分布式體系結構，完成包括數據管理、指令管理和系統內部管理的分系統功能。在兩級分布式體系結構中，中央終端單元（central terminal unit，CTU）是數管分系統的核心控制設備，是分布式系統的第一級，CTU 通過1553B串行總線對掛接在總線上的其它設備，即兩級分布式系統的第二級進行數據管理、指令管理以及系統調度和控制。數管分系統的主要任務和功能由第二級設備直接執行，但執行的時間和執行的條件由CTU 進行控制。第二級設備包括遠置單元（RTU）、數據傳輸復接器（DTCU）和應急數據記錄器（CRU），執行數據采集、指令發送、數據復接和數據存儲功能。數管分系統的部分任務和關鍵任務（如逃逸救生、艙段分離、交會對接、返回著陸等事件），由CTU 直接監視、響應和執行。數管分系統在上述兩級分布式體系結構基礎上完成分系統功能。

交會對接任務對于載人飛船數據管理的需求，增加了不同時統下的兩飛行器交會、對接、停靠、分離過程的自主控制和手動控制的數據通信、狀態判別、遙測遙控、手控支持要求［2-6］。原有載人飛船數管分系統的設計只能滿足載人飛船獨立運行的數據管理需求，而對于上述交會對接和組合體停靠的數據管理需求則不能滿足。因此，如何兼顧載人飛船獨立運行的可靠性、安全性和飛船交會對接及停靠時組合體數據通信和管理的靈活性、可擴展性，是交會對接飛船數據管理設計的重點和難點。本文對上述問題，從分系統結構、總線并網、飛行期間通信支持、遙測管理、手控支持5個主要方面論述了與以往載人飛船的區別，提出了相應解決途徑。

2 交會對接及組合體模式下的數據管理

交會對接任務對飛船數據管理的要求包括：①在原有飛船數管功能的基礎上，提供對接前與目標飛行器的空-空通信鏈路和對接后與目標飛行器的直接數據交換鏈路，用來實現為目標飛行器代傳地面控制指令、下行部分遙測數據，向目標飛行器發送手控指令，由目標代傳下行遙測和代轉地面上行注入數據等功能；②由于飛行階段、飛行模式的增多，要求飛船的遙測模式效率更高、更靈活；③由于交會對接任務中，航天員可參與的操作和控制大大增多，要求提供更多對航天員手動控制的支持，且具備可擴展性，可以支持不同飛船的不同任務。

針對上述需求，飛船數據管理系統從分系統結構、總線管理、飛行器間通信、遙測管理和手控支持幾方面提出了技術實施途徑，最大限度地適應飛行模式變化，利用信道能力，實現信道的動態調度，適應不同任務階段的變化和需求。

2．1 數據管理分系統結構

為滿足載人飛船交會對接任務的特點和需求，數管分系統在原有體系結構的基礎上進行了改進，增加了一套總線即兩套串行數據總線進行數據通信，一套為運輸飛船的主總線，一套為與目標飛行器對接用的對接總線，目的是為了保證在對接和分離過程中，主總線與對接總線完全物理隔離，運輸飛船主總線不會由于與目標飛行器動態組網，造成總線的主線阻抗瞬間不匹配而影響主總線通信質量，從而保證運輸飛船總線通信的安全和可靠。對接總線平時不工作，只有當對接完成后進入組合體飛行階段時才工作。

為滿足多艙段結構和艙段分離的飛行特點，使艙段分離后各艙段都能正常工作，載人飛船需配置6個總線開關用于總線通、斷時切換匹配電阻。其中返回艙4個，包括：與推進艙的對接面2個、與軌道艙的對接面2個，分別用于推進艙與返回艙分離、軌道艙和返回艙分離控制。軌道艙2個，安裝在與目標飛行器的對接面，用于與目標飛行器的對接和分離控制。由于在艙段分離后推進艙總線系統不需要繼續工作，所以推進艙一側不配置總線開關。

2．2 總線并網實現策略

為保障載人飛船獨立飛行中數據通信和停靠時，組合體數據通信質量及通信的安全、可靠、互不影響，設計了雙1553B 數據總線通信模式，連接方式如圖1所示。其中一套是用于飛船內部通信的主總線，另一套是用于組合體兩飛行器通信的對接總線。飛船主總線在全部飛行階段均工作。CTU 是作為主總線的總線控制器（BC），負責整個總線網絡的管理；其它掛接在1553B 總線上的設備為遠置終端（RT），包括RTU、DTCU、CRU 以及其它分系統設備。CTU 經過主1553B總線，可以實現載人飛船各分系統設備的信息交換和數管分系統內部的管理與控制。

載人飛船總線與目標飛行器總線采用間接連接方式，1553B 總線的主線通過RTU 對總線開關的控制選擇總線的通斷。總線導通時，總線的主線通過穿艙插頭與目標飛行器的總線主線相連。總線斷開時，總線的主線由程控指令切換到匹配負載一端。

對接總線平時不工作，只有當對接完成后進入組合體飛行階段時才工作。目標飛行器的數據轉換器作為對接總線的BC，載人飛船的兩個RTU 作為RT 端與BC 進行總線通信，兩個RTU 作用相等，互為備份。

飛船通信協議的設計，主要考慮關鍵事件的高實時和高可靠要求、數據流量均衡以及手控和遙控注入等非周期突發事件的通信模式和相應的及時性。由于1553B總線通信模式為主從式，因此針對上述特點，RT 到BC通信業務以RT 設置服務請求位的方式進行，通過服務請求的數據編碼區分服務請求類型。一次通信數據量如大于64byte（一條總線消息），則RT 采用循環緩沖方式，RT 端通過接收BC發送的指令數據字進行數據指針復位。對于目標代傳的上行遙控注入數據格式與飛船數管遙控注入格式，飛船數管接收識別后的處理方式與飛船自身遙控注入處理方式相同。

圖1 雙數據總線連接方式Fig．1 Connection mode of 1553Bdata bus between two spacecraft

2．3 飛行器間數據通信支持策略

兩飛行器在未對接完成組合體前，飛船與目標飛行器之間交會對接、分離、撤離過程的信息傳輸需要通過兩飛行器數管、測控及制導、導航與控制分系統（GNC）協同配合完成。因為飛船作為追蹤飛行器進行主動對接，因此需要將測量結果和控制決策及時通知目標GNC，數管通過空-空通信為此提供數據通道并保證其可靠性和安全性。具體交會對接狀態信息流設計見圖2。

圖2 交會對接狀態信息流圖Fig．2 Rendezvous and docking state information stream between two spacecraft

飛船CTU 收集RTU 采集的對接機構狀態數據，判斷有效后轉發給GNC控制器，GNC控制器綜合此信息和自身收到信息后，生成交會對接狀態和控制信息送CTU，CTU 判斷此狀態有效并且有變化后，將此部分信息按遙控格式要求生成注入數據送空-空通信機通過無線信道發送給目標GNC控制器。飛船CTU 可實時判斷與對接機構通信狀態，自行切換故障通道，保證通信的可靠性和安全性。同時為保證空空通信的可靠，目標的交會對接狀態和控制信息間隔發送2遍，考慮到異步通信方式和采集周期，2遍的最大延時經分析和地面試驗驗證，滿足控制要求。

兩飛行器靠近時，由于地面測控站不能同時跟蹤兩個飛行器，飛船數管需提供目標遙測下行信道，采集空-空發送的目標飛行器遙測信息，包裝成一路包裝規約數據單元（E-PDU）與飛船其它遙測源包多路復用后經一路虛擬信道下傳，解決了測控信道有限的問題。

上述通信過程的啟動和停止，可由飛船數管按照預定條件自主實施，啟動和停止時間可由地面根據任務需要注入調整。

2．4 遙測管理實現策略

由于交會對接任務在不同階段對遙測功能有不同需求，因此要求數管分系統遙測設計能夠根據需要和對接狀態，實時自主切換遙測模式。傳統的幀遙測模式已遠遠不能滿足數據傳輸量大、工作模式、數據率和數據結構差別大的需求，因此高級在軌系統（AOS）提供的更強靈活性、更多樣化的數據處理業務，更適合載人交會對接的數據管理。

根據交會對接的兩飛行器的數據特點，飛船數管遙測設計選用了AOS提供的8種業務中的3種：E-PDU 業務、復路規約數據單元（M-PDU）業務、虛擬信道數據單元（VCDU）業務。物理信道只有1個主信道，在主信道中設置3個虛擬信道。遙測數據來源于1553B 總線采集的各分系統終端遙測數據和CTU 軟件內部數據。

CTU 先將自身的內部參數與總線采集來的各分系統終端遙測數據，分別包裝成E-PDU 并組成M-PDU，通過總線將實時部分數據輸出給DTCU，出境時將延時遙測M-PDU 送CRU 中存儲，過境時以RT 到RT 的方式通過總線發送給DTCU，DTCU 負責組織將數據生成VCDU 和信道存儲數據單元（CADU）輸出。

在遙測數據采集過程中，數管需根據被采設備狀態及數據校驗結果，自主或在地面干預下進行數據源及采集通道切換。

由于E-PDU 的數據來源于1553B 總線，考慮到交會對接任務特點，設計原則是：①來自于同一RT；②對應單一應用過程；③由某一特定事件觸發；④周期相同。E-PDU 分為常規包和事件觸發包，常規包是在某一飛行階段持續以固定周期下傳的EPDU 包；事件觸發包是在某一飛行階段中根據觸發事件開始、停止下傳的E-PDU 包。同一個E-PDU包，在某一飛行階段可能是常規包，而在另一飛行階段可能是事件觸發包。

數管根據飛行階段、關鍵事件及其組合條件切換遙測模式，不同遙測模式的E-PDU 組成不同，適用于不同階段、不同應用過程的遙測需求。此策略的特點是：

（1）用戶數據率變化范圍大；

（2）結構上采用分層的思想，不同層具有不同功能，并采用不同的數據結構，各層的數據單元中均設置導頭域［1］，用于記錄一些有用的信息，以便在接收端方便正確地提取用戶數據；

（3）采用兩種多路復用機制，即包信道的多路復用及虛擬信道的多路復用，且用戶可動態分享信道，提高了空間數據信道的利用率；

（4）設置3種不同的業務，用于處理不同性質的數據；

（5）設置虛擬信道（VC），各個VC 分時占用物理信道，從而可避免長數據源壟斷信道，解決了有序地管理信道的問題；

（6）設置航天器標識符，對不同航天器進行統一分配其航天器標識符，這樣在目標端即可獲得并區分來自不同航天器的數據。

2．5 航天員手控支持策略

原有飛船的航天員手控項目不多，包括自主應急返回和手動返回。航天員的操作為按鍵操作，與數管分系統的交互很少。而載人交會對接給予航天員參與的項目相比原來大大增加了，允許通過手控參與熱控、推進、對接機構、總體電路、儀表、環控生保、姿態與軌道控制的交會對接測量設備［6-8］、目標飛行器檢漏和自主應急返回的控制。

數管分系統對于載人飛船的程序控制的實現方式，是由CTU（即分布式系統的第一級）通過1553B串行總線，將程控指令發送給掛接在總線上執行終端（即兩級分布式系統的第二級）執行的。因此航天員要實現上述交會對接任務的各項手控操作，則可以通過連接在飛船1553B 總線上的手控指令編碼板向CTU 申請發送指令來實現。具體實現途徑如下：

CTU 周期性地向手控編碼板發送矢量字來檢測其服務請求。手控編碼板有兩項服務請求：發送手控指令和自主應急返回請求。手控編碼板如果有指令發送，則將返回的狀態字包含的服務請求位置為“1”，并設置返回的1個數據字。數管CTU 如判別到手控編碼板有服務請求，則根據讀取返回的數據字來判別服務請求內容。如為“自主應急返回請求”，則以RT 到BC 的通信方式，讀取手控編碼板相應子地址的消息字，按照實施流程進行兩種模式的自主應急返回程序。如為“手控編碼指令請求”，則以RT 到BC 的通信方式，讀取手控編碼板相應子地址的消息字，根據讀取的消息內容判斷后，轉發至被控設備執行（對于目標飛行器的手控指令，僅將目標飛行器數據區的數據字轉發給有效對接RTU）。傳輸的手控指令消息字格式內容與自動發送的程控指令格式內容完全一致。CTU 接收手控指令完畢后，將接收回饋信息以BC 到RT 的通信方式通知手控編碼板。此實現方案簡單、通用、擴展性好，可以為航天員提供與自動控制能力相當的手動控制途徑。

3 結束語

交會對接任務因狀態變化多、不確定性多，故對數據管理要求自主程度高，飛行器內和飛行期間要求協同性好，且作為載人航天項目其對可靠性和安全性的要求更高于其他航天器。數管分系統作為載人飛船的重要平臺支持系統，在兼顧原有載人飛行任務的基礎上，采用成熟技術與新技術相結合，既能完成飛船在軌獨立運行、返回、逃逸救生的任務，又能很好地適應和支持兩飛行器的交會對接任務。經過我國無人和載人交會對接兩次飛行任務驗證，證明載人飛船交會對接及組合體模式下數據管理方案設計合理，可靠性和安全性高，為后續航天器交會對接任務奠定了堅實的基礎。

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