載人月球探測一體化網絡和協議架構設計與驗證

2023-10-21 01:31:58何熊文陳朝基賈雨棽張柏楠徐明偉陳瑞勛

宇航學報 2023年9期

何熊文，陳朝基，賈雨棽，張柏楠，徐明偉，劉巖，陳瑞勛

(1. 清華大學計算機科學與技術系，北京 100084；2. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

載人月球探測已成為航天領域的重要研究熱點之一,遠期將持續支持月球科研試驗站等建設,全面進行月球資源的探索和利用。載人月球探測飛行器任務復雜,涉及多個航天器節點間大量數據交互,對通信速率、安全可靠、靈活自主的需求均大幅增加,需構建地月一體化網絡,實現隨時隨地聯網和操控、通信鏈路有效備份、多節點間協同等。因此,如何設計器地/器間/器內一體化網絡架構,以實現多器協同、人-器協同以及以測量透明、控制開放、執行共享為核心的電氣一體化設計,已成為目前載人月球探測網絡構建的重大挑戰。

本文針對載人月球探測的需求,提出一體化網絡和協議架構及其器地、器間、器內應用場景,并通過多種手段對其中的核心協議進行了驗證,為后續在任務中推廣應用提供技術支撐。

1 國內外相關研究

1.1 載人月球探測網絡架構研究現狀

美國、歐洲、中國等均在開展載人月球探測網絡架構的研究。

2020年,NASA空間通信和導航(SCaN)計劃提出了月球網(LunaNet)概念,為月球探測任務提供網絡通信、定位導航授時(PNT)、科學應用等服務。美國阿爾忒彌斯計劃中,制定了載人月球探測的國際互操作標準[1],該標準基于時間觸發以太網(TTE)構建,并輔以無線網絡,應用核心飛行系統(Core flight system, cFS)軟件架構,包含部分速率大于1 Gbps的點對點接口。

ESA提出了載人登月通信系統,對月面著陸器在月球正面、背面等場景進行了通信系統設計,擬構建地球、月球一體化的通信網絡。同時針對航天器內部綜合電子系統架構,歐洲于2007年啟動空間綜合電子開放接口體系結構(SAVOIR)[2]的研究工作,旨在建立綜合電子系統的參考體系結構。該架構基于硬件模塊組裝,具備通用軟件架構,大量應用空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)和歐洲航天標準化組織(ECSS)標準,已進入實施階段,正在評估TTE和時間敏感網絡(TSN)在航天器中的應用前景[3]。

與國外相比,國內在載人月球探測網絡架構方面的研究,主要是在融合CCSDS標準和ECSS標準的基礎上提出了一體化的網絡架構,并探索高速數據總線在航天器中的應用前景。此外,為滿足載人月球探測信息系統網絡應用,迫切需要進行體系結構的合理設計,實現器地/器間/器內網絡架構的一體化設計,為載人月球探測任務提供有力支撐。

1.2 網絡協議架構研究現狀

CCSDS于1982年發起成立,旨在建立一套既有技術先進性,又能夠實現任務間、空間組織間和空間國家間資源共享的空間數據系統標準[4]。CCSDS以美國和歐洲為主導,已形成分層體系結構,涵蓋多個技術領域,其制定的300余份標準已在全球超過1 000個航天器中得到應用,但空間和器內網絡協議架構尚未統一。CCSDS制定的空間通信協議體系[5]包括應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層,已被廣泛采用。CCSDS在航天器接口業務標準化方面的主要研究目標是通過定義一組標準化的業務接口和協議,實現對傳感器、執行機構、通用航天器功能的標準化訪問,并且使星載應用程序的開發獨立于提供這些業務的機制,從而增加其在不同航天器中的重用率。目前已制定了航天器內部通信協議體系[6],正在開展電子數據表單(SEDS)標準的制定、無線網絡規范的研究等。NASA于2020年9月提出互操作協議標準,融合了大量CCSDS和地面互聯網的標準協議,作為美國阿爾忒彌斯計劃國際合作的幾大規范之一,有效實現了器地、器間協議的融合。

ECSS在兼容CCSDS標準基礎上定義了更細的標準,并制定了遙測遙控包應用標準(PUS)[7],在CCSDS的空間包[8]協議標準基礎上進一步規定了包的副導頭結構和數據域結構,便于標準化地面和航天器之間的應用層接口[9]。

2 載人月球探測任務和地月一體化網絡需求分析

2.1 需求分析

我國未來載人月球探測宏偉愿景,對一體化網絡主要有如下需求:

1)建立地月一體化網絡的需求。我國載人月球探測任務涉及飛船、著陸器等多個節點,需構建地月一體化網絡,實現隨時隨地聯網和操控、通信鏈路有效備份、多節點間協同等,器內高速總線通信速率不小于1 Gbps,測控通信上下行速率為十幾kbps,高速通信上下行速率可達幾十Mbps。

2)載人月球探測任務電氣一體化的需求。載人月球探測任務構建高安全、高可靠、集成化、輕量化的一體化電氣系統,其核心為測量透明、控制開放、執行共享,范圍包括飛船/著陸器電子系統一體化設計,器地、器間接口和協議一體化,近地、地月、月球通信一體化等。

3)支持月球科研試驗站建設的需求。未來將建造月球科研試驗站,作為科學實驗、資源開發利用以及地外天體長期生存能力的研究平臺,開展系統、連續的月球探測和相關技術試驗驗證。因此有必要在月球科研試驗站建造前開展與高速科學載荷通信、月地高速激光通信、月面高速組網通信相關的關鍵技術研究和驗證。

4)支持未來國際合作的需求。我國載人月球探測任務后續在月球科研試驗站建設、月面機器人、科學載荷、地面交互支持等方面都將面臨國際合作,需要研究建立相應的通信規范。國際合作將面臨合作開發月球科研試驗站、使用國外地面站、對國外機器人提供業務支撐、支持搭載國外載荷等需求。

5)提升載人月球探測國際標準制定話語權的需求。目前載人月球探測任務網絡涉及月面自組織通信、空間和器內一體化通信、網絡管理、月地高速激光通信、自適應網絡路由、航天器內部設備即插即用、航天器內部任務遷移等多個技術,而上述技術的國際標準尚屬空白,可通過任務牽引,專項研究制定相關標準,在CCSDS等國際標準化組織中提出中國標準[10],提升我國在國際標準制定的話語權。

2.2 任務分析

載人月球探測任務首先采用月面著陸器登陸月球,在月面進行采集樣本等作業后,航天員再乘坐飛船返回地球,可實現2～4人的月面活動,還計劃利用載人月球車或月面機器人進行挖掘或探索工作。未來還將建立可長期駐留的月球科研試驗站和覆蓋范圍廣的月球通信星座,涉及多節點間的高速數據通信需求。一體化網絡和協議架構需支持的主要任務可分為以下幾類:

1)地面統一操控:地面可對任一飛行器進行統一操控和監控,提供航天器對用戶的統一高級操作接口,支持地面用戶對其他航天器的統一操控,支持地面監控軟件的統一。

2)航天員任意操控:航天員可以在任意位置在軌操控任一航天器,例如飛船上航天員操控著陸器、著陸器上航天員操控機器人等。

3)地面跨多節點操控:可無需關心航天器位置,支持自主路由。例如地面遠程操控月面機器人,只需指定目的端,由航天器自主路由進行數據傳輸。

4)跨節點協同:任意兩個節點之間均可實現通信、信息共享和自主協同。

5)故障下替代控制:某一航天器控制器故障,其它航天器控制器可替代,例如著陸器控制計算機故障時用飛船對著陸器進行控制。

6)靈活支持各種設備:支持設備即插即用和在任意航天器間更換,例如新增一個科學試驗設備、試驗設備由飛船更換到著陸器等。

7)智能自主管理:對智能化要求更高,包括自主熱控/能源/網絡/內務管理等,實現航天器采集-控制-執行的智能自主閉環控制。

3 載人月球探測地月一體化網絡架構設計

3.1 總體架構

3.1.1設計原則

根據我國載人月球探測需求和任務分析,按照以下理念開展載人月球探測任務一體化網絡和協議架構設計:①一體化,空間和器內一體化、各航天器一體化;②分層化,支持技術更新換代、支持擴展和升級;③通用化,基于標準模塊和通用構件實現硬件、軟件的通用;④標準化,大量采用國際先進標準協議,支持未來國際合作。

3.1.2網絡拓撲架構

為支持未來載人月球探測任務,構建如圖1所示的涵蓋月地網、環月網、月面網,三網一體的地月一體化網絡。其中,月地網包括了地球以及地球與月球軌道之間的航天器網絡,是環月網與地球網之間的通信系統;環月網包括了月球軌道的載人飛船或其他衛星,是月面網與地月網間的通信系統,以支持月面網與月地網間的通信;月面網是以月面著陸器為通信中心,支持艙外活動的航天員、月球車通信終端接入的月球基地局域網。通過地月一體化網絡完成地月多網一體的協同通信。

圖1 地月一體化網絡拓撲結構Fig.1 Topology of Earth-Moon integrated network

器內網絡拓撲結構如圖2所示。網絡拓撲按照智能化程度分為高級智能節點、交換/網關節點、簡單智能節點和非智能節點4類。高級智能節點主要是指器載管理計算機,負責完成系統級任務管理和姿態控制等功能;交換/網關節點包含高速交換機、高速通信單元、艙內/月面無線網關、載荷網關和對接網關等;簡單智能節點包含各分系統智能終端、存儲器、傳感器、執行機構以及無線話音、無線鍵盤和科學載荷等;非智能節點包含整器其他的非智能化的傳感器和執行機構。整器信息系統網絡由器載管理計算機通過高速數據總線和1553B兩種總線實現所有節點設備的互聯互通和統一管理。

圖2 器內網絡拓撲結構Fig.2 Spacecraft internal network topology

3.1.3網絡協議架構

載人月球探測地月一體化網絡的協議架構[11]如圖3所示。該架構包括:

圖3 載人月球探測一體化網絡協議架構Fig.3 Integrated network protocol architecture for China’s manned lunar exploration

1)應用層

分為用戶應用和應用支持業務。用戶應用包括遙測管理、遙控管理、熱控管理、能源管理、時間管理、解鎖與轉動機構管理、內務管理、智能自主管理等各類航天器應用。應用支持業務(如表1所示)為通用化業務,對用戶應用的各類智能化應用提供基礎支撐。通過將用戶應用與應用支持業務分離,實現任務相關部分輕量化,通過更改任務參數配置代替特定任務的編程。通用支持部分通過抽象和歸納形成靈活的通用服務支持機制,同時提供開放的擴展機制,滿足任務特殊要求。

表1 應用支持業務功能描述Table 1 Function description of application support services

2)傳輸層

提供可靠傳輸和不可靠傳輸兩種業務。不可靠傳輸業務采用UDP協議,當需要進行數據的傳輸確認時,可通過應用支持層的PUS遙控確認業務或應用層的應用特定協議實現;可靠傳輸業務采用TCP、LTP[12]等。

3)網絡層

支持器地、器間、器內、月面網絡的一體化路由,實現兩個網絡系統中的數據透明傳送,同時提供網絡的管理功能,具體包括路由選擇、動態接入等。網絡層兼容地面IP協議和CCSDS的封裝業務、空間包協議、IP over CCSDS(IPoC)協議[13-14]等。

4)亞網層

分為空間通信和器內通信兩部分,可屏蔽底層空間鏈路以及器內鏈路的差異,對上提供統一的業務接口。

空間網絡在亞網層對應CCSDS空間通信協議模型的數據鏈路層和物理層,目前CCSDS開發了新的USLP協議[15],吸收了AOS[16]、TC[17]、TM[18]、鄰近空間鏈路協議[19]等數據鏈路層協議的優點,是準備未來統一應用的協議。此處考慮采用USLP以及與之配套的遙控同步和信道編碼、遙測同步和信道編碼、激光通信-編碼和同步。在物理層,則考慮激光和微波混合的通信體制,因而包含無線電頻率和調制、激光通信-物理層等兩種CCSDS定義的協議。

器內網絡在亞網層對應CCSDS星載通信協議模型的亞網層。該層主要考慮提供統一的接口,通過匯聚層協議對上層屏蔽底層鏈路的不同。匯聚層設計時根據底層數據鏈路層的不同有所區分,若數據鏈路層協議能完整支撐亞網層各業務,則匯聚層可直接將亞網層各業務與數據鏈路層對應的協議關聯;若數據鏈路層只支持部分業務,則在匯聚層針對該鏈路補充設計相關協議,與數據鏈路層共同完成亞網層的業務支撐。結合目前使用的需求,應用包業務[20]進行星載鏈路包的傳送,應用存儲器訪問業務[21]進行掛接在星載鏈路上節點的存儲器/寄存器的訪問。器內不同的總線和接口均有標準化的數據鏈路層和物理層協議,對匯聚層和上層業務提供支持。

3.1.4總體架構特點

載人月球探測地月一體化網絡總體架構具備以下特點:1)采用分層架構、支持協議擴展、升級;2)支持CCSDS和ECSS先進標準,便于國際合作;3)實現遙測遙控、器內通信從應用層到亞網層的全協議棧標準化;4)實現對不同種類的設備、文件的標準化訪問;5)空間和器內網絡融合,支持跨網絡信息共享;6)支持多種傳輸質量。

3.2 器地通信協議應用方案

在早期載人登月任務中,由于通信數據量需求較小,月面通信用戶數量少,因此可以選擇數據路由能力為10～100 Mbps的小型通信終端,配置小型天線,月面覆蓋距離幾千米到幾十千米左右即可。到了月球基地階段,數據量、通信用戶數量大大增加,需采用大型月球通信終端,數據路由能力將達到幾百Mbps,可配置大型測控及數傳天線,支持月面覆蓋距離將達幾十千米以上,支持1 Gbps以上的數據傳輸。

器地一體化網絡通信協議主要特點:①通過應用層PUS統一遙控、遙測應用層級別的數據格式,并提供豐富的操控功能;②通過數據鏈路層的USLP統一前向、返向協議,并與數傳鏈路、器間鏈路均統一,從而便于實現器地、器間一體化和產品統一。針對載人所特有的視頻音頻協議配置進行設計,數傳音視頻雙向協議配置如圖4所示。圖中,應用層采用視頻編碼、音頻編碼、RTP協議,傳輸層采用UDP協議,網絡層采用IPv6協議、IPoC協議以及封裝業務進行數據傳輸,亞網層采用USLP協議通過空間鏈路進行傳輸,采用高速數據總線進行星內數據傳輸。

圖4 音視頻雙向協議配置Fig.4 Audio and video bidirectional protocol configuration

3.3 器內一體化通信協議應用

器內一體化通信協議主要特點:①通過應用層的PUS統一器內各設備間交互的遙控、遙測應用層級別的數據格式;②通過消息傳輸業務(MTS)實現器間各智能設備間的信息共享,簡單智能設備/非智能設備的訪問統一通過命令與數據獲取業務完成;③平臺骨干網絡出于高可靠、高確定性需求選用速率為1 Gbps的高速數據總線,同時出于可靠性考慮,選用1553B總線作為備份;④載荷骨干網絡出于高帶寬需求以及為未來月球科研試驗站作技術儲備,選用時間敏感網絡;⑤其它接口如異步串口、指令、遙測等統一通過綜合業務單元進行轉換后接入高速數據總線。

器內高速、低速網絡協議架構分別如圖5、圖6所示,其特點為:通過PUS統一交互的應用層數據格式,通過消息傳輸業務實現信息靈活共享,通過高速數據總線構建高速網絡,通過1553B進行關鍵鏈路備保傳輸,可實現器內與空間的一體化組網,支持任務遷移。

圖5 器內高速網絡協議配置Fig.5 High-speed network protocol configuration inside the spacecraft

圖6 器內低速網絡Fig.6 Low-speed network protocol configuration inside the spacecraft

圖7、圖8為通過命令與數據獲取業務對簡單智能節點/非智能節點進行統一訪問的協議架構。

圖7 器內智能節點與簡單智能節點之間通信協議Fig.7 Protocol configuration between smart and simple nodes inside the spacecraft

圖8 器內智能節點與非智能節點之間通信協議Fig.8 Protocol configuration between smart and non-smart nodes inside the spacecraft

應用上述協議可實現信息系統的測量透明、控制開放、執行共享,具體方案如下:

1)測量透明:若傳感器為簡單智能單元/非智能單元,掛在綜合業務單元上,綜合業務單元采集所有直接連接的傳感器數據,在網絡內進行發布?？刂破?例如器載管理計算機)對需要的傳感器數據根據主題進行訂閱,當對應主題的數據在網絡發布時,所有訂閱的控制器均能收到一份拷貝。若傳感器與高速交換機連接,分兩種情況,一種是高級智能傳感器,則其將自身數據周期性在網絡內發布,另一種是簡單智能傳感器,則將數據發往系統管理單元,后者將其數據在網絡內進行發布。

2)控制開放:控制器通過對傳感器數據的訂閱實現對任意傳感器數據的獲取?？刂破鲀冗\行的控制任務依據特定的控制算法進行處理,生成執行命令發往網絡中對應的執行機構?？刂迫蝿盏南嚓P參數可以周期性保存在大容量存儲器中。當對應控制器異常時,其它控制器監測到主控制器異常時,啟動對應的控制任務,并從大容量存儲器中取回控制任務相關參數進行配置,該控制任務將重新訂閱對應傳感器數據并執行控制任務,替代原控制器工作,實現任務的遷移。

3)執行共享:若執行機構為簡單智能單元/非智能單元,可掛在綜合業務單元上,綜合業務單元可接收控制器的命令或自主產生命令發往執行機構。若執行機構與高速交換機連接,當其為高級智能執行機構時,則可通過訂閱的形式獲得任意控制器發布的指令。當其為簡單智能傳感器時,則可直接接收控制器發來的指令。

3.4 器間網絡通信協議應用

器間通信協議的要考慮支持飛船、著陸器的器間通信,支持月面節點的自主接入,支持多跳可靠傳輸。一種典型的載人月球探測多器間通信協議配置的場景如圖9所示。各層的協議配置情況如下:應用層采用PUS協議、視頻編碼、音頻編碼、AMS、RTP協議;傳輸層應用UDP協議;網絡層應用IPv6協議;亞網層數據鏈路層采用USLP空間數據鏈路協議,物理層包括Ka頻段、S頻段、激光、UHF、WiFi等多種體制。其主要特點:①通過應用層PUS統一器間各設備間交互的遙控、遙測應用層級別的數據格式;②通過異步消息業務(AMS)實現器間各智能設備間的信息共享;③通過IP實現器間網絡層通一,并實現器間/器地一體化;④鏈路層通過USLP統一。

圖9 多器間通信協議配置情況Fig.9 Protocol configuration for communication between multiple spacecraft

3.5 小結

通過上述器地通信、器內一體化通信、器間網絡通信的應用設計,可得出以下結論:

1)應用層中用戶應用部分業務與領域具體航天器相關,需有專用協議;應用支持業務可各航天器通用;

2)傳輸層均可各航天器通用,支持可靠傳輸/不可靠傳輸;

3)網絡層兼容空間包和IP,可實現空間和器內一體化;

4)亞網層空間通信部分統一使用USLP,器內通信部分統一使用包業務屏蔽底層鏈路差異,總線建議采用高速數據總線與1553B總線并存的方式。

4 載人月球探測地月一體化網絡架構驗證

由于地月一體化網絡架構涉及了多層次、多種類的協議,在不同的航天器中一般會根據需要進行優選或剪裁。為此,北京空間飛行器總體設計部構建了地月一體化網絡半實物仿真評估系統,可對網絡拓撲架構、網絡協議進行仿真和分析評估。目前該系統重點針對協議架構中的空間通信協議進行仿真,其他器內通信協議將通過在軌任務進行飛行驗證。

4.1 地面驗證

地月一體化網絡半物理仿真評估系統對BP、LTP、TCP、UDP、IPv6、IPoC、封裝業務等空間通信協議進行了地面測試驗證,其系統拓撲和實物組成分別如圖10、圖11所示。系統包括服務器、軟件定義路由器、普通交換機、仿真平臺主控、物理節點主控、接入網關節點模擬器原理樣機、組網節點模擬器原理樣機等。系統支持的模型覆蓋飛船、著陸器通信節點,支持對網絡場景仿真和協議模擬,支持對網絡時延、誤碼、帶寬等的性能評估。

以LTP、BP協議為例說明其具體驗證過程。針對地月空間網絡場景設計骨干網、接入網、地面站以及終端用戶的仿真場景,在虛擬或物理節點上根據需要加載運行LTP、BP協議棧及應用程序;利用STK軟件針對仿真場景進行建模,建立網絡協議、數據量、數據傳輸方案等數據業務模型;建模完成后,各鏈路的通斷信息和鏈路特性數據存儲至數據庫中,分別等待主控器和SDN控制器讀取。業務建模的信息被加載至前端界面中,等待用戶通過前端交互進行具體的配置;仿真實驗啟動后,實驗節點正常創建,場景正常運行;選取地月各一個節點,一個為發送節點,一個為接收節點,傳輸視頻或文本業務,接收節點可以成功接收,即驗證了協議運行的正確性。

4.2 在軌飛行驗證

協議架構中的UDP、IPv6、IPoC、封裝業務、遙控同步和信道編碼、遙測同步和信道編碼、1553B等協議已經在載人航天等多個領域航天器分別進行了在軌驗證。此外器內通信的部分協議已在某遙感衛星上完成了在軌飛行驗證,該衛星的協議配置如下圖所示。該衛星首次應用融合CCSDS SOIS和ECSS PUS的協議,支持信息訂閱發布、空間和器內一體化路由尋址,支持業務組合實現各類功能,軟件構件代碼率達75%以上。該衛星驗證的主要協議,后續將在載人登月飛行器中使用。