“天宮一號”目標飛行器信息管理策略

柏林厚，李智勇，南洪濤，程 偉

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

“天宮一號”目標飛行器的主要任務是作為交會對接目標完成交會對接試驗，并為我國建立長期載人空間站進行技術驗證。信息系統作為支持目標飛行器在軌飛行任務的重要功能系統，主要完成目標飛行器內部信息管理以及與地面和載人飛船的通信管理[1]。它一方面以各電子設備或組合的形式完成目標飛行器各功能單元的信息采集和控制，另一方面采用通信技術溝通內部各功能單元之間、各艙之間以及與飛船和地面之間的聯系，形成信息共 享的整體，確保目標飛行器的健康和穩定運行，支持目標飛行器各項任務的完成。

本文對“天宮一號”目標飛行器信息系統的信息管理策略進行了概述，包括信息管理需求、設計原則、系統組成、主要技術特點以及可靠性安全性設計。

1 信息管理需求

1.1 任務需求

根據任務需求分析，信息系統的信息管理需求概括如下（圖1）。

圖1 信息管理需求Fig.1 The requirements of the information management

1）遙控：接收地面遙控指令及注入數據，轉發至相應用戶；

2）程控：根據時間或條件，實現平臺程序化自主控制；

3）手控：為航天員提供手動控制接口；

4）平臺遙測：采集平臺實時遙測（測控區內）和延時遙測（測控區外）數據，下行至地面；

5）儀表顯示：采集航天員需求的數據并顯示；

6）分系統間數據通信：完成GNC、數管、測控、推進、電源分系統間的數據通信；

7）系統間數據通信：整個飛行階段，完成目標飛行器與地面之間的雙向數據通信；在交會對接和組合體飛行階段，完成目標飛行器與飛船之間的雙向數據通信；

8）跟蹤測軌支持：在軌運行期間配合地面完成測定軌；

9）下行試驗數據：采集試驗數據，并下行至地面；

10）話音需求：實現航天員與地面，以及航天員之間的話音通信；

11）圖像需求：實現地面對艙內外圖像的監視，實現航天員與地面之間的雙向視頻通信；

12）郵件需求：實現航天員與地面之間的郵件交互。

1.2 性能指標需求

信息系統的主要指標需求如下：

1）遙測數據傳輸速率最大達到600 kbit/s；

2）試驗數據傳輸速率最大達到100 Mbit/s；

3）指令空間不少于2 000 條；

4）遙測傳輸誤碼率不大于10-5；

5）單路高質量圖像數據傳輸速率為1.92 Mbit/s；

6）單路高質量話音數據傳輸速率為192 kbit/s；

7）最大中繼下行速率不小于144 Mbit/s。

1.3 擴展需求

信息系統設計考慮一定的可擴展性，需支持平臺和試驗數據的動態組幀以及平臺新設備的動態接入。

2 信息管理策略

2.1 設計原則

1）適應我國目前已有的測控體制

我國目前成熟的測控體制是USB 測控體制，在載人航天一期工程中得到了成熟應用，目標飛行器的測控體制應適應此體制。

2）對交會對接相關功能進行一體化設計

為完成交會對接、分離和組合體任務，目標飛行器和載人運輸飛船信息管理需要進行一體化設計。

3）設計繼承原則

載人航天一期工程采用了1553B 總線、同步和異步串口通信、復接、儀表編碼指令等技術，并經過了多次飛行試驗的驗證。為保證“天宮一號”目標飛行器信息系統的可靠運行，應盡可能地繼承成熟技術，建成一個可靠的信息系統核心。

4）裕量設計原則

在指令空間、遙測能力、天地間通信鏈路的信道容量、1553B 總線的通信流量、總線終端的數量等方面設置裕量。

5）適當的新技術應用驗證

為滿足載人航天后續任務和型號的需要，目標飛行器在繼承成熟技術構建信息系統核心功能的同時，應考慮驗證信息系統的新技術和先進技術，主要包括中繼星通信技術、CCSDS 技術、1394 總線技術和LVDS 總線技術。

6）冗余設計原則

系統層次的可靠性設計手段主要為冗余設計，要求核心功能必須有冗余。

7）簡單化原則

降低目標飛行器總體設計的復雜度，采用總線技術降低設備之間的直接連接從而降低系統復雜度。

8）產品化設計原則

遙控、遙測、手控設備采用產品化或飛船驗證過的產品。

2.2 系統組成及功能

“天宮一號”目標飛行器的信息系統（如圖2所示）由以下6 個功能子系統組成，子系統配合實現整個飛行器的信息管理。

1）平臺測量與控制功能子系統。完成設備的參數測量和采集、指令控制、分系統及系統間數據通信，具體負責：設備的模擬量參數測量及數字量參數的采集，并將獲得的參數組幀、調度后輸出給天地測控與通信接口功能子系統；控制天地測控與通信接口功能子系統在測控區內實時下行遙測數據，在測控區外存儲遙測數據并延時下行；接收天地測控與通信接口功能子系統輸入的遙控指令和遙控數據，將開關指令發送給執行部件或者設備，將遙控數據分發給相應的設備；按照飛行程序發送時間指令、條件指令及廣播時間和事件信息，以及根據遙控數據更新飛行程序；將航天員的手控指令發送給執行部件或者設備；將飛行器相關數據顯示給航天員；實現相關分系統及系統間的數據通信。

2）天地測控與通信接口功能子系統。完成目標飛行器與地面、中繼衛星以及飛船之間的雙向數據通信，具體負責：接收地面上行的數據，進行數據處理和分路后，將指令和遙控數據送平臺測量與控制功能子系統，將圖像數據送圖像通信功能子系統，將話音數據送話音通信功能子系統；接收圖像通信功能子系統的下行圖像數據，接收話音通信功能子系統的話音數據，接收試驗設備的試驗數據；接收平臺測量與控制功能子系統獲取的實時及延時平臺遙測數據，將數據合路和處理后通過通信機直接或者間接下行到地面；支持對目標飛行器的跟蹤測軌功能。

3）高速試驗數據管理功能子系統。完成目標飛行器試驗數據的管理，具體負責：試驗數據的采集、組幀，將試驗數據送平臺測量與控制功能子系統進行存儲，然后送天地測控與通信接口功能子系統下行；通過平臺測量與控制功能子系統接收控制指令，對試驗終端設備進行指令控制；采集試驗終端設備狀態數據并組幀，然后將數據送平臺測量與控制功能子系統，通過天地測控與通信接口功能子系統下行。

4）圖像通信功能子系統。完成天地圖像傳輸，具體負責：攝取艙內外圖像、進行編碼處理后送天地測控與通信接口功能子系統，同時送液晶顯示器顯示；接收天地測控與通信接口功能子系統輸入的地面上行圖像數據，進行解碼處理后恢復出圖像和伴音，圖像送液晶顯示器顯示，伴音送話音通信功能子系統。

5）話音通信功能子系統。完成天地話音通信和航天員間的話音通信，具體負責：采集航天員話音、進行編碼處理，然后送天地測控與通信接口功能子系統下行，同時送圖像通信功能子系統作為圖像伴音；接收天地測控與通信接口功能子系統輸入的上行話音數據，進行解密和解碼處理后恢復出話音信號并播放給航天員；實現航天員之間的話音通信。

6）交會對接及組合體信息支持子系統。完成交會對接和組合體期間目標飛行器與飛船之間的信息交互；完成地面測控點頻在飛船一方時，地面與目標飛行器之間的數據傳輸，以及點頻在目標飛行器一方時，地面與飛船之間的數據傳輸。

圖2 信息系統組成框圖Fig.2 The configuration of the information management system

2.3 技術特點

“天宮一號”目標飛行器信息管理策略借鑒了載人航天一期工程中飛船的設計方法，包括1553B總線管理體制[2]、天地無線鏈路通信管理體制等，但由于系統需求相對飛船發生了較大的變化，所以設計上又有著自身的技術特點，主要包括以下幾個方面。

1）平臺數據管理特點：目標飛行器1553B 總線終端設備多，平臺遙測數據量大。目標飛行器總線終端為26 個，接近單套1553B 總線所能管理的極限。為了對26 個總線終端進行可靠的管理，同時也為了驗證空間站多層總線結構，目標飛行器配置了2 套1553B 總線對平臺數據進行管理。此外，目標飛行器平臺遙測數據傳輸速率最大達到600 kbit/s，相對于一期飛船平臺遙測數據量有了很大的增加。為了適應數據的靈活復接，實現數據的動態調度管理，也為了適應后續空間站發展的需要，目標飛行器采用高級在軌系統協議[3]，通過分包遙測的形式完成數據匯集，經過符合空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）建議的高級在軌系統（AOS）的格式化形成統一數據流。

2）數據存儲回放特點：目標飛行器測控資源有限，在自主運行段，處于測控區外的時間最長達13 h。為了保證遙測數據的完整性，需對飛行器整個在軌過程中的狀態進行監視。因此，在測控區外需要對平臺遙測數據進行存儲，待進入測控區后進行延時數據的回放；同時，由于試驗數據無實時性要求，為了方便試驗數據的管理，試驗數據均進行存儲后再下行至地面。因此，目標飛行器采用數據回放技術，完成測控區外平臺遙測數據的存儲記錄，測控區內、外試驗數據的存儲以及測控區內遙測數據和試驗數據的回放控制。

3）試驗數據管理特點：目標飛行器信息系統不僅負責平臺遙測數據的管理，還需要負責高速試驗數據的管理。由于在目標飛行器上開展空間科學試驗的數據量巨大，傳輸速率最大達到100 Mbit/s，所以配置了空間試驗平臺[4]，采用1394 高速總線[5]以及LVDS 串行總線進行數據的采集，其中1394高速總線系統將試驗管理設備以及試驗設備連接起來，在試驗管理設備的統一調度下完成試驗設備的數據采集和管理；LVDS 總線完成高速數據與中繼鏈路設備之間的數據傳輸，通過高速中繼鏈路將試驗數據下行地面。

4）組合體及交會對接信息管理特點：目標飛行器作為對接目標，需要完成與飛船之間的信息交互管理，配合完成交會對接任務。設計空-空通信和并網總線兩條鏈路用于交會對接及組合體飛行期間載人飛船與目標飛行器之間的信息通信，并根據地面測控點頻跟蹤情況進行鏈路切換。當地面測控點頻跟蹤載人飛船時，使用空-空通信鏈路和對接總線鏈路；當地面測控點頻跟蹤目標飛行器時，使用對接總線鏈路。

5）自主管理特點：目標飛行器測控資源有限，為了保證測控區外發生緊急重大故障時目標飛行器的平臺安全，設計自主故障診斷處置的安全模式[6]。當發生影響平臺安全且實時性處理要求較高的故障時，飛行器轉入安全模式，自主進行一系列的處置，以確保飛行器供電、姿態、推進劑、天地通信鏈路以及載人環境等的安全。

6）圖像系統特點：目標飛行器需要配合飛船完成交會對接，同時支持航天員在組合體駐留。為了更直觀地觀察交會對接過程，同時支持航天員與地面間的圖像通信，設計了目標飛行器圖像系統，設置多個攝像機進行艙、內外拍攝并根據需要進行切換，選擇高、低速兩套圖像壓縮編碼方式，以同時適應高質量圖像拍攝以及航天員與地面間的視頻通信需求。

2.4 可靠性安全性設計

1）可靠性設計

結合目標飛行器長期在軌飛行、短期有人照料的特點，把可靠性設計思想應用于信息管理策略中：盡量消除單點故障模式設計，對重要的設備和功能進行冗余設計；冗余備份設計時采用獨立設計，以防止共模失效；設計力求簡單、可靠，盡量采用成熟的可靠技術或現成的可靠產品。

結合以上設計思想，對信息系統進行了以下可靠性方面的設計：

① 平臺測量與控制功能子系統。在平臺核心網1553B 總線網的設計時，每套總線均包括A、B兩條總線，且兩條總線是完全備份的關系：當其中一條總線發生故障時，可自主切為另一條總線工作；為了避免故障耦合現象的發生，A、B 總線與用戶之間的接口采用不同的形式。同時在設計總線用戶時，考慮對總線上的重要用戶通過雙機冷備份的方式進行冗余設計，設備對總線的接口也采用備份冗余，以減少單點故障的存在。數據采集設計時，對于重要的數據通過數管采集、工程遙測采集以及分系統自行采集的形式進行備份設計，采集途徑相互獨立。對于關鍵事件，指令發送方式具備多種手段，且對發令設備也進行了備份設計。對關鍵傳感器，例如，艙內總壓、氧分壓、二氧化碳分壓以及溫濕度傳感器等都設計為3 取2 模式；液路溫度傳感器、感煙探測器、差定溫差探測器等傳感器配置在艙內不同位置，每種互為備份。

② 天地測控與通信接口功能子系統。天地通信信道包括USB 信道、S 波段數傳信道、中繼KSA信道、中繼SSA 信道以及空-空通信信道等多種信道，上下行數據可以通過不同的信道到達地面或者目標飛行器，這些信道相互獨立，在飛行過程的不同階段可以對傳輸的數據起到備份的功能。

③ 圖像通信功能子系統。設計視頻編碼器和視頻處理器，分別完成圖像的中低質量和高質量的編碼，這兩種質量的圖像體制可以互相備份；對于視頻切換器設置2 個通道，在一個通道故障時，可以采用另一個通道進行圖像下傳；同時在視頻切換器內設置一個直通通道，把艙內一路圖像直通到視頻編碼器，在視頻切換器故障時直接選用此路圖像下傳。

④ 話音通信功能子系統。話音分配中的指揮話和專用話通道可以起到備份的功能；同時當目標飛行器進入中繼測控區時，上行圖像伴音可以對話音起到備份的作用。

⑤ 交會對接及組合體信息支持子系統。在組合體飛行期間，兩飛行器間的數據可以通過空-空通信鏈路和對接總線鏈路兩種獨立的鏈路進行通信。

2）安全性設計[7]

① 設計顯示及報警的功能。對關系到航天員生命安全的數據進行顯示，當數據越限時，產生報警音及時通知航天員，同時航天員可以通過手控指令（開關指令或編碼指令）對影響自身安全的事件進行控制。

② 自主飛行管理期間，為了保證目標飛行器安全運行，設計自主安全模式，當在軌出現影響平臺安全且實時性處理要求較高的故障時，目標飛行器自主進行處置，轉入安全模式運行，以確保飛行器的供電、姿態、推進劑、天地通信鏈路及載人環境安全。

3 結束語

“天宮一號”目標飛行器發射至今執行了獨立自主飛行期間的任務，并配合“神舟九號”和“神舟十號”載人飛船分別完成了首次無人和有人交會對接任務，任務期間信息系統工作正常，所采用的信息管理策略得到了驗證，滿足各項飛行任務對信息的使用需求，為后續空間站信息管理策略的詳細設計奠定了基礎。

（References）

[1]戚發軔, 朱仁璋, 李頤黎.載人航天器技術[M].北京:國防工業出版社, 2002

[2]GJB 289A—1997 數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線[S]

[3]Advanced orbiting systems, networks and data links:architectural specification, CCSDS 701.0-B-3[R], 2001

[4]梁建輝, 金海丁, 孫永進, 等.航天器公用空間搭載試驗平臺設計[J].航天器環境工程, 2011, 28(6):521-524 Liang Jianhui, Jin Haiding, Sun Yongjin, et al.Design of a general flight experimental platform for spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6):521- 524

[5]IEEE STD-1394A IEEE standard for a high performance serial bus-amendment[S], 2000

[6]李智勇.“天宮一號”目標飛行器系統級自主安全設計[J].航天器環境工程, 2011, 28(6):525-528 Li Zhiyong.Design of systemic autonomous safety for Tiangong-1 target spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6):525-528

[7]QJ 2236A—1998 航天產品安全性保證要求[S]