基于时间触发以太网的遥测通信技术

王报华，徐林丰，张金刚，张宏德

（1.北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨，150006）

0 引 言

遥测系统是执行飞行器遥测任务的重要电子系统，对于飞行器状态监测具有重要意义。传统遥测系统采用LVDS、RS422、1553B 等总线接口，形成了高、中、低通信速率传输能力，遥测系统根据不同设备接口的数据传输需求，选择传输方式，实现了遥测数据传输［1］。当前，遥测系统凸显出一些遥测数据传输应用问题，主要表现在通信带宽不足、接口种类繁多、电缆网设计复杂等。

时间触发以太网（Time-triggered Ethernet，TTE）具有吉比特数据通信能力，统一化的总线通信标准协议，轻质化、抗干扰的物理通信介质等多项优点，能够有效解决传统遥测系统面临的诸多应用问题，具有很大的技术应用潜力。

1 时间触发以太网介绍

时间触发以太网是在ⅠEEE802.3 标准以太网技术的基础上，融入时间同步、时间触发、速率受限通信及保证传输等机制，实现了以太网技术在航空航天、汽车等高速高可靠需求领域的技术应用。如NASA猎户座载人飞船、洛克希德·马丁F16 战斗机、空客A380、波音787等，均将TTE总线作为重要电子系统的数据传输总线，确保关键传感器和设备数据传输安全可靠。

时间触发以太网具有以下通信技术特点：

a）时间同步特性。时间触发以太网采用了透明时钟传输机制来实现时钟同步。TTE 网络同步设备分为3 种类型：同步主（Synchronization Master，SM）、同步客户端（Synchronization Client，SC）和压缩主（Compression Master，CM）［2］。同步主是时间同步的发起者和参与者，能够在网络的初始化同步和重启动同步过程中主动开启冷启动过程实现网络同步。同步客户端仅接收、转发网络全局同步信息。压缩主根据网络同步压缩算法对所有同步主设备的协议控制帧（Protocol Control Frames，PCF）进行压缩、综合，并将同步时间结果发送给同步主设备进行时间修正，从而实现网络的全局时钟同步。

b）时间触发通信机制。时间触发以太网采用时分复用的方式按照时间周期对以太网数据划分固定时隙，一种类型的数据仅在其专属固定时间片进行传输，各类型数据之间相互独立、互不影响，从而保证了传输数据到达的确定性。由于采用了固定时间片进行传输，各类型数据的传输时延不再是随机的，而是可估计、可测量的精细时间范围，通过对时间片间隔进行裕度设计，各时间片将有条不紊地完成数据传输任务，不会发生数据冲突，提高了TTE总线的通信时间故障隔离能力。

c）支持TT帧、RC帧、BE帧通信。TTE 网络支持TT 数据流和ET 数据流。TT 数据流是实时确定性传输的数据流，ET 数据流又包括尽力服务（Best Effort，BE）数据和速率受限（Rate Constrained，RC）数据。TT 数据在整个系统传输中具有最高优先级，TTE网络中TT数据采用抢占机制来完成通信。BE数据是传统以太网的标准数据，利用网络剩余的带宽进行传输，它的优先级也低于TT数据和RC数据，其时延、可靠性等不能保证［3-4］。对于关键数据，采用TT帧方式进行传输，对于非关键数据，可采用RC或BE帧方式进行传输，采用普通以太网接入的方式即可完成数据接入。

d）冗余通信能力。时间触发以太网采用“端设备-交换机”星型拓扑结构，各个端系统与冗余交换机互联，当一个交换机失效后，冗余交换机继续执行功能，保证系统正常运行。

2 传统遥测通信技术

2.1 传统遥测系统信息传输架构

遥测系统以获取飞行器各系统的飞行状态监测参数为目标，由供配电、传感器、数据采编设备、数据综合设备、FM 调频遥测发射机等组成。传统遥测系统信息传输架构一般采用主从网络系统架构，按照分布采集、逐级综合方式完成遥测数据传输，传输总线可为LVDS、RS422、1553B总线等，如图1所示。其中，数据综合设备为遥测系统主设备，向各数据采编设备发送取数命令，各数据采编设备接收到命令后，将数据发送给数据综合设备进行综合编帧。数据采编设备分布于飞行器不同位置，负责就近采集传感器数据及其他设备的状态数据，然后对采集数据进行数据编帧，在数据综合设备的调度下将数据发送给数据综合设备。遥测系统按照ⅠRⅠG-106国际遥测标准进行数据综合编帧，形成固定遥测码率的PCM 数据流，发送给遥测发射机进行信道编码、调前滤波、FM 调制及遥测功率放大。

遥测数据经遥测发射机无线下传到地面后，地面解调设备经信号放大、锁频锁相、信号检测等信号处理，恢复出遥测比特信息流，然后根据遥测帧结构对遥测比特信息流进行检测判断，根据帧同步码检测结果恢复出遥测数据帧，最终提取得到有效遥测数据信息。

2.2 传统遥测系统同步

遥测系统具有系统准同步能力，数据综合设备向遥测系统其他设备广播发送遥测帧同步信号［5］，遥测系统各设备被动接收遥测帧同步信号后进行系统同步。广播发送方式可以是脉冲信号，也可以是串行指令协议。脉冲信号采用硬线连接方式，具有较低的指令传输延时，传输延时与电缆传输距离有关系，一般为 100 ns 以内。串行指令协议采用串行数据传输方式，需要接收多比特数据进行指令匹配才能响应系统同步信号，系统同步的传输延时较大，而且与串行指令协议传输级数有关，单级传输延时一般在1 ms 以内，在进行多级传输时，传输延时会更高。系统时间同步能力关系遥测系统的同步采集性能，传统遥测系统由数据综合设备广播发送遥测帧同步信号，遥测系统其他设备被动接收该同步信号，遥测系统同步没有进行时间补偿，传统遥测系统同步采集能力有待进一步优化提升。

2.3 传统遥测系统混合网络应用缺点

传统遥测系统架构中，数据综合设备与数据采编设备通信网络采用LVDS、RS422、1553B 等接口形式，能够适应1～100 Mbit/s 及以上遥测传输通信速率需求。其中，LVDS 总线接口可用于图像、视频等高带宽数据传输应用，RS422 可用于传输振动、冲击、设备状态参数等中带宽数据传输应用，1553B具有抗干扰、双冗余、数据重传等可靠传输特点，用于系统关键信息的采集传输。通过综合应用LVDS、RS422、1553B 等接口，能够搭建起较为可靠的遥测电子系统。但是，该组合式总线接口应用也存在很多缺点，主要表现在：

a）系统电缆网设计复杂、电缆网质量大、接口协议不统一；

b）LVDS、RS422、1553B 等混合接口应用模式使设备之间难以实现遥测数据互联互通和共享，制约了遥测数据应用和发展；

c）数据综合功能难以实现系统级冗余，存在可能发生的单点故障。

3 基于时间触发以太网的遥测通信技术

3.1 基于时间触发以太网的遥测系统信息传输架构

基于时间触发以太网的遥测系统采用“端设备-交换机”星型拓扑结构，融合了时间触发以太网和传统遥测系统的功能和特点。时间触发以太网用于构成遥测系统通信传输的主干网络，数据综合设备、数据采编设备为TTE 网络的端节点设备，交换机用于实现TTE 网络多级网络级联和节点扩展。基于TTE时间触发以太网的遥测通信设计如图2所示。

图2 基于时间触发以太网的遥测通信设计Fig.2 Design of telemetry communication based on TTE

与传统遥测系统主从方式进行数据调度方式不同，基于时间触发以太网的遥测系统依靠时间驱动数据流方式进行数据传输通信。在TTE 网络调度周期内，划分为多个时隙单元，为每个时隙单元安排固定的数据信息流任务。其中，数据综合设备向数据采编设备发送下行数据信息流，数据采编设备向数据综合设备、数据采编设备发送上行数据信息流，发送方式可以是单播、组播、广播。数据综合设备接收到各数据采编设备的数据后，进行数据综合编帧，形成遥测数据流发送给遥测发射机设备。基于时间触发以太网的遥测系统在实现双冗余遥测传输方面具有优势，图2中，主数据综合设备、备数据综合设备均能够获取遥测系统的所有数据，各自进行数据综合编帧，形成遥测PCM 数据流发送给遥测发射机，遥测系统获得了双冗余遥测数据传输能力，相比传统遥测系统存在的单点传输具有明显改进。

3.2 基于时间触发以太网的系统时间同步

基于时间触发以太网的遥测系统，具有高精度网络时间同步能力，时间同步精度可优于100 ns。时间触发以太网的时间为内同步，系统内多个同步主（SM）发送时间同步协议控制帧（PCF），压缩主站进行固化、压缩，迅速迭代收敛形成了高精度时间同步能力。多个同步主为TTE网络提供了冗余能力，当某个同步主发生故障时，其他同步主仍然能够完成时间同步计算。

由于TTE网络的系统同步信号是由多个同步主进行同步时间计算产生的，并将该系统同步信号作为TTE网络中数据综合设备、数据采编设备的系统同步信号，TTE网络的系统同步信号与传统遥测系统中系统同步信号由数据综合设备发送给遥测系统各个设备的主从工作方式存在很大不同。由于时间触发以太网的系统具有同步信号特点，数据综合编帧需要采取遥测数据同步处理的方法才能完成遥测数据下传。

3.3 基于时间触发以太网的遥测综合编帧

传统遥测系统由数据综合设备遥测帧同步信号作为遥测系统同步信号，该遥测帧同步信号与遥测码率是严格时钟同步的。对于遥测系统无线传输来说，遥测帧周期、遥测帧同步信号、遥测码率是严格时钟同步的，决定了遥测帧数据结构的完整性。基于时间触发以太网的遥测系统采用的是由多个同步主计算产生的系统同步信号，该系统同步信号具有一定的时间精度误差，若使用该系统同步信号完成数据综合，会造成遥测帧结构部分比特数据丢失，地面解调遥测数据时也容易产生失锁。TTE网络系统同步信号给遥测系统数据综合带来了遥测帧结构数据完整性问题，该问题可通过使用“两级综合编帧”方法进行解决。第1级数据综合编帧采用TTE网络产生的系统同步信号作为遥测系统的系统同步信号使用，系统同步信号周期即第1级数据综合编帧的遥测帧周期。但是由于TTE网络系统同步信号的精度误差问题，TTE网络系统同步信号存在时间抖动，造成第1级数据综合编帧的帧同步码是不稳定的，造成比特信息丢失或多发。因此，第1级数据综合编帧的结果是不能直接发送给遥测发射机的。第2 级数据综合是将第1 级数据综合结果进行异步传输、插入到新的遥测帧的数据综合方式。由于采用与传统遥测系统完全一致的遥测传输体制，第2 级数据综合能够与传统遥测系统完全兼容，可以完全避免由于采用TTE网络带来的第1级数据综合无法遥测下传的问题。第1级数据综合以准同步方式实现了基于时间触发以太网的遥测系统数据调度和实现，第2级数据综合实现了传统遥测系统的综合编帧、无线下传功能，既利用了TTE网络总线技术的特点，又保证了与传统遥测系统体制、设备的兼容性。虽然采用了异步传输方式，但“两级综合编帧”带宽利用率可达99%，几乎与传统遥测系统带宽利用率相当。另外，“两级数据综合”方法也带来了新的应用问题。由于采用了两级综合编帧，第2级遥测数据是异步的，需要地面解调软件剔除填充的无效数据，恢复出第1级数据综合遥测数据。经过处理后，可实现遥测参数数据内容和位置与传统遥测系统一致的目标。

3.4 基于时间触发以太网的遥测通信设计验证

图3为基于TTE总线的遥测系统通信及数据处理流程。基于时间触发以太网的遥测系统采用“两级数据综合”方法进行数据传输和数据综合。第1级数据综合获取基于时间触发以太网遥测通信系统的所有测量数据，并按照200×60 遥测帧结构完成综合编帧，然后将综合编帧数据通过乒乓缓存方式异步插入到第2级240×60 遥测帧完成数据综合，从而形成相位稳定的遥测码率数据流，然后发送给遥测发射机进行FM调制和功率放大。地面接收到遥测数据后，恢复出第2 级数据综合遥测数据，然后进行数据处理，剔除填充的无效数据，然后恢复得到第1级数据综合遥测数据。第1级数据综合遥测数据即基于TTE时间触发以太网的遥测系统的所有测量数据，从而实现了遥测系统功能。

图3 基于TTE总线的遥测系统通信及数据处理流程Fig.3 Telemetry system communication and data processing flow based on TTE bus

4 结束语

基于TTE时间触发以太网的遥测系统既具有TTE网络时间同步、时间触发、高速传输、双冗余的特点，又与传统遥测体制相兼容。TTE网络的内同步特点，又使得基于TTE时间触发以太网的遥测系统与传统遥测系统有所不同，采用两级数据综合方法实现了基于TTE时间触发以太网遥测系统的数据综合编帧，解决了遥测系统应用TTE时间触发以太网可能遇到的遥测帧数据不完整、地面解调失锁等问题。两级数据综合方式能够实现高达99%遥测带宽利用率，与传统遥测系统有效遥测带宽相当。基于TTE时间触发以太网的遥测系统既利用了TTE时间触发以太网的技术优势，又实现了与传统遥测系统的兼容，具有很大的发展潜力。