載人飛船交會對接及組合體模式下的數(shù)據(jù)管理

王菁

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

早期航天器上有獨(dú)立的遙測、遙控和跟蹤定位分系統(tǒng)等，隨著航天器的日益復(fù)雜，自主管理的需求越來越多，也越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的遙測、遙控分系統(tǒng)已不能滿足任務(wù)需求，因此產(chǎn)生了一個綜合完成遙測遙控和自主管理任務(wù)的分系統(tǒng)——數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)（DMS）。數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)是整個衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的控制和進(jìn)行實(shí)驗數(shù)據(jù)傳送的功能，與測控、結(jié)構(gòu)、熱控、控制分系統(tǒng)一起并列成為衛(wèi)星平臺的五大支柱［1］。

作為載人飛船的重要組成部分，數(shù)管分系統(tǒng)（簡稱數(shù)管）負(fù)責(zé)對整船實(shí)施數(shù)據(jù)管理，功能包括總線通信管理、遙測數(shù)據(jù)采集、遙測處理與包裝下行、遙控注入數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)、飛行程序控制、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)記錄與回放、時間管理、故障檢測與處理等。

載人飛船數(shù)管分系統(tǒng)采用以1553B 串行數(shù)據(jù)總線連接的兩級分布式體系結(jié)構(gòu)，完成包括數(shù)據(jù)管理、指令管理和系統(tǒng)內(nèi)部管理的分系統(tǒng)功能。在兩級分布式體系結(jié)構(gòu)中，中央終端單元（central terminal unit，CTU）是數(shù)管分系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，是分布式系統(tǒng)的第一級，CTU 通過1553B串行總線對掛接在總線上的其它設(shè)備，即兩級分布式系統(tǒng)的第二級進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、指令管理以及系統(tǒng)調(diào)度和控制。數(shù)管分系統(tǒng)的主要任務(wù)和功能由第二級設(shè)備直接執(zhí)行，但執(zhí)行的時間和執(zhí)行的條件由CTU 進(jìn)行控制。第二級設(shè)備包括遠(yuǎn)置單元（RTU）、數(shù)據(jù)傳輸復(fù)接器（DTCU）和應(yīng)急數(shù)據(jù)記錄器（CRU），執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)復(fù)接和數(shù)據(jù)存儲功能。數(shù)管分系統(tǒng)的部分任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)（如逃逸救生、艙段分離、交會對接、返回著陸等事件），由CTU 直接監(jiān)視、響應(yīng)和執(zhí)行。數(shù)管分系統(tǒng)在上述兩級分布式體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上完成分系統(tǒng)功能。

交會對接任務(wù)對于載人飛船數(shù)據(jù)管理的需求，增加了不同時統(tǒng)下的兩飛行器交會、對接、?？俊⒎蛛x過程的自主控制和手動控制的數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)判別、遙測遙控、手控支持要求［2-6］。原有載人飛船數(shù)管分系統(tǒng)的設(shè)計只能滿足載人飛船獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)據(jù)管理需求，而對于上述交會對接和組合體停靠的數(shù)據(jù)管理需求則不能滿足。因此，如何兼顧載人飛船獨(dú)立運(yùn)行的可靠性、安全性和飛船交會對接及?？繒r組合體數(shù)據(jù)通信和管理的靈活性、可擴(kuò)展性，是交會對接飛船數(shù)據(jù)管理設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文對上述問題，從分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總線并網(wǎng)、飛行期間通信支持、遙測管理、手控支持5個主要方面論述了與以往載人飛船的區(qū)別，提出了相應(yīng)解決途徑。

2 交會對接及組合體模式下的數(shù)據(jù)管理

交會對接任務(wù)對飛船數(shù)據(jù)管理的要求包括：①在原有飛船數(shù)管功能的基礎(chǔ)上，提供對接前與目標(biāo)飛行器的空-空通信鏈路和對接后與目標(biāo)飛行器的直接數(shù)據(jù)交換鏈路，用來實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)飛行器代傳地面控制指令、下行部分遙測數(shù)據(jù)，向目標(biāo)飛行器發(fā)送手控指令，由目標(biāo)代傳下行遙測和代轉(zhuǎn)地面上行注入數(shù)據(jù)等功能；②由于飛行階段、飛行模式的增多，要求飛船的遙測模式效率更高、更靈活；③由于交會對接任務(wù)中，航天員可參與的操作和控制大大增多，要求提供更多對航天員手動控制的支持，且具備可擴(kuò)展性，可以支持不同飛船的不同任務(wù)。

針對上述需求，飛船數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)從分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總線管理、飛行器間通信、遙測管理和手控支持幾方面提出了技術(shù)實(shí)施途徑，最大限度地適應(yīng)飛行模式變化，利用信道能力，實(shí)現(xiàn)信道的動態(tài)調(diào)度，適應(yīng)不同任務(wù)階段的變化和需求。

2．1 數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為滿足載人飛船交會對接任務(wù)的特點(diǎn)和需求，數(shù)管分系統(tǒng)在原有體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了一套總線即兩套串行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，一套為運(yùn)輸飛船的主總線，一套為與目標(biāo)飛行器對接用的對接總線，目的是為了保證在對接和分離過程中，主總線與對接總線完全物理隔離，運(yùn)輸飛船主總線不會由于與目標(biāo)飛行器動態(tài)組網(wǎng)，造成總線的主線阻抗瞬間不匹配而影響主總線通信質(zhì)量，從而保證運(yùn)輸飛船總線通信的安全和可靠。對接總線平時不工作，只有當(dāng)對接完成后進(jìn)入組合體飛行階段時才工作。

為滿足多艙段結(jié)構(gòu)和艙段分離的飛行特點(diǎn)，使艙段分離后各艙段都能正常工作，載人飛船需配置6個總線開關(guān)用于總線通、斷時切換匹配電阻。其中返回艙4個，包括：與推進(jìn)艙的對接面2個、與軌道艙的對接面2個，分別用于推進(jìn)艙與返回艙分離、軌道艙和返回艙分離控制。軌道艙2個，安裝在與目標(biāo)飛行器的對接面，用于與目標(biāo)飛行器的對接和分離控制。由于在艙段分離后推進(jìn)艙總線系統(tǒng)不需要繼續(xù)工作，所以推進(jìn)艙一側(cè)不配置總線開關(guān)。

2．2 總線并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)策略

為保障載人飛船獨(dú)立飛行中數(shù)據(jù)通信和?？繒r，組合體數(shù)據(jù)通信質(zhì)量及通信的安全、可靠、互不影響，設(shè)計了雙1553B 數(shù)據(jù)總線通信模式，連接方式如圖1所示。其中一套是用于飛船內(nèi)部通信的主總線，另一套是用于組合體兩飛行器通信的對接總線。飛船主總線在全部飛行階段均工作。CTU 是作為主總線的總線控制器（BC），負(fù)責(zé)整個總線網(wǎng)絡(luò)的管理；其它掛接在1553B 總線上的設(shè)備為遠(yuǎn)置終端（RT），包括RTU、DTCU、CRU 以及其它分系統(tǒng)設(shè)備。CTU 經(jīng)過主1553B總線，可以實(shí)現(xiàn)載人飛船各分系統(tǒng)設(shè)備的信息交換和數(shù)管分系統(tǒng)內(nèi)部的管理與控制。

載人飛船總線與目標(biāo)飛行器總線采用間接連接方式，1553B 總線的主線通過RTU 對總線開關(guān)的控制選擇總線的通斷?？偩€導(dǎo)通時，總線的主線通過穿艙插頭與目標(biāo)飛行器的總線主線相連?？偩€斷開時，總線的主線由程控指令切換到匹配負(fù)載一端。

對接總線平時不工作，只有當(dāng)對接完成后進(jìn)入組合體飛行階段時才工作。目標(biāo)飛行器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器作為對接總線的BC，載人飛船的兩個RTU 作為RT 端與BC 進(jìn)行總線通信，兩個RTU 作用相等，互為備份。

飛船通信協(xié)議的設(shè)計，主要考慮關(guān)鍵事件的高實(shí)時和高可靠要求、數(shù)據(jù)流量均衡以及手控和遙控注入等非周期突發(fā)事件的通信模式和相應(yīng)的及時性。由于1553B總線通信模式為主從式，因此針對上述特點(diǎn)，RT 到BC通信業(yè)務(wù)以RT 設(shè)置服務(wù)請求位的方式進(jìn)行，通過服務(wù)請求的數(shù)據(jù)編碼區(qū)分服務(wù)請求類型。一次通信數(shù)據(jù)量如大于64byte（一條總線消息），則RT 采用循環(huán)緩沖方式，RT 端通過接收BC發(fā)送的指令數(shù)據(jù)字進(jìn)行數(shù)據(jù)指針復(fù)位。對于目標(biāo)代傳的上行遙控注入數(shù)據(jù)格式與飛船數(shù)管遙控注入格式，飛船數(shù)管接收識別后的處理方式與飛船自身遙控注入處理方式相同。

圖1 雙數(shù)據(jù)總線連接方式Fig．1 Connection mode of 1553Bdata bus between two spacecraft

2．3 飛行器間數(shù)據(jù)通信支持策略

兩飛行器在未對接完成組合體前，飛船與目標(biāo)飛行器之間交會對接、分離、撤離過程的信息傳輸需要通過兩飛行器數(shù)管、測控及制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)（GNC）協(xié)同配合完成。因為飛船作為追蹤飛行器進(jìn)行主動對接，因此需要將測量結(jié)果和控制決策及時通知目標(biāo)GNC，數(shù)管通過空-空通信為此提供數(shù)據(jù)通道并保證其可靠性和安全性。具體交會對接狀態(tài)信息流設(shè)計見圖2。

圖2 交會對接狀態(tài)信息流圖Fig．2 Rendezvous and docking state information stream between two spacecraft

飛船CTU 收集RTU 采集的對接機(jī)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷有效后轉(zhuǎn)發(fā)給GNC控制器，GNC控制器綜合此信息和自身收到信息后，生成交會對接狀態(tài)和控制信息送CTU，CTU 判斷此狀態(tài)有效并且有變化后，將此部分信息按遙控格式要求生成注入數(shù)據(jù)送空-空通信機(jī)通過無線信道發(fā)送給目標(biāo)GNC控制器。飛船CTU 可實(shí)時判斷與對接機(jī)構(gòu)通信狀態(tài)，自行切換故障通道，保證通信的可靠性和安全性。同時為保證空空通信的可靠，目標(biāo)的交會對接狀態(tài)和控制信息間隔發(fā)送2遍，考慮到異步通信方式和采集周期，2遍的最大延時經(jīng)分析和地面試驗驗證，滿足控制要求。

兩飛行器靠近時，由于地面測控站不能同時跟蹤兩個飛行器，飛船數(shù)管需提供目標(biāo)遙測下行信道，采集空-空發(fā)送的目標(biāo)飛行器遙測信息，包裝成一路包裝規(guī)約數(shù)據(jù)單元（E-PDU）與飛船其它遙測源包多路復(fù)用后經(jīng)一路虛擬信道下傳，解決了測控信道有限的問題。

上述通信過程的啟動和停止，可由飛船數(shù)管按照預(yù)定條件自主實(shí)施，啟動和停止時間可由地面根據(jù)任務(wù)需要注入調(diào)整。

2．4 遙測管理實(shí)現(xiàn)策略

由于交會對接任務(wù)在不同階段對遙測功能有不同需求，因此要求數(shù)管分系統(tǒng)遙測設(shè)計能夠根據(jù)需要和對接狀態(tài)，實(shí)時自主切換遙測模式。傳統(tǒng)的幀遙測模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)據(jù)傳輸量大、工作模式、數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差別大的需求，因此高級在軌系統(tǒng)（AOS）提供的更強(qiáng)靈活性、更多樣化的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，更適合載人交會對接的數(shù)據(jù)管理。

根據(jù)交會對接的兩飛行器的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，飛船數(shù)管遙測設(shè)計選用了AOS提供的8種業(yè)務(wù)中的3種：E-PDU 業(yè)務(wù)、復(fù)路規(guī)約數(shù)據(jù)單元（M-PDU）業(yè)務(wù)、虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU）業(yè)務(wù)。物理信道只有1個主信道，在主信道中設(shè)置3個虛擬信道。遙測數(shù)據(jù)來源于1553B 總線采集的各分系統(tǒng)終端遙測數(shù)據(jù)和CTU 軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)。

CTU 先將自身的內(nèi)部參數(shù)與總線采集來的各分系統(tǒng)終端遙測數(shù)據(jù)，分別包裝成E-PDU 并組成M-PDU，通過總線將實(shí)時部分?jǐn)?shù)據(jù)輸出給DTCU，出境時將延時遙測M-PDU 送CRU 中存儲，過境時以RT 到RT 的方式通過總線發(fā)送給DTCU，DTCU 負(fù)責(zé)組織將數(shù)據(jù)生成VCDU 和信道存儲數(shù)據(jù)單元（CADU）輸出。

在遙測數(shù)據(jù)采集過程中，數(shù)管需根據(jù)被采設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)校驗結(jié)果，自主或在地面干預(yù)下進(jìn)行數(shù)據(jù)源及采集通道切換。

由于E-PDU 的數(shù)據(jù)來源于1553B 總線，考慮到交會對接任務(wù)特點(diǎn)，設(shè)計原則是：①來自于同一RT；②對應(yīng)單一應(yīng)用過程；③由某一特定事件觸發(fā)；④周期相同。E-PDU 分為常規(guī)包和事件觸發(fā)包，常規(guī)包是在某一飛行階段持續(xù)以固定周期下傳的EPDU 包；事件觸發(fā)包是在某一飛行階段中根據(jù)觸發(fā)事件開始、停止下傳的E-PDU 包。同一個E-PDU包，在某一飛行階段可能是常規(guī)包，而在另一飛行階段可能是事件觸發(fā)包。

數(shù)管根據(jù)飛行階段、關(guān)鍵事件及其組合條件切換遙測模式，不同遙測模式的E-PDU 組成不同，適用于不同階段、不同應(yīng)用過程的遙測需求。此策略的特點(diǎn)是：

（1）用戶數(shù)據(jù)率變化范圍大；

（2）結(jié)構(gòu)上采用分層的思想，不同層具有不同功能，并采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各層的數(shù)據(jù)單元中均設(shè)置導(dǎo)頭域［1］，用于記錄一些有用的信息，以便在接收端方便正確地提取用戶數(shù)據(jù)；

（3）采用兩種多路復(fù)用機(jī)制，即包信道的多路復(fù)用及虛擬信道的多路復(fù)用，且用戶可動態(tài)分享信道，提高了空間數(shù)據(jù)信道的利用率；

（4）設(shè)置3種不同的業(yè)務(wù)，用于處理不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)；

（5）設(shè)置虛擬信道（VC），各個VC 分時占用物理信道，從而可避免長數(shù)據(jù)源壟斷信道，解決了有序地管理信道的問題；

（6）設(shè)置航天器標(biāo)識符，對不同航天器進(jìn)行統(tǒng)一分配其航天器標(biāo)識符，這樣在目標(biāo)端即可獲得并區(qū)分來自不同航天器的數(shù)據(jù)。

2．5 航天員手控支持策略

原有飛船的航天員手控項目不多，包括自主應(yīng)急返回和手動返回。航天員的操作為按鍵操作，與數(shù)管分系統(tǒng)的交互很少。而載人交會對接給予航天員參與的項目相比原來大大增加了，允許通過手控參與熱控、推進(jìn)、對接機(jī)構(gòu)、總體電路、儀表、環(huán)控生保、姿態(tài)與軌道控制的交會對接測量設(shè)備［6-8］、目標(biāo)飛行器檢漏和自主應(yīng)急返回的控制。

數(shù)管分系統(tǒng)對于載人飛船的程序控制的實(shí)現(xiàn)方式，是由CTU（即分布式系統(tǒng)的第一級）通過1553B串行總線，將程控指令發(fā)送給掛接在總線上執(zhí)行終端（即兩級分布式系統(tǒng)的第二級）執(zhí)行的。因此航天員要實(shí)現(xiàn)上述交會對接任務(wù)的各項手控操作，則可以通過連接在飛船1553B 總線上的手控指令編碼板向CTU 申請發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)途徑如下：

CTU 周期性地向手控編碼板發(fā)送矢量字來檢測其服務(wù)請求。手控編碼板有兩項服務(wù)請求：發(fā)送手控指令和自主應(yīng)急返回請求。手控編碼板如果有指令發(fā)送，則將返回的狀態(tài)字包含的服務(wù)請求位置為“1”，并設(shè)置返回的1個數(shù)據(jù)字。數(shù)管CTU 如判別到手控編碼板有服務(wù)請求，則根據(jù)讀取返回的數(shù)據(jù)字來判別服務(wù)請求內(nèi)容。如為“自主應(yīng)急返回請求”，則以RT 到BC 的通信方式，讀取手控編碼板相應(yīng)子地址的消息字，按照實(shí)施流程進(jìn)行兩種模式的自主應(yīng)急返回程序。如為“手控編碼指令請求”，則以RT 到BC 的通信方式，讀取手控編碼板相應(yīng)子地址的消息字，根據(jù)讀取的消息內(nèi)容判斷后，轉(zhuǎn)發(fā)至被控設(shè)備執(zhí)行（對于目標(biāo)飛行器的手控指令，僅將目標(biāo)飛行器數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)字轉(zhuǎn)發(fā)給有效對接RTU）。傳輸?shù)氖挚刂噶钕⒆指袷絻?nèi)容與自動發(fā)送的程控指令格式內(nèi)容完全一致。CTU 接收手控指令完畢后，將接收回饋信息以BC 到RT 的通信方式通知手控編碼板。此實(shí)現(xiàn)方案簡單、通用、擴(kuò)展性好，可以為航天員提供與自動控制能力相當(dāng)?shù)氖謩涌刂仆緩健?/p>

3 結(jié)束語

交會對接任務(wù)因狀態(tài)變化多、不確定性多，故對數(shù)據(jù)管理要求自主程度高，飛行器內(nèi)和飛行期間要求協(xié)同性好，且作為載人航天項目其對可靠性和安全性的要求更高于其他航天器。數(shù)管分系統(tǒng)作為載人飛船的重要平臺支持系統(tǒng)，在兼顧原有載人飛行任務(wù)的基礎(chǔ)上，采用成熟技術(shù)與新技術(shù)相結(jié)合，既能完成飛船在軌獨(dú)立運(yùn)行、返回、逃逸救生的任務(wù)，又能很好地適應(yīng)和支持兩飛行器的交會對接任務(wù)。經(jīng)過我國無人和載人交會對接兩次飛行任務(wù)驗證，證明載人飛船交會對接及組合體模式下數(shù)據(jù)管理方案設(shè)計合理，可靠性和安全性高，為后續(xù)航天器交會對接任務(wù)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

（References）

［1］譚維熾，顧瑩琦．空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)［M］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2004

Tan Weichi，Gu Yingqi．Space data system［M］．Beijing：China Science and Technology Press，2004（in Chinese）

［2］朱仁璋．航天器交會對接技術(shù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2007

Zhu Renzhang．Rendezvous and docking technigues of spacecraft［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2007（in Chinese）

［3］林來興．空間交會對接技術(shù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1995

Lin Laixing．Space rendezvous and docking technology［M］．Beijing：National Defense Industry Press，1995（in Chinese）

［4］Fehse W．Automated rendezvous and docking of spacecraft［M］．London：Cambridge University Press，2003

［5］戚發(fā)軔．載人航天器技術(shù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2003

Qi Faren．Manned spacecraft technology［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2003（in Chinese）

［6］吳宏鑫，胡海霞，解永春，等．自主交會對接若干問題［J］．宇航學(xué)報，2003，24（2）：132-137

Wu Hongxin，Hu Haixia，Xie Yongchun，et al．Some issue of rendezvous and docking［J］．Journal of Astronautics，2003，24（2）：132-137（in Chinese）

［7］Eatherley G J，Petriu EM．A fuzzy controller for vehicle rendezvous and docking［R］．New York：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1995，44（3）：810-814

［8］Ohmine H，Yabushita T，Tanabe K．Communication analyisi with ISS structure on HTV approach，AIAA-2007-3263［R］．Washington：AIAA，2007