基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網絡研究

王 洋，姜云升，任 凱，劉丹陽，韓 明

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

測控通信是運載火箭在飛行試驗中獲取數據的重要手段，是發射任務成功的重要保證之一。運載火箭在測試和飛行期間，內部的各種狀態監測參數通過測控通信系統傳輸至地面，作為設計人員了解火箭測試和飛行狀態的最重要依據[1]。

從1959年開始，美國靶場指揮官委員會(Range Commanders Council，RCC)下屬遙測組(Telemetry Group，TG)提出并維護靶場儀器組(Inter-Range Instrumentation Group，IRIG)106協議[2]，協議旨在保證RCC管轄內各試驗靶場遙測應用的互通性。2004年，美國核心試驗和評估投資計劃(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)實施了集成網絡增強遙測(integrated Network Enhanced Telemet-ry，iNET)項目[3]，以期達到增強已有遙測系統能力的目的。與此同時，提出遙測網絡標準(Telemetry Network Standard，TmNS)作為iNET項目的核心內容，旨在規范各組成部分之間的互通性，指導系統的開發。IRIG 106每兩年進行一次更新，從2001版開始，IRIG 106標準便加入了遙測網絡的部分，目前IRIG 106最新版本為2020版，此版本中第二部分(第21～28章)是對遙測網絡標準TmNS的介紹。

目前我國運載火箭主要采用點對點、單向傳輸的無線測控方式，即箭上測量系統將信息經過PCM-FM調制后通過無線鏈路發送給地面站，無線鏈路采用S頻段。該遙測體制遵循我國現行的GJB遙測標準[4]，該標準基本上是參考美國IRIG106遙測標準制定的。

近年來，隨著我國運載火箭規模的增大以及發射任務的密集化，傳統的點對點、單向傳輸的遙測技術已經不能滿足飛行試驗測控需求的變化與增長，在網絡互聯技術迅猛發展的推動下，多點對多點、雙向通信的天地一體化網絡傳輸技術成為了新的研究熱點[5-7]，帶來了遙測體制的變革[8-9]。本文以TmNS為基礎，提出了基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網絡的思路及實現方法。

1 TmNS標準簡介

1.1 TmNS特性

TmNS的核心設計原則是為建立基于網絡的遙測系統提供框架，通過提高頻譜效率來實現飛行試驗測控手段的變革，是對現有遙測系統功能的增強和擴展。TmNS在保留傳統PCM串行遙測流(Serial Streaming Telemetry，SST)功能的基礎上，利用現有的以太網標準協議(TCP/IP協議棧)以及新設計的特定協議，提供路由、服務質量和擁塞控制等特性，使新型遙測系統具備以下幾大增強功能[10-11]：

1)雙向通信功能：可分別從傳感器和存儲器上實時查看被測對象(Test Article，TA)當前和歷史測量數據；當PCM信號失鎖時可以近實時地恢復丟失的測量數據；地面站可為被測對象提供參數配置、指令控制等功能。

2)動態頻譜共享：多發試驗任務并行開展時，具備提供遙測頻譜資源共享的能力。

3)服務質量：可根據特定試驗任務或特定測量數據(如話音數據)的優先級來動態共享頻譜資源。

4)全互聯系統：可為被測對象提供從一個天線到另一個天線的發射/接收數據的無縫切換能力，包括在不同網絡和其他靶場內的天線。TmNS使用術語“接力”來描述該類型切換。

5)視距外遙測：為包含多個被測對象和遠距離射程的靶場試驗提供被測對象到被測對象的中繼通信能力。

1.2 TmNS協議棧

為實現測控網絡中成員之間的雙向通信(互聯互通)，TmNS利用了現有的TCP/IP協議棧，并在其基礎上進行了一些適應性更改[12]。

TCP/IP協議棧是一個4層的協議結構，它包含應用層、運輸層、IP層、網絡接入層(數據鏈路層和物理層)，其中每一層都服務于上一層，同時被其下面的層所服務，發送端數據從TCP/IP協議棧的應用層自上而下傳遞到物理層，從發送端的物理層經過特定的傳輸媒介達到接收端的物理層，再自下而上傳遞到接收端的應用層被接收。TCP/IP協議棧中各層之間是嚴格獨立的，對其中一層的改動不會影響到其他層，每層允許使用不同的協議技術。

圖1給出了基于TCP/IP協議棧的TmNS協議棧設計，其中，中間協議族為被TmNS選中的已有TCP/IP協議，右邊協議族為TmNS設計的特定協議。同時，為方便讀者理解，將現有傳統的PCM-FM遙測體制(左邊協議族)放入TCP/IP協議棧相應層中與TmNS協議棧進行對比，可以看出，傳統的PCM-FM遙測體制僅規范了一些底層的物理特性和協議，例如頻率、信道編碼、編幀、調制方式等，這些均是物理層和數據鏈路層的技術，不存在應用層、運輸層和IP層。

1.3 TmNS系統架構

如圖2所示，TmNS系統架構包含4個子系統(不強制基于TmNS的系統都包含這4個子系統，但是典型的系統部署應包含這4部分)，4個子系統的功能描述如下[13]：

圖1 基于TCP/IP協議棧的TmNS協議棧Fig.1 TmNS protocol stack based on TCP/IP protocol stack

圖2 TmNS系統架構圖Fig.2 TmNS system architecture diagram

1)被測對象子系統(Test Article Subsystem，TAS)：空中的被測對象為數據采集單元、存儲器、遙測傳輸設備等提供基于網絡的接口，用于對設備進行配置和控制以及設備健康和狀態信息的回傳。同時，被測對象還具備與現有的傳統PCM遙測系統進行交互的接口。

2)地面站子系統(Ground Antenna Subsystem，GAS)：地面站子系統用于連接被測對象與靶場操作中心兩個子系統，為被測對象提供雙向無線鏈路，可依賴于現有的跟蹤機制，例如跟蹤被測對象發射的SST信號。

3)靶場操作子系統(Range Operations Subsystem，ROS)：該子系統用于將地面站子系統中的射頻組件與靶場操作中心進行互聯，具備遠程管理地面站子系統中跟蹤天線、網絡設備(交換機和路由器)等資源的能力。

4)任務控制子系統(Mission Control Subsystem，MCS)：任務控制子系統可與被測對象進行通信，具備接入現有遙測處理系統的接口，還具備處理TmNS數據消息的所需資源。

2 基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網絡設計

現有運載火箭PCM遙測系統中，需要提前策劃數據傳輸內容及幀格式，即PCM數據流格式是提前編排好的，根據每發任務需求進行差異化設計。該工作模式顯著優點是傳輸可靠性和實時性好，在現有運載火箭遙測參數規模及發射頻度下，可以滿足任務需求。隨著運載火箭遙測參數規模逐步擴大以及并行試驗任務的日益增多，這種單向、點對點、結構不靈活的工作模式不能滿足未來運載火箭測控的需求，頻譜資源利用等問題也日益突出。TmNS標準的提出，使得在傳統PCM遙測鏈路外增加了上下行的雙向無線網絡鏈路，實現遙測系統的網絡化和天地一體化，基于雙向IP網絡實現了數據按需遙測的能力，即可根據策劃或者突發事件更改遙測傳輸內容，同時可提供基于任務和數據優先級的服務質量；具備動態資源共享能力，可支持多發并行試驗任務，解決了頻譜資源緊張的問題。

在現有運載火箭PCM遙測系統基礎上，基于TmNS標準構建的新型運載火箭天地一體化測控網絡系統框圖如圖3所示，該系統可以劃分為火箭內部網絡、地面站、靶場操作中心、任務控制中心等4部分，各部分組成和功能描述如下。

2.1 火箭內部網絡

傳統PCM數據流向如圖3中紅色實線框中所示，由箭上PCM數據采集單元將采集的測量數據傳輸給PCM編幀加密設備進行遙測編幀及數據加密，加密后的PCM數據通過SST發射機轉換為射頻信號后，傳給天線系統發射出去，在未來較長一段時間內，將會保留傳統PCM碼流用于傳輸高可靠性和實時性要求的數據。

基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網絡在現有PCM數據流(SST)基礎上增加了網絡數據流，即TmNS數據流。首先，箭載Network數據采集單元將采集到的測量數據封裝在TmNS數據消息(Data Message)中，根據用戶需求，采用LTC傳輸協議(Latency/Throughput Critical Delivery Protocol)將TmNS數據消息傳遞給MDL文件(該文件用于配置和控制基于TmNS的設備以及獲取其狀態等信息)中定義的目的地址(如傳遞給箭載TmNS存儲器進行備份或者地面遙測處理設備進行數據的分析與顯示)。箭載TmNS存儲器可利用LTC傳輸協議接收TmNS數據消息，將其存儲在固態介質中，也可將利用RC傳輸協議(Reliablity Critical Delivery Protocol)將被請求的數據發送給任務控制中心的TmNS存儲器。火箭內部各網絡設備通過交換機進行互聯互通，TmNS數據消息先經過網絡加密機進行加密，再傳遞給TmNS發射機生成射頻信號通過天線系統發射出去，天線系統接收到地面站發送的射頻信號后傳遞給TmNS接收機，再經過網絡解密機進行解密后得到TmNS數據消息發給相應設備。

同時，SST與TmNS數據流之間可以相互轉換，這一功能也是基于TmNS的新增功能，由箭載PCM網關和Network網關實現[14]。PCM網關可根據MDL文件從未加密PCM數據流中選擇所需要的PCM數據，通過TMoIP協議轉換為IP包，實現將PCM數據承載在IP網絡中傳輸。Network網關可根據MDL文件從IP包中選擇所需要的測量數據(IP包)，通過數據包遙測技術轉換為PCM數據流發送到SST發射機。

2.2 地面站

地面站的天線系統接收到箭上天線系統發射的無線信號，將TmNS無線信號送給TmNS接收機處理，將SST無線信號送給SST接收機處理，分別解調出加密后的IP包和加密后的PCM數據流送給任務控制中心進行處理。加密后的PCM數據可以通過地面站PCM網關轉換為IP數據包，實現PCM在靶場網絡中的傳輸，也可以直接送給任務控制中心的PCM解密機進行解密處理。任務控制中心的指控數據(IP包格式)，通過靶場網絡發送給地面站TmNS發射機生成射頻信號，再通過地面天線系統向空間發射出去。同時，地面站TmNS發射機/接收機可受靶場操作中心的鏈路管理器(Link Manager，LM)的控制，執行鏈路控制功能，通過靶場網絡接收LM發送的控制信息，該信息規定了上行/下行傳輸開始和結束的精確時間，還可接收射頻(Radio Frequency，RF)網絡管理指令并做出響應。

2.3 靶場操作中心

位于靶場操作中心的RF網絡管理器(RF Network Manger)負責管理RF網絡資源，對RF網絡中的相關設備進行優化控制和協調，包括協調靶場內和靶場間地面站接力的具體細節，協調RF鏈路和RF網絡數據傳輸底層機制的更新，協調RF網絡轉發配置的更新等。鏈路管理器負責策劃TmNS發射機/接收機的RF傳輸，為地面站和被測對象之間的所有上下行鏈路的RF傳輸分配時隙，即提供時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的控制功能。這些網絡管理信息均承載在IP包中，經靶場網絡送給地面站的TmNS發射機/接收機。

圖3 基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網絡系統框圖Fig.3 Diagram of TmNS-based space-earth integrated TT&C network for launch vehicles

2.4 任務控制中心

具備傳統PCM數據流的接收功能，通過任務控制中心的PCM解密機對地面站SST接收機輸出的加密PCM數據流進行解密后送給中心的遙測處理設備，還可以通過任務控制中心的Network網關將從靶場網絡送來的IP包中承載的加密后的PCM數據剝離出來(該過程為TMoIP的逆過程)，送入PCM解密機解密后給遙測處理設備進行處理。同時，任務控制中心PCM網關從PCM數據流中找到相應的IP包(該過程為數據包遙測的逆過程)，通過交換機送給相應的遙測處理設備；任務控制中心Network網關接收到含有PCM數據的IP包，將其解析后(該過程為TMoIP的逆過程)傳送給相應的遙測處理設備。

3 關鍵技術研究

3.1 TmNS數據消息傳輸協議

在基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網絡系統中，測量數據在應用層以TmNS數據消息的格式進行傳遞。TmNS數據消息結構如圖4所示，由TmNS數據消息頭域和載荷域構成，其中TmNS數據消息載荷域中包含多個信息包，每個信息包中均存放有測量信息。

（1）在初始參數均為地板厚度30mm；功率150W/m2；室外溫度-8℃；相對誤差0.001時，隨著時間的延長，各特性征點溫度越來越高。

圖4 TmNS數據消息格式Fig.4 TmNS data message structure

在應用層，需要根據數據傳輸需求選擇合適的應用層數據傳輸協議，根據TmNS標準，建議應用層使用LTC數據傳輸協議和RC數據傳輸協議傳輸TmNS數據消息，兩種協議的傳輸特性比較見表1。

表1 LTC和RC數據傳輸協議對比

TCP和UDP協議均為TCP/IP協議棧中的傳輸層協議，最大區別在于TCP協議是面向連接的，而UDP協議是無連接的。TCP協議提供面向連接的可靠服務，在傳送數據之前必須先建立連接，數據傳送結束后要釋放連接。同時，由于TCP協議要提供可靠的、面向連接的傳輸服務，不可避免地會增加一些開銷，比如應答、計時器、流量控制以及連接管理等，同時增加了處理資源。UDP協議在傳送數據之前不需要先建立連接，不需要確認數據，提供一種不可靠交付，在某些情況下(實時性要求高)是一種最有效的傳輸方式。同時，UDP協議支持多播服務。

LTC和RC這兩種協議的傳輸特性使得數據傳輸性能截然不同，需要系統設計師根據不同數據的傳輸需求來選擇合適的傳輸協議，例如箭載Network數據采集單元產生的TmNS數據消息可利用LTC傳輸協議進行傳輸，雖然UDP協議不保證順序傳輸，但是可以提供相比基于TCP協議更低的端到端時延，同時可以利用UDP協議多播功能實現到多個目的地址的數據傳輸。TmNS數據消息頭域中有基于某類消息的序號，該序號隨著發送端發送該類消息數目的遞增而遞增。因此，如果使用LTC傳輸協議來傳輸某些對可靠性有要求的數據，接收端可以通過檢測接收到的TmNS數據消息頭域中的序號來檢測和報告丟失的數據[15]。

3.2 RF網絡接入層協議

數據鏈路層位于IP層之下，服務于IP層，用于將IP層交付下來的IP包組裝成幀，在兩個結點之間傳輸。在基于TmNS的RF網絡中，需要將網絡信息(IP包)和控制消息等載荷數據組裝成數據鏈路幀，再交給物理層(RF通信鏈路)進行比特流的傳輸。由于基于TmNS的RF網絡特性與以太網特性有所不同，以太網TCP/IP協議棧中網絡接入層(數據鏈路層和物理層)協議不再適用，需改動網絡接入層協議來支持RF鏈路傳輸[16]。

RF網絡數據鏈路層具備將網絡信息和控制消息等載荷數據復用在介質訪問控制(Medium Access Control，MAC)幀中的能力，可基于鏈路的需求和優先級為上行和下行鏈路策劃和分配信道容量，提供一種自適應的時分多址(TDMA)機制共享通信信道，滿足有限帶寬下并行試驗需求，同時可使用ARQ協議來提高傳輸可靠性。

圖5給出了網絡層信息在RF網絡接入層中進行傳輸的處理過程。

圖5 基于TmNS的RF網絡中網絡接入層示意圖Fig.5 Overview of network access layer in TmNS-based RF network

網絡層信息(TCP/IP、UDP/IP和相關的IP協議族包)和鏈路層控制消息(Link Layer Control Messages，LLCMs)統一被稱為MAC 服務數據單元(MAC Service Data Units，MSDUs)，被復用在MAC幀中。多個長度較短的MSDUs被打包成為ARQ blocks(塊)，然后被封裝在一個MAC幀中；長度較長的MSDU被分割為多個ARQ blocks，然后被封裝在多個MAC幀中。ARQ block的分段/打包頭域(Fragmentation/Packing SubHeader，FPSH)指示該ARQ block是否為MSDU分段或打包處理后產生的，其中的FC域是一個分段標示，可以表示沒有分段(00)、第一個分段(10)、中間的分段(11)、最后的分段(01)，同時FPSH還指示被封裝數據的協議類型，被封裝數據相對于其他ARQ blocks的優先級等。

MAC幀由MAC頭、載荷部分以及幀校驗序列構成。MAC幀載荷包含一到多個可變長度的ARQ blocks，每個ARQ block的最大長度受限于MAC幀載荷部分的長度，而MAC幀載荷部分的長度又受限于物理層信道編碼的碼字長度(MAC幀的最大長度與信道編碼碼長相對應)。MAC頭中含有發送和接收無線設備的RF MAC地址以及一些用于鏈路層處理的附加信息。

MAC幀在物理層中先進行比特交織，然后進行LDPC編碼，最后進行SOQPSK調制。IRIG 106-20標準中推薦使用CCSDS標準中應用于深空通信的累積重復參差累積碼(Accumulate Repeat Jagged Accumulate Code，AR4JA碼)構造的LDPC碼，碼率為1/2，2/3 和4/5可選，LDPC碼信息比特長為128字節和512字節可選。

多個LDPC blocks組成一個burst在RF鏈路上傳輸，每個burst由前導信息、同步標志和碼塊幀(包含1到N個固定長度的LDPC blocks，N最大可配置為16)組成，同步標志用來輔助比特和字節級的同步和解調。無線收發設備利用在TDMA 時隙(epoch)中策劃的傳輸機會(Transmission Opportunities，TxOps)來傳輸這些burst序列。TDMA epoch也叫作TDMA幀，其典型結構如圖6中所示。epoch大小固定，由多個大小可變的TxOps組成。TxOps代表一段時間，在該段時間內源無線設備可以接入到信道中將數據傳輸給目的無線設備，因此，源和目的無線設備之間的通信均需分配TxOps，例如地面站發往箭上的上行數據傳輸、火箭發往地面站的下行數據傳輸以及火箭與火箭之間的數據傳輸。

圖6 典型的TDMA幀結構Fig.6 Typical TDMA frame

為簡化TDMA的策略，TDMA幀(epoch)的持續時間通常有以下幾種選擇：1000(最大時間)，500,250,125,100(默認時間),50,40,25,10 ms(最小時間)。RF網絡設計師可通過選擇合適的TDMA幀(epoch)的持續時間來在開銷、包時延和網絡性能之間進行性能折中。同時，RF網絡中每個無線或管理設備都必須使用通用的時間同步協議來達到時間同步，避免RF之間的干擾。

在RF網絡中，TDMA控制器(LM)在每次試驗時基于上下行鏈路的需求和優先級來分配epoch中的TxOps。最基礎的分配策略為TxOps的靜態分配，這種方式不考慮每次試驗的容量需求。TmNS的典型分配策略為基于優先級和瞬時/平均網絡負載量來分配TxOps，以優化整個RF網絡的使用，可最小化網絡傳輸時延，最大化吞吐量，減小隊列溢出所造成的損失[17-18]。

3.3 TMoIP協議

SST與TmNS數據流之間可以相互轉換，這一功能也是基于TmNS的新增功能，箭載PCM網關、地面站PCM網關、任務控制中心Network網關均具備該功能。箭載PCM網關/地面站PCM網關將PCM數據封裝在IP包中，實現PCM數據在IP網絡中的傳輸，實現該功能的協議被稱為TMoIP(Transmission over Internet Protocol)[19]，任務控制中心Network網關執行逆操作。

表2給出了TMoIP對應于TCP/IP協議棧中每層的具體實現。

表2 TMoIP在TCP/IP協議棧的具體實現

TMoIP應用層提供數據轉換功能，即載荷匯聚功能，可以保證SST流被承載在網絡包中，實現過程如下：

1)首先，實現SST流格式轉換，將串行流格式轉換為包格式，得到的包被稱作原始包載荷。

2)其次，將TMoIP的控制字追加到原始包載荷前面，構成TMoIP載荷。圖7給出了TMoIP的控制字以及得到的TMoIP載荷格式。TMoIP可通過控制字實現丟包或失序的檢測，同時也標識了PCM子幀或者副幀同步狀態、時間戳等信息。

傳輸層、IP層和網絡接入層均為成熟TCP/IP協議，圖8給出了TMoIP在TCP/IP協議中各層的展開實現。

3.4 數據包遙測

數據包遙測技術可將來自一個或者多個數據流的數據異步插入到PCM子幀中，數據類型可支持以太網幀、TmNS數據消息、IP包等。這是一種將網絡數據包融入傳統PCM碼流的方法，以兼容網絡化的遙測數據包。箭載Network網關利用該項技術，根據MDL文件從IP包中選擇所需要的測量數據，將其轉換為PCM數據流。數據包遙測的具體實現過程如圖9所示，異步插入的數據被稱作源包(Source Packet，SP)。

圖7 TMoIP載荷格式Fig.7 TMoIP payload structure

圖8 TMoIP協議各層展開圖Fig.8 TMoIP layout in layers

首先，一個SP被封裝在一個或多個封裝包(Encapsulation Packet，EPs)的載荷域中，通常，一個EP只包含一個SP。當SP大小超過64k字節的時候，SP將被分割為多個SP段，此時一個EP包含一個SP段。EP頭域中“內容”域可指示EP載荷所包含的SP的類型，如IP包SP、TmNS數據消息SP、MAC幀SP等，“分段”域可指示EP載荷所包含的SP是獨立的SP或者SP段。不同類型的SP可同時被多路復用到一個單獨的EP邏輯流中(圖9中EP流中紅色豎線表示EP的首字節)。

圖9 數據包遙測示意圖Fig.9 Packet telemetry overview

接著，EP流將被分割到多個等長的傳輸包(Transport Packet，TPs)的載荷域中，形成TP流。如果TP載荷中包含了一個EP的首字節，那么TP頭域將包含到該EP首字節的偏移量；如果TP載荷中包含了多個EPs，那么TP頭域將包含到第一個EP首字節的偏移量。

最后，每個TP被插入到一個單獨的PCM子幀中。一個TP可被分割為多個TP段，和PCM數據一起排布在一個PCM子幀中，但是每個PCM子幀只能包含一個TP，圖9中為一個PCM子幀包含了兩個TP段(1個TP)。

4 結論

隨著運載火箭發射任務的密集化以及網絡技術的不斷發展，網絡化遙測在空間通信方面的優勢顯而易見，特別是IRIG 106-20中TmNS建議的提出，明確了天地一體化測控網絡的思想。本文關注未來運載火箭測控通信網絡發展，對TmNS特性、協議棧、體系架構進行深入研究，在現有PCM-FM遙測架構基礎上提出了基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網絡的思想，對其具體系統架構、關鍵技術以及實現方式等進行了研究和闡述。目前，網絡化技術在空間通信方面也在深入發展，對運載火箭天地一體化測控網絡的研究將有助于天地網絡的結合，促進航天領域測控通信的不斷發展。