一種基于多層1553B總線及CCSDS的載人航天器空間數據系統設計

高延超，梁 克，郭中偉

(中國空間技術研究院北京空間技術研制試驗中心，北京100094)

1 引言

隨著載人航天技術不斷發展，航天器在種類、規模、任務、功能等方面呈現出多樣化特點。多航天器在軌構建的組合式載人航天器與單一載人航天器相比，由于組合體內各航天器任務及功能差異性的客觀存在，航天器種類多、構型多變會極大增加天地間、器間數據管理難度；航天器規模大、構型多及設備終端多會極大增加器內數據管理的難度。組合式載人航天器的組合體在軌數據管理、組合體天地間數據管理、器間空-空數據管理等均是載人航天器空間數據系統亟待解決的難題。

國際空間站空間數據系統的主要特點是通用化及標準化。在器載網絡方面，單航天器、組合體的器載網絡均采用分層分布式網絡架構，支持多國別、多個類型的載人航天器組裝建造并實現組合體管理；在協議體制方面，采用了高級在軌系統(Advanced Orbiting System，AOS)標準，提供了標準、通用、靈活、多樣化的天地一體化數據處理業務。目前，中國載人航天器間的空間數據系統相對獨立，不同類型航天器組裝建造過程及組合體的數據管理往往會因體制差異而增加額外的轉換設計及實現難度。展望未來，需要統籌載人航天器空間數據系統頂層規劃，面向未來載人航天器，加強天地間、器間及器內業務和協議的標準化設計。

為了降低多航天器構建的組合式載人航天器的天地間、器間、器內的數據管理難度，促進載人航天器的接口及協議的標準化和通用化，增強航天器及設備的兼容性及可擴展性，本文提出一種基于多層1553B總線及CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)標準的載人航天器空間數據系統，重點針對載人航天器空間數據系統的器載網絡、空間鏈路子網絡協議體系進行研究及設計；基于多層1553B總線構建一種適合多航天器組合體管理的多構型、高可靠、可重構、大負載的空間數據系統器載網絡架構，支持大型載人航天器分布式分級分層形式的數據管理；基于CCSDS標準開展適合中國載人航天器空間數據系統的器載網絡及空間鏈路子網絡的協議體系研究及設計。

2 空間數據系統概念

航天器空間數據系統由空間數據系統咨詢委員會CCSDS提出，一般定義為航天器提供產生、傳輸、分發、獲取等可靠安全數據服務的集成，具有多信源、多用戶的開放系統模型，實現并統一航天器器內、航天器器間、航天器與地面之間的互聯互通。

空間數據系統遵循CPN(CCSDS Principal Net)主網模型，包括星載網絡(Onboard Network)、地面網絡(Ground Network)、空間鏈路子網絡(Space Link Subnetwork)三部分，根據配置的不同，CPN可分為空-地配置和空-空配置，CPN模型如圖1所示。

針對多航天器構建的組合式載人航天器，交會對接及撤離任務中需要空間數據系統支持航天器器間數據管理，組合體期間需要空間數據系統支持航天器與地面間數據管理，各航天器單飛、交會對接及組合體期間均需要空間數據系統支持本航天器器內的子系統/設備/航天員間的數據管理。載人航天器空間數據系統符合CPN模型，包括載人航天器的器載網絡、地面網絡、空間鏈路子網，結合CPN模型相關網絡功能，需求分析如下:

1)載人航天器器載網絡。根據組合式載人航天器構建過程，器載網絡可分為單航天器器載網絡和組合體器載網絡2種類型，單航天器器載網絡通過器間組網構建形成組合體器載網絡。載人航天器單獨飛行期間，單航天器器載網絡需要實現并統一器內子系統/設備/航天員間的數據傳輸與管理。組合式載人航天器構建前后，組合體器載網絡需要實現并統一組合體各種構型下各單航天器器載網絡間的數據傳輸與管理，并支持組合體靈活擴展及重構。

圖1 空間數據系統CPN模型Fig.1 Model of CCSDS principal net

2)載人航天器空間鏈路子網絡。實現并統一航天器器間(CPN空-空)、航天器與地面間(CPN空-地)的互聯互通，即支持器載網絡與器載網絡間、器載網絡與地面網絡間的數據傳輸及管理。

3)載人航天器地面網絡。實現并統一載人航天器地面設備間的數據傳輸與管理，本文研究范圍不包含這部分內容。

3 器載網絡架構設計

3.1 器載網絡需求分析及選取

載人航天器具有多任務、多功能、高可靠的特點，一般由若干個功能相對獨立的功能子系統組成，且終端設備布局較為分散，器載網絡需要滿足高可靠性、分布式、大負載的數據管理需求。載人航天器各功能子系統承擔功能不同，一般劃分為組合體管理功能(組合體層)、單航天器管理功能(航天器層)、子系統管理功能(子系統層)。為降低各功能子系統耦合性，優化各功能子系統間信息流，載人航天器器載網絡需要進行分層次的數據管理。對于多航天器構建的組合式載人航天器，器載網絡需要重點解決組合體構建過程中的各單航天器器載網絡間識別及組網，組合體構建完成后的組合體器載網絡數據融合管理及重構，組合體構建完成后的組合體器載網絡的兼容擴展問題。基于如上分析，載人航天器空間數據系統需要一種高可靠、分布式、分層次、大負載、可重構的器載網絡。

1553B總線是一種數字式、時分制、指令/響應型、多路傳輸數據總線，采用總線式網絡拓撲，適合應用于分布式、分層、大負載的管理網絡。1553B總線協議提供數據字、指令字、狀態字3種基本傳輸單元，并提供多種總線消息格式，可支持載人航天器遙測、遙控、指令、自主管理、組合體管理等各種業務數據傳輸。同時，符合GJB 289A的1553B總線控制芯片及總線電纜可獲取性好，并具備總線切換功能裝置，可解決組合體變化構型下多航天器組網及切換問題。相比較于ARINC429、RS485、CAN等機載或器載網絡，1553B總線具備可靠性高、穩定性好、實時性好、抗干擾能力強、可擴展等能夠適應空間復雜環境的特點，更適合于組合式載人航天器對器載網絡的需求。

3.2 基于多層1553B總線的器載網絡架構

3.2.1 單航天器

單航天器器載網絡通過載人航天器空間鏈路子網絡與其他載人航天器器載網絡、載人航天器地面網絡實現互聯互通，支持載人航天器間空-空數據通信，支持載人航天器空-地數據通信。

航天器單獨飛行期間，單航天器器載網絡實現并統一器內子系統/設備/航天員間的數據傳輸與管理。單航天器器載網絡多層1553B總線系統由組合體層管理總線系統、航天器層管理總線系統、子系統層管理總線系統構成，分別負責本航天器內的組合體層、航天器層、子系統層的功能管理。每層管理總線按照功能分配、總線終端數量按需分配，并最終經由組合體層管理總線與載人航天器空間鏈路子網互通，單航天器器載網路多層1553B總線系統架構如圖2所示，具體如下:

1)組合體層管理總線系統由組合體級數據管理單元、單器級數據管理單元及組合體層1553B總線組成。航天器單獨飛行期間，組合體層管理總線系統僅支持本航天器內航天器層管理總線系統與載人航天器空間鏈路子網間的數據管理。

2)航天器層管理總線系統由單器級數據管理單元、子系統控制器及航天器層1553B總線組成。單器級數據管理單元作為該總線系統的總線控制器(Bus Controller，BC)，各子系統控制器作為遠程終端(Remote Terminal，RT)，在BC控制下實現單器器載數據管理。航天器層1553B總線系統支持實現整器級任務功能，一般需要由多個分系統協同配合完成，如整器自主健康管理、遙測遙控管理等，根據子系統控制器數量和總線負載率綜合考慮、合理配置。在單飛行器多層1553B總線結構中，子系統控制器既作為子系統層管理總線的BC，又作為飛行器層管理總線的RT。

3)子系統層管理總線系統由子系統控制器、子系統終端設備及子系統層1553B總線組成。子系統控制器作為該總線系統的BC，子系統終端設備作為RT，在BC控制下實現子系統器載數據管理及子系統功能。載人航天器一般由若干子系統組成，且功能相對獨立，子系統層1553B總線可結合子系統配置、終端設備數量、總線負載率等因素綜合考慮、合理配置，比如熱控子系統層管理總線、環控子系統層管理總線、GNC子系統層管理總線等。同時，子系統層1553B總線系統匯聚其內部非總線設備數據，比如RS-422串口數據、專用接口數據等。

圖2 單航天器器載網絡多層1553B總線系統架構Fig.2 Architecture ofmulti-layer 1553B bus system on single spacecraft level

3.2.2 組合體

組合式載人航天器構建期間，組合體器載網絡實現并統一組合體各種構型下各單航天器器載網絡間的數據傳輸與管理，并支持組合體靈活擴展及重構。由組合體層管理總線系統、航天器層管理總線系統、子系統層管理總線系統分別負責各航天器內及器間的組合體層、各航天器內的航天器層、各航天器內的子系統層的功能管理。組合式載人航天器的多器構建和構型多樣，各器需相對獨立又需融合管理的特性，各載人航天器組合體在軌數據管理、組合體天地間數據管理、器間空-空數據管理是該類型載人航天器空間數據系統的難題。針對多航天器構建的大型載人航天器，組合體器載數據融合管理通過多飛行器級多層1553B總線系統實現，支持多器組合體通信、多器空-空通信、多器天地通信等。組合體器載網絡多層1553B總線系統架構如圖3所示。

1)組合體層管理總線系統由各載人航天器的組合體層管理總線、組合體級數據管理單元、單器級數據管理單元及總線切換裝置組成。根據載人航天器數量及功能定位、組合體構型、組合體層總線終端數量、電纜長度、負載率等因素合理配置。根據組合體復雜程度，組合體器載網絡可配置1套或多套組合體層1553B總線，其中每套總線可支持2個航天器對接停靠。1553B總線切換裝置實現各單航天器器載網絡與組合體器載網絡之間的并網及脫網，支持各器與組合體進行停靠及撤離，可實現一種可適應多構型的組合體器載網絡。在多航天器構建的組合式載人航天器中，根據任務規劃及功能定位，設置主控航天器負責組合體層器載數據管理。在組合體器載網絡多層1553B總線系統中，各航天器的組合體級數據管理單元均可工作在BC或RT模式。根據組合體各航天器的飛行模式，設計單飛模式、組合體正常模式，實現組合體組裝建造過程中從單器到多器組合體的數據管理。同時，根據組合體各飛行器的故障模式，組合體層1553B總線系統設計組合體安全模式支持數據管理功能故障重構，實現各種故障模式下高可靠的數據管理。各工作模式具體如下:①單飛模式。各載人航天器在單獨飛行期間，在組合體層管理總線系統中，組合體級數據管理單元作為BC，單器級數據管理單元作為RT，組合體級數據管理單元負責所有器載數據管理；②組合體正常模式。各載人航天器形成組合體期間，一般情況下，主控航天器的組合體級數據管理單元工作在BC模式，負責組合體所有器載數據管理，其他組合體級數據管理單元、單器級數據管理單元工作在RT模式。同時，各航天器組合體級數據管理單元之間交互組合體層數據，如飛行器間的遙控遙測數據，在空間鏈路子網絡支持下確保組合體器載網絡的高可靠性；③組合體安全模式。各載人航天器形成組合體期間，當主控艙段組合體級數據管理單元BC出現故障或異常時，指定某個航天器的組合體級數據管理單元切換至BC模式并負責組合體器載數據管理，實現組合體層管理總線系統的重構。

圖3 組合體器載網絡多層1553B總線系統架構Fig.3 Architecture ofmulti-layer 1553B bus system on multi spacecraft level

2)航天器層管理總線系統相對獨立，相應單器級數據管理單元作為BC，負責本航天器器載數據管理。在組合體層管理總線系統的各種工作模式下，航天器層管理總線系統工作模式均一致。

3)子系統層管理總線系統相對獨立，相應子系統控制器作為BC，負責本子系統的器載數據管理。在組合體層管理總線系統各種工作模式下，子系統層管理總線系統工作模式均一致。

4 空間數據系統協議體系設計

CCSDS主要負責開發和采納適合于空間通信和數據處理系統的各種通信協議和數據處理規范，在器載通信協議、空間鏈路通信協議等方面提出了多個建議書，適合于組合式航天器協議體系設計，在國內外航天器中得到廣泛應用，以支持航天器各種業務及協議的標準化設計。結合CCSDS的空間鏈路業務(Space Link Services，SLS)領域的空間通信協議體系及航天器器載接口業務(Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS)的器載通信協議體系，本文提出的載人航天器空間數據系統協議體系如圖4所示。

1)應用層面向載人航天器頂層應用功能，對業務數據標準化、模塊化，將頂層應用功能與底層協議分離以適應不同類型的載人航天器。根據載人航天器類型及功能定位，識別并標準化共性頂層應用功能，包括遙控、遙測、熱控管理、環控管理、時間管理等。對于特殊的頂層應用功能進行模塊化設計以供備選，包括交會對接、停靠管理、出艙活動、推進補加等。

圖4 基于CCSDS的載人航天器空間數據系統協議體系Fig.4 Protocol architecture ofmanned spacecraft data system based on CCSDS

2)應用支持層支持應用層對底層設備、時間、消息等進行虛擬化形式訪問，以擺脫器載網絡對底層協議的依賴。航天器星載接口業務SOIS體系架構中，應用支持層包括命令與數據獲取業務(Command and Data Acquisition Service，CDAS)、時間訪問業務(Time Access Service，TAS)、文件及包存儲業務(File and Packet Store Service，FPSS)、消息傳輸業務(Message Transfer Service，MTS)、設備枚舉業務(Device Enumeration Service，DES)5種應用支持層業務。載人航天器空間數據系統中，應用層對于設備、時間、消息的訪問是最基本的功能，應用支持層選用CDAS、TAS及MTS業務，其他2種業務預留。

3)網絡層面向器載網絡的網絡層協議，采用CCSDS空間包協議，對空間包APID和副導頭進行合理規劃，包括業務數據類型、源地址、目的地址等，對器載網絡的網絡層傳輸路由協議進行標準化設計，支持空間包在不同航天器器載網絡間、航天器不同子系統器載網絡間傳輸路由，支持不同器載網絡間自主識別及組網。后續隨著器載網絡升級及天地一體化網絡技術發展，依據IP over CCSDS SPACE LINKS藍皮書(CCSDS 702.1-B-1)，載人航天器空間數據系統器載網絡的網絡層CCSDS空間包可封裝IP數據包來支持IP數據包在器載網絡層傳輸；同時，該類型CCSDS空間包可通過鏈路層IP over CCSDS AOS協議實現器載網絡和地面網絡通信協議的一致化，從而可支持載人航天器實現天地一體化。

4)鏈路層面向空間鏈路子網絡及器載網絡，針對空間鏈路子網絡，CCSDS空間鏈路協議包括常規在軌系統(Conventional Orbiting System，COS)空間鏈路協議和高級在軌系統(Advanced Orbiting System，AOS)空間鏈路協議。COS包括遙測(Tele-Measuring，TM)空間鏈路協議和遙控(Tele-Controlling，TC)空間鏈路協議，其中，AOS業務已經覆蓋了TM業務。基于此，載人航天器鏈路層協議設計如下:①空間鏈路層面向空間鏈路子網絡的鏈路層協議，包括載人航天器的器-地(天地間)、器-器(空-空)鏈路層協議。器-器鏈路層協議面向載人航天器間的空-空通信鏈路層協議，采用AOS空間鏈路協議。器-地鏈路層協議主要面向載人航天器天地測控鏈路層協議，對于器-地上行采用TC＋AOS相結合的空間鏈路層協議，既能滿足上行多種類型、不同速率的業務數據，又能對目前載人航天器兼容；器-地下行采用AOS空間鏈路層協議。后續隨著航天器天地一體化網絡的發展，載人航天器空間鏈路層協議可擴展為IP over CCSDSAOS。②器載鏈路層面向器載網絡的鏈路層協議，采用符合GJB 289 A的1553B總線鏈路協議，通過1553B匯聚協議及包業務實現與器載網絡的網絡層間的數據傳輸。

5)物理層面向空間鏈路子網絡及器載網絡的物理層協議，包括空間物理層及器載物理層。空間物理層應滿足天地測控鏈路、天基中繼空-空鏈路、航天器間空-空鏈路等物理層協議要求，主要涉及鏈路物理層的射頻與調制相關標準，本文不再詳述。器載物理層采用符合GJB 289 A的1553B總線物理層協議，后續隨著器載網絡通信技術發展可擴展為時間觸發以太網(Time-Triggered Ethernet，TTE)、FCAE-1553總線等。

5 結論

本文提出的系統架構及協議體系中關鍵協議已在某項目中成功應用，并通過了地面試驗驗證。

1)基于多層1553B總線的載人航天器器載網絡系統架構解決了組合式載人航天器組合體構建過程中的各單航天間識別及組網、組合體數據融合管理及重構、組合體兼容擴展難題，為該類型載人航天器組合體管理提供一種高可靠、分布式、分層次、大負載、可重構的有效解決方案。

2)基于CCSDS的系統性、分層次的載人航天器空間數據系統協議體系可解決不同種類航天器、不同業務數據的標準化、通用化和可擴展性設計問題，有效提升載人航天器的兼容性及可擴展性。