卫星内无线射频总线设计

孙兆伟，邢雷，徐国栋，范国臣

(1.哈尔滨工业大学卫星技术研究所，黑龙江哈尔滨150080;2.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100000)

20世纪90年代以来，出现了新型现代小卫星，采用新的设计思想，打破传统大卫星的分系统界线，强调功能集成、系统集成和充分发挥软件功能，并且广泛采用现代微电子技术、微机械技术和纳米技术等高新技术，促使星载数据总线在不断的发展和完善，它的速度、使用灵活性和可靠性得到极大提高，提升了小卫星整体性能水平，在现代小卫星中有着举足轻重的地位.星载数据总线按是否有链接电缆可分为有线总线和无线总线2类.目前在小卫星上以电缆传输的有线总线应用为主［1-3］.长期以来无线通信主要应用在星地链路或星间链路上，技术成熟度高，而对星内的无线网络研究比较少.欧美一些大学和航天机构相继提出了星内无线通信的思想、评估报告和研制计划［4-7］，并开展了先期研究工作，重点研究光通信和射频通信2种方式.西班牙航空航天技术研究所建立并完成了星内光链路通信实验［4-5］，由于光通信技术设备相对复杂，且通信链路容易与仪器设备和结构板发生干涉，短时内难以在星上广泛应用.与光通信技术比，射频通信技术相对成熟，且设备简单，研究星内无线组网通信技术多采用射频通信方案，具有代表性的有英国的Surrey大学和荷兰的Delft大学［8-9］，其中Delft大学在Delfi-C3卫星上完成了自主式无线太阳敏感器(autonomous wireless sun sensor，AWWS)的演示验证，同时还进行了商用蓝牙和ZigBee技术作为星内无线网络通信协议的研究［10-12］.

本文在国内外卫星研究成果基础上，针对卫星无线网络系统的特殊性和航天领域高可靠性和实时性的需求，采用在哈尔滨工业大学研制的试验三号卫星上具有飞行经历的商用现货器件(commercial off-the-shelf，COTS)nF2401无线射频芯片为基础建立卫星内无线总线数据通信系统，并设计了一种适应卫星内无线总线系统的通信协议(satellite wireless area network，SWAN)，该系统支持设备即插即用、实时性好、可靠性高，并具有相应的容错和故障处理能力，能够实现卫星的快速测试、快速集成和装配，适合快速响应空间的技术要求.

1 无线卫星设计思想

传统卫星电子系统的设计与实现中，通常采用基于有线的星形结构或总线结构将星载计算机与敏感器、执行机构、平台及有效载荷各个下位机采用一定的接口连接，电缆数量众多.设计时既要考虑到电缆线的可靠性、安全性进行相应的单点双线、双点双线等冗余设计，还要考虑电缆线路铺设的合理性，将不同种类的电缆进行分别绑扎和固定，避免线缆间的干扰，同时需留有一定的安全距离和操作空间.有线数据接口电路设计相对复杂，要考虑匹配性和安全性等.据统计［1］连接星内各分系统的接口硬件和线缆的重量占了卫星整体重量的6%～10%.测试过程中，设备的接入与移除需按严格的操作流程进行，增加了测试的复杂性，也引入人为操作失误的可能.

基于现代小卫星多、快、好、省的设计目标，提出无线卫星的概念，卫星内的分系统、部件或单机之间采用无线通信方式来交换数据信息，除电源电缆线之外，卫星内各系统之间没有其他电缆连接.无线卫星避免了传统的有线总线形式的卫星系统各部件故障对总线的干扰，克服了部件故障导致的卫星系统安全性、可靠性隐患.无线卫星平台较传统卫星平台有着很大的技术优势，提高载荷比，减少发射成本，缩短研发周期;减小设备之间复杂连接关系、数据链路物理隔离、简化测试和总装流程;设备实现即插即用和系统的快速测试.本文重点进行了星内无线射频总线系统的研究.

2 卫星内无线总线网络体系结构

无线卫星平台设计将卫星独立的分系统部件或设备作为基本通信节点单元，组成星内的无线总线网络系统，它们之间相互配合来实现卫星的姿态控制、星务管理等功能，完成卫星任务.节点之间通过无线射频总线进行信息交互，网络的体系结构如图1所示.

图1 无线射频总线网络系统体系结构Fig.1 Architecture of wireless RF bus

从图1中可以看出，卫星的分系统之间除了有电源线与电源系统连接外，没有其他有线连接，卫星的单个独立系统或部件作为无线总线网络中的一个节点可以根据任务需求与网络中的任何其他节点进行信息交互.不同于有线总线的连接方式，无线网络系统中的节点之间在进行信息交互时没有复杂的物理连接.无线方式能够更好地支持设备即插即用和分系统的模块化设计，同时无线自组织网络等技术能够使得卫星的分系统部件自由加入和退出整个网络，这就使得卫星的分系统部件之间的连接更加灵活，能够大大的简化卫星的测试和集成装配的流程.

2.1 网络节点硬件电路设计

与传统卫星不同，无线卫星中的各个网络节点具有更强的自我诊断和处理能力，既减小了对星载计算机的依赖，又减轻了星载计算机的负荷.星内无线总线网络系统中的每个基本通信节点都具有射频通信、自诊断和互诊断功能，由中央处理器CPU、存储器SRAM、电源模块DC-DC、射频通信模块RFIC、看门狗电路WDT构成，其组成如图2所示.

图2 基本通信节点组成框图Fig.2 Composition block diagram of basic communication node

选择具有使能端控制的电源模块，看门狗电路的输出与电源模块的使能端相连，当网络节点异常时，WDT输出信号导致DC-DC的使能有效，使DCDC不输出，通信节点处于短暂的断电状态，当DCDC的使能端处于三态后，DC-DC模块将重新输出，实现节点的自断电再加电功能，进而解除空间粒子造成的非永久性故障.电源输入端设计有短路保护电路，在节点发生短路故障时将故障节点从系统切除，保证卫星安全.

星内射频通信功能既可以通过自行设计射频电路来实现，也可以选用现有的射频IC来实现，考虑到开发成本和研制周期，本设计选用无线收发一体单片射频芯片nF2401来实现，该芯片在试验三号卫星上成功进行了星地通信试验.1个CPU连接2个nRF2401互为备份，使射频通信模块可以在全双工通信模式和半双工通信模式之间进行灵活切换.每个nRF2401均可以进行收发，但为半双工状态，通过设置nRF2401，可以使其中的一个nRF2401工作在发送状态，而另一个nRF2401工作在接收状态，在发送的同时可以进行接收，实现射频模块全双工通信，将接收数据与发送数据进行比较后，即可了解发送出去的数据在信道中是否出现碰撞.如果其中一片RF2401出现故障，另一片NRF2401作为备份器件将替换其工作，此时单片射频芯片将进行收发交替工作，工作在半双工状态.

CPU可以采用通用微处理器、FPGA和SOPC等技术实现，针对不同的设备处理要求可以进行相应设计.无线卫星打破传统卫星设计的以星载计算机为核心的网络拓扑结构，建立分布式网络，通过嵌入在各节点中的CPU完成控制管理功能.每个节点均是一个独立的个体，可以实现传统星载计算机的全部或部分功能，在综合考虑成本和可靠性的基础上，CPU选用在试验三号卫星上进行了星载计算机功能演示的COTS器件嵌入式处理器AT91.

每个节点自动采集数据并通过无线总线网络进行广播发送，每个节点可以接收网络的所有信息，也可以设置滤波选择接收特定信息，完成相关的信息处理，并将处理过程信息和结果进行广播，在处理过程中根据不同节点计算结果对信息的处理过程进行修正，提高了运算速度并随时掌握和控制信息处理过程及中间结果，实现了并行处理和容错设计.

2.2 卫星无线总线网络协议设计

星内无线总线网络系统需要一个网络协议的支持才能够正常工作，但星内无线网络技术刚刚起步，目前还没有统一的协议标准，本设计从卫星星内通信需求出发，设计了通用的星内无线网络协议SWAN，该协议采用3层模型结构，直接映射到OSI模型的相应层上，如图3所示.

图3 SWAN与OSI模型映射关系Fig.3 Mapping of SWAN and OSI model

2.2.1 物理层设计

SWAN协议的物理层对应OSI模型的第1层，用来实现星内无线总线网络的基本通信功能.本设计选用的nRF2401是采用SOC方法设计的，调制方式为GFSK，只需少量外围元件便可组成射频收发电路，且通信协议简单并对用户透明，工作于2.4～2.5 GHz的ISM频段，支持多点间通信，最高传输速率可达1 Mbit/s，具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等优良特性.具有直接和突发2种工作模式，突发工作模式更适合星内无线通信应用.

2.2.2 数据链路层设计

SWAN协议的数据链路层对应OSI模型的第2层，进行节点间的数据传输链路规划，完成无线网络系统中的链路控制.卫星系统设计时，设计者对系统内的每个节点可以获得很多先验知识，利用这些先验知识，建立了一种基于星内网络先验知识的链路控制访问方法，实现SWAN协议的链路控制.

为每个节点分配一个唯一的标识ID，按照ID号由小到大的顺序先后访问信道，如图4所示.当节点拥有发送权限时进行数据发送，节点对信道的占用时间分为数据发送时间和等待时间，但不得大于节点发送的保护时间，发送后自动转换为接收节点，其他节点利用接收到的ID信息自主决定自身节点何时可以占用当前信道进行信息发送.

图4 SWAN数据链路控制方法Fig.4 Control for SWAN data link

无线总线网络通信周期既可以采用固定周期，也可以采用变周期，本协议中支持2种周期设置.重点进行了固定通信周期的研究，在链路规划中每个节点在1次通信周期中至少有1次信道使用权限，所有节点之间可以自由通信，通信流程如图5所示.

系统初始化时为每个节点分配固定的身份标识ID为1，2，…，N，N为当前所有节点的最大ID号，参照现有卫星的通信需求，设定通信周期为T，节点上限数量为100个，设定固定时隙，则整个通信周期为T=ΔT×100，在一个周期T内，所有节点轮询1次.

网络中的每个节点有发言权时，无论是否有数据都要先发送一帧标定帧，监听到每个节点的前趋节点(上一节点的ID号)和后继节点(下一节点的ID号)，M号节点一直监听前面节点L发出的标定帧，并不断清空自身计时器设定新的等待时间，直到拥有话语权，在规定时隙内完成发送任务，然后监听后面的节点发送的标定帧，如果监听到节点号N发送的标定帧后经过10个等待周期后都没有新的标定帧出现，则可判定N为当前网络中的最大ID号，M号节点等待M个时隙后具有发言权，这样就判定出最后一个节点ID号，形成环路，指定管理间隔时间，1号节点就能具有发言权，整个通信周期随节点的接入与退出可进行变化调整或保持不变，根据具体情况还设有一定的空闲时间，留有冗余，在满足系统实时性要求的情况下增加系统稳定性和可靠性.

图5 SWAN数据链路控制流程Fig.5 Flow chart of SWAN data link control

在星内无线网络中，发送节点在发送同时监听发送出去的数据，以保证发送数据的正确性，同时能够验证信道是否有冲突.同时每个接收节点自行对收到的数据进行判读，利用nF2401内置的CRC算法来验证接收端接收数据的正确性，但CRC只能检错不能纠错，因此同时采用汉明码纠检错算法，使之和CRC校验结合使用，汉明编码及译码表保存在PROM，采用(8，4)汉明码实现纠1检2处理，提高数据传输的可靠性.

SWAN协议具有SOIS所描述的即插即用体系结构，SOIS中的所有功能在SWAN协议的数据链路层中实现，具有发现新设备、配置以及重新配置无线设备的服务等功能，网络可以随时加入新设备、移除或退出一个旧的设备，不受影响.SWAN协议的即插即用实现的状态图如图6所示，新加入的节点设备由上电自检状态确认先后经过ID冲突检测阶段、设备配置阶段、设备自举阶段后，完成了设备的加入过程，进入正常通信阶段，所有的加入流程均在一个网络通信周期内完成，一个通信周期后进入正常的通信流程.

图6 SWAN协议即插即用状态转换图Fig.6 Plug and play state transition diagram of SWAN protocol

2.2.3 应用层设计

SWAN协议的应用层对应OSI模型的第7层，为用户根据实际应用需求定义部分，结构比较灵活，SWAN协议中数据帧格式包括:前导码、目的地址、试验数据和CRC校验，数据大小为256bit，除前导码和目的地址外采用(8，4)汉明码.

SWAN协议的发送节点在数据链路层采用广播方式发送数据帧，网络中所有节点都能够收到发送节点发送的数据.在应用层采用面向数据的寻址方式能够对接收到的数据进行过滤，通过在应用层数据帧中设置相应的帧编号标识来表示数据帧的具体含义，接收节点可以根据自身需要筛选出需要的数据进行处理，同时还能够对不需要的数据进行屏蔽.

3 地面仿真验证

为了验证星内无线总线网络系统方案的可行性，构建基于SWAN协议的星内无线网络系统，该系统由4个网络节点和一台监视终端组成.系统通信周期设为250 ms，发送节点的时隙为12 ms，网络容量为30个节点，当前网络中有4个节点分别代表卫星平台的不同系统或部件，传输速率1 Mbit/s.

仿真系统能够对SWAN协议和所设计的硬件电路进行全面考核与测试.

3.1 网络节点自断电再加电测试

分别对4个仿真网络节点，通过地面注入故障的方式，引起看门狗电路作用，4个网络节点均可靠的自动断电再加电.验证了自断再加电功能的正确性.

3.2 网络节点误码率测试

在软件中加入了专用的误码率测试程序，进行误码率测试时，发送节点发送约定格式的数据，通信距离3 m，传输速率1 Mbit/s，接收节点将接收到的数据保存并与发送节点发送的数据进行比对.发送节点发送640 000 bit数据，接收节点分别采用CRC校验方式和采用CRC与汉明码结合的方式接收数据，各测试3组数据，测试情况如表1所示.

表1 系统误码率测试统计Table 1 BER test results

从表1可以看出，CRC校验能够有效检测出错误的数据帧，避免接收节点误操作，但无法纠正错误，系统误码率在1.5×10－6～2.0×10－6.由于在测试过程中没有出现双错和双错以上的错误，在加入汉明码纠检错后，单比特错误均纠正，数据全部正确接收，提高了信道的可靠性.

3.3 网络节点即插即用功能验证

采用实时监控信道中的数据的方法来验证网络的即插即用功能.

在网络中有3个节点正常工作的情况下，加入第4个节点，通过验证平台中的监控终端实时监控到当前无线信道中的所有信息，包括当前节点个数，节点的ID等信息，网络成功检测到加入的新节点，且网络工作正常;在网络有4个节点正常工作情况下，一个节点主动退出网络后，网络仍正常工作，验证了网络的即插即用功能的正确性.

4 结论

本文研究了卫星内无线射频总线网络的设计与仿真验证，得出结论:

1)基于商用现货器件的卫星内无线射频网络节点实现方式简单可靠，既简化了设备之间的连接关系，又降低了研制与发射成本.

2)采取的自断电再加电技术，保障了商用芯片在空间应用的可靠应用，提高了卫星自主运行能力，减少地面测控的干预.

3)所设计的三层无线网络协议，实现了设备的即插即用，为系统的快速测试提供了保障.

本文对星内无线网络的总体设计与实现进行了初步研究，在后续工作需对无线总线所带来的EMC等问题进行进一步研究.将无线射频通信技术应用于卫星内总线通信的设计是航天领域一项重大变革，在此方面的研究对于发展我国的卫星、飞船、空间站乃至星际航天器计划具有重要的作用.

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