基于PON架構混合總線的運載火箭電氣設計

賈 睿，寧 雷，葉志鵬，梁 浩

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

隨著信息技術、網絡技術飛速發展，運載火箭呈現了十分明顯的智能化、網絡化趨勢。箭上智能儀器、傳感器的廣泛應用極大提升了運載火箭潛力，對運載火箭電氣系統響應敏捷程度、數據分析能力、數據應用能力都有了大幅提升，這樣的能力提升與大數據量的通信密切相關，因而高帶寬總線勢在必行。

傳統的MIL-STD-1553B總線標準在運載火箭廣泛使用，其成熟可靠和廣泛應用保證了火箭研制的順利推進，但其1553B總線僅支持1 Mb/s帶寬傳輸速率，嚴重限制了智能設備數據挖掘、故障診斷、智能決策等數據應用。依托先進信息技術，設計運載火箭高帶寬、高實時性、高可靠、強拓展性的電氣方案勢在必行。

目前主流高速總線包括航空電子全雙工交換式以太網（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）、航空電子光纖通道1553（FC-AE-1553）、工業自動化以太網（Ethernet for Plant Automation，EPA）、時間觸發以太網（Time Triggered Ethernet，TTE）等。其中FC-AE-1553以光纖為傳輸介質，傳輸速度達到1 Gbit/s以上，具有傳輸速率高、干擾性能強且可平滑過渡MIL-STD-1553B總線的特點，得到廣泛關注。

本文針對運載火箭大量應用成熟產品和設計，同時又急需提升信息交互能力的問題，提出了新型無光源網絡架構的混合總線方案，在兼容成熟1553B總線產品的同時，實現了高速總線信息傳輸能力和拓展能力，同時以冗余方式提升系統可靠性。

1 FC-AE-1553協議與PON架構概述

1.1 FC-AE-1553協議

FC-AE-1553協議是航空電子領域率先應用的高速串行通信協議，以光纖通道作為傳輸介質，有點對點、仲裁環、交換型3種基本網絡拓撲，如圖1所示。其中交換式拓撲相比仲裁式拓撲實時性具有明顯的優勢，且某節點異常或新增節點對其他節點無影響，得到廣泛應用，但其中需設置交換機完成信息交互。

圖1 FC-AE-1553拓撲示意Fig.1 Diagram of FC-AE-1553 Topologies

網絡主要由3類節點構成：網絡控制器（Network Controller，NC）、網絡終端（Network Terminal，NT）、網絡監視器（Network Monitor，NM）。其中NC負責建立網絡傳輸過程，是光纖網絡數據交互的發起者；NT是執行者，響應NC命令，完成數據交互；NM完成數據監聽工作。

NC、NT、NM與MIL-STD-1553B總線中總線控制器（Bus Controller，BC）、遠程終端（Remote Terminal，RT）、總線監視器（Bus Monitor，BM）的功能有著近似特征，因而具有較強的對1553B協議向下兼容能力。

FC-AE-1553協議幀類型包括：命令幀、狀態幀和數據幀3類。3類幀格式都含有光纖信道（Fibre Channel，FC）幀頭，24字節，定義幀類型、源地址、目標地址、交換ID、序列ID、序列計數等；命令幀額外含有24字節命令幀擴展幀頭、負責建立網絡交互功能，狀態幀含有2個字狀態擴展幀頭，負責回應狀態信息；數據幀無擴展幀頭，見圖2。由3類幀建立節點之間的數據傳輸機制，實現不同需求的信息交互。

圖2 幀格式Fig.2 Frame Format

1.2 PON架構

無源光網絡（Passive Optical Network，PON）是一種單光纖雙向光接入技術，最早由英國電信人員提出，用于解決局域網寬帶瓶頸問題。

PON架構由光鏈路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）、光分配網絡（Optical Distribution Network，ODN）等組成。PON采用無源光分路器代替有源交換機，靈活實現點到多點通信，大大簡化光纖網絡設計，同時提升了可靠性。

上行傳輸如圖3所示，任一個用戶ONU發出的數據都經分光器和光纖網絡可以到達OLT，且僅能到達OLT，各ONU分時復用同一個通道，采用靜態或動態分配時間窗方式完成數據調度。

圖3 PON架構上行通道示意Fig.3 Uplink based on PON Topology

下行傳輸如圖4所示，下行方向OLT發出數據經過無源分路器或多級分路器傳送至各個ONU，各ONU收到相同數據包，進行選擇性提取，得到對應自身的數據。

圖4 PON架構下行通道示意Fig.4 Downlink based on PON Topology

2 箭上混合總線方案設計

2.1 箭上電氣系統需求分析

運載火箭電氣系統主要完成制導控制、姿態控制、指令控制及測量數據采集下傳等功能。

制導控制完成對火箭質心運動參數的敏感、計算和控制，使火箭按照預設的軌道完成飛行。姿態控制完成火箭繞質心運動可控，確保火箭在飛行中穩定。指令控制完成火箭飛行中具體調節動作。測量數據采集實現飛行狀態參數采集和下發，用于地面監測和數據分析。

為實現相關功能，運載火箭箭上設置飛行控制計算機、慣性組合、各級控制組合、各級伺服機構、速率陀螺、測控計算機等完成相關敏感和控制功能，火工品、發動機噴管、姿控噴管等接受控制完成相關動作。近年來，為提高制導精度，雷達、星敏感器等應用逐步深入，數據通量需求激增，同時為進一步驗證新技術，箭上實時數據監測需求大幅提升，測量向測控轉變，測量與控制交融增加，箭上高速通信需求亟需解決。

火箭涉及到的單機眾多，交互復雜，應采用總線形式進行數據交互。箭上不同設備存在較大的應用區別，對于時序動作控制、伺服控制、火工品控制、慣性組合敏感等環節，重在可靠穩定實現，而對于新型智能單機和系統則有著強烈的高通量通信需求。

運載火箭眾多關鍵產品、關鍵系統已形成基于1553B的成熟貨架產品，考慮經濟性、成熟度及研制效率，電氣設計需兼顧能力升級與繼承性，同時運載火箭對于網絡通信具有極高的可靠性要求，箭上通信應采用冗余方案。

2.2 PON架構的FC-AE-1553總線設計

基于PON架構設計FC-AE-1553總線架構，如圖5所示。網絡實現“一點到多點”下行，“多點到一點”上行，可實現1.25 Gbs/s傳輸速率，網絡兼備了PON架構低延遲、抗干擾、低成本特點，且取消了有源交換機，提升了網絡可靠性。

圖5 PON架構FC-AE-1553示意Fig.5 Diagram of FC-AE-1553 based on PON Topology

采用單模光纖進行信息傳遞，上行鏈路光信號采用1310 nm波長，下行鏈路采用1490 nm波長，接收信號與發射信號互不干擾，以不同波長單模光纖實現全雙工通信應用。

OLT模塊實現光/電、電/光轉換，完成網絡資源調配和數據傳輸控制，實現網絡查詢、錯誤處理等，應用在NC端。ONU模塊實現光/電、電/光轉換，響應OLT命令實現數據交互，應用在NT端。

OLT和ONU對于光信號處理相同，均在接收數據時將光信號轉換為差分信號，發送時將差分信號轉換為光信號。

針對航天應用中數據高可靠性要求，設計冗余式PON架構FC-AE-1553如圖6所示，NC及各NT均采用雙路，實現冗余備份。

圖6 冗余式PON架構FC-AE-1553示意Fig.6 Diagram of Redundant FC-AE-1553 based on PON Topology

2.3 箭上混合總線拓撲設計

鑒于運載火箭大量電氣產品基于MIL-STD-1553B研制，并經歷了長期研制和飛行研制，可以可靠完成飛行，新型總線選擇平滑對接1553B的FC-AE-1553總線，便于產品繼承性開發。鑒于中國針對FC-AE-1553總線研制尚未完全成熟，全面替換箭上產品總線接口存在進度、成本和可靠性壓力，提出采用混合總線方式完成箭上通信，高速通信部分接入光纖總線，無高速通信需求產品繼承成熟1553B總線。

光纖總線采用PON架構的FC-AE-1553冗余架構，基于光耦合器構建無源總線網絡，采用單模光纖實現雙波長收發一體，采用雙冗余結構支持冷熱備份切換。設置總線橋接器實現FC-AE-1553對1553B總線設備的兼容。光電混合網絡主要包括：光網絡控制器（NC）、光網絡終端（NT）、光網絡監控（NM）、光纖總線轉發器（Network Repeater，NR）、總線橋接器（Bus Bridge，BG）、1553B終端（RT）、分光器等。

圖7 箭上混合總線原理構型Fig.7 Schematic Diagram of Hybrid Bus

NC選用OLT模塊，作為網絡的控制核心。NT、NM、BG采用ONU模塊。NT通過分光器和光纖實現與NC上下行通信。

光纖總線轉發器實現網絡中任何節點信息全域可達，接收任一節點信號后進行轉發，實現網絡各站點功能任意配置，在既定網絡情況下拓展能力大幅提升，NC、NT、NM可依需求配置。

總線橋接器實現FC-AE-1553光信號與1553B信號的轉換，實現了兩種體制接口網絡間的平滑通信。

通過混合總線的設計，將成熟的貨架1553B產品與新型智能應用光總線接口產品進行了有效融合，既滿足了可靠性繼承，又實現了高通量通信需求，同時靈活可配置設計，為具體應用留下了較大空間。

2.4 箭上混合總線電氣方案

圖8為一型運載火箭箭上電氣方案。在整體飛行控制機、慣組、各級伺服控制器、各級控制組合、地面計算機、測控計算機都具有較為成熟1553B接口產品基礎上，為確保火箭飛行可靠性，相關產品和狀態都不做更改。針對雷達、星敏感器、測控計算機等大容量通信需求，設計光纖總線完成交互。設置飛控計算機為NC，完成網絡調度；設置雷達、星敏感器為NT，完成高通量信息交互；測控計算機為NM和NT，完成測控信息交互和網絡信息監聽。

圖8 箭上電氣方案Fig.8 Diagram of Electrical System for Launch Vehicle

在此方案中，因飛控計算機及與慣組、控制組合、伺服控制器等產品和交互方案較為成熟，仍采用1553B總線BC進行調度，單獨在飛行控制器中設置板卡實現光纖總線通信，并由機內總線實現BC與NC的銜接。同樣測控計算機通過增設板卡實現光纖總線功能。因而，本方案中不需要總線橋進行協議轉換。此電氣方案僅為混合總線拓撲方案中一個應用，其他場景下，可通過總線橋實現其他靈活配置。

3 箭上軟件協議設計

3.1 基于優先級的時隙設計

對應用層消息進行優先級劃分，由NC進行網絡時隙調配。網絡信息包括控制流事務和數據流事務，控制流事務是指NC發起對目標NT的數據雙向搬移操作，數據流事務是指NC指定網絡其他兩節點間進行數據自主傳輸操作的過程。時隙管理策略如圖9所示。

圖9 時隙管理策略Fig.9 Algorithm of Time-slot Assignment

針對控制流和數據流分別梳理完成地址、字長、傳輸周期等信息，數據流信息還需明確緩存時間，之后開展時隙設計。時隙設計依據如下原則開展：

a）控制流優先傳輸；數據流優先級最低；數據流傳輸時隙內遇控制流傳輸需求，適當延后、縮短或取消數據流傳輸；

b）合理控制總線負載率，協調總線信息交互時間和周期，實現各時段負載均衡；

c）各組信息傳遞間應設置合理時間裕量，以適應非周期或重傳模式下信息傳輸需求。

3.2 混合總線信息輪詢設計

以測控計算機NM、BM接收不同信息為例，進行軟件設計邏輯說明。測控計算機接收光纖總線和1553B總線兩類監視信息，采用輪詢機制交替實現兩類數據收集和處理。

光纖數據經NM接收后需進行幀格式轉換，將OLT或ONU光電轉換后的串行數據轉換為并行數據，進行數據解碼，進而進入光纖數據緩存模塊，同時1553B數據經BM接收后進入1553B緩存模塊。在系統分配的讀使能有效情形下，FC-AE-1553緩存或1553B緩存數據進行輸出，判定幀頭和幀長度后，依據數據長度進行輸出，數據讀取完畢關閉讀使能，同時查詢另一類數據是否有緩存，如有則進行數據讀取。

遙測數據讀取后經過數據過濾、壓縮等操作，將所需的數據進行挑選和整理，經過緩存后，組成測控全幀數據進行對外發送。

圖10 輪詢策略Fig.10 Algorithm of Polling Assignment

4 實現與效果

設計開發了基于PON架構混合總線的電氣系統，對于總線數據交互情況進行監測，如圖11所示，數據收發正常，各智能單機實現了高速數據通信，同時對于1553B成熟產品兼容性良好，混合總線應用得到驗證。

圖11 光纖數據收發測試Fig.11 Test Show of Fabre Channel Transceiver

仿真對比PON架構與星型、環型拓撲結構下FC-AE-1553網絡時延，如圖12所示。PON架構下時延情況明顯優于星型和環型，在0.7網絡負載率工況下，PON架構平均時延約為0.0018 s，而同樣負載率下星型達到0.0035 s，環形達到0.0071 s。通過使用PON架構，有效提升了網絡整體性能。

圖12 時延仿真結果Fig.12 Simulation Result of Time Delay

5 結束語

隨著信息技術發展，運載火箭潛力得到再次激發，在繼承成熟產品和設計基礎上，實現對于智能終端、網絡化設備的能力融合顯得尤為重要。本文研究了一種基于PON架構混合網絡的運載火箭電氣設計，該網絡既能獲得1 Gb/s以上高通量帶寬，又能兼容成熟可靠1553B產品和設計，同時具備高的拓展性和應用靈活性。綜上所述，基于PON架構的混合型網絡在航天具有很好的應用前景。