基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測通信技術(shù)

王報華，徐林豐，張金剛，張宏德

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150006）

0 引 言

遙測系統(tǒng)是執(zhí)行飛行器遙測任務(wù)的重要電子系統(tǒng)，對于飛行器狀態(tài)監(jiān)測具有重要意義。傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)采用LVDS、RS422、1553B 等總線接口，形成了高、中、低通信速率傳輸能力，遙測系統(tǒng)根據(jù)不同設(shè)備接口的數(shù)據(jù)傳輸需求，選擇傳輸方式，實現(xiàn)了遙測數(shù)據(jù)傳輸［1］。當(dāng)前，遙測系統(tǒng)凸顯出一些遙測數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用問題，主要表現(xiàn)在通信帶寬不足、接口種類繁多、電纜網(wǎng)設(shè)計復(fù)雜等。

時間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time-triggered Ethernet，TTE）具有吉比特數(shù)據(jù)通信能力，統(tǒng)一化的總線通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，輕質(zhì)化、抗干擾的物理通信介質(zhì)等多項優(yōu)點，能夠有效解決傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)面臨的諸多應(yīng)用問題，具有很大的技術(shù)應(yīng)用潛力。

1 時間觸發(fā)以太網(wǎng)介紹

時間觸發(fā)以太網(wǎng)是在ⅠEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融入時間同步、時間觸發(fā)、速率受限通信及保證傳輸?shù)葯C制，實現(xiàn)了以太網(wǎng)技術(shù)在航空航天、汽車等高速高可靠需求領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用。如NASA獵戶座載人飛船、洛克希德·馬丁F16 戰(zhàn)斗機、空客A380、波音787等，均將TTE總線作為重要電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸總線，確保關(guān)鍵傳感器和設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。

時間觸發(fā)以太網(wǎng)具有以下通信技術(shù)特點：

a）時間同步特性。時間觸發(fā)以太網(wǎng)采用了透明時鐘傳輸機制來實現(xiàn)時鐘同步。TTE 網(wǎng)絡(luò)同步設(shè)備分為3 種類型：同步主（Synchronization Master，SM）、同步客戶端（Synchronization Client，SC）和壓縮主（Compression Master，CM）［2］。同步主是時間同步的發(fā)起者和參與者，能夠在網(wǎng)絡(luò)的初始化同步和重啟動同步過程中主動開啟冷啟動過程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步。同步客戶端僅接收、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)全局同步信息。壓縮主根據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步壓縮算法對所有同步主設(shè)備的協(xié)議控制幀（Protocol Control Frames，PCF）進行壓縮、綜合，并將同步時間結(jié)果發(fā)送給同步主設(shè)備進行時間修正，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全局時鐘同步。

b）時間觸發(fā)通信機制。時間觸發(fā)以太網(wǎng)采用時分復(fù)用的方式按照時間周期對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)劃分固定時隙，一種類型的數(shù)據(jù)僅在其專屬固定時間片進行傳輸，各類型數(shù)據(jù)之間相互獨立、互不影響，從而保證了傳輸數(shù)據(jù)到達(dá)的確定性。由于采用了固定時間片進行傳輸，各類型數(shù)據(jù)的傳輸時延不再是隨機的，而是可估計、可測量的精細(xì)時間范圍，通過對時間片間隔進行裕度設(shè)計，各時間片將有條不紊地完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，提高了TTE總線的通信時間故障隔離能力。

c）支持TT幀、RC幀、BE幀通信。TTE 網(wǎng)絡(luò)支持TT 數(shù)據(jù)流和ET 數(shù)據(jù)流。TT 數(shù)據(jù)流是實時確定性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，ET 數(shù)據(jù)流又包括盡力服務(wù)（Best Effort，BE）數(shù)據(jù)和速率受限（Rate Constrained，RC）數(shù)據(jù)。TT 數(shù)據(jù)在整個系統(tǒng)傳輸中具有最高優(yōu)先級，TTE網(wǎng)絡(luò)中TT數(shù)據(jù)采用搶占機制來完成通信。BE數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)剩余的帶寬進行傳輸，它的優(yōu)先級也低于TT數(shù)據(jù)和RC數(shù)據(jù)，其時延、可靠性等不能保證［3-4］。對于關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用TT幀方式進行傳輸，對于非關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可采用RC或BE幀方式進行傳輸，采用普通以太網(wǎng)接入的方式即可完成數(shù)據(jù)接入。

d）冗余通信能力。時間觸發(fā)以太網(wǎng)采用“端設(shè)備-交換機”星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個端系統(tǒng)與冗余交換機互聯(lián)，當(dāng)一個交換機失效后，冗余交換機繼續(xù)執(zhí)行功能，保證系統(tǒng)正常運行。

2 傳統(tǒng)遙測通信技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)信息傳輸架構(gòu)

遙測系統(tǒng)以獲取飛行器各系統(tǒng)的飛行狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)為目標(biāo)，由供配電、傳感器、數(shù)據(jù)采編設(shè)備、數(shù)據(jù)綜合設(shè)備、FM 調(diào)頻遙測發(fā)射機等組成。傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)信息傳輸架構(gòu)一般采用主從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，按照分布采集、逐級綜合方式完成遙測數(shù)據(jù)傳輸，傳輸總線可為LVDS、RS422、1553B總線等，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)綜合設(shè)備為遙測系統(tǒng)主設(shè)備，向各數(shù)據(jù)采編設(shè)備發(fā)送取數(shù)命令，各數(shù)據(jù)采編設(shè)備接收到命令后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)綜合設(shè)備進行綜合編幀。數(shù)據(jù)采編設(shè)備分布于飛行器不同位置，負(fù)責(zé)就近采集傳感器數(shù)據(jù)及其他設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編幀，在數(shù)據(jù)綜合設(shè)備的調(diào)度下將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)綜合設(shè)備。遙測系統(tǒng)按照ⅠRⅠG-106國際遙測標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)綜合編幀，形成固定遙測碼率的PCM 數(shù)據(jù)流，發(fā)送給遙測發(fā)射機進行信道編碼、調(diào)前濾波、FM 調(diào)制及遙測功率放大。

遙測數(shù)據(jù)經(jīng)遙測發(fā)射機無線下傳到地面后，地面解調(diào)設(shè)備經(jīng)信號放大、鎖頻鎖相、信號檢測等信號處理，恢復(fù)出遙測比特信息流，然后根據(jù)遙測幀結(jié)構(gòu)對遙測比特信息流進行檢測判斷，根據(jù)幀同步碼檢測結(jié)果恢復(fù)出遙測數(shù)據(jù)幀，最終提取得到有效遙測數(shù)據(jù)信息。

2.2 傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)同步

遙測系統(tǒng)具有系統(tǒng)準(zhǔn)同步能力，數(shù)據(jù)綜合設(shè)備向遙測系統(tǒng)其他設(shè)備廣播發(fā)送遙測幀同步信號［5］，遙測系統(tǒng)各設(shè)備被動接收遙測幀同步信號后進行系統(tǒng)同步。廣播發(fā)送方式可以是脈沖信號，也可以是串行指令協(xié)議。脈沖信號采用硬線連接方式，具有較低的指令傳輸延時，傳輸延時與電纜傳輸距離有關(guān)系，一般為 100 ns 以內(nèi)。串行指令協(xié)議采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，需要接收多比特數(shù)據(jù)進行指令匹配才能響應(yīng)系統(tǒng)同步信號，系統(tǒng)同步的傳輸延時較大，而且與串行指令協(xié)議傳輸級數(shù)有關(guān)，單級傳輸延時一般在1 ms 以內(nèi)，在進行多級傳輸時，傳輸延時會更高。系統(tǒng)時間同步能力關(guān)系遙測系統(tǒng)的同步采集性能，傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)綜合設(shè)備廣播發(fā)送遙測幀同步信號，遙測系統(tǒng)其他設(shè)備被動接收該同步信號，遙測系統(tǒng)同步?jīng)]有進行時間補償，傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)同步采集能力有待進一步優(yōu)化提升。

2.3 傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)混合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用缺點

傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)綜合設(shè)備與數(shù)據(jù)采編設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)采用LVDS、RS422、1553B 等接口形式，能夠適應(yīng)1～100 Mbit/s 及以上遙測傳輸通信速率需求。其中，LVDS 總線接口可用于圖像、視頻等高帶寬數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，RS422 可用于傳輸振動、沖擊、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)等中帶寬數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，1553B具有抗干擾、雙冗余、數(shù)據(jù)重傳等可靠傳輸特點，用于系統(tǒng)關(guān)鍵信息的采集傳輸。通過綜合應(yīng)用LVDS、RS422、1553B 等接口，能夠搭建起較為可靠的遙測電子系統(tǒng)。但是，該組合式總線接口應(yīng)用也存在很多缺點，主要表現(xiàn)在：

a）系統(tǒng)電纜網(wǎng)設(shè)計復(fù)雜、電纜網(wǎng)質(zhì)量大、接口協(xié)議不統(tǒng)一；

b）LVDS、RS422、1553B 等混合接口應(yīng)用模式使設(shè)備之間難以實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和共享，制約了遙測數(shù)據(jù)應(yīng)用和發(fā)展；

c）數(shù)據(jù)綜合功能難以實現(xiàn)系統(tǒng)級冗余，存在可能發(fā)生的單點故障。

3 基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測通信技術(shù)

3.1 基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)信息傳輸架構(gòu)

基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)采用“端設(shè)備-交換機”星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，融合了時間觸發(fā)以太網(wǎng)和傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)的功能和特點。時間觸發(fā)以太網(wǎng)用于構(gòu)成遙測系統(tǒng)通信傳輸?shù)闹鞲删W(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)綜合設(shè)備、數(shù)據(jù)采編設(shè)備為TTE 網(wǎng)絡(luò)的端節(jié)點設(shè)備，交換機用于實現(xiàn)TTE 網(wǎng)絡(luò)多級網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)和節(jié)點擴展?；赥TE時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測通信設(shè)計如圖2所示。

圖2 基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測通信設(shè)計Fig.2 Design of telemetry communication based on TTE

與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)主從方式進行數(shù)據(jù)調(diào)度方式不同，基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)依靠時間驅(qū)動數(shù)據(jù)流方式進行數(shù)據(jù)傳輸通信。在TTE 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度周期內(nèi)，劃分為多個時隙單元，為每個時隙單元安排固定的數(shù)據(jù)信息流任務(wù)。其中，數(shù)據(jù)綜合設(shè)備向數(shù)據(jù)采編設(shè)備發(fā)送下行數(shù)據(jù)信息流，數(shù)據(jù)采編設(shè)備向數(shù)據(jù)綜合設(shè)備、數(shù)據(jù)采編設(shè)備發(fā)送上行數(shù)據(jù)信息流，發(fā)送方式可以是單播、組播、廣播。數(shù)據(jù)綜合設(shè)備接收到各數(shù)據(jù)采編設(shè)備的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)綜合編幀，形成遙測數(shù)據(jù)流發(fā)送給遙測發(fā)射機設(shè)備?；跁r間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)在實現(xiàn)雙冗余遙測傳輸方面具有優(yōu)勢，圖2中，主數(shù)據(jù)綜合設(shè)備、備數(shù)據(jù)綜合設(shè)備均能夠獲取遙測系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，各自進行數(shù)據(jù)綜合編幀，形成遙測PCM 數(shù)據(jù)流發(fā)送給遙測發(fā)射機，遙測系統(tǒng)獲得了雙冗余遙測數(shù)據(jù)傳輸能力，相比傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)存在的單點傳輸具有明顯改進。

3.2 基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的系統(tǒng)時間同步

基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)，具有高精度網(wǎng)絡(luò)時間同步能力，時間同步精度可優(yōu)于100 ns。時間觸發(fā)以太網(wǎng)的時間為內(nèi)同步，系統(tǒng)內(nèi)多個同步主（SM）發(fā)送時間同步協(xié)議控制幀（PCF），壓縮主站進行固化、壓縮，迅速迭代收斂形成了高精度時間同步能力。多個同步主為TTE網(wǎng)絡(luò)提供了冗余能力，當(dāng)某個同步主發(fā)生故障時，其他同步主仍然能夠完成時間同步計算。

由于TTE網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)同步信號是由多個同步主進行同步時間計算產(chǎn)生的，并將該系統(tǒng)同步信號作為TTE網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)綜合設(shè)備、數(shù)據(jù)采編設(shè)備的系統(tǒng)同步信號，TTE網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)同步信號與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)中系統(tǒng)同步信號由數(shù)據(jù)綜合設(shè)備發(fā)送給遙測系統(tǒng)各個設(shè)備的主從工作方式存在很大不同。由于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的系統(tǒng)具有同步信號特點，數(shù)據(jù)綜合編幀需要采取遙測數(shù)據(jù)同步處理的方法才能完成遙測數(shù)據(jù)下傳。

3.3 基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測綜合編幀

傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)綜合設(shè)備遙測幀同步信號作為遙測系統(tǒng)同步信號，該遙測幀同步信號與遙測碼率是嚴(yán)格時鐘同步的。對于遙測系統(tǒng)無線傳輸來說，遙測幀周期、遙測幀同步信號、遙測碼率是嚴(yán)格時鐘同步的，決定了遙測幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性。基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)采用的是由多個同步主計算產(chǎn)生的系統(tǒng)同步信號，該系統(tǒng)同步信號具有一定的時間精度誤差，若使用該系統(tǒng)同步信號完成數(shù)據(jù)綜合，會造成遙測幀結(jié)構(gòu)部分比特數(shù)據(jù)丟失，地面解調(diào)遙測數(shù)據(jù)時也容易產(chǎn)生失鎖。TTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同步信號給遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合帶來了遙測幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完整性問題，該問題可通過使用“兩級綜合編幀”方法進行解決。第1級數(shù)據(jù)綜合編幀采用TTE網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的系統(tǒng)同步信號作為遙測系統(tǒng)的系統(tǒng)同步信號使用，系統(tǒng)同步信號周期即第1級數(shù)據(jù)綜合編幀的遙測幀周期。但是由于TTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同步信號的精度誤差問題，TTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同步信號存在時間抖動，造成第1級數(shù)據(jù)綜合編幀的幀同步碼是不穩(wěn)定的，造成比特信息丟失或多發(fā)。因此，第1級數(shù)據(jù)綜合編幀的結(jié)果是不能直接發(fā)送給遙測發(fā)射機的。第2 級數(shù)據(jù)綜合是將第1 級數(shù)據(jù)綜合結(jié)果進行異步傳輸、插入到新的遙測幀的數(shù)據(jù)綜合方式。由于采用與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)完全一致的遙測傳輸體制，第2 級數(shù)據(jù)綜合能夠與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)完全兼容，可以完全避免由于采用TTE網(wǎng)絡(luò)帶來的第1級數(shù)據(jù)綜合無法遙測下傳的問題。第1級數(shù)據(jù)綜合以準(zhǔn)同步方式實現(xiàn)了基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)度和實現(xiàn)，第2級數(shù)據(jù)綜合實現(xiàn)了傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)的綜合編幀、無線下傳功能，既利用了TTE網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的特點，又保證了與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)體制、設(shè)備的兼容性。雖然采用了異步傳輸方式，但“兩級綜合編幀”帶寬利用率可達(dá)99%，幾乎與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)帶寬利用率相當(dāng)。另外，“兩級數(shù)據(jù)綜合”方法也帶來了新的應(yīng)用問題。由于采用了兩級綜合編幀，第2級遙測數(shù)據(jù)是異步的，需要地面解調(diào)軟件剔除填充的無效數(shù)據(jù)，恢復(fù)出第1級數(shù)據(jù)綜合遙測數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后，可實現(xiàn)遙測參數(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和位置與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)一致的目標(biāo)。

3.4 基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測通信設(shè)計驗證

圖3為基于TTE總線的遙測系統(tǒng)通信及數(shù)據(jù)處理流程?；跁r間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)采用“兩級數(shù)據(jù)綜合”方法進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)綜合。第1級數(shù)據(jù)綜合獲取基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)遙測通信系統(tǒng)的所有測量數(shù)據(jù)，并按照200×60 遙測幀結(jié)構(gòu)完成綜合編幀，然后將綜合編幀數(shù)據(jù)通過乒乓緩存方式異步插入到第2級240×60 遙測幀完成數(shù)據(jù)綜合，從而形成相位穩(wěn)定的遙測碼率數(shù)據(jù)流，然后發(fā)送給遙測發(fā)射機進行FM調(diào)制和功率放大。地面接收到遙測數(shù)據(jù)后，恢復(fù)出第2 級數(shù)據(jù)綜合遙測數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，剔除填充的無效數(shù)據(jù)，然后恢復(fù)得到第1級數(shù)據(jù)綜合遙測數(shù)據(jù)。第1級數(shù)據(jù)綜合遙測數(shù)據(jù)即基于TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)的所有測量數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了遙測系統(tǒng)功能。

圖3 基于TTE總線的遙測系統(tǒng)通信及數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Telemetry system communication and data processing flow based on TTE bus

4 結(jié)束語

基于TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)既具有TTE網(wǎng)絡(luò)時間同步、時間觸發(fā)、高速傳輸、雙冗余的特點，又與傳統(tǒng)遙測體制相兼容。TTE網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)同步特點，又使得基于TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)有所不同，采用兩級數(shù)據(jù)綜合方法實現(xiàn)了基于TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合編幀，解決了遙測系統(tǒng)應(yīng)用TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)可能遇到的遙測幀數(shù)據(jù)不完整、地面解調(diào)失鎖等問題。兩級數(shù)據(jù)綜合方式能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)99%遙測帶寬利用率，與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)有效遙測帶寬相當(dāng)。基于TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)的遙測系統(tǒng)既利用了TTE時間觸發(fā)以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，又實現(xiàn)了與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)的兼容，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>