基于TmNS的運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)研究

王 洋，姜云升，任 凱，劉丹陽(yáng)，韓 明

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

測(cè)控通信是運(yùn)載火箭在飛行試驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù)的重要手段，是發(fā)射任務(wù)成功的重要保證之一。運(yùn)載火箭在測(cè)試和飛行期間，內(nèi)部的各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)通過(guò)測(cè)控通信系統(tǒng)傳輸至地面，作為設(shè)計(jì)人員了解火箭測(cè)試和飛行狀態(tài)的最重要依據(jù)[1]。

從1959年開始，美國(guó)靶場(chǎng)指揮官委員會(huì)(Range Commanders Council，RCC)下屬遙測(cè)組(Telemetry Group，TG)提出并維護(hù)靶場(chǎng)儀器組(Inter-Range Instrumentation Group，IRIG)106協(xié)議[2]，協(xié)議旨在保證RCC管轄內(nèi)各試驗(yàn)靶場(chǎng)遙測(cè)應(yīng)用的互通性。2004年，美國(guó)核心試驗(yàn)和評(píng)估投資計(jì)劃(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)實(shí)施了集成網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)遙測(cè)(integrated Network Enhanced Telemet-ry，iNET)項(xiàng)目[3]，以期達(dá)到增強(qiáng)已有遙測(cè)系統(tǒng)能力的目的。與此同時(shí)，提出遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(Telemetry Network Standard，TmNS)作為iNET項(xiàng)目的核心內(nèi)容，旨在規(guī)范各組成部分之間的互通性，指導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)。IRIG 106每?jī)赡赀M(jìn)行一次更新，從2001版開始，IRIG 106標(biāo)準(zhǔn)便加入了遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)的部分，目前IRIG 106最新版本為2020版，此版本中第二部分(第21～28章)是對(duì)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)TmNS的介紹。

目前我國(guó)運(yùn)載火箭主要采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單向傳輸?shù)臒o(wú)線測(cè)控方式，即箭上測(cè)量系統(tǒng)將信息經(jīng)過(guò)PCM-FM調(diào)制后通過(guò)無(wú)線鏈路發(fā)送給地面站，無(wú)線鏈路采用S頻段。該遙測(cè)體制遵循我國(guó)現(xiàn)行的GJB遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[4]，該標(biāo)準(zhǔn)基本上是參考美國(guó)IRIG106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定的。

近年來(lái)，隨著我國(guó)運(yùn)載火箭規(guī)模的增大以及發(fā)射任務(wù)的密集化，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單向傳輸?shù)倪b測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足飛行試驗(yàn)測(cè)控需求的變化與增長(zhǎng)，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、雙向通信的天地一體化網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)成為了新的研究熱點(diǎn)[5-7]，帶來(lái)了遙測(cè)體制的變革[8-9]。本文以TmNS為基礎(chǔ)，提出了基于TmNS的運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的思路及實(shí)現(xiàn)方法。

1 TmNS標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

1.1 TmNS特性

TmNS的核心設(shè)計(jì)原則是為建立基于網(wǎng)絡(luò)的遙測(cè)系統(tǒng)提供框架，通過(guò)提高頻譜效率來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行試驗(yàn)測(cè)控手段的變革，是對(duì)現(xiàn)有遙測(cè)系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和擴(kuò)展。TmNS在保留傳統(tǒng)PCM串行遙測(cè)流(Serial Streaming Telemetry，SST)功能的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(TCP/IP協(xié)議棧)以及新設(shè)計(jì)的特定協(xié)議，提供路由、服務(wù)質(zhì)量和擁塞控制等特性，使新型遙測(cè)系統(tǒng)具備以下幾大增強(qiáng)功能[10-11]：

1)雙向通信功能：可分別從傳感器和存儲(chǔ)器上實(shí)時(shí)查看被測(cè)對(duì)象(Test Article，TA)當(dāng)前和歷史測(cè)量數(shù)據(jù)；當(dāng)PCM信號(hào)失鎖時(shí)可以近實(shí)時(shí)地恢復(fù)丟失的測(cè)量數(shù)據(jù)；地面站可為被測(cè)對(duì)象提供參數(shù)配置、指令控制等功能。

2)動(dòng)態(tài)頻譜共享：多發(fā)試驗(yàn)任務(wù)并行開展時(shí)，具備提供遙測(cè)頻譜資源共享的能力。

3)服務(wù)質(zhì)量：可根據(jù)特定試驗(yàn)任務(wù)或特定測(cè)量數(shù)據(jù)(如話音數(shù)據(jù))的優(yōu)先級(jí)來(lái)動(dòng)態(tài)共享頻譜資源。

4)全互聯(lián)系統(tǒng)：可為被測(cè)對(duì)象提供從一個(gè)天線到另一個(gè)天線的發(fā)射/接收數(shù)據(jù)的無(wú)縫切換能力，包括在不同網(wǎng)絡(luò)和其他靶場(chǎng)內(nèi)的天線。TmNS使用術(shù)語(yǔ)“接力”來(lái)描述該類型切換。

5)視距外遙測(cè)：為包含多個(gè)被測(cè)對(duì)象和遠(yuǎn)距離射程的靶場(chǎng)試驗(yàn)提供被測(cè)對(duì)象到被測(cè)對(duì)象的中繼通信能力。

1.2 TmNS協(xié)議棧

為實(shí)現(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中成員之間的雙向通信(互聯(lián)互通)，TmNS利用了現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議棧，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些適應(yīng)性更改[12]。

TCP/IP協(xié)議棧是一個(gè)4層的協(xié)議結(jié)構(gòu)，它包含應(yīng)用層、運(yùn)輸層、IP層、網(wǎng)絡(luò)接入層(數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)，其中每一層都服務(wù)于上一層，同時(shí)被其下面的層所服務(wù)，發(fā)送端數(shù)據(jù)從TCP/IP協(xié)議棧的應(yīng)用層自上而下傳遞到物理層，從發(fā)送端的物理層經(jīng)過(guò)特定的傳輸媒介達(dá)到接收端的物理層，再自下而上傳遞到接收端的應(yīng)用層被接收。TCP/IP協(xié)議棧中各層之間是嚴(yán)格獨(dú)立的，對(duì)其中一層的改動(dòng)不會(huì)影響到其他層，每層允許使用不同的協(xié)議技術(shù)。

圖1給出了基于TCP/IP協(xié)議棧的TmNS協(xié)議棧設(shè)計(jì)，其中，中間協(xié)議族為被TmNS選中的已有TCP/IP協(xié)議，右邊協(xié)議族為TmNS設(shè)計(jì)的特定協(xié)議。同時(shí)，為方便讀者理解，將現(xiàn)有傳統(tǒng)的PCM-FM遙測(cè)體制(左邊協(xié)議族)放入TCP/IP協(xié)議棧相應(yīng)層中與TmNS協(xié)議棧進(jìn)行對(duì)比，可以看出，傳統(tǒng)的PCM-FM遙測(cè)體制僅規(guī)范了一些底層的物理特性和協(xié)議，例如頻率、信道編碼、編幀、調(diào)制方式等，這些均是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)，不存在應(yīng)用層、運(yùn)輸層和IP層。

1.3 TmNS系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，TmNS系統(tǒng)架構(gòu)包含4個(gè)子系統(tǒng)(不強(qiáng)制基于TmNS的系統(tǒng)都包含這4個(gè)子系統(tǒng)，但是典型的系統(tǒng)部署應(yīng)包含這4部分)，4個(gè)子系統(tǒng)的功能描述如下[13]：

圖1 基于TCP/IP協(xié)議棧的TmNS協(xié)議棧Fig.1 TmNS protocol stack based on TCP/IP protocol stack

圖2 TmNS系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 TmNS system architecture diagram

1)被測(cè)對(duì)象子系統(tǒng)(Test Article Subsystem，TAS)：空中的被測(cè)對(duì)象為數(shù)據(jù)采集單元、存儲(chǔ)器、遙測(cè)傳輸設(shè)備等提供基于網(wǎng)絡(luò)的接口，用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和控制以及設(shè)備健康和狀態(tài)信息的回傳。同時(shí)，被測(cè)對(duì)象還具備與現(xiàn)有的傳統(tǒng)PCM遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口。

2)地面站子系統(tǒng)(Ground Antenna Subsystem，GAS)：地面站子系統(tǒng)用于連接被測(cè)對(duì)象與靶場(chǎng)操作中心兩個(gè)子系統(tǒng)，為被測(cè)對(duì)象提供雙向無(wú)線鏈路，可依賴于現(xiàn)有的跟蹤機(jī)制，例如跟蹤被測(cè)對(duì)象發(fā)射的SST信號(hào)。

3)靶場(chǎng)操作子系統(tǒng)(Range Operations Subsystem，ROS)：該子系統(tǒng)用于將地面站子系統(tǒng)中的射頻組件與靶場(chǎng)操作中心進(jìn)行互聯(lián)，具備遠(yuǎn)程管理地面站子系統(tǒng)中跟蹤天線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機(jī)和路由器)等資源的能力。

4)任務(wù)控制子系統(tǒng)(Mission Control Subsystem，MCS)：任務(wù)控制子系統(tǒng)可與被測(cè)對(duì)象進(jìn)行通信，具備接入現(xiàn)有遙測(cè)處理系統(tǒng)的接口，還具備處理TmNS數(shù)據(jù)消息的所需資源。

2 基于TmNS的運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有運(yùn)載火箭PCM遙測(cè)系統(tǒng)中，需要提前策劃數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容及幀格式，即PCM數(shù)據(jù)流格式是提前編排好的，根據(jù)每發(fā)任務(wù)需求進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。該工作模式顯著優(yōu)點(diǎn)是傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性好，在現(xiàn)有運(yùn)載火箭遙測(cè)參數(shù)規(guī)模及發(fā)射頻度下，可以滿足任務(wù)需求。隨著運(yùn)載火箭遙測(cè)參數(shù)規(guī)模逐步擴(kuò)大以及并行試驗(yàn)任務(wù)的日益增多，這種單向、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)不靈活的工作模式不能滿足未來(lái)運(yùn)載火箭測(cè)控的需求，頻譜資源利用等問(wèn)題也日益突出。TmNS標(biāo)準(zhǔn)的提出，使得在傳統(tǒng)PCM遙測(cè)鏈路外增加了上下行的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和天地一體化，基于雙向IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)按需遙測(cè)的能力，即可根據(jù)策劃或者突發(fā)事件更改遙測(cè)傳輸內(nèi)容，同時(shí)可提供基于任務(wù)和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的服務(wù)質(zhì)量；具備動(dòng)態(tài)資源共享能力，可支持多發(fā)并行試驗(yàn)任務(wù)，解決了頻譜資源緊張的問(wèn)題。

在現(xiàn)有運(yùn)載火箭PCM遙測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于TmNS標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的新型運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖如圖3所示，該系統(tǒng)可以劃分為火箭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、地面站、靶場(chǎng)操作中心、任務(wù)控制中心等4部分，各部分組成和功能描述如下。

2.1 火箭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)PCM數(shù)據(jù)流向如圖3中紅色實(shí)線框中所示，由箭上PCM數(shù)據(jù)采集單元將采集的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給PCM編幀加密設(shè)備進(jìn)行遙測(cè)編幀及數(shù)據(jù)加密，加密后的PCM數(shù)據(jù)通過(guò)SST發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)后，傳給天線系統(tǒng)發(fā)射出去，在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，將會(huì)保留傳統(tǒng)PCM碼流用于傳輸高可靠性和實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)。

基于TmNS的運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有PCM數(shù)據(jù)流(SST)基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，即TmNS數(shù)據(jù)流。首先，箭載Network數(shù)據(jù)采集單元將采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)封裝在TmNS數(shù)據(jù)消息(Data Message)中，根據(jù)用戶需求，采用LTC傳輸協(xié)議(Latency/Throughput Critical Delivery Protocol)將TmNS數(shù)據(jù)消息傳遞給MDL文件(該文件用于配置和控制基于TmNS的設(shè)備以及獲取其狀態(tài)等信息)中定義的目的地址(如傳遞給箭載TmNS存儲(chǔ)器進(jìn)行備份或者地面遙測(cè)處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與顯示)。箭載TmNS存儲(chǔ)器可利用LTC傳輸協(xié)議接收TmNS數(shù)據(jù)消息，將其存儲(chǔ)在固態(tài)介質(zhì)中，也可將利用RC傳輸協(xié)議(Reliablity Critical Delivery Protocol)將被請(qǐng)求的數(shù)據(jù)發(fā)送給任務(wù)控制中心的TmNS存儲(chǔ)器?；鸺齼?nèi)部各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行互聯(lián)互通，TmNS數(shù)據(jù)消息先經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)加密機(jī)進(jìn)行加密，再傳遞給TmNS發(fā)射機(jī)生成射頻信號(hào)通過(guò)天線系統(tǒng)發(fā)射出去，天線系統(tǒng)接收到地面站發(fā)送的射頻信號(hào)后傳遞給TmNS接收機(jī)，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)解密機(jī)進(jìn)行解密后得到TmNS數(shù)據(jù)消息發(fā)給相應(yīng)設(shè)備。

同時(shí)，SST與TmNS數(shù)據(jù)流之間可以相互轉(zhuǎn)換，這一功能也是基于TmNS的新增功能，由箭載PCM網(wǎng)關(guān)和Network網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)[14]。PCM網(wǎng)關(guān)可根據(jù)MDL文件從未加密PCM數(shù)據(jù)流中選擇所需要的PCM數(shù)據(jù)，通過(guò)TMoIP協(xié)議轉(zhuǎn)換為IP包，實(shí)現(xiàn)將PCM數(shù)據(jù)承載在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸。Network網(wǎng)關(guān)可根據(jù)MDL文件從IP包中選擇所需要的測(cè)量數(shù)據(jù)(IP包)，通過(guò)數(shù)據(jù)包遙測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送到SST發(fā)射機(jī)。

2.2 地面站

地面站的天線系統(tǒng)接收到箭上天線系統(tǒng)發(fā)射的無(wú)線信號(hào)，將TmNS無(wú)線信號(hào)送給TmNS接收機(jī)處理，將SST無(wú)線信號(hào)送給SST接收機(jī)處理，分別解調(diào)出加密后的IP包和加密后的PCM數(shù)據(jù)流送給任務(wù)控制中心進(jìn)行處理。加密后的PCM數(shù)據(jù)可以通過(guò)地面站PCM網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)PCM在靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，也可以直接送給任務(wù)控制中心的PCM解密機(jī)進(jìn)行解密處理。任務(wù)控制中心的指控?cái)?shù)據(jù)(IP包格式)，通過(guò)靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面站TmNS發(fā)射機(jī)生成射頻信號(hào)，再通過(guò)地面天線系統(tǒng)向空間發(fā)射出去。同時(shí)，地面站TmNS發(fā)射機(jī)/接收機(jī)可受靶場(chǎng)操作中心的鏈路管理器(Link Manager，LM)的控制，執(zhí)行鏈路控制功能，通過(guò)靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)接收LM發(fā)送的控制信息，該信息規(guī)定了上行/下行傳輸開始和結(jié)束的精確時(shí)間，還可接收射頻(Radio Frequency，RF)網(wǎng)絡(luò)管理指令并做出響應(yīng)。

2.3 靶場(chǎng)操作中心

位于靶場(chǎng)操作中心的RF網(wǎng)絡(luò)管理器(RF Network Manger)負(fù)責(zé)管理RF網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)RF網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)，包括協(xié)調(diào)靶場(chǎng)內(nèi)和靶場(chǎng)間地面站接力的具體細(xì)節(jié)，協(xié)調(diào)RF鏈路和RF網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)讓訖C(jī)制的更新，協(xié)調(diào)RF網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)配置的更新等。鏈路管理器負(fù)責(zé)策劃TmNS發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的RF傳輸，為地面站和被測(cè)對(duì)象之間的所有上下行鏈路的RF傳輸分配時(shí)隙，即提供時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的控制功能。這些網(wǎng)絡(luò)管理信息均承載在IP包中，經(jīng)靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)送給地面站的TmNS發(fā)射機(jī)/接收機(jī)。

圖3 基于TmNS的運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of TmNS-based space-earth integrated TT&C network for launch vehicles

2.4 任務(wù)控制中心

具備傳統(tǒng)PCM數(shù)據(jù)流的接收功能，通過(guò)任務(wù)控制中心的PCM解密機(jī)對(duì)地面站SST接收機(jī)輸出的加密PCM數(shù)據(jù)流進(jìn)行解密后送給中心的遙測(cè)處理設(shè)備，還可以通過(guò)任務(wù)控制中心的Network網(wǎng)關(guān)將從靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的IP包中承載的加密后的PCM數(shù)據(jù)剝離出來(lái)(該過(guò)程為TMoIP的逆過(guò)程)，送入PCM解密機(jī)解密后給遙測(cè)處理設(shè)備進(jìn)行處理。同時(shí)，任務(wù)控制中心PCM網(wǎng)關(guān)從PCM數(shù)據(jù)流中找到相應(yīng)的IP包(該過(guò)程為數(shù)據(jù)包遙測(cè)的逆過(guò)程)，通過(guò)交換機(jī)送給相應(yīng)的遙測(cè)處理設(shè)備；任務(wù)控制中心Network網(wǎng)關(guān)接收到含有PCM數(shù)據(jù)的IP包，將其解析后(該過(guò)程為TMoIP的逆過(guò)程)傳送給相應(yīng)的遙測(cè)處理設(shè)備。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 TmNS數(shù)據(jù)消息傳輸協(xié)議

在基于TmNS的運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，測(cè)量數(shù)據(jù)在應(yīng)用層以TmNS數(shù)據(jù)消息的格式進(jìn)行傳遞。TmNS數(shù)據(jù)消息結(jié)構(gòu)如圖4所示，由TmNS數(shù)據(jù)消息頭域和載荷域構(gòu)成，其中TmNS數(shù)據(jù)消息載荷域中包含多個(gè)信息包，每個(gè)信息包中均存放有測(cè)量信息。

（1）在初始參數(shù)均為地板厚度30mm；功率150W/m2；室外溫度-8℃；相對(duì)誤差0.001時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各特性征點(diǎn)溫度越來(lái)越高。

圖4 TmNS數(shù)據(jù)消息格式Fig.4 TmNS data message structure

在應(yīng)用層，需要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需求選擇合適的應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，根據(jù)TmNS標(biāo)準(zhǔn)，建議應(yīng)用層使用LTC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和RC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸TmNS數(shù)據(jù)消息，兩種協(xié)議的傳輸特性比較見表1。

表1 LTC和RC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)比

TCP和UDP協(xié)議均為TCP/IP協(xié)議棧中的傳輸層協(xié)議，最大區(qū)別在于TCP協(xié)議是面向連接的，而UDP協(xié)議是無(wú)連接的。TCP協(xié)議提供面向連接的可靠服務(wù)，在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后要釋放連接。同時(shí)，由于TCP協(xié)議要提供可靠的、面向連接的傳輸服務(wù)，不可避免地會(huì)增加一些開銷，比如應(yīng)答、計(jì)時(shí)器、流量控制以及連接管理等，同時(shí)增加了處理資源。UDP協(xié)議在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接，不需要確認(rèn)數(shù)據(jù)，提供一種不可靠交付，在某些情況下(實(shí)時(shí)性要求高)是一種最有效的傳輸方式。同時(shí)，UDP協(xié)議支持多播服務(wù)。

LTC和RC這兩種協(xié)議的傳輸特性使得數(shù)據(jù)傳輸性能截然不同，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)師根據(jù)不同數(shù)據(jù)的傳輸需求來(lái)選擇合適的傳輸協(xié)議，例如箭載Network數(shù)據(jù)采集單元產(chǎn)生的TmNS數(shù)據(jù)消息可利用LTC傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，雖然UDP協(xié)議不保證順序傳輸，但是可以提供相比基于TCP協(xié)議更低的端到端時(shí)延，同時(shí)可以利用UDP協(xié)議多播功能實(shí)現(xiàn)到多個(gè)目的地址的數(shù)據(jù)傳輸。TmNS數(shù)據(jù)消息頭域中有基于某類消息的序號(hào)，該序號(hào)隨著發(fā)送端發(fā)送該類消息數(shù)目的遞增而遞增。因此，如果使用LTC傳輸協(xié)議來(lái)傳輸某些對(duì)可靠性有要求的數(shù)據(jù)，接收端可以通過(guò)檢測(cè)接收到的TmNS數(shù)據(jù)消息頭域中的序號(hào)來(lái)檢測(cè)和報(bào)告丟失的數(shù)據(jù)[15]。

3.2 RF網(wǎng)絡(luò)接入層協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層位于IP層之下，服務(wù)于IP層，用于將IP層交付下來(lái)的IP包組裝成幀，在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間傳輸。在基于TmNS的RF網(wǎng)絡(luò)中，需要將網(wǎng)絡(luò)信息(IP包)和控制消息等載荷數(shù)據(jù)組裝成數(shù)據(jù)鏈路幀，再交給物理層(RF通信鏈路)進(jìn)行比特流的傳輸。由于基于TmNS的RF網(wǎng)絡(luò)特性與以太網(wǎng)特性有所不同，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧中網(wǎng)絡(luò)接入層(數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)協(xié)議不再適用，需改動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入層協(xié)議來(lái)支持RF鏈路傳輸[16]。

RF網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層具備將網(wǎng)絡(luò)信息和控制消息等載荷數(shù)據(jù)復(fù)用在介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium Access Control，MAC)幀中的能力，可基于鏈路的需求和優(yōu)先級(jí)為上行和下行鏈路策劃和分配信道容量，提供一種自適應(yīng)的時(shí)分多址(TDMA)機(jī)制共享通信信道，滿足有限帶寬下并行試驗(yàn)需求，同時(shí)可使用ARQ協(xié)議來(lái)提高傳輸可靠性。

圖5給出了網(wǎng)絡(luò)層信息在RF網(wǎng)絡(luò)接入層中進(jìn)行傳輸?shù)奶幚磉^(guò)程。

圖5 基于TmNS的RF網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)接入層示意圖Fig.5 Overview of network access layer in TmNS-based RF network

網(wǎng)絡(luò)層信息(TCP/IP、UDP/IP和相關(guān)的IP協(xié)議族包)和鏈路層控制消息(Link Layer Control Messages，LLCMs)統(tǒng)一被稱為MAC 服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MAC Service Data Units，MSDUs)，被復(fù)用在MAC幀中。多個(gè)長(zhǎng)度較短的MSDUs被打包成為ARQ blocks(塊)，然后被封裝在一個(gè)MAC幀中；長(zhǎng)度較長(zhǎng)的MSDU被分割為多個(gè)ARQ blocks，然后被封裝在多個(gè)MAC幀中。ARQ block的分段/打包頭域(Fragmentation/Packing SubHeader，F(xiàn)PSH)指示該ARQ block是否為MSDU分段或打包處理后產(chǎn)生的，其中的FC域是一個(gè)分段標(biāo)示，可以表示沒有分段(00)、第一個(gè)分段(10)、中間的分段(11)、最后的分段(01)，同時(shí)FPSH還指示被封裝數(shù)據(jù)的協(xié)議類型，被封裝數(shù)據(jù)相對(duì)于其他ARQ blocks的優(yōu)先級(jí)等。

MAC幀由MAC頭、載荷部分以及幀校驗(yàn)序列構(gòu)成。MAC幀載荷包含一到多個(gè)可變長(zhǎng)度的ARQ blocks，每個(gè)ARQ block的最大長(zhǎng)度受限于MAC幀載荷部分的長(zhǎng)度，而MAC幀載荷部分的長(zhǎng)度又受限于物理層信道編碼的碼字長(zhǎng)度(MAC幀的最大長(zhǎng)度與信道編碼碼長(zhǎng)相對(duì)應(yīng))。MAC頭中含有發(fā)送和接收無(wú)線設(shè)備的RF MAC地址以及一些用于鏈路層處理的附加信息。

MAC幀在物理層中先進(jìn)行比特交織，然后進(jìn)行LDPC編碼，最后進(jìn)行SOQPSK調(diào)制。IRIG 106-20標(biāo)準(zhǔn)中推薦使用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用于深空通信的累積重復(fù)參差累積碼(Accumulate Repeat Jagged Accumulate Code，AR4JA碼)構(gòu)造的LDPC碼，碼率為1/2，2/3 和4/5可選，LDPC碼信息比特長(zhǎng)為128字節(jié)和512字節(jié)可選。

多個(gè)LDPC blocks組成一個(gè)burst在RF鏈路上傳輸，每個(gè)burst由前導(dǎo)信息、同步標(biāo)志和碼塊幀(包含1到N個(gè)固定長(zhǎng)度的LDPC blocks，N最大可配置為16)組成，同步標(biāo)志用來(lái)輔助比特和字節(jié)級(jí)的同步和解調(diào)。無(wú)線收發(fā)設(shè)備利用在TDMA 時(shí)隙(epoch)中策劃的傳輸機(jī)會(huì)(Transmission Opportunities，TxOps)來(lái)傳輸這些burst序列。TDMA epoch也叫作TDMA幀，其典型結(jié)構(gòu)如圖6中所示。epoch大小固定，由多個(gè)大小可變的TxOps組成。TxOps代表一段時(shí)間，在該段時(shí)間內(nèi)源無(wú)線設(shè)備可以接入到信道中將數(shù)據(jù)傳輸給目的無(wú)線設(shè)備，因此，源和目的無(wú)線設(shè)備之間的通信均需分配TxOps，例如地面站發(fā)往箭上的上行數(shù)據(jù)傳輸、火箭發(fā)往地面站的下行數(shù)據(jù)傳輸以及火箭與火箭之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 典型的TDMA幀結(jié)構(gòu)Fig.6 Typical TDMA frame

為簡(jiǎn)化TDMA的策略，TDMA幀(epoch)的持續(xù)時(shí)間通常有以下幾種選擇：1000(最大時(shí)間)，500,250,125,100(默認(rèn)時(shí)間),50,40,25,10 ms(最小時(shí)間)。RF網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)師可通過(guò)選擇合適的TDMA幀(epoch)的持續(xù)時(shí)間來(lái)在開銷、包時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)性能之間進(jìn)行性能折中。同時(shí)，RF網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)無(wú)線或管理設(shè)備都必須使用通用的時(shí)間同步協(xié)議來(lái)達(dá)到時(shí)間同步，避免RF之間的干擾。

在RF網(wǎng)絡(luò)中，TDMA控制器(LM)在每次試驗(yàn)時(shí)基于上下行鏈路的需求和優(yōu)先級(jí)來(lái)分配epoch中的TxOps。最基礎(chǔ)的分配策略為TxOps的靜態(tài)分配，這種方式不考慮每次試驗(yàn)的容量需求。TmNS的典型分配策略為基于優(yōu)先級(jí)和瞬時(shí)/平均網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量來(lái)分配TxOps，以優(yōu)化整個(gè)RF網(wǎng)絡(luò)的使用，可最小化網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，最大化吞吐量，減小隊(duì)列溢出所造成的損失[17-18]。

3.3 TMoIP協(xié)議

SST與TmNS數(shù)據(jù)流之間可以相互轉(zhuǎn)換，這一功能也是基于TmNS的新增功能，箭載PCM網(wǎng)關(guān)、地面站PCM網(wǎng)關(guān)、任務(wù)控制中心Network網(wǎng)關(guān)均具備該功能。箭載PCM網(wǎng)關(guān)/地面站PCM網(wǎng)關(guān)將PCM數(shù)據(jù)封裝在IP包中，實(shí)現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，實(shí)現(xiàn)該功能的協(xié)議被稱為TMoIP(Transmission over Internet Protocol)[19]，任務(wù)控制中心Network網(wǎng)關(guān)執(zhí)行逆操作。

表2給出了TMoIP對(duì)應(yīng)于TCP/IP協(xié)議棧中每層的具體實(shí)現(xiàn)。

表2 TMoIP在TCP/IP協(xié)議棧的具體實(shí)現(xiàn)

TMoIP應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，即載荷匯聚功能，可以保證SST流被承載在網(wǎng)絡(luò)包中，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1)首先，實(shí)現(xiàn)SST流格式轉(zhuǎn)換，將串行流格式轉(zhuǎn)換為包格式，得到的包被稱作原始包載荷。

2)其次，將TMoIP的控制字追加到原始包載荷前面，構(gòu)成TMoIP載荷。圖7給出了TMoIP的控制字以及得到的TMoIP載荷格式。TMoIP可通過(guò)控制字實(shí)現(xiàn)丟包或失序的檢測(cè)，同時(shí)也標(biāo)識(shí)了PCM子幀或者副幀同步狀態(tài)、時(shí)間戳等信息。

傳輸層、IP層和網(wǎng)絡(luò)接入層均為成熟TCP/IP協(xié)議，圖8給出了TMoIP在TCP/IP協(xié)議中各層的展開實(shí)現(xiàn)。

3.4 數(shù)據(jù)包遙測(cè)

數(shù)據(jù)包遙測(cè)技術(shù)可將來(lái)自一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)異步插入到PCM子幀中，數(shù)據(jù)類型可支持以太網(wǎng)幀、TmNS數(shù)據(jù)消息、IP包等。這是一種將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包融入傳統(tǒng)PCM碼流的方法，以兼容網(wǎng)絡(luò)化的遙測(cè)數(shù)據(jù)包。箭載Network網(wǎng)關(guān)利用該項(xiàng)技術(shù)，根據(jù)MDL文件從IP包中選擇所需要的測(cè)量數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)包遙測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖9所示，異步插入的數(shù)據(jù)被稱作源包(Source Packet，SP)。

圖7 TMoIP載荷格式Fig.7 TMoIP payload structure

圖8 TMoIP協(xié)議各層展開圖Fig.8 TMoIP layout in layers

首先，一個(gè)SP被封裝在一個(gè)或多個(gè)封裝包(Encapsulation Packet，EPs)的載荷域中，通常，一個(gè)EP只包含一個(gè)SP。當(dāng)SP大小超過(guò)64k字節(jié)的時(shí)候，SP將被分割為多個(gè)SP段，此時(shí)一個(gè)EP包含一個(gè)SP段。EP頭域中“內(nèi)容”域可指示EP載荷所包含的SP的類型，如IP包SP、TmNS數(shù)據(jù)消息SP、MAC幀SP等，“分段”域可指示EP載荷所包含的SP是獨(dú)立的SP或者SP段。不同類型的SP可同時(shí)被多路復(fù)用到一個(gè)單獨(dú)的EP邏輯流中(圖9中EP流中紅色豎線表示EP的首字節(jié))。

圖9 數(shù)據(jù)包遙測(cè)示意圖Fig.9 Packet telemetry overview

接著，EP流將被分割到多個(gè)等長(zhǎng)的傳輸包(Transport Packet，TPs)的載荷域中，形成TP流。如果TP載荷中包含了一個(gè)EP的首字節(jié)，那么TP頭域?qū)皆揈P首字節(jié)的偏移量；如果TP載荷中包含了多個(gè)EPs，那么TP頭域?qū)降谝粋€(gè)EP首字節(jié)的偏移量。

最后，每個(gè)TP被插入到一個(gè)單獨(dú)的PCM子幀中。一個(gè)TP可被分割為多個(gè)TP段，和PCM數(shù)據(jù)一起排布在一個(gè)PCM子幀中，但是每個(gè)PCM子幀只能包含一個(gè)TP，圖9中為一個(gè)PCM子幀包含了兩個(gè)TP段(1個(gè)TP)。

4 結(jié)論

隨著運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)的密集化以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)在空間通信方面的優(yōu)勢(shì)顯而易見，特別是IRIG 106-20中TmNS建議的提出，明確了天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的思想。本文關(guān)注未來(lái)運(yùn)載火箭測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，對(duì)TmNS特性、協(xié)議棧、體系架構(gòu)進(jìn)行深入研究，在現(xiàn)有PCM-FM遙測(cè)架構(gòu)基礎(chǔ)上提出了基于TmNS的運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的思想，對(duì)其具體系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)方式等進(jìn)行了研究和闡述。目前，網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在空間通信方面也在深入發(fā)展，對(duì)運(yùn)載火箭天地一體化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的研究將有助于天地網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，促進(jìn)航天領(lǐng)域測(cè)控通信的不斷發(fā)展。