“天宮一號”目標(biāo)飛行器信息管理策略

柏林厚，李智勇，南洪濤，程 偉

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

“天宮一號”目標(biāo)飛行器的主要任務(wù)是作為交會對接目標(biāo)完成交會對接試驗(yàn)，并為我國建立長期載人空間站進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。信息系統(tǒng)作為支持目標(biāo)飛行器在軌飛行任務(wù)的重要功能系統(tǒng)，主要完成目標(biāo)飛行器內(nèi)部信息管理以及與地面和載人飛船的通信管理[1]。它一方面以各電子設(shè)備或組合的形式完成目標(biāo)飛行器各功能單元的信息采集和控制，另一方面采用通信技術(shù)溝通內(nèi)部各功能單元之間、各艙之間以及與飛船和地面之間的聯(lián)系，形成信息共 享的整體，確保目標(biāo)飛行器的健康和穩(wěn)定運(yùn)行，支持目標(biāo)飛行器各項(xiàng)任務(wù)的完成。

本文對“天宮一號”目標(biāo)飛行器信息系統(tǒng)的信息管理策略進(jìn)行了概述，包括信息管理需求、設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)組成、主要技術(shù)特點(diǎn)以及可靠性安全性設(shè)計(jì)。

1 信息管理需求

1.1 任務(wù)需求

根據(jù)任務(wù)需求分析，信息系統(tǒng)的信息管理需求概括如下（圖1）。

圖1 信息管理需求Fig.1 The requirements of the information management

1）遙控：接收地面遙控指令及注入數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)用戶；

2）程控：根據(jù)時(shí)間或條件，實(shí)現(xiàn)平臺程序化自主控制；

3）手控：為航天員提供手動控制接口；

4）平臺遙測：采集平臺實(shí)時(shí)遙測（測控區(qū)內(nèi)）和延時(shí)遙測（測控區(qū)外）數(shù)據(jù)，下行至地面；

5）儀表顯示：采集航天員需求的數(shù)據(jù)并顯示；

6）分系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信：完成GNC、數(shù)管、測控、推進(jìn)、電源分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信；

7）系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信：整個(gè)飛行階段，完成目標(biāo)飛行器與地面之間的雙向數(shù)據(jù)通信；在交會對接和組合體飛行階段，完成目標(biāo)飛行器與飛船之間的雙向數(shù)據(jù)通信；

8）跟蹤測軌支持：在軌運(yùn)行期間配合地面完成測定軌；

9）下行試驗(yàn)數(shù)據(jù)：采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并下行至地面；

10）話音需求：實(shí)現(xiàn)航天員與地面，以及航天員之間的話音通信；

11）圖像需求：實(shí)現(xiàn)地面對艙內(nèi)外圖像的監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)航天員與地面之間的雙向視頻通信；

12）郵件需求：實(shí)現(xiàn)航天員與地面之間的郵件交互。

1.2 性能指標(biāo)需求

信息系統(tǒng)的主要指標(biāo)需求如下：

1）遙測數(shù)據(jù)傳輸速率最大達(dá)到600 kbit/s；

2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸速率最大達(dá)到100 Mbit/s；

3）指令空間不少于2 000 條；

4）遙測傳輸誤碼率不大于10-5；

5）單路高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)傳輸速率為1.92 Mbit/s；

6）單路高質(zhì)量話音數(shù)據(jù)傳輸速率為192 kbit/s；

7）最大中繼下行速率不小于144 Mbit/s。

1.3 擴(kuò)展需求

信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮一定的可擴(kuò)展性，需支持平臺和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)組幀以及平臺新設(shè)備的動態(tài)接入。

2 信息管理策略

2.1 設(shè)計(jì)原則

1）適應(yīng)我國目前已有的測控體制

我國目前成熟的測控體制是USB 測控體制，在載人航天一期工程中得到了成熟應(yīng)用，目標(biāo)飛行器的測控體制應(yīng)適應(yīng)此體制。

2）對交會對接相關(guān)功能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)

為完成交會對接、分離和組合體任務(wù)，目標(biāo)飛行器和載人運(yùn)輸飛船信息管理需要進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

3）設(shè)計(jì)繼承原則

載人航天一期工程采用了1553B 總線、同步和異步串口通信、復(fù)接、儀表編碼指令等技術(shù)，并經(jīng)過了多次飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證。為保證“天宮一號”目標(biāo)飛行器信息系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，應(yīng)盡可能地繼承成熟技術(shù)，建成一個(gè)可靠的信息系統(tǒng)核心。

4）裕量設(shè)計(jì)原則

在指令空間、遙測能力、天地間通信鏈路的信道容量、1553B 總線的通信流量、總線終端的數(shù)量等方面設(shè)置裕量。

5）適當(dāng)?shù)男录夹g(shù)應(yīng)用驗(yàn)證

為滿足載人航天后續(xù)任務(wù)和型號的需要，目標(biāo)飛行器在繼承成熟技術(shù)構(gòu)建信息系統(tǒng)核心功能的同時(shí)，應(yīng)考慮驗(yàn)證信息系統(tǒng)的新技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)，主要包括中繼星通信技術(shù)、CCSDS 技術(shù)、1394 總線技術(shù)和LVDS 總線技術(shù)。

6）冗余設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)層次的可靠性設(shè)計(jì)手段主要為冗余設(shè)計(jì)，要求核心功能必須有冗余。

7）簡單化原則

降低目標(biāo)飛行器總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，采用總線技術(shù)降低設(shè)備之間的直接連接從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

8）產(chǎn)品化設(shè)計(jì)原則

遙控、遙測、手控設(shè)備采用產(chǎn)品化或飛船驗(yàn)證過的產(chǎn)品。

2.2 系統(tǒng)組成及功能

“天宮一號”目標(biāo)飛行器的信息系統(tǒng)（如圖2所示）由以下6 個(gè)功能子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛行器的信息管理。

1）平臺測量與控制功能子系統(tǒng)。完成設(shè)備的參數(shù)測量和采集、指令控制、分系統(tǒng)及系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信，具體負(fù)責(zé)：設(shè)備的模擬量參數(shù)測量及數(shù)字量參數(shù)的采集，并將獲得的參數(shù)組幀、調(diào)度后輸出給天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)；控制天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)在測控區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)下行遙測數(shù)據(jù)，在測控區(qū)外存儲遙測數(shù)據(jù)并延時(shí)下行；接收天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)輸入的遙控指令和遙控?cái)?shù)據(jù)，將開關(guān)指令發(fā)送給執(zhí)行部件或者設(shè)備，將遙控?cái)?shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的設(shè)備；按照飛行程序發(fā)送時(shí)間指令、條件指令及廣播時(shí)間和事件信息，以及根據(jù)遙控?cái)?shù)據(jù)更新飛行程序；將航天員的手控指令發(fā)送給執(zhí)行部件或者設(shè)備；將飛行器相關(guān)數(shù)據(jù)顯示給航天員；實(shí)現(xiàn)相關(guān)分系統(tǒng)及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。

2）天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)。完成目標(biāo)飛行器與地面、中繼衛(wèi)星以及飛船之間的雙向數(shù)據(jù)通信，具體負(fù)責(zé)：接收地面上行的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分路后，將指令和遙控?cái)?shù)據(jù)送平臺測量與控制功能子系統(tǒng)，將圖像數(shù)據(jù)送圖像通信功能子系統(tǒng)，將話音數(shù)據(jù)送話音通信功能子系統(tǒng)；接收圖像通信功能子系統(tǒng)的下行圖像數(shù)據(jù)，接收話音通信功能子系統(tǒng)的話音數(shù)據(jù)，接收試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；接收平臺測量與控制功能子系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)及延時(shí)平臺遙測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)合路和處理后通過通信機(jī)直接或者間接下行到地面；支持對目標(biāo)飛行器的跟蹤測軌功能。

3）高速試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理功能子系統(tǒng)。完成目標(biāo)飛行器試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理，具體負(fù)責(zé)：試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、組幀，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)送平臺測量與控制功能子系統(tǒng)進(jìn)行存儲，然后送天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)下行；通過平臺測量與控制功能子系統(tǒng)接收控制指令，對試驗(yàn)終端設(shè)備進(jìn)行指令控制；采集試驗(yàn)終端設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并組幀，然后將數(shù)據(jù)送平臺測量與控制功能子系統(tǒng)，通過天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)下行。

4）圖像通信功能子系統(tǒng)。完成天地圖像傳輸，具體負(fù)責(zé)：攝取艙內(nèi)外圖像、進(jìn)行編碼處理后送天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)，同時(shí)送液晶顯示器顯示；接收天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)輸入的地面上行圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼處理后恢復(fù)出圖像和伴音，圖像送液晶顯示器顯示，伴音送話音通信功能子系統(tǒng)。

5）話音通信功能子系統(tǒng)。完成天地話音通信和航天員間的話音通信，具體負(fù)責(zé)：采集航天員話音、進(jìn)行編碼處理，然后送天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)下行，同時(shí)送圖像通信功能子系統(tǒng)作為圖像伴音；接收天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)輸入的上行話音數(shù)據(jù)，進(jìn)行解密和解碼處理后恢復(fù)出話音信號并播放給航天員；實(shí)現(xiàn)航天員之間的話音通信。

6）交會對接及組合體信息支持子系統(tǒng)。完成交會對接和組合體期間目標(biāo)飛行器與飛船之間的信息交互；完成地面測控點(diǎn)頻在飛船一方時(shí)，地面與目標(biāo)飛行器之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及點(diǎn)頻在目標(biāo)飛行器一方時(shí)，地面與飛船之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 信息系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The configuration of the information management system

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

“天宮一號”目標(biāo)飛行器信息管理策略借鑒了載人航天一期工程中飛船的設(shè)計(jì)方法，包括1553B總線管理體制[2]、天地?zé)o線鏈路通信管理體制等，但由于系統(tǒng)需求相對飛船發(fā)生了較大的變化，所以設(shè)計(jì)上又有著自身的技術(shù)特點(diǎn)，主要包括以下幾個(gè)方面。

1）平臺數(shù)據(jù)管理特點(diǎn)：目標(biāo)飛行器1553B 總線終端設(shè)備多，平臺遙測數(shù)據(jù)量大。目標(biāo)飛行器總線終端為26 個(gè)，接近單套1553B 總線所能管理的極限。為了對26 個(gè)總線終端進(jìn)行可靠的管理，同時(shí)也為了驗(yàn)證空間站多層總線結(jié)構(gòu)，目標(biāo)飛行器配置了2 套1553B 總線對平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。此外，目標(biāo)飛行器平臺遙測數(shù)據(jù)傳輸速率最大達(dá)到600 kbit/s，相對于一期飛船平臺遙測數(shù)據(jù)量有了很大的增加。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)的靈活復(fù)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度管理，也為了適應(yīng)后續(xù)空間站發(fā)展的需要，目標(biāo)飛行器采用高級在軌系統(tǒng)協(xié)議[3]，通過分包遙測的形式完成數(shù)據(jù)匯集，經(jīng)過符合空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）建議的高級在軌系統(tǒng)（AOS）的格式化形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)流。

2）數(shù)據(jù)存儲回放特點(diǎn)：目標(biāo)飛行器測控資源有限，在自主運(yùn)行段，處于測控區(qū)外的時(shí)間最長達(dá)13 h。為了保證遙測數(shù)據(jù)的完整性，需對飛行器整個(gè)在軌過程中的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。因此，在測控區(qū)外需要對平臺遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，待進(jìn)入測控區(qū)后進(jìn)行延時(shí)數(shù)據(jù)的回放；同時(shí)，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)無實(shí)時(shí)性要求，為了方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行存儲后再下行至地面。因此，目標(biāo)飛行器采用數(shù)據(jù)回放技術(shù)，完成測控區(qū)外平臺遙測數(shù)據(jù)的存儲記錄，測控區(qū)內(nèi)、外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲以及測控區(qū)內(nèi)遙測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回放控制。

3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理特點(diǎn)：目標(biāo)飛行器信息系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)平臺遙測數(shù)據(jù)的管理，還需要負(fù)責(zé)高速試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理。由于在目標(biāo)飛行器上開展空間科學(xué)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)量巨大，傳輸速率最大達(dá)到100 Mbit/s，所以配置了空間試驗(yàn)平臺[4]，采用1394 高速總線[5]以及LVDS 串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，其中1394高速總線系統(tǒng)將試驗(yàn)管理設(shè)備以及試驗(yàn)設(shè)備連接起來，在試驗(yàn)管理設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度下完成試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和管理；LVDS 總線完成高速數(shù)據(jù)與中繼鏈路設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過高速中繼鏈路將試驗(yàn)數(shù)據(jù)下行地面。

4）組合體及交會對接信息管理特點(diǎn)：目標(biāo)飛行器作為對接目標(biāo)，需要完成與飛船之間的信息交互管理，配合完成交會對接任務(wù)。設(shè)計(jì)空-空通信和并網(wǎng)總線兩條鏈路用于交會對接及組合體飛行期間載人飛船與目標(biāo)飛行器之間的信息通信，并根據(jù)地面測控點(diǎn)頻跟蹤情況進(jìn)行鏈路切換。當(dāng)?shù)孛鏈y控點(diǎn)頻跟蹤載人飛船時(shí)，使用空-空通信鏈路和對接總線鏈路；當(dāng)?shù)孛鏈y控點(diǎn)頻跟蹤目標(biāo)飛行器時(shí)，使用對接總線鏈路。

5）自主管理特點(diǎn)：目標(biāo)飛行器測控資源有限，為了保證測控區(qū)外發(fā)生緊急重大故障時(shí)目標(biāo)飛行器的平臺安全，設(shè)計(jì)自主故障診斷處置的安全模式[6]。當(dāng)發(fā)生影響平臺安全且實(shí)時(shí)性處理要求較高的故障時(shí)，飛行器轉(zhuǎn)入安全模式，自主進(jìn)行一系列的處置，以確保飛行器供電、姿態(tài)、推進(jìn)劑、天地通信鏈路以及載人環(huán)境等的安全。

6）圖像系統(tǒng)特點(diǎn)：目標(biāo)飛行器需要配合飛船完成交會對接，同時(shí)支持航天員在組合體駐留。為了更直觀地觀察交會對接過程，同時(shí)支持航天員與地面間的圖像通信，設(shè)計(jì)了目標(biāo)飛行器圖像系統(tǒng)，設(shè)置多個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行艙、內(nèi)外拍攝并根據(jù)需要進(jìn)行切換，選擇高、低速兩套圖像壓縮編碼方式，以同時(shí)適應(yīng)高質(zhì)量圖像拍攝以及航天員與地面間的視頻通信需求。

2.4 可靠性安全性設(shè)計(jì)

1）可靠性設(shè)計(jì)

結(jié)合目標(biāo)飛行器長期在軌飛行、短期有人照料的特點(diǎn)，把可靠性設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于信息管理策略中：盡量消除單點(diǎn)故障模式設(shè)計(jì)，對重要的設(shè)備和功能進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)；冗余備份設(shè)計(jì)時(shí)采用獨(dú)立設(shè)計(jì)，以防止共模失效；設(shè)計(jì)力求簡單、可靠，盡量采用成熟的可靠技術(shù)或現(xiàn)成的可靠產(chǎn)品。

結(jié)合以上設(shè)計(jì)思想，對信息系統(tǒng)進(jìn)行了以下可靠性方面的設(shè)計(jì)：

① 平臺測量與控制功能子系統(tǒng)。在平臺核心網(wǎng)1553B 總線網(wǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)，每套總線均包括A、B兩條總線，且兩條總線是完全備份的關(guān)系：當(dāng)其中一條總線發(fā)生故障時(shí)，可自主切為另一條總線工作；為了避免故障耦合現(xiàn)象的發(fā)生，A、B 總線與用戶之間的接口采用不同的形式。同時(shí)在設(shè)計(jì)總線用戶時(shí)，考慮對總線上的重要用戶通過雙機(jī)冷備份的方式進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，設(shè)備對總線的接口也采用備份冗余，以減少單點(diǎn)故障的存在。數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)時(shí)，對于重要的數(shù)據(jù)通過數(shù)管采集、工程遙測采集以及分系統(tǒng)自行采集的形式進(jìn)行備份設(shè)計(jì)，采集途徑相互獨(dú)立。對于關(guān)鍵事件，指令發(fā)送方式具備多種手段，且對發(fā)令設(shè)備也進(jìn)行了備份設(shè)計(jì)。對關(guān)鍵傳感器，例如，艙內(nèi)總壓、氧分壓、二氧化碳分壓以及溫濕度傳感器等都設(shè)計(jì)為3 取2 模式；液路溫度傳感器、感煙探測器、差定溫差探測器等傳感器配置在艙內(nèi)不同位置，每種互為備份。

② 天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)。天地通信信道包括USB 信道、S 波段數(shù)傳信道、中繼KSA信道、中繼SSA 信道以及空-空通信信道等多種信道，上下行數(shù)據(jù)可以通過不同的信道到達(dá)地面或者目標(biāo)飛行器，這些信道相互獨(dú)立，在飛行過程的不同階段可以對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)起到備份的功能。

③ 圖像通信功能子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)視頻編碼器和視頻處理器，分別完成圖像的中低質(zhì)量和高質(zhì)量的編碼，這兩種質(zhì)量的圖像體制可以互相備份；對于視頻切換器設(shè)置2 個(gè)通道，在一個(gè)通道故障時(shí)，可以采用另一個(gè)通道進(jìn)行圖像下傳；同時(shí)在視頻切換器內(nèi)設(shè)置一個(gè)直通通道，把艙內(nèi)一路圖像直通到視頻編碼器，在視頻切換器故障時(shí)直接選用此路圖像下傳。

④ 話音通信功能子系統(tǒng)。話音分配中的指揮話和專用話通道可以起到備份的功能；同時(shí)當(dāng)目標(biāo)飛行器進(jìn)入中繼測控區(qū)時(shí)，上行圖像伴音可以對話音起到備份的作用。

⑤ 交會對接及組合體信息支持子系統(tǒng)。在組合體飛行期間，兩飛行器間的數(shù)據(jù)可以通過空-空通信鏈路和對接總線鏈路兩種獨(dú)立的鏈路進(jìn)行通信。

2）安全性設(shè)計(jì)[7]

① 設(shè)計(jì)顯示及報(bào)警的功能。對關(guān)系到航天員生命安全的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)越限時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警音及時(shí)通知航天員，同時(shí)航天員可以通過手控指令（開關(guān)指令或編碼指令）對影響自身安全的事件進(jìn)行控制。

② 自主飛行管理期間，為了保證目標(biāo)飛行器安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)自主安全模式，當(dāng)在軌出現(xiàn)影響平臺安全且實(shí)時(shí)性處理要求較高的故障時(shí)，目標(biāo)飛行器自主進(jìn)行處置，轉(zhuǎn)入安全模式運(yùn)行，以確保飛行器的供電、姿態(tài)、推進(jìn)劑、天地通信鏈路及載人環(huán)境安全。

3 結(jié)束語

“天宮一號”目標(biāo)飛行器發(fā)射至今執(zhí)行了獨(dú)立自主飛行期間的任務(wù)，并配合“神舟九號”和“神舟十號”載人飛船分別完成了首次無人和有人交會對接任務(wù)，任務(wù)期間信息系統(tǒng)工作正常，所采用的信息管理策略得到了驗(yàn)證，滿足各項(xiàng)飛行任務(wù)對信息的使用需求，為后續(xù)空間站信息管理策略的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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