飛行器內(nèi)部信息交互無纜化需求分析和體系構想

張翠平，盧寧寧，張海鵬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

飛行器內(nèi)部信息交互無纜化需求分析和體系構想

張翠平，盧寧寧，張海鵬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

傳統(tǒng)的無人/載人航天器、航空器主要通過數(shù)據(jù)總線完成內(nèi)部信息交互。但這種有纜通信方式不僅增加了航天器的體積和重量,而且降低了系統(tǒng)的安全性和靈活性，不便于設備的快速組裝與集成測試。提出了一種適于飛行器內(nèi)部信息交互的無纜化通信方式，通過歸納對比國內(nèi)外典型技術方案，針對狹小、緊湊封閉空間中的信道特征以及復雜電磁環(huán)境的特點，分析了飛行器內(nèi)無纜信息交互的技術挑戰(zhàn)和研究需求，最終形成包括總體架構構想及組網(wǎng)、接入和傳輸關鍵技術在內(nèi)的研究思路，為我國航空航天無纜化通信提供參考。

飛行器內(nèi)部；無纜化；數(shù)據(jù)總線；彈性組網(wǎng)；高速通信；混合接入

Abstract The traditional internal information exchange in unmanned/manned spacecraft and aircraft is completed by data bus.However the disadvantage of this cable communication is obvious,such as increased spacecraft volume and weight,decreased system security and flexibility and inconvenient equipment quick assembly and measurement.Compared with typical technical solutions at home and abroad,this paper proposes a new type of wireless internal information exchange in flight vehicle.Based on channel characteristics in compact enclosed space and complex electromagnetic environment,the technical challenges and research requirements are analyzed,and the system solution is finally proposed,including overall architecture assumption,networking,access,and transmission.This work could provide the reference for aerospace wireless communications.

Key words intra flight vehicle;wireless;data bus;flexible network;high-speed communication;mixed access

0 引言

目前，在飛機、衛(wèi)星和載人航天器中，一般使用航空數(shù)據(jù)總線，在航電設備、載荷系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息交互[1-7]。這種技術經(jīng)過多年的實踐應用，因具有可靠性、確定性、實時性和安全性等特點而被廣泛采用。但是，隨著航空航天技術的進步，以及人類探索空間需求的發(fā)展，這種基于有纜的信息交互方式表現(xiàn)出嚴重不足：一是增加了飛行器重量，增加了設計復雜度，不利于升級換代。航天器內(nèi)部有線線纜(涵蓋數(shù)據(jù)線纜和傳能電纜)及其固定防護措施的重量大約是航天器干重的7%～8%。這不僅增大了飛行器的重量，而且使得電子系統(tǒng)的設計復雜度越來越大，系統(tǒng)升級越來越困難。二是安全性差，不易維護。線纜布局極為復雜，一旦發(fā)生防護層破裂、導線折斷等臨時安全故障，維修難度較大，且容易造成嚴重的安全事故。航空電子總線會引入大量的耦合器、連接器，這進一步增大了出現(xiàn)安全故障的概率。

因此，為了解決有纜信息交互方式存在的問題，美國、歐盟、俄羅斯以及ITU等國際組織都開展了大量的無纜通信組網(wǎng)技術研究，試圖以無線通信取代航空數(shù)據(jù)總線。由于飛行器內(nèi)部環(huán)境的特殊性，目前整體研究進度仍然處于基礎研究階段，但在未來的飛行器內(nèi)部通信手段中將成為重要候選技術之一。本文通過對國內(nèi)外航空航天總線特性分析，結合現(xiàn)有無線通信進展，針對飛行器信息交互向無纜化發(fā)展的趨勢，分析飛行器中狹小、密閉空間采用無線通信體制要研究的問題，首次提出一種無纜通信系統(tǒng)方案，這對我國飛行器的內(nèi)部信息交互無纜化具有重要指導作用。由于該技術尚屬探索階段，因此本文提出的方案在技術實現(xiàn)上還需根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有設備能力進行完善，并在有條件的情況下進行實驗驗證。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，美國、歐盟、日本以及ITU等都在開展航空航天器無纜通信組網(wǎng)技術研究，并已經(jīng)在基礎研究、仿真實驗以及標準制定等方面取得了一些成果[8-15]。

航空器無纜化技術方向，ITU開展了WAIC(Wireless Avionics Intra-Communications)項目研究，主要探討在傳感器、執(zhí)行器和機載設備間使用無線通信技術實現(xiàn)信息交互的可行性。國外的學者們還開展了一系列單項技術研究：D.K.Dang探討了使用IEEE 802.11n、ECMA-368和IEEE 802.15.3c取代AFDX總線的技術可行性。R.K.Yedavalli提出了一種適于飛行健康管理的無線傳感器網(wǎng)絡。Dinh-Khanh Dang和Stone分別提出了一種基于ZigBee和藍牙的機內(nèi)無線數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)。Xuewu Dai提出了一種適于航空發(fā)動機健康狀態(tài)監(jiān)測的無線通信系統(tǒng)[13]。

航天器無纜化技術方向有光通信技術和無線射頻通信兩大技術方向。

ESA航天內(nèi)無線光通信研究歷程如圖1所示。

圖1 ESA 航天器內(nèi)無線光通信研究歷程

在航天器內(nèi)部無線光通信方向，ESA在20世紀末便已開展航天器內(nèi)部無線光通信技術研究，大體分為3個階段：

第1階段，地面原理驗證階段，通過構建地面原理系統(tǒng)，進行初步驗證工作；第2階段，衛(wèi)星應用實驗模擬和在軌測試階段，完成在Nanosat-01號星和FOTON-M3的在軌測試，以及在VEX的地面測試；第3階段，全光星OPTOS研制階段，于2013年完成發(fā)射升空。

在航天器內(nèi)部無線射頻通信方向，2006年底，荷蘭Delft大學發(fā)射Delft-C3衛(wèi)星，衛(wèi)星內(nèi)部采用無線通信技術，通過在軌實驗充分驗證了衛(wèi)星內(nèi)部采用無線通信技術的可行性。在Delft大學進一步的研究中，通過地面無線通信演示驗證系統(tǒng)，對ZigBee以及藍牙等低速無線通信技術進行研究，如圖2所示。

圖2 星內(nèi)無線通信地面驗證

英國Surrey大學的空間中心也開展了相關研究，通過對比各無距離無線通信技術，在航天器內(nèi)部通信方面推薦采用ZigBee技術。美國空軍研究實驗室與諾斯羅普·格魯曼公司簽訂研究協(xié)議，進行無線航天器總線以及無線數(shù)據(jù)總線接口的研究[16]。

在星內(nèi)通信協(xié)議方面，2013年，CCSDS下屬的航天器星上接口服務工作組(Spacecraft Onboard Interface Services Area， SOIS)發(fā)布了關于空間任務的無線網(wǎng)絡通信的綠皮書，論述了無線通信網(wǎng)絡技術應用于衛(wèi)星內(nèi)的可能性和優(yōu)勢。美國NASA Johnson Space Center針對現(xiàn)有無線商業(yè)協(xié)議ZigBee、ISA.100.11a以及WirelessHART進行了分析評估，在月球表面基地試驗床上進行測試。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

從公開發(fā)表的技術文獻來看，國內(nèi)對飛行器無纜通信組網(wǎng)技術的研究成果較少，研究團隊不多，目前還處于起步階段[16-20]。2010年，哈爾濱工業(yè)大學設計了一種適用于星內(nèi)無線總線系統(tǒng)的通信協(xié)議，其通信頻率為2.4～2.5 GHz，最高傳輸速率可達1 Mbps。2010年，清華大學研究了藍牙技術應用于星內(nèi)通信的可行性，提出了具有容錯能力的主備網(wǎng)絡的設計架構。2011年，國防科技大學對在衛(wèi)星艙內(nèi)采用無線自組織網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)進行了地面仿真試驗。2012年，清華大學對分離式航天器集群無線通信進行了仿真研究。2013年，上海微小衛(wèi)星工程中心開展了微小衛(wèi)星星內(nèi)光無線通信系統(tǒng)的設計研究工作，提出了一種星載光無線通信系統(tǒng)應用布局。北京航空航天大學提出了一種適于機載航電通信的無線ATM技術，可以提供較好的服務質量(Quality of Service，QoS)保障。北京理工大學研究了一種基于MB-OFDM-UWB的密閉金屬艙無線通信接收機，著重分析了密集多徑效應下的接收機關鍵技術。

1.3 主要發(fā)展趨勢

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，飛行器無纜化技術的發(fā)展趨勢包括高速傳輸和靈活組網(wǎng)。目前航空航天數(shù)據(jù)總線傳輸速率越來越高，例如F-22戰(zhàn)斗機中采用的高速數(shù)據(jù)總線傳輸速率能夠達到80 Mbps，飛行器中采用IEEE 139B總線的傳輸速率能夠達到800 Mbps，而航空航天飛行器中采用的FC-AE光纖總線的傳輸速率已經(jīng)能夠達到1～2 Gbps。靈活組網(wǎng)方面，為了規(guī)避故障，飛行器信息互聯(lián)無纜化技術，必須支持航空電子設備、任務設備、實驗設備、有效載荷設備的自主接入，以及各種設備的網(wǎng)絡功能重構[21]。

2 技術挑戰(zhàn)

飛行器內(nèi)部信息交互無纜通信面臨的技術挑戰(zhàn)表現(xiàn)在以下2個方面：

① 狹小緊湊封閉空間中的信道特征獨特。飛行器艙段布局復雜、緊湊和空間狹小。飛機艙壁、艙門大多為鋁合金材質，能夠屏蔽電磁波，使得各艙成為相對封閉的物理空間。射頻信號在艙內(nèi)傳播會存在非常復雜的多徑、遮擋等現(xiàn)象。具體的信道特征，并沒有可供借鑒的數(shù)理模型或測試結論，給無線通信體制的設計帶來了難度[22]。

② 復雜的電磁環(huán)境，給頻段選擇、體制規(guī)劃、協(xié)議設計和試驗驗證帶來很大難度。對于不同的飛行器，衛(wèi)星、飛機、載人飛行器和空間站雖然其有效載荷種類側重點不同，但是其共同特點是設備種類多、高低頻段覆蓋范圍寬、分布復雜和電磁環(huán)境異常復雜[23]。

3 研究需求分析

研究飛行器內(nèi)部信息交互無纜化通信系統(tǒng)，需要從航空航天飛行器信息交互的需求出發(fā)，借鑒有纜數(shù)據(jù)通信在可靠性、確定性、實時性和安全性的指導思想，開展針對性研究。

3.1 適應性需求

梳理飛行器控制信息、業(yè)務信息類型及其對實時性、可靠性的不同要求；根據(jù)航空航天高可靠和升級發(fā)展的需求，權衡確定性和靈活性；針對飛行器資源有限，故障檢測、診斷、隔離和自愈等智能化需求，統(tǒng)籌考慮簡單、高效和智能的技術體制；針對體積重量約束，考慮技術的可實現(xiàn)性、未來集成化和芯片化；避免無纜化技術，給飛行器綜合電子系統(tǒng)帶來新的復雜度，做到統(tǒng)一體制和統(tǒng)一接口。

3.2 電磁兼容及抗干擾需求

針對狹小空間內(nèi)復雜電磁環(huán)境特點，通過建立信息交互通信鏈路數(shù)學模型，對飛行器內(nèi)部電磁干擾的輻射源、敏感源和耦合途徑進行系統(tǒng)分析，從而實現(xiàn)對復雜電磁環(huán)境下無線通信信息、電源和數(shù)字信號對各類設備間的電磁兼容影響進行有效評估，并進行抗干擾設計。

3.3 無線通信體制下的飛行器信息交互高可靠需求

載荷狀態(tài)監(jiān)測、載荷狀態(tài)控制、飛行狀態(tài)監(jiān)測和飛行狀態(tài)控制等航空航天數(shù)據(jù)，要求較高的傳輸可靠性，目前ARINC 429、MIL-STD-1553B和ARINC 629等航空航天數(shù)據(jù)總線均能保證較低的誤碼率，支持實時或近實時的航空航天數(shù)據(jù)傳輸。而現(xiàn)有無線通信技術在誤碼特性、實時性還難以提供高可靠性保障。

3.4 無線通信體制下的飛行器信息交互確定性需求

航空航天數(shù)據(jù)傳輸具有較高的確定性要求，ARINC 429、ARINC 629、MIL-STD-1553B和AFDX等航空數(shù)據(jù)總線通過時隙劃分、總線仲裁和虛連接等機制保證了確定性。而WiFi等常見的無線通信技術，追求的往往是接入的靈活性、業(yè)務的多樣性，無法提供任何確定性保證。

3.5 高速接入和傳輸需求

不同的飛行器由于應用需求的不同，對高速業(yè)務信息有不同需求，對于飛行等航空器，雷達、電子支援是的必要組成部分；對于航天器，對地觀測數(shù)據(jù)傳輸對帶寬需求很大。它們往往需要較大的通信帶寬，速率要求一般處于1 Gbps以上。飛行器信息交互無纜化技術必須能夠支持這些任務數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸。

3.6 靈活組網(wǎng)和抗毀重構需求

一方面，為了抵御突發(fā)性鏈路/節(jié)點故障，飛行器信息交互無纜化技術必須支持航電設備、任務設備、實驗設備以及有效載荷設備的自主接入；另一方面，飛行器信息交互無纜化技術必須能夠提供彈性組網(wǎng)能力，以支持關鍵節(jié)點、關鍵鏈路的抗毀重構。

4 體系構想

4.1 業(yè)務需求分析

表1從數(shù)據(jù)類型、通信速率和節(jié)點數(shù)量等方面歸納了飛行器內(nèi)無纜通信的業(yè)務需求?？梢姡莾?nèi)/艙內(nèi)無線通信速率變化為250 kbps～100 Mbps，而對于某些對數(shù)據(jù)速率要求較高的載荷，如對地觀測、雷達探測等，其數(shù)據(jù)速率可能高達2 Gbps。

表1 常見飛行器內(nèi)部業(yè)務類型

4.2 總體架構構想

在飛行器信息交互無纜化體制中，采用骨干和接入2層網(wǎng)絡結構，如圖3所示。

其中骨干網(wǎng)用于提供全局性的高速、可靠數(shù)據(jù)傳輸服務；接入網(wǎng)負責響應傳感器、執(zhí)行器和有效載荷等節(jié)點的不同入網(wǎng)要求。

骨干網(wǎng)由中繼節(jié)點和中繼鏈路組成，具有彈性組網(wǎng)能力，建議網(wǎng)狀網(wǎng)架構。提供網(wǎng)絡適變、網(wǎng)絡重構和服務質量保障等功能。傳輸鏈路建議選擇高頻段高速通信技術。

接入網(wǎng)由接入節(jié)點和接入鏈路組成，根據(jù)接入節(jié)點通信組網(wǎng)需要的不同，需要選擇不同的通信體制[24-28]。既要滿足對地觀測、雷達等高速數(shù)據(jù)傳輸需求，又要滿足一般科學實驗載荷的中低速數(shù)據(jù)傳輸要求，還要滿足測控等關鍵數(shù)據(jù)的高可靠性數(shù)據(jù)傳輸要求。

圖3 總體架構構想

4.3 關鍵技術分析

在彈性組網(wǎng)技術方面，為了支持節(jié)點入網(wǎng)/節(jié)點退網(wǎng)、節(jié)點故障/鏈路故障等觸發(fā)網(wǎng)絡功能重構，以及多余度、多播等傳輸需求，骨干部分可以采用分布式架構，形成具有富連接特征的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，在中繼節(jié)點間提供靈活可靠的網(wǎng)絡服務，研究內(nèi)容主要包括系統(tǒng)重構、拓撲信息分發(fā)方法和高速交換技術等。

在混合接入技術方面，為適應飛行器內(nèi)部封閉空間中的復雜電磁環(huán)境，研究混合接入技術，實現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器和飛行器設備等不同節(jié)點類型的動態(tài)接入，并對時間敏感數(shù)據(jù)、任務敏感數(shù)據(jù)提供較高的服務質量保障。研究內(nèi)容主要包括信道模型分析、異構異質節(jié)點自主接入等。

在高速接入和傳輸技術方面，針對機載環(huán)境下通信距離近和空間等特點，研究高頻段高速無線傳輸技術，實現(xiàn)節(jié)點間數(shù)Gbps的超高速無線傳輸。研究內(nèi)容包括：傳輸體制、天線智能波束控制技術和小型化低功耗信道編碼技術等。

5 結束語

從國內(nèi)外飛行器發(fā)展趨勢出發(fā)，分析了現(xiàn)有飛行器內(nèi)部通信網(wǎng)絡存在的諸多問題以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，得出了飛行器無纜化是中大型飛行器平臺下一步發(fā)展的必然趨勢。從整體局勢上看，未來的衛(wèi)星、無人機或載人飛行器都將采用無線通信方式，但針對飛行器內(nèi)部復雜的電磁環(huán)境以及狹小封閉的特點則需要針對可靠安全、抗毀重構、確定和靈活兼容、寬帶、實時等通信需求進行綜合考慮。本文在針對飛行器內(nèi)部通信需求的基礎上，提出了一種飛行器內(nèi)部信息交互的無纜化通信網(wǎng)絡整體架構，即骨干網(wǎng)+接入網(wǎng)的2層網(wǎng)絡體系，并針對其中組網(wǎng)、接入和高速傳輸?shù)汝P鍵技術點進行了重點分析。為我國飛行器內(nèi)部信息交互無纜化系統(tǒng)提供參考和借鑒。

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Analysis and Design on Wireless Internal Information Exchange System in Flight Vehicle

ZHANG Cui-ping,LU Ning-ning,ZHANG Hai-peng

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.03

張翠平，盧寧寧，張海鵬.飛行器內(nèi)部信息交互無纜化需求分析和體系構想[J].無線電工程,2017,47(8):9-13.[ZHANG Cuiping,LU Ningning,ZHANG Haipeng.Analysis and Design on Wireless Internal Information Exchange System in Flight Vehicle[J].Radio Engineering,2017,47(8):9-13.]

2017-04-18

國家部委基金資助項目(103010401)。

TN927.2

A

1003-3106(2017)08-0009-05

張翠平 女，(1968—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡。

盧寧寧 男，(1982—)，博士，高級工程師。主要研究方向：無線組網(wǎng)技術，包括短距離無線組網(wǎng)技術、超低功耗無線組網(wǎng)技術等。