大型载人航天器载荷数据传输系统设计

刘彦伟 赵振昊 杨佳欣 易予生

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

为了更好地利用太空资源,开展空间科学试验、空间应用试验、航天医学试验和航天技术试验等项目,充分发挥载人航天的科学、经济效益是载人航天器基本任务之一[1-3]。大型载人航天器一般由多个舱段组成,往往采取分步发射的方式,通过交会对接和转位完成载人航天器的组装建造[4-5]。大型载人航天器可在舱内布置若干个科学实验柜、在舱外设置暴露试验平台,持续支持开展空间生命科学、微重力科学、航天医学、航天新技术等多学科领域的空间科学与技术试验[4-5],每个试验载荷项目每天均产生大量载荷试验数据,需及时下传至地面供科研人员研究。

国内外航天器均设计数据总线系统用于有效试验载荷的数据传输,常用数据总线包括:ML-STD-1553B总线、CAN总线、IEEE1394总线、SpaceWire总线[6-9]等。其中:ML-STD-1553B总线和CAN总线的通信速率较低,最大通信速率为1Mbit/s;IEEE1394总线的通信速率最大为400Mbit/s,通信距离仅为4.5m;SpaceWire总线的通信速率为2～400Mbit/s,通信距离为10m。“国际空间站”为有效试验载荷专门设计了两种数据总线,美国实验舱采用光纤分布式数据接口(FDDI)网络,通信速率为100Mbit/s;欧洲航天局哥伦布舱采用IEEE802.4总线网络,通信速率为10Mbit/s[10]。我国载人航天器也为有效试验载荷专门设计数据总线用于传输试验数据,空间实验室采用IEEE1394总线,通信速率为100Mbit/s;货运飞船采用双绞网线以太网,通信速率最大为100Mbit/s[11-12]。从通信速率和传输距离来看,采用常用数据总线设计的数据传输系统已不能满足大型载人航天器空间试验载荷任务需求。

与常用数据总线相比,光纤以太网通信具有传输速率高、通信容量大、稳定性高、质量轻等优点,是航天器数据总线传输的重要发展方向[13-15]。大型载人航天器往往是按照舱段分步发射、在轨完成组装,在空间试验载荷设计上有着显著特点:①试验载荷规模大:大型载人航天器在舱内、舱外均可大规模支持空间科学与技术试验。舱内可安装几十个实验柜,每个实验柜均相对于将一个地面实验室搬到了太空,舱外可设计支持若干个标准舱外载荷,用于支持多学科的各类实验(试验)项目[5];②试验数据量大:每个科学实验柜和舱外载荷在开启试验任务后,每天产生大量的试验数据,最多可达几百个Gbyte的数据量,需及时下传至地面;③数据传输要求高:载荷试验数据在载人航天器内的传输时延和丢包率要求均比较高,传输时延要求在微妙级,丢包率要求为0,即不能有数据丢失。针对大型载人航天器舱内/舱外试验载荷多、试验数据量大、数据传输要求高的特点,本文提出一种基于光纤以太网的大型载人航天器载荷数据传输系统设计方法,采用双环+树形的网络拓扑结构,配置千兆速率(1Gbit/s)和万兆速率(10Gbit/s)的光纤以太网接口,在舱内通过已铺设光缆与舱内试验载荷互连、在舱外通过光纤在轨拼接技术实现与舱外试验载荷互连,为大型载人航天器舱内外各类试验载荷提供高速数据传输和下行通道服务。

1 系统设计

1.1 设计原则

大型载人航天器载荷数据传输系统用于传输空间试验载荷的各类应用数据,遵循以下基本原则。

(1)系统的可扩展性。可适应载人航天器单舱、两舱、多舱多种飞行模式,具备网络扩展的能力。

(2)数据接口的标准化。物理接口和网络协议栈采用标准数据接口模块,可适应不同试验载荷数据的传输。

(3)舱内/舱外的覆盖性。对空间试验载荷的支持最大化,网络需覆盖舱内和舱外全部试验载荷,并为载荷提供最大的数据传输服务。

1.2 拓扑结构

大型载人航天器载荷数据传输系统设计分为两层:骨干传输层和汇聚接入层,采用双环+树形的网络拓扑结构。骨干传输层主要由各舱骨干交换机和穿舱光纤组成,骨干交换机均采用主备份冗余设计,提供千兆速率和万兆速率的以太网标准接口,万兆光接口用于各舱之间载荷数据高速传输,千兆光接口用于与高速通信处理器连接。汇聚接入层由载荷信息主机和舱内/舱外试验载荷终端(包含科学实验柜、舱外试验载荷等)构成,实现试验载荷接入载荷数据传输系统和试验数据的汇聚和传输。

在大型载人航天器各舱段单舱飞行阶段,载荷数据传输系统呈现树形结构,负责本舱段各载荷设备的试验数据传输。在大型载人航天器多舱段形成组合体后,通过穿舱光纤互联,大型载人航天器载荷数据传输系统自主重构形成双环+树形的网络拓扑结构,完成载荷数据传输系统多舱并网,建立舱段之间万兆速率的高速传输通道,负责大型载人航天器各舱载荷设备的试验数据传输。

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大型载人航天器载荷数据传输系统拓扑结构示意如图1所示。

图1 大型载人航天器载荷数据传输系统拓扑结构示意图Fig.1 Topology diagram of large manned spacecraft payload data transmission system

大型载人航天器各舱的骨干交换机采用统一设计和研制,骨干交换机设计标准的光纤以太网接口,支持万兆、千兆速率两种光接口形式,每个端口均采用全双工传输模式,万兆光接口符合IEEE 802.3ae规范,千兆光接口符合IEEE 802.3z规范。

1.3 网络协议

大型载人航天器载荷数据传输系统采用基于以太网的TCP/IP协议体系,按照应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层对传输数据进行协议处理。大型载人航天器载荷数据传输系统以太网协议体系如图2所示。

图2 大型载人航天器载荷数据传输系统以太网协议图Fig.2 Ethernet protocol diagram of large manned spacecraft payload data transmission system

1.4 数据传输模式

大型载人航天器试验载荷数据传输主要包括载荷数据内部通信、载荷数据下行两种模式。

载荷数据内部通信时(无论跨舱通信或本舱载荷设备间通信),为了提高传输效率,减少传输延时,骨干交换机根据以太网数据帧的MAC地址进行二层交换,将数据实时转发至接收设备端口。例如,舱段2载荷设备A向舱段1载荷设备B发送数据的载荷数据内部通信示意图如图3所示。

图3 载荷数据内部通信模式示意图Fig.3 Schematic diagram of payload data internal communication mode

载荷数据下行时,骨干交换机根据以太网数据帧的IP地址和MAC地址进行三层交换。

由载荷设备通过载荷信息主机将下行的试验数据发送给本舱段的骨干交换机,若通过本舱段的高速通信处理器下行,则由本舱段骨干交换机直接转发至高速通信处理器(载荷数据下行模式1);若通过其他舱段的高速通信处理器下行,则由本舱段骨干交换机先转发至其他舱段的骨干交换机、再转发至高速通信处理器(载荷数据下行模式2);高速通信处理器按照IP over CCSDS协议将数据下行至地面,地面网关将数据恢复为正常的以太网数据帧传送至地面接收终端。

假设当前通过舱段2的高速通信处理器下行数据,分别以舱段2的载荷和舱段1的载荷为例,载荷数据下行通信模式示意图如图4和图5所示。

图4 载荷数据下行通信模式1示意图Fig.4 Schematic diagram of payload data downlink communication mode

图5 载荷数据下行通信模式2示意图Fig.5 Schematic diagram of payload data downlink communication mode

1.5 光纤在轨拼接

基于光纤以太网的大型载人航天器载荷数据传输系统支持的舱内/舱外试验载荷均通过光纤接入,其中:舱内试验载荷所用光纤为预先铺设,在发射前已完成连接;舱外试验载荷均在机械臂照料下通过载荷适配器(含主动端和被动端两部分,被动端安装在暴露试验平台上,主动端与舱外试验载荷连接)完成在轨安装、更换,其所需接入载荷数据传输系统光纤无法提前连接,需在轨对舱外载荷与大型载人航天器平台之间光纤进行自动拼接。

光纤在轨拼接的关键在于载荷适配器主动端与被动端之间的光纤精准对接,设计采用光纤浮动连接器自动插合的方式来实现,即:载荷适配器主动端配置1个光纤浮动连接器(头)、载荷适配器被动端配置1个光纤浮动连接器(座),通过光纤浮动连接器头座之间的插合连接完成光纤在轨拼接。在大型载人航天器机械臂照料下,载荷适配器按照捕获、粗导向、精导向的顺序进行主动端、被动端之间的捕获、连接与锁紧。载荷适配器主动端捕获被动端后,在主动端驱动力矩作用下,完成主动端、被动端的导向、拉近、姿态校正,在精导向一段距离后进一步完成主动端、被动端的光纤浮动连接器的姿态自校正、插合连接,实现连接器内部光纤的精准对接,最终完成舱外试验载荷与舱内载荷信息主机的光纤互连互通。

由于光信号对光纤端面接触好坏较为敏感,而机械臂照料舱外试验载荷安装时存在一定的操作偏差,载荷适配器的光纤浮动连接器设计具有一定的容差能力,在光纤浮动连接器插合过程中能够自动校正器件姿态,确保光纤浮动连接器的光纤端面接触良好。

1.6 空间环境防护

大型载人航天器载荷数据传输系统针对空间环境开展了防辐射设计,从设备、系统两个层面采取了如下设计措施。

1)设备层面

载荷数据传输系统核心设备为骨干交换机,骨干交换机易受空间辐射影响的器件包括处理器、网络交换芯片、光收发组件,针对这些器件重点开展了单粒子防护设计。针对处理器,骨干交换机选用具备错误检查和纠正(ECC)功能的器件,在程序运行时对单粒子效应进行检错纠错。当出现单比特错误时,处理器自动完成纠错处理,消除单粒子事件对程序运行区的错误累积;当发生2bit及以上错误时,自主进行设备复位重载。针对网络交换芯片,设计定期对芯片自检并上报结果,设置专门刷新芯片对网络交换芯片进行定时刷新,防止单粒子效应带来的影响。针对光收发组件,骨干交换机软件对关键数据进行三取二表决、对关键寄存器进行定时刷新,在光收发组件发生单粒子翻转或锁定时,软件可自主对光收发组件进行断电再加电的重启操作,及时消除空间单粒子对光收发组件的影响。

2)系统层面

载荷数据传输系统设备骨干交换机、载荷信息主机均采用主备机冗余设计,默认情况下设备工作在主机,当主机受空间辐射影响而处置措施无效时,可以通过地面指令切换至备机,确保载荷数据传输系统正常工作;同时,骨干交换机与载荷信息主机、骨干交换机与骨干交换机之间均采取光纤交叉冗余连接设计,即两两设备之间同时有4条光纤链路,当某条光纤链路出现故障时,可及时切换至其他光纤链路,保证数据传输不受影响。

2 在轨飞行应用

某个大型复杂载人航天器通过发射多个舱段、在轨完成了组装建造,基于光纤以太网的载荷数据传输系统设计方法,构建了载荷数据传输系统并完成了多舱段组合体的并网,为该大型载人航天器舱内、舱外试验载荷建立了全方位的高速数据传输通道。

该大型载人航天器舱内载荷信息主机、各个科学实验柜均已完成开机在轨测试。利用载荷信息主机对载荷数据内部通信、载荷数据下行传输模式进行了在轨专项测试,在典型的舱间数据传输速率、数据下行传输速率下,测试无丢包,满足设计要求。同时,材料暴露试验装置等若干个舱外试验载荷已出舱安装至大型载人航天器舱外特定载荷适配器工位,完成了光纤在轨拼接,顺利接入载荷数据传输系统。经在轨测试,各个舱外载荷已完成设备自检和数据下行测试,设备工作正常,数据通过载荷数据传输系统下行正常。

经过在轨飞行试验,该大型载人航天器载荷数据传输系统为舱内/舱外试验载荷提供的各项服务均正常,验证了基于光纤以太网的载荷数据传输系统系统设计方法是合理、可行的。

3 展望

随着以太网技术在航天器上的进一步应用与发展,大型载人航天器在载荷数据传输系统设计的后续发展可以体现在以下两个方面。

1)基于光纤的Wi-Fi

为了便于后续任务扩展,更加灵活的支持舱内/舱外载荷试验任务,基于成熟的5GHz Wi-Fi技术,由航天员在舱内布局一定数量的无线Wi-Fi设备,通过光纤接入到现有载荷数据传输系统,数据传输速率可达到1Gbit/s,能够为舱外试验载荷、移动类载荷(微小飞行器、立方星)提供高速数据无线传输服务。

2)时间触发(TTE)以太网

TTE以太网是在标准以太网基础上实现的时间触发网络协议,其具备高传输速率(1Gbit/s)、良好兼容性、确定性、高可靠性的优点,成为国内外航天器应用的研究热点。当前,TTE以太网已经在国外航天领域得到了应用,“猎户座”载人飞船采用了TTE以太网用于数据传输,而国内尚无报道有航天器应用TTE以太网。TTE以太网兼容了时间触发协议和以太网技术的优势,能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流,可与现有载荷数据传输系统进行兼容。

4 结束语

大型载人航天器载荷数据传输系统基于光纤以太网技术构建,设备之间采用光纤互联,可满足载荷试验数据高速传输的需求,具备以下优势:①扩展性好,网络拓扑设计能够适应大型载人航天器多种构型模式,支持有线和无线接入,具备网络扩展能力;②传输速率高,舱间传输速率最高可达9.99Gbit/s、单个试验载荷接入速率可达1Gbit/s;③协议标准化,物理接口和网络协议栈均采用了标准数据接口模块,能够适应国内外各类试验载荷。

由于光纤非常细,且光信号传输性能对光纤端面洁净与否、接触好坏较为敏感,载荷数据传输系统针对舱外试验载荷应用存在以下薄弱环节:

(1)由于舱外试验载荷以及所需的载荷适配器主动端均为在轨安装,其设备上的光接口以及光纤连接器在地面测试、试验、运输、舱内安装及自检过程中存在引入灰尘等多余物的可能,若多余物控制不到位则将导致光纤端面不够洁净,影响光信号的传输性能,进而影响载荷数据的传输。

(2)舱外试验载荷接入载荷数据传输系统过程中,需完成光纤在轨拼接。载荷适配器及其光纤浮动连接器均具备一定的姿态校正能力,但当载人航天器机械臂操作偏差过大时,存在姿态校正能力不足的问题,可能会导致光纤浮动连接器的光纤端面接触不够良好,影响光信号的传输性能,进而影响载荷数据的传输。