載人月球探測(cè)一體化網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

何熊文，陳朝基，賈雨棽，張柏楠，徐明偉，劉 巖，陳瑞勛

(1. 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引 言

載人月球探測(cè)已成為航天領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)之一,遠(yuǎn)期將持續(xù)支持月球科研試驗(yàn)站等建設(shè),全面進(jìn)行月球資源的探索和利用。載人月球探測(cè)飛行器任務(wù)復(fù)雜,涉及多個(gè)航天器節(jié)點(diǎn)間大量數(shù)據(jù)交互,對(duì)通信速率、安全可靠、靈活自主的需求均大幅增加,需構(gòu)建地月一體化網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)和操控、通信鏈路有效備份、多節(jié)點(diǎn)間協(xié)同等。因此,如何設(shè)計(jì)器地/器間/器內(nèi)一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以實(shí)現(xiàn)多器協(xié)同、人-器協(xié)同以及以測(cè)量透明、控制開(kāi)放、執(zhí)行共享為核心的電氣一體化設(shè)計(jì),已成為目前載人月球探測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重大挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)載人月球探測(cè)的需求,提出一體化網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議架構(gòu)及其器地、器間、器內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景,并通過(guò)多種手段對(duì)其中的核心協(xié)議進(jìn)行了驗(yàn)證,為后續(xù)在任務(wù)中推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

1.1 載人月球探測(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究現(xiàn)狀

美國(guó)、歐洲、中國(guó)等均在開(kāi)展載人月球探測(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究。

2020年,NASA空間通信和導(dǎo)航(SCaN)計(jì)劃提出了月球網(wǎng)(LunaNet)概念,為月球探測(cè)任務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)通信、定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)、科學(xué)應(yīng)用等服務(wù)。美國(guó)阿爾忒彌斯計(jì)劃中,制定了載人月球探測(cè)的國(guó)際互操作標(biāo)準(zhǔn)[1],該標(biāo)準(zhǔn)基于時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTE)構(gòu)建,并輔以無(wú)線網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用核心飛行系統(tǒng)(Core flight system, cFS)軟件架構(gòu),包含部分速率大于1 Gbps的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口。

ESA提出了載人登月通信系統(tǒng),對(duì)月面著陸器在月球正面、背面等場(chǎng)景進(jìn)行了通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),擬構(gòu)建地球、月球一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)針對(duì)航天器內(nèi)部綜合電子系統(tǒng)架構(gòu),歐洲于2007年啟動(dòng)空間綜合電子開(kāi)放接口體系結(jié)構(gòu)(SAVOIR)[2]的研究工作,旨在建立綜合電子系統(tǒng)的參考體系結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)基于硬件模塊組裝,具備通用軟件架構(gòu),大量應(yīng)用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)和歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)化組織(ECSS)標(biāo)準(zhǔn),已進(jìn)入實(shí)施階段,正在評(píng)估TTE和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)在航天器中的應(yīng)用前景[3]。

與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)在載人月球探測(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的研究,主要是在融合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并探索高速數(shù)據(jù)總線在航天器中的應(yīng)用前景。此外,為滿足載人月球探測(cè)信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,迫切需要進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)器地/器間/器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一體化設(shè)計(jì),為載人月球探測(cè)任務(wù)提供有力支撐。

1.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)研究現(xiàn)狀

CCSDS于1982年發(fā)起成立,旨在建立一套既有技術(shù)先進(jìn)性,又能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)間、空間組織間和空間國(guó)家間資源共享的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[4]。CCSDS以美國(guó)和歐洲為主導(dǎo),已形成分層體系結(jié)構(gòu),涵蓋多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,其制定的300余份標(biāo)準(zhǔn)已在全球超過(guò)1 000個(gè)航天器中得到應(yīng)用,但空間和器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)尚未統(tǒng)一。CCSDS制定的空間通信協(xié)議體系[5]包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層,已被廣泛采用。CCSDS在航天器接口業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化方面的主要研究目標(biāo)是通過(guò)定義一組標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)接口和協(xié)議,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通用航天器功能的標(biāo)準(zhǔn)化訪問(wèn),并且使星載應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)獨(dú)立于提供這些業(yè)務(wù)的機(jī)制,從而增加其在不同航天器中的重用率。目前已制定了航天器內(nèi)部通信協(xié)議體系[6],正在開(kāi)展電子數(shù)據(jù)表單(SEDS)標(biāo)準(zhǔn)的制定、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的研究等。NASA于2020年9月提出互操作協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),融合了大量CCSDS和地面互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,作為美國(guó)阿爾忒彌斯計(jì)劃國(guó)際合作的幾大規(guī)范之一,有效實(shí)現(xiàn)了器地、器間協(xié)議的融合。

ECSS在兼容CCSDS標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上定義了更細(xì)的標(biāo)準(zhǔn),并制定了遙測(cè)遙控包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS)[7],在CCSDS的空間包[8]協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步規(guī)定了包的副導(dǎo)頭結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu),便于標(biāo)準(zhǔn)化地面和航天器之間的應(yīng)用層接口[9]。

2 載人月球探測(cè)任務(wù)和地月一體化網(wǎng)絡(luò)需求分析

2.1 需求分析

我國(guó)未來(lái)載人月球探測(cè)宏偉愿景,對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)主要有如下需求:

1)建立地月一體化網(wǎng)絡(luò)的需求。我國(guó)載人月球探測(cè)任務(wù)涉及飛船、著陸器等多個(gè)節(jié)點(diǎn),需構(gòu)建地月一體化網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)和操控、通信鏈路有效備份、多節(jié)點(diǎn)間協(xié)同等,器內(nèi)高速總線通信速率不小于1 Gbps,測(cè)控通信上下行速率為十幾kbps,高速通信上下行速率可達(dá)幾十Mbps。

2)載人月球探測(cè)任務(wù)電氣一體化的需求。載人月球探測(cè)任務(wù)構(gòu)建高安全、高可靠、集成化、輕量化的一體化電氣系統(tǒng),其核心為測(cè)量透明、控制開(kāi)放、執(zhí)行共享,范圍包括飛船/著陸器電子系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì),器地、器間接口和協(xié)議一體化,近地、地月、月球通信一體化等。

3)支持月球科研試驗(yàn)站建設(shè)的需求。未來(lái)將建造月球科研試驗(yàn)站,作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)、資源開(kāi)發(fā)利用以及地外天體長(zhǎng)期生存能力的研究平臺(tái),開(kāi)展系統(tǒng)、連續(xù)的月球探測(cè)和相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證。因此有必要在月球科研試驗(yàn)站建造前開(kāi)展與高速科學(xué)載荷通信、月地高速激光通信、月面高速組網(wǎng)通信相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究和驗(yàn)證。

4)支持未來(lái)國(guó)際合作的需求。我國(guó)載人月球探測(cè)任務(wù)后續(xù)在月球科研試驗(yàn)站建設(shè)、月面機(jī)器人、科學(xué)載荷、地面交互支持等方面都將面臨國(guó)際合作,需要研究建立相應(yīng)的通信規(guī)范。國(guó)際合作將面臨合作開(kāi)發(fā)月球科研試驗(yàn)站、使用國(guó)外地面站、對(duì)國(guó)外機(jī)器人提供業(yè)務(wù)支撐、支持搭載國(guó)外載荷等需求。

5)提升載人月球探測(cè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定話語(yǔ)權(quán)的需求。目前載人月球探測(cè)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)涉及月面自組織通信、空間和器內(nèi)一體化通信、網(wǎng)絡(luò)管理、月地高速激光通信、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路由、航天器內(nèi)部設(shè)備即插即用、航天器內(nèi)部任務(wù)遷移等多個(gè)技術(shù),而上述技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白,可通過(guò)任務(wù)牽引,專項(xiàng)研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在CCSDS等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中提出中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[10],提升我國(guó)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的話語(yǔ)權(quán)。

2.2 任務(wù)分析

載人月球探測(cè)任務(wù)首先采用月面著陸器登陸月球,在月面進(jìn)行采集樣本等作業(yè)后,航天員再乘坐飛船返回地球,可實(shí)現(xiàn)2～4人的月面活動(dòng),還計(jì)劃利用載人月球車(chē)或月面機(jī)器人進(jìn)行挖掘或探索工作。未來(lái)還將建立可長(zhǎng)期駐留的月球科研試驗(yàn)站和覆蓋范圍廣的月球通信星座,涉及多節(jié)點(diǎn)間的高速數(shù)據(jù)通信需求。一體化網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議架構(gòu)需支持的主要任務(wù)可分為以下幾類:

1)地面統(tǒng)一操控:地面可對(duì)任一飛行器進(jìn)行統(tǒng)一操控和監(jiān)控,提供航天器對(duì)用戶的統(tǒng)一高級(jí)操作接口,支持地面用戶對(duì)其他航天器的統(tǒng)一操控,支持地面監(jiān)控軟件的統(tǒng)一。

2)航天員任意操控:航天員可以在任意位置在軌操控任一航天器,例如飛船上航天員操控著陸器、著陸器上航天員操控機(jī)器人等。

3)地面跨多節(jié)點(diǎn)操控:可無(wú)需關(guān)心航天器位置,支持自主路由。例如地面遠(yuǎn)程操控月面機(jī)器人,只需指定目的端,由航天器自主路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4)跨節(jié)點(diǎn)協(xié)同:任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間均可實(shí)現(xiàn)通信、信息共享和自主協(xié)同。

5)故障下替代控制:某一航天器控制器故障,其它航天器控制器可替代,例如著陸器控制計(jì)算機(jī)故障時(shí)用飛船對(duì)著陸器進(jìn)行控制。

6)靈活支持各種設(shè)備:支持設(shè)備即插即用和在任意航天器間更換,例如新增一個(gè)科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)設(shè)備由飛船更換到著陸器等。

7)智能自主管理:對(duì)智能化要求更高,包括自主熱控/能源/網(wǎng)絡(luò)/內(nèi)務(wù)管理等,實(shí)現(xiàn)航天器采集-控制-執(zhí)行的智能自主閉環(huán)控制。

3 載人月球探測(cè)地月一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

3.1.1設(shè)計(jì)原則

根據(jù)我國(guó)載人月球探測(cè)需求和任務(wù)分析,按照以下理念開(kāi)展載人月球探測(cè)任務(wù)一體化網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì):①一體化,空間和器內(nèi)一體化、各航天器一體化;②分層化,支持技術(shù)更新?lián)Q代、支持?jǐn)U展和升級(jí);③通用化,基于標(biāo)準(zhǔn)模塊和通用構(gòu)件實(shí)現(xiàn)硬件、軟件的通用;④標(biāo)準(zhǔn)化,大量采用國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,支持未來(lái)國(guó)際合作。

3.1.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

為支持未來(lái)載人月球探測(cè)任務(wù),構(gòu)建如圖1所示的涵蓋月地網(wǎng)、環(huán)月網(wǎng)、月面網(wǎng),三網(wǎng)一體的地月一體化網(wǎng)絡(luò)。其中,月地網(wǎng)包括了地球以及地球與月球軌道之間的航天器網(wǎng)絡(luò),是環(huán)月網(wǎng)與地球網(wǎng)之間的通信系統(tǒng);環(huán)月網(wǎng)包括了月球軌道的載人飛船或其他衛(wèi)星,是月面網(wǎng)與地月網(wǎng)間的通信系統(tǒng),以支持月面網(wǎng)與月地網(wǎng)間的通信;月面網(wǎng)是以月面著陸器為通信中心,支持艙外活動(dòng)的航天員、月球車(chē)通信終端接入的月球基地局域網(wǎng)。通過(guò)地月一體化網(wǎng)絡(luò)完成地月多網(wǎng)一體的協(xié)同通信。

圖1 地月一體化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of Earth-Moon integrated network

器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒凑罩悄芑潭确譃楦呒?jí)智能節(jié)點(diǎn)、交換/網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)和非智能節(jié)點(diǎn)4類。高級(jí)智能節(jié)點(diǎn)主要是指器載管理計(jì)算機(jī),負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)級(jí)任務(wù)管理和姿態(tài)控制等功能;交換/網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包含高速交換機(jī)、高速通信單元、艙內(nèi)/月面無(wú)線網(wǎng)關(guān)、載荷網(wǎng)關(guān)和對(duì)接網(wǎng)關(guān)等;簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)包含各分系統(tǒng)智能終端、存儲(chǔ)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及無(wú)線話音、無(wú)線鍵盤(pán)和科學(xué)載荷等;非智能節(jié)點(diǎn)包含整器其他的非智能化的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整器信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由器載管理計(jì)算機(jī)通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線和1553B兩種總線實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備的互聯(lián)互通和統(tǒng)一管理。

圖2 器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Spacecraft internal network topology

3.1.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

載人月球探測(cè)地月一體化網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議架構(gòu)[11]如圖3所示。該架構(gòu)包括:

圖3 載人月球探測(cè)一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)Fig.3 Integrated network protocol architecture for China’s manned lunar exploration

1)應(yīng)用層

分為用戶應(yīng)用和應(yīng)用支持業(yè)務(wù)。用戶應(yīng)用包括遙測(cè)管理、遙控管理、熱控管理、能源管理、時(shí)間管理、解鎖與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)管理、內(nèi)務(wù)管理、智能自主管理等各類航天器應(yīng)用。應(yīng)用支持業(yè)務(wù)(如表1所示)為通用化業(yè)務(wù),對(duì)用戶應(yīng)用的各類智能化應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。通過(guò)將用戶應(yīng)用與應(yīng)用支持業(yè)務(wù)分離,實(shí)現(xiàn)任務(wù)相關(guān)部分輕量化,通過(guò)更改任務(wù)參數(shù)配置代替特定任務(wù)的編程。通用支持部分通過(guò)抽象和歸納形成靈活的通用服務(wù)支持機(jī)制,同時(shí)提供開(kāi)放的擴(kuò)展機(jī)制,滿足任務(wù)特殊要求。

表1 應(yīng)用支持業(yè)務(wù)功能描述Table 1 Function description of application support services

2)傳輸層

提供可靠傳輸和不可靠傳輸兩種業(yè)務(wù)。不可靠傳輸業(yè)務(wù)采用UDP協(xié)議,當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸確認(rèn)時(shí),可通過(guò)應(yīng)用支持層的PUS遙控確認(rèn)業(yè)務(wù)或應(yīng)用層的應(yīng)用特定協(xié)議實(shí)現(xiàn);可靠傳輸業(yè)務(wù)采用TCP、LTP[12]等。

3)網(wǎng)絡(luò)層

支持器地、器間、器內(nèi)、月面網(wǎng)絡(luò)的一體化路由,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)透明傳送,同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)的管理功能,具體包括路由選擇、動(dòng)態(tài)接入等。網(wǎng)絡(luò)層兼容地面IP協(xié)議和CCSDS的封裝業(yè)務(wù)、空間包協(xié)議、IP over CCSDS(IPoC)協(xié)議[13-14]等。

4)亞網(wǎng)層

分為空間通信和器內(nèi)通信兩部分,可屏蔽底層空間鏈路以及器內(nèi)鏈路的差異,對(duì)上提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)接口。

空間網(wǎng)絡(luò)在亞網(wǎng)層對(duì)應(yīng)CCSDS空間通信協(xié)議模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,目前CCSDS開(kāi)發(fā)了新的USLP協(xié)議[15],吸收了AOS[16]、TC[17]、TM[18]、鄰近空間鏈路協(xié)議[19]等數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的優(yōu)點(diǎn),是準(zhǔn)備未來(lái)統(tǒng)一應(yīng)用的協(xié)議。此處考慮采用USLP以及與之配套的遙控同步和信道編碼、遙測(cè)同步和信道編碼、激光通信-編碼和同步。在物理層,則考慮激光和微波混合的通信體制,因而包含無(wú)線電頻率和調(diào)制、激光通信-物理層等兩種CCSDS定義的協(xié)議。

器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)在亞網(wǎng)層對(duì)應(yīng)CCSDS星載通信協(xié)議模型的亞網(wǎng)層。該層主要考慮提供統(tǒng)一的接口,通過(guò)匯聚層協(xié)議對(duì)上層屏蔽底層鏈路的不同。匯聚層設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)底層數(shù)據(jù)鏈路層的不同有所區(qū)分,若數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議能完整支撐亞網(wǎng)層各業(yè)務(wù),則匯聚層可直接將亞網(wǎng)層各業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)應(yīng)的協(xié)議關(guān)聯(lián);若數(shù)據(jù)鏈路層只支持部分業(yè)務(wù),則在匯聚層針對(duì)該鏈路補(bǔ)充設(shè)計(jì)相關(guān)協(xié)議,與數(shù)據(jù)鏈路層共同完成亞網(wǎng)層的業(yè)務(wù)支撐。結(jié)合目前使用的需求,應(yīng)用包業(yè)務(wù)[20]進(jìn)行星載鏈路包的傳送,應(yīng)用存儲(chǔ)器訪問(wèn)業(yè)務(wù)[21]進(jìn)行掛接在星載鏈路上節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器/寄存器的訪問(wèn)。器內(nèi)不同的總線和接口均有標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議,對(duì)匯聚層和上層業(yè)務(wù)提供支持。

3.1.4總體架構(gòu)特點(diǎn)

載人月球探測(cè)地月一體化網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)具備以下特點(diǎn):1)采用分層架構(gòu)、支持協(xié)議擴(kuò)展、升級(jí);2)支持CCSDS和ECSS先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn),便于國(guó)際合作;3)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控、器內(nèi)通信從應(yīng)用層到亞網(wǎng)層的全協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)化;4)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類的設(shè)備、文件的標(biāo)準(zhǔn)化訪問(wèn);5)空間和器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)融合,支持跨網(wǎng)絡(luò)信息共享;6)支持多種傳輸質(zhì)量。

3.2 器地通信協(xié)議應(yīng)用方案

在早期載人登月任務(wù)中,由于通信數(shù)據(jù)量需求較小,月面通信用戶數(shù)量少,因此可以選擇數(shù)據(jù)路由能力為10～100 Mbps的小型通信終端,配置小型天線,月面覆蓋距離幾千米到幾十千米左右即可。到了月球基地階段,數(shù)據(jù)量、通信用戶數(shù)量大大增加,需采用大型月球通信終端,數(shù)據(jù)路由能力將達(dá)到幾百M(fèi)bps,可配置大型測(cè)控及數(shù)傳天線,支持月面覆蓋距離將達(dá)幾十千米以上,支持1 Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸。

器地一體化網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要特點(diǎn):①通過(guò)應(yīng)用層PUS統(tǒng)一遙控、遙測(cè)應(yīng)用層級(jí)別的數(shù)據(jù)格式,并提供豐富的操控功能;②通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層的USLP統(tǒng)一前向、返向協(xié)議,并與數(shù)傳鏈路、器間鏈路均統(tǒng)一,從而便于實(shí)現(xiàn)器地、器間一體化和產(chǎn)品統(tǒng)一。針對(duì)載人所特有的視頻音頻協(xié)議配置進(jìn)行設(shè)計(jì),數(shù)傳音視頻雙向協(xié)議配置如圖4所示。圖中,應(yīng)用層采用視頻編碼、音頻編碼、RTP協(xié)議,傳輸層采用UDP協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議、IPoC協(xié)議以及封裝業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,亞網(wǎng)層采用USLP協(xié)議通過(guò)空間鏈路進(jìn)行傳輸,采用高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行星內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 音視頻雙向協(xié)議配置Fig.4 Audio and video bidirectional protocol configuration

3.3 器內(nèi)一體化通信協(xié)議應(yīng)用

器內(nèi)一體化通信協(xié)議主要特點(diǎn):①通過(guò)應(yīng)用層的PUS統(tǒng)一器內(nèi)各設(shè)備間交互的遙控、遙測(cè)應(yīng)用層級(jí)別的數(shù)據(jù)格式;②通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)(MTS)實(shí)現(xiàn)器間各智能設(shè)備間的信息共享,簡(jiǎn)單智能設(shè)備/非智能設(shè)備的訪問(wèn)統(tǒng)一通過(guò)命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)完成;③平臺(tái)骨干網(wǎng)絡(luò)出于高可靠、高確定性需求選用速率為1 Gbps的高速數(shù)據(jù)總線,同時(shí)出于可靠性考慮,選用1553B總線作為備份;④載荷骨干網(wǎng)絡(luò)出于高帶寬需求以及為未來(lái)月球科研試驗(yàn)站作技術(shù)儲(chǔ)備,選用時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò);⑤其它接口如異步串口、指令、遙測(cè)等統(tǒng)一通過(guò)綜合業(yè)務(wù)單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換后接入高速數(shù)據(jù)總線。

器內(nèi)高速、低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)分別如圖5、圖6所示,其特點(diǎn)為:通過(guò)PUS統(tǒng)一交互的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式,通過(guò)消息傳輸業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)信息靈活共享,通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線構(gòu)建高速網(wǎng)絡(luò),通過(guò)1553B進(jìn)行關(guān)鍵鏈路備保傳輸,可實(shí)現(xiàn)器內(nèi)與空間的一體化組網(wǎng),支持任務(wù)遷移。

圖5 器內(nèi)高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置Fig.5 High-speed network protocol configuration inside the spacecraft

圖6 器內(nèi)低速網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Low-speed network protocol configuration inside the spacecraft

圖7、圖8為通過(guò)命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)對(duì)簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)/非智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一訪問(wèn)的協(xié)議架構(gòu)。

圖7 器內(nèi)智能節(jié)點(diǎn)與簡(jiǎn)單智能節(jié)點(diǎn)之間通信協(xié)議Fig.7 Protocol configuration between smart and simple nodes inside the spacecraft

圖8 器內(nèi)智能節(jié)點(diǎn)與非智能節(jié)點(diǎn)之間通信協(xié)議Fig.8 Protocol configuration between smart and non-smart nodes inside the spacecraft

應(yīng)用上述協(xié)議可實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的測(cè)量透明、控制開(kāi)放、執(zhí)行共享,具體方案如下:

1)測(cè)量透明:若傳感器為簡(jiǎn)單智能單元/非智能單元,掛在綜合業(yè)務(wù)單元上,綜合業(yè)務(wù)單元采集所有直接連接的傳感器數(shù)據(jù),在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行發(fā)布?？刂破?例如器載管理計(jì)算機(jī))對(duì)需要的傳感器數(shù)據(jù)根據(jù)主題進(jìn)行訂閱,當(dāng)對(duì)應(yīng)主題的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時(shí),所有訂閱的控制器均能收到一份拷貝。若傳感器與高速交換機(jī)連接,分兩種情況,一種是高級(jí)智能傳感器,則其將自身數(shù)據(jù)周期性在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)布,另一種是簡(jiǎn)單智能傳感器,則將數(shù)據(jù)發(fā)往系統(tǒng)管理單元,后者將其數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行發(fā)布。

2)控制開(kāi)放:控制器通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的訂閱實(shí)現(xiàn)對(duì)任意傳感器數(shù)據(jù)的獲取。控制器內(nèi)運(yùn)行的控制任務(wù)依據(jù)特定的控制算法進(jìn)行處理,生成執(zhí)行命令發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂迫蝿?wù)的相關(guān)參數(shù)可以周期性保存在大容量存儲(chǔ)器中。當(dāng)對(duì)應(yīng)控制器異常時(shí),其它控制器監(jiān)測(cè)到主控制器異常時(shí),啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的控制任務(wù),并從大容量存儲(chǔ)器中取回控制任務(wù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置,該控制任務(wù)將重新訂閱對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制任務(wù),替代原控制器工作,實(shí)現(xiàn)任務(wù)的遷移。

3)執(zhí)行共享:若執(zhí)行機(jī)構(gòu)為簡(jiǎn)單智能單元/非智能單元,可掛在綜合業(yè)務(wù)單元上,綜合業(yè)務(wù)單元可接收控制器的命令或自主產(chǎn)生命令發(fā)往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)與高速交換機(jī)連接,當(dāng)其為高級(jí)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí),則可通過(guò)訂閱的形式獲得任意控制器發(fā)布的指令。當(dāng)其為簡(jiǎn)單智能傳感器時(shí),則可直接接收控制器發(fā)來(lái)的指令。

3.4 器間網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議應(yīng)用

器間通信協(xié)議的要考慮支持飛船、著陸器的器間通信,支持月面節(jié)點(diǎn)的自主接入,支持多跳可靠傳輸。一種典型的載人月球探測(cè)多器間通信協(xié)議配置的場(chǎng)景如圖9所示。各層的協(xié)議配置情況如下:應(yīng)用層采用PUS協(xié)議、視頻編碼、音頻編碼、AMS、RTP協(xié)議;傳輸層應(yīng)用UDP協(xié)議;網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用IPv6協(xié)議;亞網(wǎng)層數(shù)據(jù)鏈路層采用USLP空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議,物理層包括Ka頻段、S頻段、激光、UHF、WiFi等多種體制。其主要特點(diǎn):①通過(guò)應(yīng)用層PUS統(tǒng)一器間各設(shè)備間交互的遙控、遙測(cè)應(yīng)用層級(jí)別的數(shù)據(jù)格式;②通過(guò)異步消息業(yè)務(wù)(AMS)實(shí)現(xiàn)器間各智能設(shè)備間的信息共享;③通過(guò)IP實(shí)現(xiàn)器間網(wǎng)絡(luò)層通一,并實(shí)現(xiàn)器間/器地一體化;④鏈路層通過(guò)USLP統(tǒng)一。

圖9 多器間通信協(xié)議配置情況Fig.9 Protocol configuration for communication between multiple spacecraft

3.5 小 結(jié)

通過(guò)上述器地通信、器內(nèi)一體化通信、器間網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用設(shè)計(jì),可得出以下結(jié)論:

1)應(yīng)用層中用戶應(yīng)用部分業(yè)務(wù)與領(lǐng)域具體航天器相關(guān),需有專用協(xié)議;應(yīng)用支持業(yè)務(wù)可各航天器通用;

2)傳輸層均可各航天器通用,支持可靠傳輸/不可靠傳輸;

3)網(wǎng)絡(luò)層兼容空間包和IP,可實(shí)現(xiàn)空間和器內(nèi)一體化;

4)亞網(wǎng)層空間通信部分統(tǒng)一使用USLP,器內(nèi)通信部分統(tǒng)一使用包業(yè)務(wù)屏蔽底層鏈路差異,總線建議采用高速數(shù)據(jù)總線與1553B總線并存的方式。

4 載人月球探測(cè)地月一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)驗(yàn)證

由于地月一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)涉及了多層次、多種類的協(xié)議,在不同的航天器中一般會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)選或剪裁。為此,北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部構(gòu)建了地月一體化網(wǎng)絡(luò)半實(shí)物仿真評(píng)估系統(tǒng),可對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行仿真和分析評(píng)估。目前該系統(tǒng)重點(diǎn)針對(duì)協(xié)議架構(gòu)中的空間通信協(xié)議進(jìn)行仿真,其他器內(nèi)通信協(xié)議將通過(guò)在軌任務(wù)進(jìn)行飛行驗(yàn)證。

4.1 地面驗(yàn)證

地月一體化網(wǎng)絡(luò)半物理仿真評(píng)估系統(tǒng)對(duì)BP、LTP、TCP、UDP、IPv6、IPoC、封裝業(yè)務(wù)等空間通信協(xié)議進(jìn)行了地面測(cè)試驗(yàn)證,其系統(tǒng)拓?fù)浜蛯?shí)物組成分別如圖10、圖11所示。系統(tǒng)包括服務(wù)器、軟件定義路由器、普通交換機(jī)、仿真平臺(tái)主控、物理節(jié)點(diǎn)主控、接入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模擬器原理樣機(jī)、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模擬器原理樣機(jī)等。系統(tǒng)支持的模型覆蓋飛船、著陸器通信節(jié)點(diǎn),支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景仿真和協(xié)議模擬,支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、誤碼、帶寬等的性能評(píng)估。

以LTP、BP協(xié)議為例說(shuō)明其具體驗(yàn)證過(guò)程。針對(duì)地月空間網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景設(shè)計(jì)骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)、地面站以及終端用戶的仿真場(chǎng)景,在虛擬或物理節(jié)點(diǎn)上根據(jù)需要加載運(yùn)行LTP、BP協(xié)議棧及應(yīng)用程序;利用STK軟件針對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行建模,建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)傳輸方案等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型;建模完成后,各鏈路的通斷信息和鏈路特性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中,分別等待主控器和SDN控制器讀取。業(yè)務(wù)建模的信息被加載至前端界面中,等待用戶通過(guò)前端交互進(jìn)行具體的配置;仿真實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后,實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)正常創(chuàng)建,場(chǎng)景正常運(yùn)行;選取地月各一個(gè)節(jié)點(diǎn),一個(gè)為發(fā)送節(jié)點(diǎn),一個(gè)為接收節(jié)點(diǎn),傳輸視頻或文本業(yè)務(wù),接收節(jié)點(diǎn)可以成功接收,即驗(yàn)證了協(xié)議運(yùn)行的正確性。

4.2 在軌飛行驗(yàn)證

協(xié)議架構(gòu)中的UDP、IPv6、IPoC、封裝業(yè)務(wù)、遙控同步和信道編碼、遙測(cè)同步和信道編碼、1553B等協(xié)議已經(jīng)在載人航天等多個(gè)領(lǐng)域航天器分別進(jìn)行了在軌驗(yàn)證。此外器內(nèi)通信的部分協(xié)議已在某遙感衛(wèi)星上完成了在軌飛行驗(yàn)證,該衛(wèi)星的協(xié)議配置如下圖所示。該衛(wèi)星首次應(yīng)用融合CCSDS SOIS和ECSS PUS的協(xié)議,支持信息訂閱發(fā)布、空間和器內(nèi)一體化路由尋址,支持業(yè)務(wù)組合實(shí)現(xiàn)各類功能,軟件構(gòu)件代碼率達(dá)75%以上。該衛(wèi)星驗(yàn)證的主要協(xié)議,后續(xù)將在載人登月飛行器中使用。

圖12 某遙感衛(wèi)星協(xié)議配置Fig.12 Protocol configuration of a remote sensing satellite

4.3 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議驗(yàn)證情況

通過(guò)地面驗(yàn)證和在軌飛行驗(yàn)證,目前除部分尚未有產(chǎn)品的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)外,已對(duì)協(xié)議架構(gòu)中涉及的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面覆蓋,如表2所示。

表2 載人月球探測(cè)任務(wù)一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驗(yàn)證情況Table 2 Verification of integrated network protocol for manned lunar exploration missions

5 結(jié) 論

面向載人月球探測(cè)任務(wù)一體化網(wǎng)絡(luò)需求,構(gòu)建了一體化、分層化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議架構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量透明、控制開(kāi)放、執(zhí)行共享,有利于促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的接口標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品通用化,提升航天器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平,支持后續(xù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí),為載人月球探測(cè)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。