载人航天器网络化层级式信息系统设计

李光日，王静华，李智勇，张森，王昊

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000）

我国通过载人航天交会对接任务的实施，已掌握了高可靠总线和高级在轨系统等航天器信息管理技术［1-2］，主要采用总线系统管理平台遥测、指令等业务数据，总线系统架构一般根据总线负载数量采用单总线或多总线并行架构；而国际空间站采用“层状结构”的总线系统［3-4］，在业务数据上进行了分级管理，但仍然难以突破总线信息速率的限制。

随着网络技术的发展，高速信息交换系统已成为国内外航天器信息系统研究的必然趋势。地面测控通信网已经实现网络化，并基于互联网建立了全球地面测控通信网的一体化通信；如果航天器信息系统采用网络化互连，一方面可以提高信息交换速率，另一方面能够具备与地面测控通信系统一体化通信的能力。目前，国内外对于天地一体化网络融合的组网技术主要处于理论和试验阶段［5-9］，国际空间站已将百兆高速网络应用于载荷数据的传输，开展了在轨试验，但网络信息与平台业务数据在管理和传输之间相互独立，未进行信息融合。

我国载人航天已全面进入空间站任务阶段，载人航天器在数据管理和传输任务上呈现出多负载、大数据、复杂数据类型等新需求。现有载人航天器基于单总线体制的信息管理技术在数据负载速率和业务类型上已无法完全满足任务需求，迫切需要研究基于网络和层级式多总线融合的航天器信息管理技术。

1 网络化信息系统架构

相比于地面网络环境，航天器天地传输链路具有时延长、带宽有限、双向链路带宽不平衡以及航天器内部电磁环境复杂等特点，直接应用地面组网技术将导致天地一体化网络通信效率低、可靠性差等问题。针对以上问题，提出了一种空间高效可靠的组网方案，构建以空间以太网交换机、天地网关为核心的航天器网络通信系统，并对地面网络协议进行改进和优化，实现高效可靠的天地一体化互联网络通信。

1.1 天地一体化网络通信系统架构

随着地面以太网技术的快速发展及广泛应用，空间通信与地面网络融合技术成为空间通信未来的主要发展趋势，空间数据系统咨询委员会（CCSDS）制定了IP over CCSDS Space Links红皮书建议草案［10］，为航天器和地面系统间实现CCSDS空间数据链路协议之上传输IP数据包提供了指南，使天地间的通信从网络层开始采用一致的协议实现一体化网络通信，建立天地一体化网络通信系统。

通过对以太网技术和IP over CCSDS协议在空间应用的研究，构建了以空间以太网交换机、无线收发设备、天地网关为核心的航天器天地一体化网络通信系统架构，支持自研或商用网络终端设备的有线或无线接入以及不同航天器间的组网通信，并通过中继卫星系统与地面测控通信系统建立的天地无线链路接入地面测控通信网络，系统架构如图1所示。

图1 天地一体化网络通信系统架构

（1）空间以太网交换机负责有线网络终端的接入及不同航天器间的组网，支持标准的以太网协议和接口，将航天器内部网络终端数据与其他航天器网络终端及天地网关进行数据交换。

（2）无线收发设备负责无线网络终端的接入，支持WIFI协议，将无线网络终端数据接入空间以太网交换机，实现无线网络协议与以太网协议的转换，并通过空间以太网交换机与其他航天器网络终端及天地网关进行数据交换。

（3）天地网关负责航天器网络与地面网络的双向数据传输，将航天网络的IP协议［11］与CCSDS AOS天地链路传输协议［12］进行转换，完成航天器网络与地面网络协议的映射，实现天地一体化网络通信的网关功能［13］。

1.2 天地一体化网络协议栈

针对天地长时延、带宽有限以及双向链路速率不一致的限制，优化了多层网络协议，有效减少了天地协议转换环节，提高了航天器天地一体化网络通信的效率和可靠性。

网络协议栈采用5层结构，包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层，如图2所示。

图2 航天器网络协议栈

1.2.1 应用层

由于网络数据采用突发传输的模式，一旦多种数据同时发送，会导致瞬时超出链路带宽，出现数据丢失的情况。因此，必须通过合理的网络流量控制策略，避免网络发生拥塞。

（1）流量控制策略1：对于周期性或随机性，且实时性要求的低速数据，不进行流量控制；

（2）流量控制策略2：对于有实时性和流畅性要求的高速数据，要求对一定时间内统计的平均速率进行控制，即需满足式（1）：

其中，Vt为t时间内统计的平均速率；Vavg为平均速率要求；

（3）流量控制策略3：对于无实时性要求的高速数据，为保证终端输出数据速率平滑，对相邻数据包之间的时间间隔进行规定，要求终端应用层在对输出数据进行缓存平滑后，再进行网络协议映射传输，应用层数据包时间间隔需满足式（2）：

其中，t为连续传输2帧数据之间的时间间隔；L为本帧数据的长度，单位为bit；Vavg为平均速率要求；Vmax为端口传输速率，百兆终端为100 Mbps。

1.2.2 传输层

由于天地链路时延在500 ms以上，同时前向（上行）带宽通常是返向（下行）带宽的1/10，使用TCP协议传输时，由于该协议设计了双向应答机制，导致数据速率基本约束在2 Mbps量级，在航天器上仅能将可靠性要求高、速率低的数据使用该协议传输。在使用商用设备接入天地网络时，可使用HTTP、FTP等应用层协议进行小文件传输，以满足航天任务文件在天地间互传和航天员浏览网页的需求。

对于图像、话音等实时传输类数据，对误码率要求不高而实时性要求较高，可不考虑丢包重传机制，在应用层采用实时传输协议（RTP），传输层采用UDP协议，确保传输时延尽可能小。

1.2.3 网络层

通信网络采用IP协议进行网络层的数据交换。高速通信处理器作为天地网关完成IP包的天地传输。航天器内部有线网络和与空间站的通信采用IEEE 802.3协议，航天器内部无线网络采用IEEE 802.11g/n传输协议。

1.2.4 数据链路层

天地之间采用IP over CCSDS协议、CCSDS封装包协议、AOS协议进行传输。高速通信处理器收到IP包后通过封装包协议对IP包数据进行封转，放入CCSDS AOS帧数据区进行传输。由于CCSDS AOS帧长定义为1 024字节，包括帧同步字、帧头、RS校验核，留给IP包的长度为886 B，在IP包封装过程中，如果IP包长度按照传统TCP/IP协议根据1 500字节的MAC帧长进行划分，必然会在链路帧尾部填充无效数据，造成链路带宽浪费，为解决该问题，提出了基于天地数据链路帧格式的网络包分段策略，高速载荷终端按照链路帧长切割载荷数据封装为IP包，确保IP包长和链路帧长一致，避免在链路中出现无效的填充包，可极大地提高链路的利用率，较按照MAC帧长划分时的74%利用率提升至86%，改善10%以上。

1.2.5 物理层

航天器网络终端分布在航天器的舱内和舱外，舱外为高低温交变的真空环境，舱内为恒温的载人环境，舱内外网络终端设备间的网络通信需要通过穿舱信号传输来实现，存在气密封穿舱的环节。为了保证舱内外网络信号传输的可靠性，用于传输以太网信号的连接器及电缆除了要满足电性能指标外，还要能够耐力、热、空间辐照等一系列空间环境。因此，航天器以太网信号物理层传输是一条非常复杂的物理链路。

目前，国内外并无宇航级以太网专用连接器及电缆相关标准，通常使用宇航用低频电连接器及电缆。由于以太网信号是差分信号，且航天器内部交换机和终端设备间物理层链路采用100BASE-TX传输标准（速率为100 Mbps），内部交换机与天地网关物理层链路采用1000BASE-X传输标准（速率为1 Gbps），相比低频信号（Hz级别）有大幅提高，若物理传输链路阻抗不匹配，会导致衰减、近端串扰及回波损耗等传输指标增大问题，对于多路高密度穿舱连接器尤为突出［14］。为解决该问题，通过多路高密度穿舱连接器的电场分布分析和试验验证，提出了在多路高密度连接器采用交叉排布和电缆分组屏蔽的低电磁互扰排布方法（如图3所示），优化了连接器内部导线间的电场分布，降低了收发线路的相互影响，近端串扰优化8 dB，解决了多路高密度连接器高速传输线间串扰的难题，实现了空间环境下舱内外网络终端的百兆以太网信号稳定传输。

图3 多路高密度以太网连接器排布方式

2 层级式总线信息系统架构

目前，大型航天器，尤其是载人航天器的总线终端（含载荷设备总线终端）数量已远远超过单总线允许的32个总线终端数量，必须通过多总线系统设计满足总线终端的数据可靠传输。相比单总线系统，多总线系统存在总线终端配置及负载均衡等技术难点，为实现总线系统的优化配置和负载均衡，提出了一种基于总线终端功能的层级式总线信息系统架构以及总线负载均衡和流量控制方法。

根据航天器总线终端的功能，将总线终端划分为系统级、功能级、执行级、舱段级和载荷级，各级功能如表1所述。

根据总线终端的层级划分，构建了以数据总线为核心，控制总线、载荷总线和舱段互联总线组成的层级式总线架构，如图4所示。

（1）数据总线：连接系统级与功能级设备，实现平台信息管理功能；

（2）控制总线：连接姿轨控制器与敏感器/执行机构级设备，实现载人航天器姿轨控功能，确保控制信息的可靠传输；

（3）舱段信息互联总线：连接不同载人航天器间总线系统，确保航天器间信息的可靠传输；

（4）舱段控制互联总线：连接主控航天器控制系统与受控航天器推进系统，实现组合体控制与推进设备的融合使用，满足控制时延要求；

（5）载荷总线：载荷管理设备与载荷设备，实现载荷设备的信息支持，确保载荷信息与平台信息的安全隔离。

层级式总线系统可支持150台以上的总线终端（含载荷设备），各总线终端根据需求传输的总线消息长度和周期不同，对总线负载均衡和流量控制提出了更高的要求。为确保载人航天器总线系统长期稳定可靠的工作，提出了一种基于数学模型的总线负载均衡分配方法［15］。针对总线负载均衡目标建立数学模型，即总线负载率波动模型，利用经典的模拟退火优化算法进行求解，解目标设置为总线负载率波动值最小，可行解区域即为所有消息帧的排列位置，可有效提升总线带宽分配工作的设计效率近90%。

3 网络化层级式信息融合管理

网络化层级式信息系统在轨运行期间，航天器总线管理设备（CTU）负责按照飞行程序完成对系统的信息统一管理和时序调度。为满足任务需要，CTU与航天器网络终端设备之间需建立信息交互，实现向网络终端发送的指令及时间同步信息，接收网络终端遥测参数等信息综合管理功能，为解决网络化层级式信息系统信息融合管理问题，提出了一种总线终端与网络终端之间的协议转换及时间同步机制。

3.1 网络与总线系统协议转换机制

为解决网络终端与总线终端之间的信息交互问题，提出了一种以网络核心设备为桥接设备建立网络与总线系统之间的信息交换机制，按照系统间通信转换协议，将网络与1 553 B总线信息从物理层开始至传输层的各层进行转换，使系统间应用层数据能够相互沟通。

网络与总线系统协议转换机制如图5所示。

图5 网络与总线系统协议转换机制

对于指令数据，桥接设备从总线接收后，对数据进行缓存，再按照总线协议进行格式剥离，对应用层数据根据指令映射表查找确定执行目标终端，对于执行目标终端为设备自身的指令，则直接执行；对于目标终端为其他终端设备的指令，将指令内容按照网络协议格式转换封装为网络包，再采用TCP/IP网络协议进行转发，目的终端设备通过交换机等网络交换设备接收并执行。

对于注入数据，桥接设备根据注入数据中的目的IP地址确定目的终端，再将注入数据内容按照网络协议格式封装为网络包进行转发。

对于网络终端的总线遥测信息采集业务，网络终端设备将自身的状态信息采集后作为应用层数据，采用TCP/IP协议发送给网络桥接设备，网络桥接设备按照网络协议格式对应用层有效遥测数据进行剥离，与其他总线信息综合后，转换成总线协议格式，通过总线接口按照总线调度时序发送。

3.2 基于总线时统的网络终端校时机制

载人航天器总线信息系统采用集中式的时间系统维护，由数据管理系统负责集中维持系统时间，每分钟通过总线广播的时间信息。与总线信息系统不同，网络系统采用分布式时间维持模式，各组成设备维持各自的本地时间。

为解决网络与飞船平台的时间同步问题，设计了基于总线时统的网络终端校时方法，通过系统间的桥接设备引入总线系统时间信息，将系统时间转换为网络校时协议进行广播，将网络系统中各终端设备的离散时间维护模式转化为主从约束式同步模式，建立了航天器网络时统与系统时统的同步维护机制。

在载人航天器网络系统中，高通通信处理器以网络管理器形式承担了时间服务器业务，形成时间服务器/客户端模式的主从式时间同步系统，网络时统与系统时统同步模式如图6所示。高速通信处理器开机后自动通过1 553 B总线接收CTU广播的时间信息，对自身的时钟进行周期调整，也支持通过1 553 B注入的方式对时间基准进行设定，高速通信处理器将同步后的时间信息换成以秒为单位的浮点数数值，将秒值整数部分生成时间戳信息的前32 bit，秒值小数部分转化为时间戳信息的后32 bit。

图6 网络时统与系统时统同步模式

作为整个网络系统的时间基准，高通通信处理器采用SNTP协议向整个网络信息系统定时广播校时信息。网络终端设备支持SNTP广播校时协议，接收网络广播的时间信息，自行进行时间校准和维持，从而实现整个网络系统的时间与整船平台系统时间的同步。

4 实验及应用效果

为验证本文提出的网络架构和协议的设计，通过仿真、实验室测试及天地对接实验进行验证，参试的电缆、网络设备、天地链路和地面站网络均使用真实设备，实验中开展了总线负载均衡仿真测试、协议转换及校时机制测试、天地IP数据包传输时延测试、图像传输测试、话音传输测试等测试项目。

（1）总线负载均衡仿真测试

通过数字化仿真手段，模拟货运飞船总线终端配置，应用基于模型的总线负载均衡分配方法实现总线消息的自动分配，实现了货运飞船层级式总线负载均衡，总线数据流量共计约190.672 Kbps，总线带宽使用量小于30%总传输能力，满足货运飞船总线系统长期可靠稳定运行要求。

（2）协议转换及校时机制测试

在实验室环境下，通过总线系统向网络终端发送程控指令和注入数据，网络终端相应正常；总线时统对网络终端校时频率为1次/s，校时分辨率为0.5 ms。

（3）传输时延测试

天地IP数据包传输时延约为526 ms，如图7所示。

图7 传输时延测试

（4）图像传输测试

高清图像下行正常，图像清晰流畅，如图8所示。

图8 图像传输测试

（5）话音传输测试

话音传输正常，话音速率控制均匀，天地话音延时约0.4 s，话音流畅，未发生丢包。

5 结论

本文设计的航天器网络化层级式信息系统构架，协议栈及信息融合管理机制通过实验验证，可以有效实现网络数据在天地链路中的高效可靠传输，多层总线负载均衡和流量控制以及不同通信体制间协议转换和时间同步；并可应用于以载人航天器为代表的低轨地球轨道航天器信息系统，同时可推广应用于深空探测任务，具有重大的军事、社会效益和广泛的应用前景。