神舟飛船交會對接信息流可靠性設(shè)計

蘭天 高建軍 王菁

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

空間交會對接是航天器在太空中同一軌道上逐漸接近，并最終建立組合體的過程。從20世紀(jì)60年代美蘇兩國分別實現(xiàn)交會對接至今，世界上已進(jìn)行了數(shù)百次航天器交會對接[1-3]。實現(xiàn)交會對接是我國載人航天工程第二階段發(fā)展戰(zhàn)略的重要一步，即在發(fā)射目標(biāo)飛行器后發(fā)射神舟飛船，由兩者共同進(jìn)行我國首次空間交會對接試驗[4]。

航天器中的信息流是由不同系統(tǒng)、分系統(tǒng)間交互傳輸?shù)闹噶睢?shù)據(jù)等信息共同組成的。傳統(tǒng)的數(shù)管分系統(tǒng)通常采用“透明轉(zhuǎn)發(fā)”的方式處理信息流，不對其內(nèi)容進(jìn)行處理、校驗。在交會對接過程中，神舟飛船內(nèi)部及飛船與目標(biāo)飛行器間需通過信息流交互實現(xiàn)協(xié)同。若按傳統(tǒng)方式處理交會對接信息流，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容不正確時，會引起誤操作，進(jìn)而導(dǎo)致交會對接的失敗。因此，數(shù)管分系統(tǒng)需針對我國交會對接試驗的特殊需求進(jìn)行專門的方案設(shè)計，以確保交會對接信息流的可靠傳輸。

在我國交會對接試驗中，由制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）、對接機構(gòu)、測控和數(shù)管等4個分系統(tǒng)共同實現(xiàn)。針對交會對接試驗中協(xié)同控制的需要，本文提出了一種交會對接信息流可靠性設(shè)計方案，將信息流處理分為信息采集、信息鑒別和信息轉(zhuǎn)發(fā)3步，并根據(jù)飛船內(nèi)部信息流及飛船與目標(biāo)飛行器間信息流各自的特點，分別從軟、硬件角度，通過硬件冗余、信息鑒別、智能轉(zhuǎn)發(fā)等設(shè)計，達(dá)到了信息流可靠傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 交會對接信息流分析

在交會對接中，協(xié)同控制的目的是2個航天器間的對接機構(gòu)實現(xiàn)物理連接并鎖緊。在飛船內(nèi)部，交會對接過程中需要進(jìn)行協(xié)同的分系統(tǒng)主要有GNC、對接機構(gòu)、數(shù)管和測控等，各分系統(tǒng)間的協(xié)同通過信息流交互實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 交會對接協(xié)同控制Fig.1 Cooperation control in rendezvous and docking

為實現(xiàn)對接機構(gòu)的接近、接觸、鎖緊，需通過GNC分系統(tǒng)控制航天器的軌道、姿態(tài)、速度。在神舟飛船中，GNC進(jìn)行控制的依據(jù)是由數(shù)管分系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸?shù)慕粫有畔⒘?。如圖1所示，在交會對接過程中，飛船數(shù)管從飛船對接機構(gòu)、飛船GNC 采集交會對接狀態(tài)數(shù)據(jù)，在數(shù)管內(nèi)部對采集到的信息進(jìn)行鑒別、處理。當(dāng)判定數(shù)據(jù)有效時，數(shù)管分系統(tǒng)將交會對接信息轉(zhuǎn)發(fā)給GNC，并通過指令控制GNC分系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的工作模式。同時，飛船數(shù)管通過飛船測控將交會對接信息經(jīng)無線信道轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)飛行器，交會對接信息經(jīng)目標(biāo)飛行器測控、目標(biāo)飛行器數(shù)管的處理后，最終到達(dá)目標(biāo)飛行器GNC分系統(tǒng)。飛船GNC與目標(biāo)飛行器GNC 依據(jù)收到的交會對接信息，分別調(diào)整飛船與目標(biāo)飛行器的軌道、姿態(tài)、速度，以使飛船對接機構(gòu)、目標(biāo)飛行器對接機構(gòu)實現(xiàn)接近、接觸、鎖緊。

在上述過程中，數(shù)管主要通過1553B 總線實現(xiàn)與其他分系統(tǒng)間的信息交互[5-7]。與各終端連接的1553B總線均包括A、B兩條總線，默認(rèn)使用A總線通信；2條總線互為備份，若其中一條總線發(fā)生故障，則自主切為另一條總線工作。中央終端單元（CTU）作為1553B總線的控制端，負(fù)責(zé)控制1553B總線上的所有通信。數(shù)管遠(yuǎn)置終端單元（RTU）分布于神舟飛船的不同艙段，RTU可將通過硬口采集遙測數(shù)據(jù)在1553B總線上傳回CTU。

3 交會對接信息流可靠性設(shè)計

數(shù)管分系統(tǒng)在進(jìn)行信息傳輸時需遵循2條原則：不錯傳和不漏傳。在交會對接信息流設(shè)計中，數(shù)管分系統(tǒng)需解決的主要問題有：①如何控制信息采集的開始/停止；②如何判斷信息采集通道的有效性，當(dāng)信息采集通道無效時，如何切換信息采集通道；③如何鑒別信息的有效性，并采取相應(yīng)動作；④如何節(jié)約飛船與目標(biāo)飛行器間有限的無線信道資源。

為解決上述問題，數(shù)管分系統(tǒng)將交會對接信息流的處理劃分為3個環(huán)節(jié)：信息采集、信息鑒別及信息轉(zhuǎn)發(fā)，并從飛船內(nèi)部信息流及飛船與目標(biāo)飛行器間信息流2個角度分別設(shè)計信息流傳輸方案。

在信息采集環(huán)節(jié)，需保證采集通道的有效性。為此，一方面需對采集通道進(jìn)行冗余設(shè)計，在某條通道出現(xiàn)故障時可切換到其他通道；另一方面需對采集通道進(jìn)行定期巡檢，以確定各條通道的工作狀態(tài)，選擇有效的采集通道。

在信息鑒別環(huán)節(jié)，需驗證采集回來信息的有效性，并根據(jù)信息是否有效，決定下一步的處理方式。通常，可通過數(shù)據(jù)校驗和對信息的有效性進(jìn)行驗證。當(dāng)信息有效時，繼續(xù)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)信息無效時，應(yīng)不予轉(zhuǎn)發(fā)，并通過自動或手動方式切換采集通道。

在信息轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，需根據(jù)信道選擇轉(zhuǎn)發(fā)方式，在確保正確轉(zhuǎn)發(fā)的同時，也要考慮到信道資源的合理利用。按傳輸信道不同，交會對接信息流可分為兩類：一類是飛船內(nèi)部分系統(tǒng)間的信息流，另一類是飛船與目標(biāo)飛行器間的信息流。飛船內(nèi)部分系統(tǒng)間的信息流通過1553B總線傳輸，在總線流量允許條件下，應(yīng)通過多重轉(zhuǎn)發(fā)方式提高傳輸可靠性。飛船與目標(biāo)飛行器間的信息流通過無線信道傳輸，考慮到無線信道容量有限，為減少對信道流量的浪費，應(yīng)在轉(zhuǎn)發(fā)信息前對信息內(nèi)容進(jìn)行判斷，避免轉(zhuǎn)發(fā)無用信息。

3.1 飛船內(nèi)部信息流可靠性設(shè)計

在交會對接過程中，GNC分系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制飛船的軌道、姿態(tài)和速度，由對接機構(gòu)分系統(tǒng)實現(xiàn)飛船與目標(biāo)飛行器的物理連接。對接機構(gòu)分系統(tǒng)與GNC分系統(tǒng)間需相互協(xié)作，共同完成與目標(biāo)飛行器的交會對接。在神舟飛船中，GNC與對接機構(gòu)間的通信通過數(shù)管分系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 神舟飛船內(nèi)部交會對接信息流Fig.2 Rendezvous and docking information stream in Shenzhou spaceship

飛船內(nèi)部信息流處理也分為信息采集、信息鑒別和信息轉(zhuǎn)發(fā)3個環(huán)節(jié)。數(shù)管RTU 通過硬通道采集對接機構(gòu)分系統(tǒng)交會對接狀態(tài)后，通過1553B 總線將信息發(fā)給數(shù)管CTU。在CTU 內(nèi)部對信息進(jìn)行處理后，轉(zhuǎn)發(fā)給GNC分系統(tǒng)。

在信息采集環(huán)節(jié)，數(shù)管分系統(tǒng)需解決3個問題：①對信息采集開始/停止的控制；②對信息采集通道有效性的判斷；③在某條信息采集通道發(fā)生故障時，對信息采集通道進(jìn)行切換的方式。

在該方案中，數(shù)管分系統(tǒng)使用程控指令實現(xiàn)對信息采集開始/停止的控制。從圖2中可見，交會對接信息從對接機構(gòu)分系統(tǒng)到數(shù)管分系統(tǒng)需經(jīng)歷2步：首先，由多個數(shù)管RTU 通過遙測采集通道從對接機構(gòu)控制器采集交會對接信息；然后，數(shù)管CTU從選定RTU 處獲取數(shù)據(jù)。1553B 總線的操作都由數(shù)管CTU 發(fā)起，數(shù)管分系統(tǒng)通過程控指令控制CTU 內(nèi)部狀態(tài)，進(jìn)而控制信息采集的開始/停止。當(dāng)數(shù)管CTU 在收到“開始轉(zhuǎn)發(fā)交會對接用信息”指令后，開始周期性通過RTU 從對接機構(gòu)控制器采集數(shù)據(jù)；在收到“停止轉(zhuǎn)發(fā)交會對接用信息”指令后，停止采集。控制指令可以預(yù)先植入飛船的飛行程序，也可通過遙控實時上注。圖中虛線表示RTU之間互為冗余關(guān)系，CTU 根據(jù)信息有效性判斷準(zhǔn)則，決定從其中某一個RTU 采集數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

該方案通過總線巡檢實現(xiàn)對RTU到CTU 通道有效性的判斷。數(shù)管CTU 周期性查詢RTU 的總線終端狀態(tài)，若某RTU 的總線終端狀態(tài)顯示與該RTU“A、B 總線皆不能正常通信”，則認(rèn)為該采集通道無效；否則，認(rèn)為該采集通道有效。

如圖3所示，該方案根據(jù)信息鑒別環(huán)節(jié)對交會對接信息的校驗結(jié)果，判斷對接機構(gòu)到RTU 通道的有效性。交會對接信息的校驗準(zhǔn)則由數(shù)管與對接機構(gòu)協(xié)商決定，包括以下3項：

（1）從對接機構(gòu)采集的交會對接信息的校驗和計算結(jié)果正確；

（2）RTU 設(shè)備工作正常，采集數(shù)據(jù)有效并且不全部等于CTU 默認(rèn)填充值；如果CTU 與RTU 間1553B總線通信異常，CTU 會將從RTU 采集到的數(shù)據(jù)用默認(rèn)填充值替代；

（3）從對接機構(gòu)采集數(shù)據(jù)的指定字節(jié)不是無效值：通過該指定字節(jié)中表示對接機構(gòu)控制器的工作狀態(tài)，由對接機構(gòu)分系統(tǒng)與數(shù)管分系統(tǒng)約定什么是該字節(jié)數(shù)據(jù)的無效值。只要對接機構(gòu)分系統(tǒng)工作正常時，該字節(jié)不可能是無效值。

圖3 神舟飛船內(nèi)部交會對接信息鑒別流程Fig.3 Rendezvous and docking information identifying flowin Shenzhou spaceship

當(dāng)滿足以上所有條件時，認(rèn)為交會對接信息有效；否則，認(rèn)為信息無效。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有無效信息時，則懷疑此條采集通道上從對接機構(gòu)到RTU 通道工作不正常，考慮切換采集通道。數(shù)管分系統(tǒng)設(shè)置了“自動切換”和“手動切換”兩種采集通道切換模式。在“自動切換”模式下，由數(shù)管CTU 自主切換采集通道，若切換后采集到的數(shù)據(jù)仍然無效，則繼續(xù)切換；在“手動切換”模式下，通過遙控注入選擇采集通道。

在信息鑒別環(huán)節(jié)判定當(dāng)次采集數(shù)據(jù)有效后，進(jìn)入信息轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)。從圖2中可見，在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，數(shù)管CTU 不再檢查與GNC分系統(tǒng)各控制器間的通信狀態(tài)，直接將校驗正確的數(shù)據(jù)發(fā)向所有GNC控制器。

由本節(jié)可見，該方案通過硬件設(shè)計上的采集通道冗余、1553B總線冗余及軟件設(shè)計上的采集通道切換、數(shù)據(jù)有效性校驗等策略，為飛船內(nèi)部交會對接信息流可靠性傳輸提供了保障。

3.2 飛船與目標(biāo)飛行器間信息流可靠性設(shè)計

GNC分系統(tǒng)針對交會對接任務(wù)設(shè)計了一系列測量敏感器，如CCD、交會雷達(dá)、GPS等。在交會對接的不同階段，各GNC 敏感器的測量精度和測量范圍各不相同。而且由于遮擋、設(shè)備特點和測量原理等原因，決定了這些敏感器存在測量視場受限等問題。為在合適的時間以合適的方式使用合適的敏感器，需在飛船GNC與目標(biāo)飛行器GNC 間建立協(xié)同控制[8]。

如圖4所示，飛船與目標(biāo)飛行器間的交會對接信息流由飛船GNC分系統(tǒng)產(chǎn)生，通過數(shù)管、測控等分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)飛行器GNC分系統(tǒng)，目標(biāo)飛行器GNC根據(jù)收到的信息進(jìn)行相應(yīng)操作。同時，飛船GNC需在交會對接過程中切換GNC 測量敏感器的工作狀態(tài)。

圖4 飛船與目標(biāo)飛行器間交會對接信息流Fig.4 Rendezvous and docking information stream between spaceship and target spacecraft

在該方案中，對飛船與目標(biāo)飛行器間交會對接信息流的處理同樣被分為信息采集、信息鑒別和信息轉(zhuǎn)發(fā)3個環(huán)節(jié)。在信息鑒別環(huán)節(jié)，通過程控指令實現(xiàn)了GNC測量敏感器的工作模式切換。

在信息采集環(huán)節(jié)，該方案以程控指令控制信息流傳輸?shù)拈_始/停止，控制指令可以是飛船飛行程序中預(yù)先植入的指令，也可以是通過遙控注入的指令。

該方案通過總線巡檢判斷信息采集通道的有效性。若某GNC 控制器的總線終端狀態(tài)顯示與該GNC控制器“A、B 總線皆不能正常通信”，則認(rèn)為該采集通道無效；否則，認(rèn)為該采集通道有效。飛船GNC分系統(tǒng)由多個主、備份控制器，數(shù)管分系統(tǒng)在完成采集通道有效性判斷后，從中選擇一個通道進(jìn)行采集；采集通道選擇準(zhǔn)則由數(shù)管分系統(tǒng)、GNC分系統(tǒng)協(xié)商決定，包括以下3項：

（1）與任意數(shù)量GNC主份控制器通信正常，從其中優(yōu)先級最高者處進(jìn)行采集；

（2）與所有GNC主份控制器通信均不正常，且與任意數(shù)量GNC 備份控制器正常通信時，從GNC備份控制器中優(yōu)先級最高者處進(jìn)行采集；

（3）與所有GNC 主、備控制器通信均不正常，從GNC主份控制器中優(yōu)先級最高者處進(jìn)行采集。

在信息鑒別環(huán)節(jié)，數(shù)管分系統(tǒng)需做三方面工作：一是對采集到的信息進(jìn)行校驗；二是根據(jù)交會對接信息判發(fā)程控指令，控制GNC測量敏感器切換工作模式；三是節(jié)約無線信道資源，避免發(fā)送無用信息。

飛船與目標(biāo)飛行器間交會對接信息鑒別流程如圖5所示。在交會對接過程中，周期性進(jìn)行對交會對接信息的鑒別，并根據(jù)鑒別結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)操作。在鑒別過程中，首先判斷GNC 控制器的工作狀態(tài)，隨后從有效的GNC 控制器采集交會對接信息。該方案通過校驗和對采集信息的有效性進(jìn)行判斷；當(dāng)校驗和有效性判斷不正確時，本次采集的內(nèi)容無效，不做進(jìn)一步處理；當(dāng)校驗和有效性判斷正確時，為避免無線信道資源浪費，飛船數(shù)管進(jìn)一步判斷本次采集的交會對接信息與上一次發(fā)送的交會對接信息是否重復(fù)；若數(shù)據(jù)重復(fù)，為節(jié)約無線信道資源，不向測控分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)；若不重復(fù)，則按約定次數(shù)向目標(biāo)飛行器連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)交會對接信息，在到達(dá)約定次數(shù)之前，不因采集信息無效而停止轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)本次采集是第一次有效采集時，直接按約定次數(shù)向目標(biāo)飛行器連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)交會對接信息。

在完成交會對接信息有效性、重復(fù)性的判決后，數(shù)管分系統(tǒng)需根據(jù)變化后信息的穩(wěn)定性判發(fā)是否發(fā)送相應(yīng)程控指令，控制GNC 測量敏感器切換工作模式。信息穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)由數(shù)管、GNC 協(xié)商決定：當(dāng)交會對接信息指定字節(jié)變化，且發(fā)生變化后連續(xù)數(shù)次采集信息有效，數(shù)管發(fā)送相應(yīng)程控指令；否則，數(shù)管不發(fā)送程控指令。

在完成一次交會對接信息鑒別并進(jìn)行相應(yīng)操作后，該進(jìn)程掛起，等待下一周期的執(zhí)行。

由本節(jié)可見，該方案通過硬件設(shè)計上的1553B總線冗余及軟件設(shè)計上的采集通道選擇、數(shù)據(jù)有效性校驗、根據(jù)數(shù)據(jù)重復(fù)性的選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、根據(jù)數(shù)據(jù)變化后穩(wěn)定性判發(fā)條件令等策略，實現(xiàn)了飛船與目標(biāo)飛行器間的交會對接信息流的可靠傳輸及飛船GNC測量敏感器工作模式切換，為飛船與目標(biāo)飛行器的交會對接提供了保障。

圖5 飛船與目標(biāo)飛行器間交會對接信息鑒別流程Fig.5 Rendezvous and docking information identifying flow between Spaceship and Target Spacecraft

4 結(jié)束語

我國首次空間交會對接試驗的圓滿成功，在飛船內(nèi)部、飛船與目標(biāo)飛行器間實現(xiàn)交會對接信息流的可靠傳輸至關(guān)重要。本文在分析交會對接信息流傳輸需求的基礎(chǔ)上，在信息流傳輸過程中綜合使用硬件冗余、軟件鑒別等手段，實現(xiàn)了交會對接信息流的可靠傳輸。該方案具有高實時性、高可靠性的特點，已在神舟飛船上得到應(yīng)用，并可用于未來航天器間的交會對接。

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