飞行器内部信息交互无缆化需求分析和体系构想

张翠平，卢宁宁，张海鹏

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

飞行器内部信息交互无缆化需求分析和体系构想

张翠平，卢宁宁，张海鹏

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

传统的无人/载人航天器、航空器主要通过数据总线完成内部信息交互。但这种有缆通信方式不仅增加了航天器的体积和重量,而且降低了系统的安全性和灵活性，不便于设备的快速组装与集成测试。提出了一种适于飞行器内部信息交互的无缆化通信方式，通过归纳对比国内外典型技术方案，针对狭小、紧凑封闭空间中的信道特征以及复杂电磁环境的特点，分析了飞行器内无缆信息交互的技术挑战和研究需求，最终形成包括总体架构构想及组网、接入和传输关键技术在内的研究思路，为我国航空航天无缆化通信提供参考。

飞行器内部；无缆化；数据总线；弹性组网；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，在飞机、卫星和载人航天器中，一般使用航空数据总线，在航电设备、载荷系统、飞行系统和控制系统之间实现信息交互[1-7]。这种技术经过多年的实践应用，因具有可靠性、确定性、实时性和安全性等特点而被广泛采用。但是，随着航空航天技术的进步，以及人类探索空间需求的发展，这种基于有缆的信息交互方式表现出严重不足：一是增加了飞行器重量，增加了设计复杂度，不利于升级换代。航天器内部有线线缆(涵盖数据线缆和传能电缆)及其固定防护措施的重量大约是航天器干重的7%～8%。这不仅增大了飞行器的重量，而且使得电子系统的设计复杂度越来越大，系统升级越来越困难。二是安全性差，不易维护。线缆布局极为复杂，一旦发生防护层破裂、导线折断等临时安全故障，维修难度较大，且容易造成严重的安全事故。航空电子总线会引入大量的耦合器、连接器，这进一步增大了出现安全故障的概率。

因此，为了解决有缆信息交互方式存在的问题，美国、欧盟、俄罗斯以及ITU等国际组织都开展了大量的无缆通信组网技术研究，试图以无线通信取代航空数据总线。由于飞行器内部环境的特殊性，目前整体研究进度仍然处于基础研究阶段，但在未来的飞行器内部通信手段中将成为重要候选技术之一。本文通过对国内外航空航天总线特性分析，结合现有无线通信进展，针对飞行器信息交互向无缆化发展的趋势，分析飞行器中狭小、密闭空间采用无线通信体制要研究的问题，首次提出一种无缆通信系统方案，这对我国飞行器的内部信息交互无缆化具有重要指导作用。由于该技术尚属探索阶段，因此本文提出的方案在技术实现上还需根据国内现有设备能力进行完善，并在有条件的情况下进行实验验证。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

目前，美国、欧盟、日本以及ITU等都在开展航空航天器无缆通信组网技术研究，并已经在基础研究、仿真实验以及标准制定等方面取得了一些成果[8-15]。

航空器无缆化技术方向，ITU开展了WAIC(Wireless Avionics Intra-Communications)项目研究，主要探讨在传感器、执行器和机载设备间使用无线通信技术实现信息交互的可行性。国外的学者们还开展了一系列单项技术研究：D.K.Dang探讨了使用IEEE 802.11n、ECMA-368和IEEE 802.15.3c取代AFDX总线的技术可行性。R.K.Yedavalli提出了一种适于飞行健康管理的无线传感器网络。Dinh-Khanh Dang和Stone分别提出了一种基于ZigBee和蓝牙的机内无线数据分发系统。Xuewu Dai提出了一种适于航空发动机健康状态监测的无线通信系统[13]。

航天器无缆化技术方向有光通信技术和无线射频通信两大技术方向。

ESA航天内无线光通信研究历程如图1所示。

图1 ESA 航天器内无线光通信研究历程

在航天器内部无线光通信方向，ESA在20世纪末便已开展航天器内部无线光通信技术研究，大体分为3个阶段：

第1阶段，地面原理验证阶段，通过构建地面原理系统，进行初步验证工作；第2阶段，卫星应用实验模拟和在轨测试阶段，完成在Nanosat-01号星和FOTON-M3的在轨测试，以及在VEX的地面测试；第3阶段，全光星OPTOS研制阶段，于2013年完成发射升空。

在航天器内部无线射频通信方向，2006年底，荷兰Delft大学发射Delft-C3卫星，卫星内部采用无线通信技术，通过在轨实验充分验证了卫星内部采用无线通信技术的可行性。在Delft大学进一步的研究中，通过地面无线通信演示验证系统，对ZigBee以及蓝牙等低速无线通信技术进行研究，如图2所示。

图2 星内无线通信地面验证

英国Surrey大学的空间中心也开展了相关研究，通过对比各无距离无线通信技术，在航天器内部通信方面推荐采用ZigBee技术。美国空军研究实验室与诺斯罗普·格鲁曼公司签订研究协议，进行无线航天器总线以及无线数据总线接口的研究[16]。

在星内通信协议方面，2013年，CCSDS下属的航天器星上接口服务工作组(Spacecraft Onboard Interface Services Area， SOIS)发布了关于空间任务的无线网络通信的绿皮书，论述了无线通信网络技术应用于卫星内的可能性和优势。美国NASA Johnson Space Center针对现有无线商业协议ZigBee、ISA.100.11a以及WirelessHART进行了分析评估，在月球表面基地试验床上进行测试。

1.2 国内研究现状

从公开发表的技术文献来看，国内对飞行器无缆通信组网技术的研究成果较少，研究团队不多，目前还处于起步阶段[16-20]。2010年，哈尔滨工业大学设计了一种适用于星内无线总线系统的通信协议，其通信频率为2.4～2.5 GHz，最高传输速率可达1 Mbps。2010年，清华大学研究了蓝牙技术应用于星内通信的可行性，提出了具有容错能力的主备网络的设计架构。2011年，国防科技大学对在卫星舱内采用无线自组织网络传输数据进行了地面仿真试验。2012年，清华大学对分离式航天器集群无线通信进行了仿真研究。2013年，上海微小卫星工程中心开展了微小卫星星内光无线通信系统的设计研究工作，提出了一种星载光无线通信系统应用布局。北京航空航天大学提出了一种适于机载航电通信的无线ATM技术，可以提供较好的服务质量(Quality of Service，QoS)保障。北京理工大学研究了一种基于MB-OFDM-UWB的密闭金属舱无线通信接收机，着重分析了密集多径效应下的接收机关键技术。

1.3 主要发展趋势

从国内外研究现状来看，飞行器无缆化技术的发展趋势包括高速传输和灵活组网。目前航空航天数据总线传输速率越来越高，例如F-22战斗机中采用的高速数据总线传输速率能够达到80 Mbps，飞行器中采用IEEE 139B总线的传输速率能够达到800 Mbps，而航空航天飞行器中采用的FC-AE光纤总线的传输速率已经能够达到1～2 Gbps。灵活组网方面，为了规避故障，飞行器信息互联无缆化技术，必须支持航空电子设备、任务设备、实验设备、有效载荷设备的自主接入，以及各种设备的网络功能重构[21]。

2 技术挑战

飞行器内部信息交互无缆通信面临的技术挑战表现在以下2个方面：

① 狭小紧凑封闭空间中的信道特征独特。飞行器舱段布局复杂、紧凑和空间狭小。飞机舱壁、舱门大多为铝合金材质，能够屏蔽电磁波，使得各舱成为相对封闭的物理空间。射频信号在舱内传播会存在非常复杂的多径、遮挡等现象。具体的信道特征，并没有可供借鉴的数理模型或测试结论，给无线通信体制的设计带来了难度[22]。

② 复杂的电磁环境，给频段选择、体制规划、协议设计和试验验证带来很大难度。对于不同的飞行器，卫星、飞机、载人飞行器和空间站虽然其有效载荷种类侧重点不同，但是其共同特点是设备种类多、高低频段覆盖范围宽、分布复杂和电磁环境异常复杂[23]。

3 研究需求分析

研究飞行器内部信息交互无缆化通信系统，需要从航空航天飞行器信息交互的需求出发，借鉴有缆数据通信在可靠性、确定性、实时性和安全性的指导思想，开展针对性研究。

3.1 适应性需求

梳理飞行器控制信息、业务信息类型及其对实时性、可靠性的不同要求；根据航空航天高可靠和升级发展的需求，权衡确定性和灵活性；针对飞行器资源有限，故障检测、诊断、隔离和自愈等智能化需求，统筹考虑简单、高效和智能的技术体制；针对体积重量约束，考虑技术的可实现性、未来集成化和芯片化；避免无缆化技术，给飞行器综合电子系统带来新的复杂度，做到统一体制和统一接口。

3.2 电磁兼容及抗干扰需求

针对狭小空间内复杂电磁环境特点，通过建立信息交互通信链路数学模型，对飞行器内部电磁干扰的辐射源、敏感源和耦合途径进行系统分析，从而实现对复杂电磁环境下无线通信信息、电源和数字信号对各类设备间的电磁兼容影响进行有效评估，并进行抗干扰设计。

3.3 无线通信体制下的飞行器信息交互高可靠需求

载荷状态监测、载荷状态控制、飞行状态监测和飞行状态控制等航空航天数据，要求较高的传输可靠性，目前ARINC 429、MIL-STD-1553B和ARINC 629等航空航天数据总线均能保证较低的误码率，支持实时或近实时的航空航天数据传输。而现有无线通信技术在误码特性、实时性还难以提供高可靠性保障。

3.4 无线通信体制下的飞行器信息交互确定性需求

航空航天数据传输具有较高的确定性要求，ARINC 429、ARINC 629、MIL-STD-1553B和AFDX等航空数据总线通过时隙划分、总线仲裁和虚连接等机制保证了确定性。而WiFi等常见的无线通信技术，追求的往往是接入的灵活性、业务的多样性，无法提供任何确定性保证。

3.5 高速接入和传输需求

不同的飞行器由于应用需求的不同，对高速业务信息有不同需求，对于飞行等航空器，雷达、电子支援是的必要组成部分；对于航天器，对地观测数据传输对带宽需求很大。它们往往需要较大的通信带宽，速率要求一般处于1 Gbps以上。飞行器信息交互无缆化技术必须能够支持这些任务数据的高速可靠传输。

3.6 灵活组网和抗毁重构需求

一方面，为了抵御突发性链路/节点故障，飞行器信息交互无缆化技术必须支持航电设备、任务设备、实验设备以及有效载荷设备的自主接入；另一方面，飞行器信息交互无缆化技术必须能够提供弹性组网能力，以支持关键节点、关键链路的抗毁重构。

4 体系构想

4.1 业务需求分析

表1从数据类型、通信速率和节点数量等方面归纳了飞行器内无缆通信的业务需求。可见，星内/舱内无线通信速率变化为250 kbps～100 Mbps，而对于某些对数据速率要求较高的载荷，如对地观测、雷达探测等，其数据速率可能高达2 Gbps。

表1 常见飞行器内部业务类型

4.2 总体架构构想

在飞行器信息交互无缆化体制中，采用骨干和接入2层网络结构，如图3所示。

其中骨干网用于提供全局性的高速、可靠数据传输服务；接入网负责响应传感器、执行器和有效载荷等节点的不同入网要求。

骨干网由中继节点和中继链路组成，具有弹性组网能力，建议网状网架构。提供网络适变、网络重构和服务质量保障等功能。传输链路建议选择高频段高速通信技术。

接入网由接入节点和接入链路组成，根据接入节点通信组网需要的不同，需要选择不同的通信体制[24-28]。既要满足对地观测、雷达等高速数据传输需求，又要满足一般科学实验载荷的中低速数据传输要求，还要满足测控等关键数据的高可靠性数据传输要求。

图3 总体架构构想

4.3 关键技术分析

在弹性组网技术方面，为了支持节点入网/节点退网、节点故障/链路故障等触发网络功能重构，以及多余度、多播等传输需求，骨干部分可以采用分布式架构，形成具有富连接特征的网状网络结构，在中继节点间提供灵活可靠的网络服务，研究内容主要包括系统重构、拓扑信息分发方法和高速交换技术等。

在混合接入技术方面，为适应飞行器内部封闭空间中的复杂电磁环境，研究混合接入技术，实现传感器、执行器和飞行器设备等不同节点类型的动态接入，并对时间敏感数据、任务敏感数据提供较高的服务质量保障。研究内容主要包括信道模型分析、异构异质节点自主接入等。

在高速接入和传输技术方面，针对机载环境下通信距离近和空间等特点，研究高频段高速无线传输技术，实现节点间数Gbps的超高速无线传输。研究内容包括：传输体制、天线智能波束控制技术和小型化低功耗信道编码技术等。

5 结束语

从国内外飞行器发展趋势出发，分析了现有飞行器内部通信网络存在的诸多问题以及国内外的研究现状，得出了飞行器无缆化是中大型飞行器平台下一步发展的必然趋势。从整体局势上看，未来的卫星、无人机或载人飞行器都将采用无线通信方式，但针对飞行器内部复杂的电磁环境以及狭小封闭的特点则需要针对可靠安全、抗毁重构、确定和灵活兼容、宽带、实时等通信需求进行综合考虑。本文在针对飞行器内部通信需求的基础上，提出了一种飞行器内部信息交互的无缆化通信网络整体架构，即骨干网+接入网的2层网络体系，并针对其中组网、接入和高速传输等关键技术点进行了重点分析。为我国飞行器内部信息交互无缆化系统提供参考和借鉴。

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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

张翠平，卢宁宁，张海鹏.飞行器内部信息交互无缆化需求分析和体系构想[J].无线电工程,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

国家部委基金资助项目(103010401)。

TN927.2

A

1003-3106(2017)08-0009-05

张翠平 女，(1968—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：通信系统与网络。

卢宁宁 男，(1982—)，博士，高级工程师。主要研究方向：无线组网技术，包括短距离无线组网技术、超低功耗无线组网技术等。