基于PON架构混合总线的运载火箭电气设计

贾 睿，宁 雷，叶志鹏，梁 浩

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

随着信息技术、网络技术飞速发展，运载火箭呈现了十分明显的智能化、网络化趋势。箭上智能仪器、传感器的广泛应用极大提升了运载火箭潜力，对运载火箭电气系统响应敏捷程度、数据分析能力、数据应用能力都有了大幅提升，这样的能力提升与大数据量的通信密切相关，因而高带宽总线势在必行。

传统的MIL-STD-1553B总线标准在运载火箭广泛使用，其成熟可靠和广泛应用保证了火箭研制的顺利推进，但其1553B总线仅支持1 Mb/s带宽传输速率，严重限制了智能设备数据挖掘、故障诊断、智能决策等数据应用。依托先进信息技术，设计运载火箭高带宽、高实时性、高可靠、强拓展性的电气方案势在必行。

目前主流高速总线包括航空电子全双工交换式以太网（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）、航空电子光纤通道1553（FC-AE-1553）、工业自动化以太网（Ethernet for Plant Automation，EPA）、时间触发以太网（Time Triggered Ethernet，TTE）等。其中FC-AE-1553以光纤为传输介质，传输速度达到1 Gbit/s以上，具有传输速率高、干扰性能强且可平滑过渡MIL-STD-1553B总线的特点，得到广泛关注。

本文针对运载火箭大量应用成熟产品和设计，同时又急需提升信息交互能力的问题，提出了新型无光源网络架构的混合总线方案，在兼容成熟1553B总线产品的同时，实现了高速总线信息传输能力和拓展能力，同时以冗余方式提升系统可靠性。

1 FC-AE-1553协议与PON架构概述

1.1 FC-AE-1553协议

FC-AE-1553协议是航空电子领域率先应用的高速串行通信协议，以光纤通道作为传输介质，有点对点、仲裁环、交换型3种基本网络拓扑，如图1所示。其中交换式拓扑相比仲裁式拓扑实时性具有明显的优势，且某节点异常或新增节点对其他节点无影响，得到广泛应用，但其中需设置交换机完成信息交互。

图1 FC-AE-1553拓扑示意Fig.1 Diagram of FC-AE-1553 Topologies

网络主要由3类节点构成：网络控制器（Network Controller，NC）、网络终端（Network Terminal，NT）、网络监视器（Network Monitor，NM）。其中NC负责建立网络传输过程，是光纤网络数据交互的发起者；NT是执行者，响应NC命令，完成数据交互；NM完成数据监听工作。

NC、NT、NM与MIL-STD-1553B总线中总线控制器（Bus Controller，BC）、远程终端（Remote Terminal，RT）、总线监视器（Bus Monitor，BM）的功能有着近似特征，因而具有较强的对1553B协议向下兼容能力。

FC-AE-1553协议帧类型包括：命令帧、状态帧和数据帧3类。3类帧格式都含有光纤信道（Fibre Channel，FC）帧头，24字节，定义帧类型、源地址、目标地址、交换ID、序列ID、序列计数等；命令帧额外含有24字节命令帧扩展帧头、负责建立网络交互功能，状态帧含有2个字状态扩展帧头，负责回应状态信息；数据帧无扩展帧头，见图2。由3类帧建立节点之间的数据传输机制，实现不同需求的信息交互。

图2 帧格式Fig.2 Frame Format

1.2 PON架构

无源光网络（Passive Optical Network，PON）是一种单光纤双向光接入技术，最早由英国电信人员提出，用于解决局域网宽带瓶颈问题。

PON架构由光链路终端（Optical Line Terminal，OLT）、光网络单元（Optical Network Unit，ONU）、光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）等组成。PON采用无源光分路器代替有源交换机，灵活实现点到多点通信，大大简化光纤网络设计，同时提升了可靠性。

上行传输如图3所示，任一个用户ONU发出的数据都经分光器和光纤网络可以到达OLT，且仅能到达OLT，各ONU分时复用同一个通道，采用静态或动态分配时间窗方式完成数据调度。

图3 PON架构上行通道示意Fig.3 Uplink based on PON Topology

下行传输如图4所示，下行方向OLT发出数据经过无源分路器或多级分路器传送至各个ONU，各ONU收到相同数据包，进行选择性提取，得到对应自身的数据。

图4 PON架构下行通道示意Fig.4 Downlink based on PON Topology

2 箭上混合总线方案设计

2.1 箭上电气系统需求分析

运载火箭电气系统主要完成制导控制、姿态控制、指令控制及测量数据采集下传等功能。

制导控制完成对火箭质心运动参数的敏感、计算和控制，使火箭按照预设的轨道完成飞行。姿态控制完成火箭绕质心运动可控，确保火箭在飞行中稳定。指令控制完成火箭飞行中具体调节动作。测量数据采集实现飞行状态参数采集和下发，用于地面监测和数据分析。

为实现相关功能，运载火箭箭上设置飞行控制计算机、惯性组合、各级控制组合、各级伺服机构、速率陀螺、测控计算机等完成相关敏感和控制功能，火工品、发动机喷管、姿控喷管等接受控制完成相关动作。近年来，为提高制导精度，雷达、星敏感器等应用逐步深入，数据通量需求激增，同时为进一步验证新技术，箭上实时数据监测需求大幅提升，测量向测控转变，测量与控制交融增加，箭上高速通信需求亟需解决。

火箭涉及到的单机众多，交互复杂，应采用总线形式进行数据交互。箭上不同设备存在较大的应用区别，对于时序动作控制、伺服控制、火工品控制、惯性组合敏感等环节，重在可靠稳定实现，而对于新型智能单机和系统则有着强烈的高通量通信需求。

运载火箭众多关键产品、关键系统已形成基于1553B的成熟货架产品，考虑经济性、成熟度及研制效率，电气设计需兼顾能力升级与继承性，同时运载火箭对于网络通信具有极高的可靠性要求，箭上通信应采用冗余方案。

2.2 PON架构的FC-AE-1553总线设计

基于PON架构设计FC-AE-1553总线架构，如图5所示。网络实现“一点到多点”下行，“多点到一点”上行，可实现1.25 Gbs/s传输速率，网络兼备了PON架构低延迟、抗干扰、低成本特点，且取消了有源交换机，提升了网络可靠性。

图5 PON架构FC-AE-1553示意Fig.5 Diagram of FC-AE-1553 based on PON Topology

采用单模光纤进行信息传递，上行链路光信号采用1310 nm波长，下行链路采用1490 nm波长，接收信号与发射信号互不干扰，以不同波长单模光纤实现全双工通信应用。

OLT模块实现光/电、电/光转换，完成网络资源调配和数据传输控制，实现网络查询、错误处理等，应用在NC端。ONU模块实现光/电、电/光转换，响应OLT命令实现数据交互，应用在NT端。

OLT和ONU对于光信号处理相同，均在接收数据时将光信号转换为差分信号，发送时将差分信号转换为光信号。

针对航天应用中数据高可靠性要求，设计冗余式PON架构FC-AE-1553如图6所示，NC及各NT均采用双路，实现冗余备份。

图6 冗余式PON架构FC-AE-1553示意Fig.6 Diagram of Redundant FC-AE-1553 based on PON Topology

2.3 箭上混合总线拓扑设计

鉴于运载火箭大量电气产品基于MIL-STD-1553B研制，并经历了长期研制和飞行研制，可以可靠完成飞行，新型总线选择平滑对接1553B的FC-AE-1553总线，便于产品继承性开发。鉴于中国针对FC-AE-1553总线研制尚未完全成熟，全面替换箭上产品总线接口存在进度、成本和可靠性压力，提出采用混合总线方式完成箭上通信，高速通信部分接入光纤总线，无高速通信需求产品继承成熟1553B总线。

光纤总线采用PON架构的FC-AE-1553冗余架构，基于光耦合器构建无源总线网络，采用单模光纤实现双波长收发一体，采用双冗余结构支持冷热备份切换。设置总线桥接器实现FC-AE-1553对1553B总线设备的兼容。光电混合网络主要包括：光网络控制器（NC）、光网络终端（NT）、光网络监控（NM）、光纤总线转发器（Network Repeater，NR）、总线桥接器（Bus Bridge，BG）、1553B终端（RT）、分光器等。

图7 箭上混合总线原理构型Fig.7 Schematic Diagram of Hybrid Bus

NC选用OLT模块，作为网络的控制核心。NT、NM、BG采用ONU模块。NT通过分光器和光纤实现与NC上下行通信。

光纤总线转发器实现网络中任何节点信息全域可达，接收任一节点信号后进行转发，实现网络各站点功能任意配置，在既定网络情况下拓展能力大幅提升，NC、NT、NM可依需求配置。

总线桥接器实现FC-AE-1553光信号与1553B信号的转换，实现了两种体制接口网络间的平滑通信。

通过混合总线的设计，将成熟的货架1553B产品与新型智能应用光总线接口产品进行了有效融合，既满足了可靠性继承，又实现了高通量通信需求，同时灵活可配置设计，为具体应用留下了较大空间。

2.4 箭上混合总线电气方案

图8为一型运载火箭箭上电气方案。在整体飞行控制机、惯组、各级伺服控制器、各级控制组合、地面计算机、测控计算机都具有较为成熟1553B接口产品基础上，为确保火箭飞行可靠性，相关产品和状态都不做更改。针对雷达、星敏感器、测控计算机等大容量通信需求，设计光纤总线完成交互。设置飞控计算机为NC，完成网络调度；设置雷达、星敏感器为NT，完成高通量信息交互；测控计算机为NM和NT，完成测控信息交互和网络信息监听。

图8 箭上电气方案Fig.8 Diagram of Electrical System for Launch Vehicle

在此方案中，因飞控计算机及与惯组、控制组合、伺服控制器等产品和交互方案较为成熟，仍采用1553B总线BC进行调度，单独在飞行控制器中设置板卡实现光纤总线通信，并由机内总线实现BC与NC的衔接。同样测控计算机通过增设板卡实现光纤总线功能。因而，本方案中不需要总线桥进行协议转换。此电气方案仅为混合总线拓扑方案中一个应用，其他场景下，可通过总线桥实现其他灵活配置。

3 箭上软件协议设计

3.1 基于优先级的时隙设计

对应用层消息进行优先级划分，由NC进行网络时隙调配。网络信息包括控制流事务和数据流事务，控制流事务是指NC发起对目标NT的数据双向搬移操作，数据流事务是指NC指定网络其他两节点间进行数据自主传输操作的过程。时隙管理策略如图9所示。

图9 时隙管理策略Fig.9 Algorithm of Time-slot Assignment

针对控制流和数据流分别梳理完成地址、字长、传输周期等信息，数据流信息还需明确缓存时间，之后开展时隙设计。时隙设计依据如下原则开展：

a）控制流优先传输；数据流优先级最低；数据流传输时隙内遇控制流传输需求，适当延后、缩短或取消数据流传输；

b）合理控制总线负载率，协调总线信息交互时间和周期，实现各时段负载均衡；

c）各组信息传递间应设置合理时间裕量，以适应非周期或重传模式下信息传输需求。

3.2 混合总线信息轮询设计

以测控计算机NM、BM接收不同信息为例，进行软件设计逻辑说明。测控计算机接收光纤总线和1553B总线两类监视信息，采用轮询机制交替实现两类数据收集和处理。

光纤数据经NM接收后需进行帧格式转换，将OLT或ONU光电转换后的串行数据转换为并行数据，进行数据解码，进而进入光纤数据缓存模块，同时1553B数据经BM接收后进入1553B缓存模块。在系统分配的读使能有效情形下，FC-AE-1553缓存或1553B缓存数据进行输出，判定帧头和帧长度后，依据数据长度进行输出，数据读取完毕关闭读使能，同时查询另一类数据是否有缓存，如有则进行数据读取。

遥测数据读取后经过数据过滤、压缩等操作，将所需的数据进行挑选和整理，经过缓存后，组成测控全帧数据进行对外发送。

图10 轮询策略Fig.10 Algorithm of Polling Assignment

4 实现与效果

设计开发了基于PON架构混合总线的电气系统，对于总线数据交互情况进行监测，如图11所示，数据收发正常，各智能单机实现了高速数据通信，同时对于1553B成熟产品兼容性良好，混合总线应用得到验证。

图11 光纤数据收发测试Fig.11 Test Show of Fabre Channel Transceiver

仿真对比PON架构与星型、环型拓扑结构下FC-AE-1553网络时延，如图12所示。PON架构下时延情况明显优于星型和环型，在0.7网络负载率工况下，PON架构平均时延约为0.0018 s，而同样负载率下星型达到0.0035 s，环形达到0.0071 s。通过使用PON架构，有效提升了网络整体性能。

图12 时延仿真结果Fig.12 Simulation Result of Time Delay

5 结束语

随着信息技术发展，运载火箭潜力得到再次激发，在继承成熟产品和设计基础上，实现对于智能终端、网络化设备的能力融合显得尤为重要。本文研究了一种基于PON架构混合网络的运载火箭电气设计，该网络既能获得1 Gb/s以上高通量带宽，又能兼容成熟可靠1553B产品和设计，同时具备高的拓展性和应用灵活性。综上所述，基于PON架构的混合型网络在航天具有很好的应用前景。