我国空间站信息系统的综合技术研究

孔繁青 郭永林

（中国电子科技集团公司第五十四研究所）

1 前言

空间站是一个远离地球独立、长期在太空中服务的多功能体，一般由多个功能模块或功能舱构成的，航天员要在上面工作和生活，要进行舱外活动等，要对各个功能舱的状态进行监视，要在各个功能舱间进行信息交互，要完成各种试验，要与地面建立信息交控链路[1]。空间站信息系统就是为了支持空间站在轨运行和有效载荷的操作，为各种信息的处理和传输提供一个高速、宽带综合的局域网络。

空间站信息系统的发展趋势是将各个独立发展的若干系统集成为一个统一的系统，构成一个宽带综合业务网络，这将简化空间站系统的复杂度，提高系统的可靠性。统一的空间站信息系统是空间站电子技术的发展方向。

2 发展现状

2.1 国外发展现状

目前国际空间站代表了国际上空间站发展的技术水平。国际空间站[2]是全面采用CCSDS-AOS体制的复杂星载信息系统，它是由四个局域网通过网关互联而构成信息系统的，数据经过虚拟信道链路控制器和合分路器后，进入两个射频信道与地面站进行通信，国际空间站的网络体系结构如图1所示。其中俄罗斯的服务舱和美国的实验舱的电子系统最复杂，它们既是空间站自主运行的控制中心，又是信息系统的控制中心。

图1 国际空间站的网络体系结构框图

2.2 国内发展现状

在我国神舟载人飞船上，采用了数管系统来完成飞船的信息管理。神舟飞船采用了总线结构的分级分布式计算机系统。全船采用1553B总线作为设备间的通信介质，总线分为两级，第一级为整船级，即数管系统的1553B总线，它将全船各分系统的设备连接在一起，实现全船的信息共享；第二级为各分系统的1553B总线，如有效载荷的1553B总线，该总线将分系统内部的设备连接在一起，完成分系统内部的数据交换，其总线控制器又挂在数管系统的1553B总线上，能实现与飞船和地球站的数据传输。

3 我国空间站信息系统的构成方案设计

3.1 空间站信息系统的结构选择原则

空间站信息系统的结构选择原则，重点考虑可靠性、通信性能、可扩展性、复杂度、体积功耗等问题。

首先是可靠性，因为信息系统是全站信息交换的命脉，所以对可靠性的要求是极高的。一般认为，空间站信息系统通信的可靠性应该在设计寿命期不低于0.99。其次，通信性能一般以通信链路的频带或最大数据率（byte/s）来描述。此外，空间站信息系统的结构选择还要考虑系统软硬件本身的复杂性，以及系统所需的功耗、重量、体积等。空间站信息系统的结构选择应特别注重系统的可扩展性，即改变系统容量时引起软硬件改变的程度。

要同时在上述指标都达到最优是很困难的，我们只能从系统优化原则出发，选择较好的结构。常见的局域网络的结构有：总线形，星形，树形，环形和网状网络等五种。

从可靠性上来讲星形和树形结构存在单点失效，最不可取。环形的可靠性虽然可以用双向通信来弥补，但容错能力不高，而且通信时延长。总线型尤其是1553B总线广泛应用于航空和航天领域，它的模块化程度较高，使其可维修性和可扩展性好。但是它有两个致命的短处：其一是存在可靠性瓶颈，总线上有较多的单点失效部位，使之长寿命高可靠难以实现，同时它的功耗很大，系统复杂；其二，总线上是主从响应式分时通信，效率较差，每个结点机可用的通信容量太少，尤其在需要任意两结点之间进行通信时，必须要有防止总线冲突的仲裁策略，对提高通信速率是不利的。因此，总线型的方案不太适合作为空间站信息系统的核心网络。

相对于其他拓扑结构，网状拓扑具有一些优点。首先，网状拓扑具有很高的可靠性和极强的健壮性。当一条链路不可用时，并不会使整个网络瘫痪。第二，使用专用链路使得设备之间的数据负载由专门的连接承担，避免了共享链路中的通信量问题。最后，点到点链路使故障识别和故障隔离十分容易。网络流量可以选择路由，避开有问题的链路。这种便利使网络管理员能精确定位故障，并帮助找出故障原因和解决方案。

网状拓扑的主要缺点在于所需要的电缆和设备上输入输出端口的数量过于巨大。因此，网状拓扑通常只在有限的方式下使用，作为主干来连接主机。而相对于空间站信息系统的核心网络来讲，由于节点数量有限一般不大于四个，节点端口数和连接电缆数都是工程上可接受的。因此网状拓扑的网络结构作为优选结构应用于空间站信息系统。

3.2 我国空间站信息系统的体系结构选择

按照上述设计准则，并根据我国的实际情况，根据空间站的发展阶段、规模及任务要求，进行规划和设计，提高网络的可靠性和通信效率。

空间站信息系统的体系结构的选取要折衷考虑设计的复杂程度、设计约束，是否可靠、易于裁剪和扩展。对总线网络和网状网络进行折衷，采用多级网络是我国空间站信息系统的体系结构的优选结构。

3.3 我国空间站信息系统的构成方案设想

根据目前的技术和技术的发展，空间站信息系统可有两种实现方案。

3.3.1 我国空间站信息系统的拓扑方案1

该方案按照业务功能的不同，核心网络采用若干相对独立的网络构成。根据业务需求的不同，各核心网络可以采用不同的网络层次，采用不同的网络结构、协议和标准。不同的核心网络之间采用网关进行连接，实现核心网络之间必要的通信联系。图2为该方案的拓扑结构图。

按照空间站功能舱的布置，或按信息功能的不同分为若干个相对独立的核心网络，按照每个舱段或功能的复杂程度选择相应的网络协议，这些网络之间通过网关实现必要的通信。按功能舱还是按信息功能划分网络，需根据空间站的规模和任务来确定。同时，同一核心网络是采用一级网络还是多级网络，也应按该核心网络的规模和复杂程度来确定。

按功能可以分为工程管理网、通信网、航天员的操作控制网、载荷试验网等。对于工程管理网、航天员的操作控制网可以采用较为成熟的网络和协议，甚至采用COS协议。载荷试验网由于数据量大通信速率高，因此需要采用高速网络和协议。该方案信息系统的核心网络示意图如图3所示。每个功能网络根据本网络的功能可以采用分层的网络结构，下层网络根据应用的不同可以采用不同的网络，如1553B总线网络。

图2 我国空间站信息系统的拓扑方案1体系结构图

图3 方案1信息系统核心网络

从上述方案中可以看出，该核心网络由多个网络构成，每个网络按适应本功能的要求来构造，针对性强，同时带来信息系统网络复杂、扩展性差，网络之间需要增加网关来实现互通。该方案适合近期空间站的应用和建设。

3.3.2 我国空间站信息系统的拓扑方案2

该方案的核心网络采用一个宽带综合业务网络构成，采用统一网络协议和标准，根据业务需求的不同，可以采用不同的网络层次，不同的低层网络可以采用不同的网络协议和标准。该方案的拓扑结构图参见图4。

图4 我国空间站信息系统的拓扑方案2体系结构图

图5 方案2信息系统核心网络

该方案信息系统的核心网络示意图如图5所示，信息系统根据空间站的实际规模和功能舱的数量，确定节点数量，每个节点以交换机为核心构成，通过交换机的端口利用光纤和相邻的节点相连，组成了一个网状的拓扑结构，实现了多路由。

下层网络根据应用的不同可以采用不同的网络，这些子网通过与交换机相连实现不同接口不同协议之间的互通。

从上述方案中可以看出，该核心网络由单一网络构成，扩展性好，不存在信息互通的问题，同时对底层数据单元提出了更高的要求，要求数据单元按照协议产生数据，或是在中间增加协议转换设备，增加了网络的实现难度。本方案是空间站信息系统发展的方向。

3.4 网络体制选择

为了能采用统一的方式对现有各种不同速率的业务和将来可能出现的业务在网络中进行传输和交换，空间站信息系统考虑采用分组交换的体制。分组交换体制包括定长分组和不定长分组两类。

定长分组交换技术的代表主要有ATM技术和类ATM技术。ATM是被国际电联选定的B-ISDN体制，是面向连接的传输模式，融合了电路交换和分组交换的优点，即面向连接、保证服务质量和统计复用技术，高速率、低时延的多路复用交换技术。定长的信元结构便于用纯硬件来实现高速交换，因为仅需要地址域中的比特来选择要转送的通道，理论上交换速率只受硬件的芯片性能影响。ATM具有相当完善的流量控制功能和拥塞控制功能，具有完备的服务质量保障机制，所以，ATM被广泛的用于骨干交换网。缺点是：由于任何形式的信息输入ATM网络就会转换为信元，即信息通过适配层分割/组装成固定长度的信元，使得设备实现复杂、功耗高、价格贵、实现成本高。

不定长分组交换体制的主要代表技术是IP交换。伴随着Internet的高速发展，IP成为当前计算机网络应用中的当然标准和开放式系统平台。它是一种端到端的无连接通信技术，其特点是“尽力传送”，在全网采用统一IP地址，通过IP数据报和IP地址屏蔽网络底层的差异，便于互连各种网络，广泛应用于数据型应用的骨干网上。

在空间通信中直接应用IP，目前存在一些应用的限制，特别是同步轨道卫星通信系统，存在时延长、误码率高和带宽不对称等问题，严重影响了TCP/IP的性能，而在空间站内部则不存在这些限制。空间站内的环境与地面环境很相似，可以类比为一个办公大楼或相邻的几个办公大楼。空间站的物理空间很有限，导致空间站内的信息传输时延很小，同时在空间站内采用光纤等有线传输介质，可以保证很好的传输质量，因此在空间站内直接应用IP是不存在技术限制的。而空间站与地面或其他星际网络通信时存在长时延、误码率高等影响IP高效工作限制，需要考虑改进措施。

基于上述分析，同时考虑空间站的网络构成，空间站信息系统的技术体制可以统一到IP上。

3.5 信息系统的业务综合与星地一体化设计

空间站信息系统除接收遥控指令、话音数据外，还要发射话音、遥测、电视图像和载荷数据等。由于空间站接收的数据速率很低，一般为1kbit/s～100kbit/s；而发射的数据速率很高，一般为100kbit/s～600Mbit/s，未来可能会更高，因此设计的重点是将空间站生成的数据以及待转发的数据进行处理，经过时分复接，融合成统一数据流，再经物理信道传输。

国际空间数据咨询委员会（CCSDS）在传统的分包遥测与分包遥控建议书的基础上建立了高级在轨系统（AOS）建议书。AOS提供不同的传输方案、不同的用户数据格式化协议以及不同的差错控制等级，以实现在一条链路上处理各种类型的数据。AOS建议书的一个核心特性就是虚拟信道（VC）的概念。虚拟信道允许一条空间物理信道被多个更高层次的传输流共享，每个传输流都可能有不同的业务要求，这样单一的空间物理信道被分割成几个分开的逻辑数据信道[3]。

利用虚拟信道的概念，对空间站不同类型的数据采用相应的协议进行处理，通过虚拟信道的调度，就可以实现星上业务综合。综上所述，只要开发出适于星上数据传输的协议，并建立有效的虚拟信道调度策略，就能够将星上各种类型的数据融合成统一的数据流。星上业务综合极大的简化了星上数据的管理，也便于信道的统一传输。

随着航天事业的进一步发展，单独考虑空间站信息系统或地面设备的方式已经不能适应新的需要。星地双向通信的传输方式也要求综合考虑空间站信息系统和地面站建设，进行星地一体化设计，是空间站信息系统发展的方向。

空间站内部采用标准的接口和协议体系，空间站对外数据流的组织分为两部分：一部分是高速率的有效载荷数据，它们通过与CCSDS的AOS相兼容的协议组织成相应格式，然后按照不同的数据类型和传输要求分配不同的虚拟信道，采用适当的调度策略对多个虚拟信道进行合路后通过高速率信道发送；另一部分是低速率的工程数据流，它们与常规航天器的工程管理数据流是一样的，这类数据流既可以使用传统的低速信道经射频调制后发送，也可以将打包后的数据插入高速有效载荷数据流传输的间隙，与高速数据利用同一信道发送，两个信道可以互为备份。完成虚拟信道调度功能的模块和完成工程数据与指令处理功能的数管单元通过通用型网络接口ESN（基本服务结点）与空间站信息系统网络相连。同时，为提高对空间站在紧急情况下的控制能力，空间站仍保留直接命令与数据通道，可以不通过空间站上信息系统网络接收和执行地面指令。

3.6 我国空间站信息系统研究中的关键技术

由于空间站信息系统与传统的测控系统相比，从概念到实现方法和手段上都有显著差别，无论从系统的物理结构还是数据传输协议方面都需要解决很多技术问题，主要包括如下研究内容：

（1）网络体制研究

空间站的特殊应用环境和要求决定了空间站信息系统要从整体层面和系统层面上进行空间站信息系统网络体制研究。它是空间站信息系统的核心，对它有高性能、高可靠性的要求，因此开发适用的网络是实现新型空间站信息系统的基础。

（2）CCSDS标准的研究

CCSDS紧紧跟随空间任务需求，不断开发空间数据与信息传输新标准，我们可以从它的网站上了解其最新动态。CCSDS提出的研究方向，大部分也是我们中长期需要开展研究的方向，是空间数据系统的技术发展前沿。通过研究CCSDS，并根据我国的实际情况，建立与CCSDS相兼容的标准。

（3）网络总线及接口标准的研究

空间站信息系统构成一个局域网，同时又采用子网式的分层结构，而又有不同的总线标准，如FDDI、1553B、IEE E802.3、IEEE802.4、ATM、SDH 等 标准。对于子层网络又有多种总线及标准，如1553B总线、串行通信线（RS-422、RS-485）、工业标准总线（SM系统管理总线、CAN总线、TM测试管理总线等）。这就需要根据空间站的实际应用环境和要求，研究适合空间站的网络总线及相应的标准。

（4）信息系统软件技术与结构研究

高可靠的网络需要高可靠软件系统支持。这样，嵌入式实时操作系统，开发、仿真、测试一体化平台将成为实现空间站数据系统的支柱，要求在软件开发中保证软件工程化管理，开发容错软件。研究软件的构造技术，软件的模块化技术，研究软件的容错技术、可靠性技术。研究和实现空间站的自主运行技术。

（5）数据安全技术的研究

数据安全技术是一切网络系统的关键技术，同样也是空间站信息系统的关键，但是由于运行环境不同，所采用的加密技术也有较大的差异。

（6）可靠性、安全性和容错性技术研究

空间站的高可靠性和安全性对空间站信息系统提出了更高的要求，需要研究提高空间站信息系统可靠性、安全性的措施，研究空间站信息系统的容错措施、冗余措施，包括计算机系统的容错冗余措施、总线的容错冗余措施。需要研究故障检测、故障隔离技术，需要研究空间站设备的空间环境适应性技术。 ◇

［1］戚发韧.载人航天器技术.国防工业出版社，2003，10.

［2］周林.国际空间站信息系统方案.遥测遥控，2005，3.

［3］谭维炽，顾莹琦.空间数据系统.中国科学技术出版社，2004，2.