空间站信息系统仿真验证平台设计

王立胜，魏 然，沈宗月，王秉臣，朱 波，朱智超，赖安学

（1.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海 201109；2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

随着人类对空间探索的不断深入，空间站逐渐成为探索太空必不可少的工具。受体积和重量的影响，空间站需要逐舱发射、空中对接，实现整个空间站舱段间的信息并网，系统繁冗复杂。与其他飞行器相比，信息系统架构亦将有所改变，且会涉及多种空间应用新技术，如高速以太网技术、多总线通信管理调度、基于新型架构处理器的实时多任务应用开发、WIFI无线通信等，国内均为首次空间应用。高速以太网的功能及性能是否满足信息安全可靠及时的传输需求，多组1553B总线的通信管理与调度，新型架构处理器中实时多任务应用开发，以及WIFI无线通信的热点捕获、性能是否满足空间应用环境中的可靠通信，诸多关键技术均无应用先例。建立信息系统仿真验证平台，可在技术状态尚不成熟时提供一相对灵活、开放的仿真环境，针对关键技术进行攻关研究与仿真验证，为信息系统设计积累经验与技术。仿真验证平台需模拟信息系统的体系架构，实现各类信息流的发送、传输与接收，完成对各项关键技术的仿真验证，并提供软件开发所需的硬件环境。为此，本文对空间站信息系统仿真验证平台设计进行了研究。

1 信息系统概述

1.1 组成架构

参考国际空间站建设情况，未来空间站信息系统架构如图1所示，其结构分为系统网与高速网两部分。系统网采用分层拓扑结构设计，分为控制层和用户层，两层相对独立。控制层由中央处理器和多组1553B总线组成，每组总线均采用A、B互为备份；用户层根据需要由不同应用系统设备和相应总线组成。高速网基于千兆以太网交换技术，物理部分采用树型拓扑结构，分为顶层交换机和接入交换机。顶层交换机以千兆以太网交换机为核心，下连接入交换机；通过顶层交换机实现空间站的高速网互联。系统网与高速网之间通过中央处理器连接，中央处理器作为以太网与总线间的网关，构成完整的信息系统架构。

1.2 工作原理

信息系统高速网与系统网既相对独立又密切联系。系统网主要用于信息系统核心服务，完成系统指令的控制，遥测参数的采集、处理和传输等功能；高速网主要用于语音、图像、载荷数据等信息传输、操作控制、重要参数显示及越限报警等。此外，系统网的控制指令、遥测数据除通过系统网传输外，还可通过高速网传输，而高速网的部分重要和关键数据也可通过系统网传输，两网相互补充、协同工作，提高整个信息系统的可靠性。

系统网控制层由中央处理器负责各组总线的通信管理调度、在轨软件运行维护、控制指令发送及遥测数据采集组帧等，设置远置终端实现不同应用系统的遥测采集和指令发送；中央处理器与终端通过1553B总线进行遥测数据和控制指令的传送。可将总线根据不同功能和应用需求进行分组，如GNC总线、平台总线、数管总线、载荷总线等；其中载荷总线采用总线开关将舱内与舱外部分分开，在舱外设备异常时可进行故障隔离，不影响舱内系统总线的正常通信。用户层由不同应用系统设备通过其应用总线与各执行设备通信，用于应用系统自身设备的控制与数据采集。

高速网通过顶层交换机与接入交换机构成了信息传输的主干网及接入网，主干网通过顶层交换机实现高速网互联，接入网提供各终端设备的接入端口。终端设备的信息通过接入网进入主干网，与其他终端设备进行信息交互。对实时性要求较高的设备，如视频处理器、仪表控制器、话音处理器、载荷管理器等直接接入主干网，对实时性要求一般的设备通过接入网连接到网络。高速网设置数据复接器，对图像、话音、遥测等数据进行复接处理后，经通信网关送高速通信机下传；不能及时下传的数据，在大容量固存中进行存储。高速通信机接收的上行数据经通信网关安全过滤后进入高速网。

图1 信息系统组成架构Fig.1 Architecture of information system

2 仿真验证平台设计方案

仿真验证平台模拟未来的空间站信息系统，采用工控机、功能板卡以及与航天产品相对应的低等级设备进行构建；同时为适应嵌入式软件全生命周期的研制需求，构建数字化计算机平台，提供软件设计开发和仿真验证环境。整个仿真验证平台包括1553B总线网络、高速以太网络、WIFI通信仿真验证及数字化虚拟计算机开发仿真环境，平台组成结构如图2所示。

系统网设计中，中央处理器采用工控机及功能板卡模拟，5组总线中1组总线用于空间站舱段间的通信，其余总线用于本地控制层；为简化仿真验证系统，控制层总线只有2组接总线RT模拟器。用工控机与总线仿真卡模拟1553B总线RT，每组总线最多可动态模拟总线RT30个。标准总线测试仪用作1553B总线监视器，监视记录每组总线的通信，便于总线通信异常时的问题查找与定位。用工控机模拟测控通信机，仿真与中央处理器的遥控遥测通信功能。中央处理器通过以太网接口与顶层交换机连接，实现系统网与高速网间的通信链路。此外，在中央处理器中构建数字化虚拟硬件环境，进行软件开发调试。

高速以太网交换机采用商用标准千兆以太网交换机，配有100／1 000M自适应电接口和1 000M光接口，分为顶层核心交换机和接入交换机。高速通信模拟器用一台工控机作为高速网的数据处理器，通过光网口进行数据接收与处理，包括不同数据的分类、话音与图像的复现等。用摄像机、话筒产生话音、图像等网络数据。用2台带千兆自适应网口的计算机模拟两个高速节点，产生不同速率的数据源。用1台工控机实现网络管理器，对交换机进行管理设置，如优先级、基于端口的VLAN划分等，并用标准的网络测试设备网络测试仪测试网络吞吐率、延迟、带宽利用率、丢包率等网络性能。

图2 仿真验证平台结构Fig.2 Frame of simulation platform

用WIFI无线接入点（AP）和无线终端对 WIFI通信功能进行仿真验证。AP选用标准设备，接入以太网交换机；用有视频与话音功能的便携式计算机模拟无线终端。无线终端可在AP间直接进行信息传输，或通过AP接入以太网交换机，与以太网其他节点设备进行信息交互，或经以太网传输，通过另外的AP与其他无线终端进行信息交互。通过无线终端的移动以及遮挡AP使其信号产生强弱变化等方法验证WIFI无线通信的功能与性能。

仿真平台设计中需注意：多组总线的通信调度与数据融合；高速以太网多种信息流及通信速率的同时模拟，验证相互间的影响关系；模拟WIFI通信的信号强弱变化，验证其功能与性能；在无硬件条件下提供软件开发调试环境；验证所仿真的信息系统架构的合理与可行性。

3 仿真验证试验与结果

针对未来空间站信息系统将涉及的各项关键技术，在仿真验证平台上进行相应的仿真验证，主要包括系统网多总线管理调度、高速以太网的功能与性能、WIFI无线通信、基于新架构的数字化仿真、信息系统完整信息流通信链路与协议仿真等。

3.1 多总线管理调度及数据融合仿真

3.1.1 验证内容

以往飞行器仅有一组1553B总线的通信，未涉及多组总线的应用。需对多组1553B总线通信的管理调度、多组总线传输能力是否为各组总线的传输能力总和、数据通信与处理协议与单组总线的一致性，以及多组总线的数据融合等技术的应用进行仿真验证；另外对遥测数据组帧、遥控数据解帧以及不同通信途径与方式，如接口类型、通信速率匹配等，也需进行测试验证。

3.1.2 验证方案

多总线通信管理调度策略验证结构如图3所示。中央处理器和远置终端组成1553B多总线网络，中央处理器作为总线BC，在其上进行软件开发，与两组总线RT模拟器通信。中央处理器通过多组总线网络采集各1553B总线RT遥测数据，并将采集的数据按CCSDS格式组帧，通过以太网接口送给高速通信模拟器，通过串行接口送测控通信机模拟器，通过总线接口送其他舱段中央处理器模拟器；同时接收测控模拟器、其他舱段中央处理器模拟器、高速通信模拟器的遥控指令和注数，进行CCSDS解包后通过总线向对应1553B总线RT发送。通过上述途径实现对多组总线通信管理调度策略、多组总线数据的融合、应用协议以及可能出现的各种问题进行仿真验证。用1553B总线监视器监视总线网络上的所有信息，分析总线通信。

图3 多总线通信管理调度策略验证结构Fig.3 Approval simulation of multibus management

3.1.3 验证结果

在中央处理器和两组1553B总线RT模拟器中分别运行BC，RT仿真软件，中央处理器能按正常调度与两组总线RT通信，获取RT端的遥测数据，并将采集到的两组总线RT遥测数据统一组帧、多途径发送，同时进行后台归档文件存储，经比对遥测数据及组帧格式完全正确；中央处理器将各途径接收到的遥控指令解帧处理后分发给不同总线RT，RT端能正确接收并执行指令。仿真结果显示：多组1553B总线通信管理调度运行正常，数据融合组帧解帧功能正确，通信接口与速率等完全匹配。

3.2 高速以太网功能与性能验证

3.2.1 验证内容 仿真验证以太网功能，如虚拟局域网VLAN划分、安全控制特性、优先级等QoS策略设置以及流量控制等；测试验证以太网性能，如以太网吞吐率、传输时延、丢包率等［1－3］。

3.2.2 验证方案 高速以太网通信技术验证结构如图4所示。用平台中的以太网交换机及网络接口的图像、话音设备、由工控机模拟的载荷设备、数据接收设备、网络测试仪组成高速以太网络，根据信息流的重要程度设置不同优先级，并通过网络管理器对交换机进行VLAN划分、安全控制策略、拥塞控制策略、优先级分配、端口流量限制等协议策略设置；通过图像、话音设备及载荷模拟设备进行不同类型数据的发送，并控制载荷模拟器发送的数据量，在高速通信模拟器端接收并分类进行处理，图像、话音解码复现，载荷数据解析显示。用网络测试仪测试以太网的吞吐率、传输时延、丢包率等性能。由此验证高速以太网的各项功能及网络策略设置的合理性，并最终验证高速以太网在信息安全可靠及时传输对航天应用的支持程度。

图4 高速以太网通信技术验证结构Fig.4 Approval simulation of Ethernet communication

3.2.3 验证结果 传输静止图像数据时，接收端图像播放流畅无卡顿，且与发送端的图像源播放几乎同步；实时视频通信时，实时视频流畅且无延迟；实时话音通信时，可流畅地进行话音交谈，无卡顿现象，但有稍许的延迟感，通过调整接收缓存的大小，延迟感可减小甚至消失；大流量数据传输时，接收端与发送端同时实时刷新，显示内容同步，比较发送端源文件及接收端接收保存的文件，内容完全一致。用网络测试仪的测试结果为：高速以太网支持QoS业务分级功能、访问控制列表ACL功能、虚拟局域网VLAN功能、端口镜像功能等，吞吐率能达到100%，丢包率能达到0，传输时延千兆端口最大不超过50μs，百兆端口最大不超过200μs。仿真测试结果显示：高速以太网带宽与时延特性能满足静止图像、实时视频、话音以及大流量数据的通信，预测未来空间站可能的任务情况，高速以太网功能性能满足应用需求。

3.3 WIFI无线通信仿真验证

3.3.1 验证内容 验证WIFI无线热点自动捕获、配置、安全连接认证工作情况；验证无线终端在移动过程中、在热点切换情况下无线通信的可靠性和连续性，获取无线通信对数据传输、话音传输、图像传输的具体应用效果［5］。

3.3.2 验证方案 WIFI无线通信仿真验证结构如图5所示。用 WIFI无线接入设备（AP）和终端组成无线网络，将2个WIFI无线AP通过有线网络接口接入以太网交换机，相隔一定距离，在其间进行信号遮挡；在两个 WIFI无线终端间、WIFI无线终端与以太网节点设备间进行图像、语音、数据等信息交互；使一个无线终端不停地在两AP间来回移动，与两个AP间的信号强度不断出现强／弱、弱／强变化，仿真AP热点的切换，测试在终端移动过程中以及在热点间切换时WIFI通信的可靠性，验证其自动捕获与配置功能［4］。

图5 WIFI无线通信仿真验证结构Fig.5 Approval simulation of WiFi communication

3.3.3 WIFI无线通信仿真结果 仿真结果显示：在信号覆盖范围内，WIFI无线终端能够自动捕获无线AP热点信号，进行安全认证、关联过程，随后即可进行无线通信；两终端通过同一个AP覆盖直接通信，信号无遮挡时在802.11g模式下实际吞吐量可 达 约 10Mb／s，在 802.11n 模 式 下 可 达 约20Mb／s，一般不丢包，视频图像传输流畅，话音清晰连贯；终端移动过程中，信号强度未下降时吞吐量保持不变，图像、话音仍可正常通信；遮挡导致信号强度下降时性能相对变差，偶有丢包，图像偶有卡顿，话音偶有断续；终端继续移动，导致热点切换至另一AP时，吞吐量又可达到无遮挡时的水平，切换过程有数据丢失，图像、话音有瞬时断续。

3.4 基于新架构的数字化仿真

3.4.1 仿真内容 中央处理器作为信息管理控制中心，集多种功能于一体，任务多，功能复杂，实时性要求也高，因而采用基于新型架构处理器进行实时多任务的软件开发。为此需仿真处理器平台硬件环境，进行实时操作系统的移植、适应性裁剪、核心控制软件的设计开发、调试测试，以及控制策略与应用协议的仿真验证，具体功能包括多任务管理技术、应用协议与控制策略、故障注入、系统功能冗余、多组1553B总线通信管理调度、遥测数据采集组帧、遥控指令及注数分发、时间产生与维护、与高速网的协议转换与信息交互、分包遥控及分包遥测处理等。

3.4.2 仿真方案 在仿真平台上用iSystem数字化虚拟开发仿真软件构建处理器硬件模拟环境，并连接真实的外围硬件接口，如1553B总线BC控制器接口、串行接口、以太网接口，构建外围通信环境；在虚拟处理器平台上进行实时操作系统的移植裁剪、嵌入式计算机板级支持包BSP配置，并进行多任务系统软件的开发与仿真验证，完整地实现多任务核心控制软件开发、调试和测试，通过数字化技术验证控制策略、应用协议，并进行故障模拟注入，验证处理器BSP配置的可靠性、操作系统内核裁减的安全性、应用软件任务调度的实时性和合理性，适应嵌入式软件全生命周期的研制需求［6］。iSystem数字化计算机系统由iSystem Target目标处理器虚拟机、iSystem Device Model外部设备模型、iSystem Debugger调试器、iSystem ObjectCode Analyzer目标码覆盖率分析模块组成，用其构建的数字化开发验证环境如图6所示。

图6 数字化开发验证环境构建Fig.6 Composing of digital development environment

3.5 信息系统联合仿真

3.5.1 仿真内容 仿真信息系统的全部信息流通路，系统网与高速网间协同工作与数据交互的正确性、整个系统信息流连通性，以及数据交换、速率匹配、各功能协同工作及相互影响，如系统网遥测遥控信息流，高速网的视频、语音、遥测传输等，进而仿真验证信息系统整体架构的合理性。仿真信息系统的各种工作模式，测试功能和性能，同时可模拟总线和网络的各种故障，检查信息系统的故障处理和系统重构能力。

3.5.2 仿真方案 在各项技术仿真验证完成后，设置多组1553B总线网、高速以太网、WIFI无线网络同时联合工作，模拟信息系统的完整信息流，对各功能配合情况、速率与接口匹配情况进行整体验证；人为设置故障模式，仿真验证系统的处理及重构情况。3.5.3 仿真结果 仿真结果显示，在系统网、高速网各类数据流同时运行的情况下，仿真效果与单一数据流仿真时效果一致。由此验证了系统网1553B总线网络、高速网千兆以太网网络及整个信息系统体系架构的合理性。

4 结束语

本文对空间站信息系统仿真验证平台设计进行了研究，仿真验证了未来将应用的关键技术和体系架构，为空间站信息系统设计积累了经验及技术。该平台可实现基于实时操作系统的多任务实时软件更全面深入的测试与验证，可基于虚拟环境开展基于硬件环境无法进行的测试和验证工作，如目标码覆盖率分析、CPU故障注入等，还可作为今后信息系统及单机设备功能和性能测试平台。若产品出现问题时，可用该平台进行分析和试验，更好地复现、分析和解决，而且能远程再现故障，无需设备的来回运送，更好地支持总体工作。

［1］ SEIFERT R.千兆以太网技术与应用［M］.朗 波（译）.北京：机械工业出版社，2000.

［2］ 姚作宾，魏守水，程明阳.基于高速以太网技术的应用探讨［J］.东南大学学报（自然科学版），2003，33（S1）：75－77.

［3］ 戚玉箐，胡西虹，周 箴，等.基于以太网技术的局域网系统验收测评规范［S］.中国标准出版社，GB／T 21671－2008，2008.

［4］ 王明威.基于wifi和以太网的数据传输技术研究［D］.长春：长春理工大学，2010.

［5］ 崔小东.基于wifi的无线校园网建设研究［D］.南京：南京理工大学，2010.

［6］ 曹 晗.基于SPARC平台的VxWorks虚拟化技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.