載人航天器網絡化層級式信息系統設計

李光日，王靜華，李智勇，張森，王昊

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.中國空間技術研究院西安分院，西安 710000）

我國通過載人航天交會對接任務的實施，已掌握了高可靠總線和高級在軌系統等航天器信息管理技術［1-2］，主要采用總線系統管理平臺遙測、指令等業務數據，總線系統架構一般根據總線負載數量采用單總線或多總線并行架構；而國際空間站采用“層狀結構”的總線系統［3-4］，在業務數據上進行了分級管理，但仍然難以突破總線信息速率的限制。

隨著網絡技術的發展，高速信息交換系統已成為國內外航天器信息系統研究的必然趨勢。地面測控通信網已經實現網絡化，并基于互聯網建立了全球地面測控通信網的一體化通信；如果航天器信息系統采用網絡化互連，一方面可以提高信息交換速率，另一方面能夠具備與地面測控通信系統一體化通信的能力。目前，國內外對于天地一體化網絡融合的組網技術主要處于理論和試驗階段［5-9］，國際空間站已將百兆高速網絡應用于載荷數據的傳輸，開展了在軌試驗，但網絡信息與平臺業務數據在管理和傳輸之間相互獨立，未進行信息融合。

我國載人航天已全面進入空間站任務階段，載人航天器在數據管理和傳輸任務上呈現出多負載、大數據、復雜數據類型等新需求。現有載人航天器基于單總線體制的信息管理技術在數據負載速率和業務類型上已無法完全滿足任務需求，迫切需要研究基于網絡和層級式多總線融合的航天器信息管理技術。

1 網絡化信息系統架構

相比于地面網絡環境，航天器天地傳輸鏈路具有時延長、帶寬有限、雙向鏈路帶寬不平衡以及航天器內部電磁環境復雜等特點，直接應用地面組網技術將導致天地一體化網絡通信效率低、可靠性差等問題。針對以上問題，提出了一種空間高效可靠的組網方案，構建以空間以太網交換機、天地網關為核心的航天器網絡通信系統，并對地面網絡協議進行改進和優化，實現高效可靠的天地一體化互聯網絡通信。

1.1 天地一體化網絡通信系統架構

隨著地面以太網技術的快速發展及廣泛應用，空間通信與地面網絡融合技術成為空間通信未來的主要發展趨勢，空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）制定了IP over CCSDS Space Links紅皮書建議草案［10］，為航天器和地面系統間實現CCSDS空間數據鏈路協議之上傳輸IP數據包提供了指南，使天地間的通信從網絡層開始采用一致的協議實現一體化網絡通信，建立天地一體化網絡通信系統。

通過對以太網技術和IP over CCSDS協議在空間應用的研究，構建了以空間以太網交換機、無線收發設備、天地網關為核心的航天器天地一體化網絡通信系統架構，支持自研或商用網絡終端設備的有線或無線接入以及不同航天器間的組網通信，并通過中繼衛星系統與地面測控通信系統建立的天地無線鏈路接入地面測控通信網絡，系統架構如圖1所示。

圖1 天地一體化網絡通信系統架構

（1）空間以太網交換機負責有線網絡終端的接入及不同航天器間的組網，支持標準的以太網協議和接口，將航天器內部網絡終端數據與其他航天器網絡終端及天地網關進行數據交換。

（2）無線收發設備負責無線網絡終端的接入，支持WIFI協議，將無線網絡終端數據接入空間以太網交換機，實現無線網絡協議與以太網協議的轉換，并通過空間以太網交換機與其他航天器網絡終端及天地網關進行數據交換。

（3）天地網關負責航天器網絡與地面網絡的雙向數據傳輸，將航天網絡的IP協議［11］與CCSDS AOS天地鏈路傳輸協議［12］進行轉換，完成航天器網絡與地面網絡協議的映射，實現天地一體化網絡通信的網關功能［13］。

1.2 天地一體化網絡協議棧

針對天地長時延、帶寬有限以及雙向鏈路速率不一致的限制，優化了多層網絡協議，有效減少了天地協議轉換環節，提高了航天器天地一體化網絡通信的效率和可靠性。

網絡協議棧采用5層結構，包括應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層，如圖2所示。

圖2 航天器網絡協議棧

1.2.1 應用層

由于網絡數據采用突發傳輸的模式，一旦多種數據同時發送，會導致瞬時超出鏈路帶寬，出現數據丟失的情況。因此，必須通過合理的網絡流量控制策略，避免網絡發生擁塞。

（1）流量控制策略1：對于周期性或隨機性，且實時性要求的低速數據，不進行流量控制；

（2）流量控制策略2：對于有實時性和流暢性要求的高速數據，要求對一定時間內統計的平均速率進行控制，即需滿足式（1）：

其中，Vt為t時間內統計的平均速率；Vavg為平均速率要求；

（3）流量控制策略3：對于無實時性要求的高速數據，為保證終端輸出數據速率平滑，對相鄰數據包之間的時間間隔進行規定，要求終端應用層在對輸出數據進行緩存平滑后，再進行網絡協議映射傳輸，應用層數據包時間間隔需滿足式（2）：

其中，t為連續傳輸2幀數據之間的時間間隔；L為本幀數據的長度，單位為bit；Vavg為平均速率要求；Vmax為端口傳輸速率，百兆終端為100 Mbps。

1.2.2 傳輸層

由于天地鏈路時延在500 ms以上，同時前向（上行）帶寬通常是返向（下行）帶寬的1/10，使用TCP協議傳輸時，由于該協議設計了雙向應答機制，導致數據速率基本約束在2 Mbps量級，在航天器上僅能將可靠性要求高、速率低的數據使用該協議傳輸。在使用商用設備接入天地網絡時，可使用HTTP、FTP等應用層協議進行小文件傳輸，以滿足航天任務文件在天地間互傳和航天員瀏覽網頁的需求。

對于圖像、話音等實時傳輸類數據，對誤碼率要求不高而實時性要求較高，可不考慮丟包重傳機制，在應用層采用實時傳輸協議（RTP），傳輸層采用UDP協議，確保傳輸時延盡可能小。

1.2.3 網絡層

通信網絡采用IP協議進行網絡層的數據交換。高速通信處理器作為天地網關完成IP包的天地傳輸。航天器內部有線網絡和與空間站的通信采用IEEE 802.3協議，航天器內部無線網絡采用IEEE 802.11g/n傳輸協議。

1.2.4 數據鏈路層

天地之間采用IP over CCSDS協議、CCSDS封裝包協議、AOS協議進行傳輸。高速通信處理器收到IP包后通過封裝包協議對IP包數據進行封轉，放入CCSDS AOS幀數據區進行傳輸。由于CCSDS AOS幀長定義為1 024字節，包括幀同步字、幀頭、RS校驗核，留給IP包的長度為886 B，在IP包封裝過程中，如果IP包長度按照傳統TCP/IP協議根據1 500字節的MAC幀長進行劃分，必然會在鏈路幀尾部填充無效數據，造成鏈路帶寬浪費，為解決該問題，提出了基于天地數據鏈路幀格式的網絡包分段策略，高速載荷終端按照鏈路幀長切割載荷數據封裝為IP包，確保IP包長和鏈路幀長一致，避免在鏈路中出現無效的填充包，可極大地提高鏈路的利用率，較按照MAC幀長劃分時的74%利用率提升至86%，改善10%以上。

1.2.5 物理層

航天器網絡終端分布在航天器的艙內和艙外，艙外為高低溫交變的真空環境，艙內為恒溫的載人環境，艙內外網絡終端設備間的網絡通信需要通過穿艙信號傳輸來實現，存在氣密封穿艙的環節。為了保證艙內外網絡信號傳輸的可靠性，用于傳輸以太網信號的連接器及電纜除了要滿足電性能指標外，還要能夠耐力、熱、空間輻照等一系列空間環境。因此，航天器以太網信號物理層傳輸是一條非常復雜的物理鏈路。

目前，國內外并無宇航級以太網專用連接器及電纜相關標準，通常使用宇航用低頻電連接器及電纜。由于以太網信號是差分信號，且航天器內部交換機和終端設備間物理層鏈路采用100BASE-TX傳輸標準（速率為100 Mbps），內部交換機與天地網關物理層鏈路采用1000BASE-X傳輸標準（速率為1 Gbps），相比低頻信號（Hz級別）有大幅提高，若物理傳輸鏈路阻抗不匹配，會導致衰減、近端串擾及回波損耗等傳輸指標增大問題，對于多路高密度穿艙連接器尤為突出［14］。為解決該問題，通過多路高密度穿艙連接器的電場分布分析和試驗驗證，提出了在多路高密度連接器采用交叉排布和電纜分組屏蔽的低電磁互擾排布方法（如圖3所示），優化了連接器內部導線間的電場分布，降低了收發線路的相互影響，近端串擾優化8 dB，解決了多路高密度連接器高速傳輸線間串擾的難題，實現了空間環境下艙內外網絡終端的百兆以太網信號穩定傳輸。

圖3 多路高密度以太網連接器排布方式

2 層級式總線信息系統架構

目前，大型航天器，尤其是載人航天器的總線終端（含載荷設備總線終端）數量已遠遠超過單總線允許的32個總線終端數量，必須通過多總線系統設計滿足總線終端的數據可靠傳輸。相比單總線系統，多總線系統存在總線終端配置及負載均衡等技術難點，為實現總線系統的優化配置和負載均衡，提出了一種基于總線終端功能的層級式總線信息系統架構以及總線負載均衡和流量控制方法。

根據航天器總線終端的功能，將總線終端劃分為系統級、功能級、執行級、艙段級和載荷級，各級功能如表1所述。

根據總線終端的層級劃分，構建了以數據總線為核心，控制總線、載荷總線和艙段互聯總線組成的層級式總線架構，如圖4所示。

（1）數據總線：連接系統級與功能級設備，實現平臺信息管理功能；

（2）控制總線：連接姿軌控制器與敏感器/執行機構級設備，實現載人航天器姿軌控功能，確保控制信息的可靠傳輸；

（3）艙段信息互聯總線：連接不同載人航天器間總線系統，確保航天器間信息的可靠傳輸；

（4）艙段控制互聯總線：連接主控航天器控制系統與受控航天器推進系統，實現組合體控制與推進設備的融合使用，滿足控制時延要求；

（5）載荷總線：載荷管理設備與載荷設備，實現載荷設備的信息支持，確保載荷信息與平臺信息的安全隔離。

層級式總線系統可支持150臺以上的總線終端（含載荷設備），各總線終端根據需求傳輸的總線消息長度和周期不同，對總線負載均衡和流量控制提出了更高的要求。為確保載人航天器總線系統長期穩定可靠的工作，提出了一種基于數學模型的總線負載均衡分配方法［15］。針對總線負載均衡目標建立數學模型，即總線負載率波動模型，利用經典的模擬退火優化算法進行求解，解目標設置為總線負載率波動值最小，可行解區域即為所有消息幀的排列位置，可有效提升總線帶寬分配工作的設計效率近90%。

3 網絡化層級式信息融合管理

網絡化層級式信息系統在軌運行期間，航天器總線管理設備（CTU）負責按照飛行程序完成對系統的信息統一管理和時序調度。為滿足任務需要，CTU與航天器網絡終端設備之間需建立信息交互，實現向網絡終端發送的指令及時間同步信息，接收網絡終端遙測參數等信息綜合管理功能，為解決網絡化層級式信息系統信息融合管理問題，提出了一種總線終端與網絡終端之間的協議轉換及時間同步機制。

3.1 網絡與總線系統協議轉換機制

為解決網絡終端與總線終端之間的信息交互問題，提出了一種以網絡核心設備為橋接設備建立網絡與總線系統之間的信息交換機制，按照系統間通信轉換協議，將網絡與1 553 B總線信息從物理層開始至傳輸層的各層進行轉換，使系統間應用層數據能夠相互溝通。

網絡與總線系統協議轉換機制如圖5所示。

圖5 網絡與總線系統協議轉換機制

對于指令數據，橋接設備從總線接收后，對數據進行緩存，再按照總線協議進行格式剝離，對應用層數據根據指令映射表查找確定執行目標終端，對于執行目標終端為設備自身的指令，則直接執行；對于目標終端為其他終端設備的指令，將指令內容按照網絡協議格式轉換封裝為網絡包，再采用TCP/IP網絡協議進行轉發，目的終端設備通過交換機等網絡交換設備接收并執行。

對于注入數據，橋接設備根據注入數據中的目的IP地址確定目的終端，再將注入數據內容按照網絡協議格式封裝為網絡包進行轉發。

對于網絡終端的總線遙測信息采集業務，網絡終端設備將自身的狀態信息采集后作為應用層數據，采用TCP/IP協議發送給網絡橋接設備，網絡橋接設備按照網絡協議格式對應用層有效遙測數據進行剝離，與其他總線信息綜合后，轉換成總線協議格式，通過總線接口按照總線調度時序發送。

3.2 基于總線時統的網絡終端校時機制

載人航天器總線信息系統采用集中式的時間系統維護，由數據管理系統負責集中維持系統時間，每分鐘通過總線廣播的時間信息。與總線信息系統不同，網絡系統采用分布式時間維持模式，各組成設備維持各自的本地時間。

為解決網絡與飛船平臺的時間同步問題，設計了基于總線時統的網絡終端校時方法，通過系統間的橋接設備引入總線系統時間信息，將系統時間轉換為網絡校時協議進行廣播，將網絡系統中各終端設備的離散時間維護模式轉化為主從約束式同步模式，建立了航天器網絡時統與系統時統的同步維護機制。

在載人航天器網絡系統中，高通通信處理器以網絡管理器形式承擔了時間服務器業務，形成時間服務器/客戶端模式的主從式時間同步系統，網絡時統與系統時統同步模式如圖6所示。高速通信處理器開機后自動通過1 553 B總線接收CTU廣播的時間信息，對自身的時鐘進行周期調整，也支持通過1 553 B注入的方式對時間基準進行設定，高速通信處理器將同步后的時間信息換成以秒為單位的浮點數數值，將秒值整數部分生成時間戳信息的前32 bit，秒值小數部分轉化為時間戳信息的后32 bit。

圖6 網絡時統與系統時統同步模式

作為整個網絡系統的時間基準，高通通信處理器采用SNTP協議向整個網絡信息系統定時廣播校時信息。網絡終端設備支持SNTP廣播校時協議，接收網絡廣播的時間信息，自行進行時間校準和維持，從而實現整個網絡系統的時間與整船平臺系統時間的同步。

4 實驗及應用效果

為驗證本文提出的網絡架構和協議的設計，通過仿真、實驗室測試及天地對接實驗進行驗證，參試的電纜、網絡設備、天地鏈路和地面站網絡均使用真實設備，實驗中開展了總線負載均衡仿真測試、協議轉換及校時機制測試、天地IP數據包傳輸時延測試、圖像傳輸測試、話音傳輸測試等測試項目。

（1）總線負載均衡仿真測試

通過數字化仿真手段，模擬貨運飛船總線終端配置，應用基于模型的總線負載均衡分配方法實現總線消息的自動分配，實現了貨運飛船層級式總線負載均衡，總線數據流量共計約190.672 Kbps，總線帶寬使用量小于30%總傳輸能力，滿足貨運飛船總線系統長期可靠穩定運行要求。

（2）協議轉換及校時機制測試

在實驗室環境下，通過總線系統向網絡終端發送程控指令和注入數據，網絡終端相應正常；總線時統對網絡終端校時頻率為1次/s，校時分辨率為0.5 ms。

（3）傳輸時延測試

天地IP數據包傳輸時延約為526 ms，如圖7所示。

圖7 傳輸時延測試

（4）圖像傳輸測試

高清圖像下行正常，圖像清晰流暢，如圖8所示。

圖8 圖像傳輸測試

（5）話音傳輸測試

話音傳輸正常，話音速率控制均勻，天地話音延時約0.4 s，話音流暢，未發生丟包。

5 結論

本文設計的航天器網絡化層級式信息系統構架，協議棧及信息融合管理機制通過實驗驗證，可以有效實現網絡數據在天地鏈路中的高效可靠傳輸，多層總線負載均衡和流量控制以及不同通信體制間協議轉換和時間同步；并可應用于以載人航天器為代表的低軌地球軌道航天器信息系統，同時可推廣應用于深空探測任務，具有重大的軍事、社會效益和廣泛的應用前景。