基于PON架構(gòu)混合總線的運載火箭電氣設(shè)計

賈 睿，寧 雷，葉志鵬，梁 浩

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，運載火箭呈現(xiàn)了十分明顯的智能化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢。箭上智能儀器、傳感器的廣泛應(yīng)用極大提升了運載火箭潛力，對運載火箭電氣系統(tǒng)響應(yīng)敏捷程度、數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)據(jù)應(yīng)用能力都有了大幅提升，這樣的能力提升與大數(shù)據(jù)量的通信密切相關(guān)，因而高帶寬總線勢在必行。

傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B總線標準在運載火箭廣泛使用，其成熟可靠和廣泛應(yīng)用保證了火箭研制的順利推進，但其1553B總線僅支持1 Mb/s帶寬傳輸速率，嚴重限制了智能設(shè)備數(shù)據(jù)挖掘、故障診斷、智能決策等數(shù)據(jù)應(yīng)用。依托先進信息技術(shù)，設(shè)計運載火箭高帶寬、高實時性、高可靠、強拓展性的電氣方案勢在必行。

目前主流高速總線包括航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）、航空電子光纖通道1553（FC-AE-1553）、工業(yè)自動化以太網(wǎng)（Ethernet for Plant Automation，EPA）、時間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time Triggered Ethernet，TTE）等。其中FC-AE-1553以光纖為傳輸介質(zhì)，傳輸速度達到1 Gbit/s以上，具有傳輸速率高、干擾性能強且可平滑過渡MIL-STD-1553B總線的特點，得到廣泛關(guān)注。

本文針對運載火箭大量應(yīng)用成熟產(chǎn)品和設(shè)計，同時又急需提升信息交互能力的問題，提出了新型無光源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的混合總線方案，在兼容成熟1553B總線產(chǎn)品的同時，實現(xiàn)了高速總線信息傳輸能力和拓展能力，同時以冗余方式提升系統(tǒng)可靠性。

1 FC-AE-1553協(xié)議與PON架構(gòu)概述

1.1 FC-AE-1553協(xié)議

FC-AE-1553協(xié)議是航空電子領(lǐng)域率先應(yīng)用的高速串行通信協(xié)議，以光纖通道作為傳輸介質(zhì)，有點對點、仲裁環(huán)、交換型3種基本網(wǎng)絡(luò)拓撲，如圖1所示。其中交換式拓撲相比仲裁式拓撲實時性具有明顯的優(yōu)勢，且某節(jié)點異常或新增節(jié)點對其他節(jié)點無影響，得到廣泛應(yīng)用，但其中需設(shè)置交換機完成信息交互。

圖1 FC-AE-1553拓撲示意Fig.1 Diagram of FC-AE-1553 Topologies

網(wǎng)絡(luò)主要由3類節(jié)點構(gòu)成：網(wǎng)絡(luò)控制器（Network Controller，NC）、網(wǎng)絡(luò)終端（Network Terminal，NT）、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器（Network Monitor，NM）。其中NC負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)傳輸過程，是光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的發(fā)起者；NT是執(zhí)行者，響應(yīng)NC命令，完成數(shù)據(jù)交互；NM完成數(shù)據(jù)監(jiān)聽工作。

NC、NT、NM與MIL-STD-1553B總線中總線控制器（Bus Controller，BC）、遠程終端（Remote Terminal，RT）、總線監(jiān)視器（Bus Monitor，BM）的功能有著近似特征，因而具有較強的對1553B協(xié)議向下兼容能力。

FC-AE-1553協(xié)議幀類型包括：命令幀、狀態(tài)幀和數(shù)據(jù)幀3類。3類幀格式都含有光纖信道（Fibre Channel，F(xiàn)C）幀頭，24字節(jié)，定義幀類型、源地址、目標地址、交換ID、序列ID、序列計數(shù)等；命令幀額外含有24字節(jié)命令幀擴展幀頭、負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)交互功能，狀態(tài)幀含有2個字狀態(tài)擴展幀頭，負責(zé)回應(yīng)狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)幀無擴展幀頭，見圖2。由3類幀建立節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸機制，實現(xiàn)不同需求的信息交互。

圖2 幀格式Fig.2 Frame Format

1.2 PON架構(gòu)

無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）是一種單光纖雙向光接入技術(shù)，最早由英國電信人員提出，用于解決局域網(wǎng)寬帶瓶頸問題。

PON架構(gòu)由光鏈路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）、光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）等組成。PON采用無源光分路器代替有源交換機，靈活實現(xiàn)點到多點通信，大大簡化光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，同時提升了可靠性。

上行傳輸如圖3所示，任一個用戶ONU發(fā)出的數(shù)據(jù)都經(jīng)分光器和光纖網(wǎng)絡(luò)可以到達OLT，且僅能到達OLT，各ONU分時復(fù)用同一個通道，采用靜態(tài)或動態(tài)分配時間窗方式完成數(shù)據(jù)調(diào)度。

圖3 PON架構(gòu)上行通道示意Fig.3 Uplink based on PON Topology

下行傳輸如圖4所示，下行方向OLT發(fā)出數(shù)據(jù)經(jīng)過無源分路器或多級分路器傳送至各個ONU，各ONU收到相同數(shù)據(jù)包，進行選擇性提取，得到對應(yīng)自身的數(shù)據(jù)。

圖4 PON架構(gòu)下行通道示意Fig.4 Downlink based on PON Topology

2 箭上混合總線方案設(shè)計

2.1 箭上電氣系統(tǒng)需求分析

運載火箭電氣系統(tǒng)主要完成制導(dǎo)控制、姿態(tài)控制、指令控制及測量數(shù)據(jù)采集下傳等功能。

制導(dǎo)控制完成對火箭質(zhì)心運動參數(shù)的敏感、計算和控制，使火箭按照預(yù)設(shè)的軌道完成飛行。姿態(tài)控制完成火箭繞質(zhì)心運動可控，確保火箭在飛行中穩(wěn)定。指令控制完成火箭飛行中具體調(diào)節(jié)動作。測量數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)飛行狀態(tài)參數(shù)采集和下發(fā)，用于地面監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。

為實現(xiàn)相關(guān)功能，運載火箭箭上設(shè)置飛行控制計算機、慣性組合、各級控制組合、各級伺服機構(gòu)、速率陀螺、測控計算機等完成相關(guān)敏感和控制功能，火工品、發(fā)動機噴管、姿控噴管等接受控制完成相關(guān)動作。近年來，為提高制導(dǎo)精度，雷達、星敏感器等應(yīng)用逐步深入，數(shù)據(jù)通量需求激增，同時為進一步驗證新技術(shù)，箭上實時數(shù)據(jù)監(jiān)測需求大幅提升，測量向測控轉(zhuǎn)變，測量與控制交融增加，箭上高速通信需求亟需解決。

火箭涉及到的單機眾多，交互復(fù)雜，應(yīng)采用總線形式進行數(shù)據(jù)交互。箭上不同設(shè)備存在較大的應(yīng)用區(qū)別，對于時序動作控制、伺服控制、火工品控制、慣性組合敏感等環(huán)節(jié)，重在可靠穩(wěn)定實現(xiàn)，而對于新型智能單機和系統(tǒng)則有著強烈的高通量通信需求。

運載火箭眾多關(guān)鍵產(chǎn)品、關(guān)鍵系統(tǒng)已形成基于1553B的成熟貨架產(chǎn)品，考慮經(jīng)濟性、成熟度及研制效率，電氣設(shè)計需兼顧能力升級與繼承性，同時運載火箭對于網(wǎng)絡(luò)通信具有極高的可靠性要求，箭上通信應(yīng)采用冗余方案。

2.2 PON架構(gòu)的FC-AE-1553總線設(shè)計

基于PON架構(gòu)設(shè)計FC-AE-1553總線架構(gòu)，如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)“一點到多點”下行，“多點到一點”上行，可實現(xiàn)1.25 Gbs/s傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)兼?zhèn)淞薖ON架構(gòu)低延遲、抗干擾、低成本特點，且取消了有源交換機，提升了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

圖5 PON架構(gòu)FC-AE-1553示意Fig.5 Diagram of FC-AE-1553 based on PON Topology

采用單模光纖進行信息傳遞，上行鏈路光信號采用1310 nm波長，下行鏈路采用1490 nm波長，接收信號與發(fā)射信號互不干擾，以不同波長單模光纖實現(xiàn)全雙工通信應(yīng)用。

OLT模塊實現(xiàn)光/電、電/光轉(zhuǎn)換，完成網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配和數(shù)據(jù)傳輸控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)查詢、錯誤處理等，應(yīng)用在NC端。ONU模塊實現(xiàn)光/電、電/光轉(zhuǎn)換，響應(yīng)OLT命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，應(yīng)用在NT端。

OLT和ONU對于光信號處理相同，均在接收數(shù)據(jù)時將光信號轉(zhuǎn)換為差分信號，發(fā)送時將差分信號轉(zhuǎn)換為光信號。

針對航天應(yīng)用中數(shù)據(jù)高可靠性要求，設(shè)計冗余式PON架構(gòu)FC-AE-1553如圖6所示，NC及各NT均采用雙路，實現(xiàn)冗余備份。

圖6 冗余式PON架構(gòu)FC-AE-1553示意Fig.6 Diagram of Redundant FC-AE-1553 based on PON Topology

2.3 箭上混合總線拓撲設(shè)計

鑒于運載火箭大量電氣產(chǎn)品基于MIL-STD-1553B研制，并經(jīng)歷了長期研制和飛行研制，可以可靠完成飛行，新型總線選擇平滑對接1553B的FC-AE-1553總線，便于產(chǎn)品繼承性開發(fā)。鑒于中國針對FC-AE-1553總線研制尚未完全成熟，全面替換箭上產(chǎn)品總線接口存在進度、成本和可靠性壓力，提出采用混合總線方式完成箭上通信，高速通信部分接入光纖總線，無高速通信需求產(chǎn)品繼承成熟1553B總線。

光纖總線采用PON架構(gòu)的FC-AE-1553冗余架構(gòu)，基于光耦合器構(gòu)建無源總線網(wǎng)絡(luò)，采用單模光纖實現(xiàn)雙波長收發(fā)一體，采用雙冗余結(jié)構(gòu)支持冷熱備份切換。設(shè)置總線橋接器實現(xiàn)FC-AE-1553對1553B總線設(shè)備的兼容。光電混合網(wǎng)絡(luò)主要包括：光網(wǎng)絡(luò)控制器（NC）、光網(wǎng)絡(luò)終端（NT）、光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控（NM）、光纖總線轉(zhuǎn)發(fā)器（Network Repeater，NR）、總線橋接器（Bus Bridge，BG）、1553B終端（RT）、分光器等。

圖7 箭上混合總線原理構(gòu)型Fig.7 Schematic Diagram of Hybrid Bus

NC選用OLT模塊，作為網(wǎng)絡(luò)的控制核心。NT、NM、BG采用ONU模塊。NT通過分光器和光纖實現(xiàn)與NC上下行通信。

光纖總線轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點信息全域可達，接收任一節(jié)點信號后進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各站點功能任意配置，在既定網(wǎng)絡(luò)情況下拓展能力大幅提升，NC、NT、NM可依需求配置。

總線橋接器實現(xiàn)FC-AE-1553光信號與1553B信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了兩種體制接口網(wǎng)絡(luò)間的平滑通信。

通過混合總線的設(shè)計，將成熟的貨架1553B產(chǎn)品與新型智能應(yīng)用光總線接口產(chǎn)品進行了有效融合，既滿足了可靠性繼承，又實現(xiàn)了高通量通信需求，同時靈活可配置設(shè)計，為具體應(yīng)用留下了較大空間。

2.4 箭上混合總線電氣方案

圖8為一型運載火箭箭上電氣方案。在整體飛行控制機、慣組、各級伺服控制器、各級控制組合、地面計算機、測控計算機都具有較為成熟1553B接口產(chǎn)品基礎(chǔ)上，為確保火箭飛行可靠性，相關(guān)產(chǎn)品和狀態(tài)都不做更改。針對雷達、星敏感器、測控計算機等大容量通信需求，設(shè)計光纖總線完成交互。設(shè)置飛控計算機為NC，完成網(wǎng)絡(luò)調(diào)度；設(shè)置雷達、星敏感器為NT，完成高通量信息交互；測控計算機為NM和NT，完成測控信息交互和網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)聽。

圖8 箭上電氣方案Fig.8 Diagram of Electrical System for Launch Vehicle

在此方案中，因飛控計算機及與慣組、控制組合、伺服控制器等產(chǎn)品和交互方案較為成熟，仍采用1553B總線BC進行調(diào)度，單獨在飛行控制器中設(shè)置板卡實現(xiàn)光纖總線通信，并由機內(nèi)總線實現(xiàn)BC與NC的銜接。同樣測控計算機通過增設(shè)板卡實現(xiàn)光纖總線功能。因而，本方案中不需要總線橋進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。此電氣方案僅為混合總線拓撲方案中一個應(yīng)用，其他場景下，可通過總線橋?qū)崿F(xiàn)其他靈活配置。

3 箭上軟件協(xié)議設(shè)計

3.1 基于優(yōu)先級的時隙設(shè)計

對應(yīng)用層消息進行優(yōu)先級劃分，由NC進行網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配。網(wǎng)絡(luò)信息包括控制流事務(wù)和數(shù)據(jù)流事務(wù)，控制流事務(wù)是指NC發(fā)起對目標NT的數(shù)據(jù)雙向搬移操作，數(shù)據(jù)流事務(wù)是指NC指定網(wǎng)絡(luò)其他兩節(jié)點間進行數(shù)據(jù)自主傳輸操作的過程。時隙管理策略如圖9所示。

圖9 時隙管理策略Fig.9 Algorithm of Time-slot Assignment

針對控制流和數(shù)據(jù)流分別梳理完成地址、字長、傳輸周期等信息，數(shù)據(jù)流信息還需明確緩存時間，之后開展時隙設(shè)計。時隙設(shè)計依據(jù)如下原則開展：

a）控制流優(yōu)先傳輸；數(shù)據(jù)流優(yōu)先級最低；數(shù)據(jù)流傳輸時隙內(nèi)遇控制流傳輸需求，適當延后、縮短或取消數(shù)據(jù)流傳輸；

b）合理控制總線負載率，協(xié)調(diào)總線信息交互時間和周期，實現(xiàn)各時段負載均衡；

c）各組信息傳遞間應(yīng)設(shè)置合理時間裕量，以適應(yīng)非周期或重傳模式下信息傳輸需求。

3.2 混合總線信息輪詢設(shè)計

以測控計算機NM、BM接收不同信息為例，進行軟件設(shè)計邏輯說明。測控計算機接收光纖總線和1553B總線兩類監(jiān)視信息，采用輪詢機制交替實現(xiàn)兩類數(shù)據(jù)收集和處理。

光纖數(shù)據(jù)經(jīng)NM接收后需進行幀格式轉(zhuǎn)換，將OLT或ONU光電轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)解碼，進而進入光纖數(shù)據(jù)緩存模塊，同時1553B數(shù)據(jù)經(jīng)BM接收后進入1553B緩存模塊。在系統(tǒng)分配的讀使能有效情形下，F(xiàn)C-AE-1553緩存或1553B緩存數(shù)據(jù)進行輸出，判定幀頭和幀長度后，依據(jù)數(shù)據(jù)長度進行輸出，數(shù)據(jù)讀取完畢關(guān)閉讀使能，同時查詢另一類數(shù)據(jù)是否有緩存，如有則進行數(shù)據(jù)讀取。

遙測數(shù)據(jù)讀取后經(jīng)過數(shù)據(jù)過濾、壓縮等操作，將所需的數(shù)據(jù)進行挑選和整理，經(jīng)過緩存后，組成測控全幀數(shù)據(jù)進行對外發(fā)送。

圖10 輪詢策略Fig.10 Algorithm of Polling Assignment

4 實現(xiàn)與效果

設(shè)計開發(fā)了基于PON架構(gòu)混合總線的電氣系統(tǒng)，對于總線數(shù)據(jù)交互情況進行監(jiān)測，如圖11所示，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，各智能單機實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)通信，同時對于1553B成熟產(chǎn)品兼容性良好，混合總線應(yīng)用得到驗證。

圖11 光纖數(shù)據(jù)收發(fā)測試Fig.11 Test Show of Fabre Channel Transceiver

仿真對比PON架構(gòu)與星型、環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)下FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)時延，如圖12所示。PON架構(gòu)下時延情況明顯優(yōu)于星型和環(huán)型，在0.7網(wǎng)絡(luò)負載率工況下，PON架構(gòu)平均時延約為0.0018 s，而同樣負載率下星型達到0.0035 s，環(huán)形達到0.0071 s。通過使用PON架構(gòu)，有效提升了網(wǎng)絡(luò)整體性能。

圖12 時延仿真結(jié)果Fig.12 Simulation Result of Time Delay

5 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)發(fā)展，運載火箭潛力得到再次激發(fā)，在繼承成熟產(chǎn)品和設(shè)計基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對于智能終端、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的能力融合顯得尤為重要。本文研究了一種基于PON架構(gòu)混合網(wǎng)絡(luò)的運載火箭電氣設(shè)計，該網(wǎng)絡(luò)既能獲得1 Gb/s以上高通量帶寬，又能兼容成熟可靠1553B產(chǎn)品和設(shè)計，同時具備高的拓展性和應(yīng)用靈活性。綜上所述，基于PON架構(gòu)的混合型網(wǎng)絡(luò)在航天具有很好的應(yīng)用前景。