2018, Vol. 50
引用本文 |
2. 上海航天电子技术研究所, 上海, 201109
2. Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai, 201109, China
随着航天技术的发展，一方面，航天器载荷的数量和复杂度逐步增加(可重构、多功能、在轨可按需接入平台、可定期更换)；另一方面，航天器间相互配合以完成大型任务的需求迫切，多个航天器多次对接组合、分离独立，器间星际组网通信的工作模式逐步增多。上述多方面的发展都带来有效数据传输容量需求的大幅增加。然而，传统航天器信息系统通常采用基于1553B总线或RS422、低电压差分信号(Low-voltage differential signaling，LVDS)等硬线直连传输的架构，1553B总线传输方式为半双工，传输带宽仅为1 Mb/s；RS422，LVDS等传输方式可将带宽提高至不超过10 Mb/s，100 Mb/s，且多台单机硬线直连，连接的电缆会带来较多重量负担。基于当前地面商业通信中1 000 Mb/s甚至是10 Gb/s以太网通信技术已成熟应用，考虑将其应用到航天器设计中，构建基于以太网的天地一体化通信网络，在天地间无线链路传输总带宽允许的情况下，可较大程度发挥以太网的优势，提高天地数据传输速率，同时有效减少星上电缆网配套数量，进而减轻飞行器重量。
本文在航天器数据传输新的需求下，提出了一种基于天地一体化通信网架构的信息系统设计方法，从整体系统架构、星上信息系统、地面处理系统、天地传输协议等方面开展了设计。
1 系统架构设计天地一体化网络是将以太网应用到飞行器中，搭建星上通信局域网，使得星上各单机间可以采用网络协议进行高速通信，同时，将协议进行包装转换，使其满足天地间传输规范[1-4]，进而将星上局域网与地面已有的局域网连接在一起，形成融合的一个通信网络，实现天地间双向数据传输。天地一体化网络的信息系统架构如图 1所示。
|
图 1 系统架构设计 Figure 1 System architecture design |
2 星上信息系统 2.1 信息系统设计
基于以太网传输的飞行器信息系统设计如图 2所示。
|
图 2 信息系统设计 Figure 2 Information system design |
系统主要由以太网顶层交换机、以太网接入交换机、网络管理器、数据通信处理器、信号调制解调器、天线终端等组成。由顶层交换机、接入交换机、网络管理器搭建星上局域网，有数据传输需求的用户可通过接入交换机连入以太网中，进而实现该局域网内用户间的数据交换；由数据通信处理器、信号调制器、天线终端搭建天地间数据传输通道。
数据通信处理器接入星上局域网，并作为该网的网关，需要向地面下传的数据由其接收并按天地无线链路传输的格式要求进行打包，打包后的数据通过信号调制器及天线终端后以电磁波的形式向空间辐射。同时，通过传输通道接收的地面上行数据经数据通信处理器解调、拆包后送入局域网，依据不同的目的IP地址将数据发送至相应的用户终端。
此外，在载荷数量多、实时性要求相差大的情况下，数据通信处理器还具备基于信道和优先级相结合的调度策略进行数据调度。
2.2 数据处理流程数据传输多采用Ka频段，调制方式为QPSK/SQPSK/8PSK，编码方式为卷积/RS+卷积/低密度奇偶校验码(Low density parity check code，LDPC)，天地间通信带宽受通信链路余量约束，基于当前系统各设备的性能指标，单通道数据传输速率一般可达600 Mb/s(编码前)。
基带数据处理流程主要包括上行和下行，上行处理流程如图 3所示。其中：
|
图 3 上行数据处理流程 Figure 3 Uplink data processing flow |
(1) 同步识别。发送端在每个编码传输帧前附加同步字形成物理层比特流，接收端通过同步字实现帧同步。同步字一般为1ACFFC1D。
(2) 解扰。对编码传输帧进行解扰处理，为了避免全“0”、全“1”长码出现，解扰后进行分接，伪随机化生成多项式h(x)=x8+x7+x5+x3+1，对每个传输帧开始加扰时移位寄存器状态置为全“1”。
(3) 译码。依据不同的编码方式(卷积/RS+卷积/LDPC等)进行相应的译码。
下行处理流程如图 4所示。其中：
|
图 4 下行数据处理流程 Figure 4 Downlink data processing flow |
(1) 插入填充帧。当下行无有效传输帧时，发送端需产生填充传输帧插入物理信道以维持同步。
(2) 信道编码。按需对传输帧进行多种编码，推荐使用LDPC编码方式。
(3) 码字加扰。对编码后传输帧进行加扰，扰码序列的生成多项式、逻辑图和初始值详见国军标《中继卫星系统低密度奇偶校验编码技术要求》[5]。
(4) 加同步字。发送端为每个编码传输帧前附加同步字形成物理层比特流，同步字一般为1ACFFC1D。
3 地面处理系统基于以太网传输的地面处理系统设计如图 5所示。
|
图 5 地面处理系统 Figure 5 Ground processing system |
地面处理系统由天线、微波网络、开关矩阵、上下变频器、调制解调设备、数据处理分发设备、交换机、信号监测设备组成。
天线用于无线信号的接收和发送；微波网络用于对信号功率放大、耦合分路监测、信号滤波调理；开关矩阵用于通道切换、功率衰减调整；上下变频器用于信号频率转换；调制解调设备用于完成多种方式(QPSK/SQPSK/8PSK等)的信号处理；数据处理分发设备用于完成数据格式转换，将上行网络数据包转换成满足天地间传输要求的包格式，将下行传输数据包拆包得到标准网络数据包，进而通过地面交换机完成地面局域网内的数据分发。
4 天地传输协议由于以太网一般采用TCP/IP，UDP/IP传输协议，天地间数据传输多按照空间数据系统咨询委员会CCSDS制定的高级在轨系统(Advanced orbiting system，AOS)规范进行传输，构建天地一体化通信网时，为满足上述两者的要求，采用IP over CCSDS协议方式[6-10]进行传输，即将两者结合，星上用户间、地面用户间仍使用UDP/IP网络传输协议，天地间数据传输时将IP包嵌套在CCSDS AOS格式数据域中，以满足天地传输要求。天地间协议的转换则由星上数据通信处理器和地面数据处理分发设备完成。天地数据传输协议处理过程如图 6所示。
|
图 6 天地数据传输协议处理过程 Figure 6 Data transmission protocol processing |
4.1 信道访问数据单元CADU
CADU帧格式如表 1所示。
|
表 1 CADU帧格式 Table 1 CADU data frame format |
帧格式各字段定义如下：
(1) 帧长。1 024 B。
(2) 同步字。1ACFFC1D。
(3) 版本号。“01”。
(4) 航天器标志符。SCID(8 bit)。
(5) 虚拟信道标志VCID(6 bits)。按数据类型分配不同的虚拟信道，并可对其进行优先级设置。
(6) 虚拟信道帧计数。除填充帧外，为每个虚拟信道上产生的传输帧独立按顺序编号，数值为0~224-1；不对填充帧进行计数。
(7) 信令域。传输实时数据时，填“00H”；传输回放数据时，填“80H”。
(8) 传输帧数据区。装载多路协议数据单元(M_PDU)。
(9) 校验区。编码校验位。
4.2 多路协议数据单元M_PDUCADU传输帧数据域装载多路协议数据单元(M_PDU)，采用IP over CCSDS协议方式传输时M_PDU数据域为CCSDS封装包(承载“IPE导头与IP协议数据单元”或“空闲封装包”)，格式如图 7所示。
|
图 7 通过CCSDS封装包承载IPE导头及IP协议数据单元 Figure 7 Carrying IPE guide and IP protocol data unit through CCSDS package |
帧格式各字段定义如下：
(1) M_PDU导头。
保留域：固定填“00000”。
第1导头指针：指向M_PDU包数据域中，第1个完整包头第1个字节所在位置，从0开始，依次递增。如果当前M_PDU包数据域中没有包头，则填全“1”。如果当前M_PDU包数据域内为填充数据，则填“11111111110”。
(2) M_PDU包域。
M_PDU包域长度为884字节，用来承载CCSDS封装包。
(3) 封装包承载IPE导头及IP协议数据单元时，封装包导头取值如下。
① 包版本号：取值“111”，表示为封装包；
② 协议ID：取值“010”，表示由IPE导头规定承载数据遵循的协议；
③ 长度的长度：取值“11”，表示包长度取4字节；
④ 用户自定义域：取值“0000”；
⑤ 协议ID扩展：取值“0000”；
⑥ CCSDS自定义域：取值全“0”；
⑦ 包长度：采用4字节长度。
(4) 当承载IP包的封装包长度与CCSDS AOS传输帧数据域长度不匹配时，可根据需要用空闲封装包进行填充。空闲封装包(含封装包导头与数据域)各字段取值如下。
① 包版本号：取值“111”，表示为封装包；
② 协议ID：取值“000”，表示为空闲封装包；
③ 长度的长度：取值“00”，表示包长度取0字节，即不选用；
④ 用户自定义域：不选用；
⑤ 协议ID扩展：不选用；
⑥ CCSDS自定义域：不选用；
⑦ 包长度：不选用；
⑧ 数据域：不选用。
(5) IPE导头
1字节，取值21H(十进制33)，表示承载IPv4数据包；
(6) 网络层采用IP协议(RFC 791)；
(7) 传输层采用TCP协议(RFC 793)或UDP协议(RFC 768)；
(8) 应用层协议根据实际任务需求配置，考虑HTTP, FTP, SMTP三类通用网络应用协议，协议参数默认采用地面因特网标准参数配置。
5 结束语本文在航天技术发展对信息系统提出大容量实时传输需求的背景下，借鉴地面成熟以太网通信技术，提出星上采用以太网取代传统基于1553B总线或RS422，LVDS硬线直连传输方式的设计思想，尝试构建天地一体化通信网络，并从整体系统架构、星上信息系统、地面处理系统、天地传输协议几方面开展了设计工作。该信息系统设计方法可较大程度提高天地间数据传输速率，同时有效减少星上电缆网配套数量，进而减轻飞行器重量。本文所提方法已成功应用在我国某大型组合式航天器设计中，并可为未来日趋灵活的航天任务数传设计提供参考。
| [1] |
CCSDS. CCSDS.232.0-B-1 TC space data link protocol[S]. Washington: CCSDS, 2003. |
| [2] |
CCSDS. CCSDS.732.0-B-2 AOS space data link protocol[S]. Washington: CCSDS, 2006. |
| [3] |
CCSDS. CCSDS.132.0-B-1 TM space data link protocol[S]. Washington: CCSDS, 2003. |
| [4] |
CCSDS. CCSDS.231.0-B-2 TC synchronization and channel coding[S]. Washington: CCSDS, 2010. |
| [5] |
谭维炽, 顾莹琦.
空间数据系统[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2004.
|
| [6] |
国防科学技术工业委员会.GJB 1198.7A-2004第2部分: 航天器测控和数据管理-PCM遥测[S].北京: 国防科学技术工业委员会, 2004.
|
| [7] |
国防科学技术工业委员会.GJB 1198.6A-2004第6部分: 航天器测控和数据管理-分包遥测[S].北京: 国防科学技术工业委员会, 2004.
|
| [8] |
CCSDS.232.1-B-2 communications operation procedure-1[S].Washington: CCSDS, 2010. |
| [9] |
CCSDS. CCSDS.211.0-B-4 proximity-1 space link protocol-data link layer[S]. Washington: CCSDS, 2006. |
| [10] |
张亚航, 赵思阳.
基于传统遥控体制的分包遥控方案设计[J]. 飞行器测控学报, 2012, 31(12): 81–85.
ZHANG Yahang, ZHAO Siyang. A multilayer telecommand design based on the traditional telecommand system[J]. Journal of Spacecraft TT & Technology, 2012, 31(12): 81–85. |