一种基于多层1553B总线及CCSDS的载人航天器空间数据系统设计

高延超，梁 克，郭中伟

(中国空间技术研究院北京空间技术研制试验中心，北京100094)

1 引言

随着载人航天技术不断发展，航天器在种类、规模、任务、功能等方面呈现出多样化特点。多航天器在轨构建的组合式载人航天器与单一载人航天器相比，由于组合体内各航天器任务及功能差异性的客观存在，航天器种类多、构型多变会极大增加天地间、器间数据管理难度；航天器规模大、构型多及设备终端多会极大增加器内数据管理的难度。组合式载人航天器的组合体在轨数据管理、组合体天地间数据管理、器间空-空数据管理等均是载人航天器空间数据系统亟待解决的难题。

国际空间站空间数据系统的主要特点是通用化及标准化。在器载网络方面，单航天器、组合体的器载网络均采用分层分布式网络架构，支持多国别、多个类型的载人航天器组装建造并实现组合体管理；在协议体制方面，采用了高级在轨系统(Advanced Orbiting System，AOS)标准，提供了标准、通用、灵活、多样化的天地一体化数据处理业务。目前，中国载人航天器间的空间数据系统相对独立，不同类型航天器组装建造过程及组合体的数据管理往往会因体制差异而增加额外的转换设计及实现难度。展望未来，需要统筹载人航天器空间数据系统顶层规划，面向未来载人航天器，加强天地间、器间及器内业务和协议的标准化设计。

为了降低多航天器构建的组合式载人航天器的天地间、器间、器内的数据管理难度，促进载人航天器的接口及协议的标准化和通用化，增强航天器及设备的兼容性及可扩展性，本文提出一种基于多层1553B总线及CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)标准的载人航天器空间数据系统，重点针对载人航天器空间数据系统的器载网络、空间链路子网络协议体系进行研究及设计；基于多层1553B总线构建一种适合多航天器组合体管理的多构型、高可靠、可重构、大负载的空间数据系统器载网络架构，支持大型载人航天器分布式分级分层形式的数据管理；基于CCSDS标准开展适合中国载人航天器空间数据系统的器载网络及空间链路子网络的协议体系研究及设计。

2 空间数据系统概念

航天器空间数据系统由空间数据系统咨询委员会CCSDS提出，一般定义为航天器提供产生、传输、分发、获取等可靠安全数据服务的集成，具有多信源、多用户的开放系统模型，实现并统一航天器器内、航天器器间、航天器与地面之间的互联互通。

空间数据系统遵循CPN(CCSDS Principal Net)主网模型，包括星载网络(Onboard Network)、地面网络(Ground Network)、空间链路子网络(Space Link Subnetwork)三部分，根据配置的不同，CPN可分为空-地配置和空-空配置，CPN模型如图1所示。

针对多航天器构建的组合式载人航天器，交会对接及撤离任务中需要空间数据系统支持航天器器间数据管理，组合体期间需要空间数据系统支持航天器与地面间数据管理，各航天器单飞、交会对接及组合体期间均需要空间数据系统支持本航天器器内的子系统/设备/航天员间的数据管理。载人航天器空间数据系统符合CPN模型，包括载人航天器的器载网络、地面网络、空间链路子网，结合CPN模型相关网络功能，需求分析如下:

1)载人航天器器载网络。根据组合式载人航天器构建过程，器载网络可分为单航天器器载网络和组合体器载网络2种类型，单航天器器载网络通过器间组网构建形成组合体器载网络。载人航天器单独飞行期间，单航天器器载网络需要实现并统一器内子系统/设备/航天员间的数据传输与管理。组合式载人航天器构建前后，组合体器载网络需要实现并统一组合体各种构型下各单航天器器载网络间的数据传输与管理，并支持组合体灵活扩展及重构。

图1 空间数据系统CPN模型Fig.1 Model of CCSDS principal net

2)载人航天器空间链路子网络。实现并统一航天器器间(CPN空-空)、航天器与地面间(CPN空-地)的互联互通，即支持器载网络与器载网络间、器载网络与地面网络间的数据传输及管理。

3)载人航天器地面网络。实现并统一载人航天器地面设备间的数据传输与管理，本文研究范围不包含这部分内容。

3 器载网络架构设计

3.1 器载网络需求分析及选取

载人航天器具有多任务、多功能、高可靠的特点，一般由若干个功能相对独立的功能子系统组成，且终端设备布局较为分散，器载网络需要满足高可靠性、分布式、大负载的数据管理需求。载人航天器各功能子系统承担功能不同，一般划分为组合体管理功能(组合体层)、单航天器管理功能(航天器层)、子系统管理功能(子系统层)。为降低各功能子系统耦合性，优化各功能子系统间信息流，载人航天器器载网络需要进行分层次的数据管理。对于多航天器构建的组合式载人航天器，器载网络需要重点解决组合体构建过程中的各单航天器器载网络间识别及组网，组合体构建完成后的组合体器载网络数据融合管理及重构，组合体构建完成后的组合体器载网络的兼容扩展问题。基于如上分析，载人航天器空间数据系统需要一种高可靠、分布式、分层次、大负载、可重构的器载网络。

1553B总线是一种数字式、时分制、指令/响应型、多路传输数据总线，采用总线式网络拓扑，适合应用于分布式、分层、大负载的管理网络。1553B总线协议提供数据字、指令字、状态字3种基本传输单元，并提供多种总线消息格式，可支持载人航天器遥测、遥控、指令、自主管理、组合体管理等各种业务数据传输。同时，符合GJB 289A的1553B总线控制芯片及总线电缆可获取性好，并具备总线切换功能装置，可解决组合体变化构型下多航天器组网及切换问题。相比较于ARINC429、RS485、CAN等机载或器载网络，1553B总线具备可靠性高、稳定性好、实时性好、抗干扰能力强、可扩展等能够适应空间复杂环境的特点，更适合于组合式载人航天器对器载网络的需求。

3.2 基于多层1553B总线的器载网络架构

3.2.1 单航天器

单航天器器载网络通过载人航天器空间链路子网络与其他载人航天器器载网络、载人航天器地面网络实现互联互通，支持载人航天器间空-空数据通信，支持载人航天器空-地数据通信。

航天器单独飞行期间，单航天器器载网络实现并统一器内子系统/设备/航天员间的数据传输与管理。单航天器器载网络多层1553B总线系统由组合体层管理总线系统、航天器层管理总线系统、子系统层管理总线系统构成，分别负责本航天器内的组合体层、航天器层、子系统层的功能管理。每层管理总线按照功能分配、总线终端数量按需分配，并最终经由组合体层管理总线与载人航天器空间链路子网互通，单航天器器载网路多层1553B总线系统架构如图2所示，具体如下:

1)组合体层管理总线系统由组合体级数据管理单元、单器级数据管理单元及组合体层1553B总线组成。航天器单独飞行期间，组合体层管理总线系统仅支持本航天器内航天器层管理总线系统与载人航天器空间链路子网间的数据管理。

2)航天器层管理总线系统由单器级数据管理单元、子系统控制器及航天器层1553B总线组成。单器级数据管理单元作为该总线系统的总线控制器(Bus Controller，BC)，各子系统控制器作为远程终端(Remote Terminal，RT)，在BC控制下实现单器器载数据管理。航天器层1553B总线系统支持实现整器级任务功能，一般需要由多个分系统协同配合完成，如整器自主健康管理、遥测遥控管理等，根据子系统控制器数量和总线负载率综合考虑、合理配置。在单飞行器多层1553B总线结构中，子系统控制器既作为子系统层管理总线的BC，又作为飞行器层管理总线的RT。

3)子系统层管理总线系统由子系统控制器、子系统终端设备及子系统层1553B总线组成。子系统控制器作为该总线系统的BC，子系统终端设备作为RT，在BC控制下实现子系统器载数据管理及子系统功能。载人航天器一般由若干子系统组成，且功能相对独立，子系统层1553B总线可结合子系统配置、终端设备数量、总线负载率等因素综合考虑、合理配置，比如热控子系统层管理总线、环控子系统层管理总线、GNC子系统层管理总线等。同时，子系统层1553B总线系统汇聚其内部非总线设备数据，比如RS-422串口数据、专用接口数据等。

图2 单航天器器载网络多层1553B总线系统架构Fig.2 Architecture ofmulti-layer 1553B bus system on single spacecraft level

3.2.2 组合体

组合式载人航天器构建期间，组合体器载网络实现并统一组合体各种构型下各单航天器器载网络间的数据传输与管理，并支持组合体灵活扩展及重构。由组合体层管理总线系统、航天器层管理总线系统、子系统层管理总线系统分别负责各航天器内及器间的组合体层、各航天器内的航天器层、各航天器内的子系统层的功能管理。组合式载人航天器的多器构建和构型多样，各器需相对独立又需融合管理的特性，各载人航天器组合体在轨数据管理、组合体天地间数据管理、器间空-空数据管理是该类型载人航天器空间数据系统的难题。针对多航天器构建的大型载人航天器，组合体器载数据融合管理通过多飞行器级多层1553B总线系统实现，支持多器组合体通信、多器空-空通信、多器天地通信等。组合体器载网络多层1553B总线系统架构如图3所示。

1)组合体层管理总线系统由各载人航天器的组合体层管理总线、组合体级数据管理单元、单器级数据管理单元及总线切换装置组成。根据载人航天器数量及功能定位、组合体构型、组合体层总线终端数量、电缆长度、负载率等因素合理配置。根据组合体复杂程度，组合体器载网络可配置1套或多套组合体层1553B总线，其中每套总线可支持2个航天器对接停靠。1553B总线切换装置实现各单航天器器载网络与组合体器载网络之间的并网及脱网，支持各器与组合体进行停靠及撤离，可实现一种可适应多构型的组合体器载网络。在多航天器构建的组合式载人航天器中，根据任务规划及功能定位，设置主控航天器负责组合体层器载数据管理。在组合体器载网络多层1553B总线系统中，各航天器的组合体级数据管理单元均可工作在BC或RT模式。根据组合体各航天器的飞行模式，设计单飞模式、组合体正常模式，实现组合体组装建造过程中从单器到多器组合体的数据管理。同时，根据组合体各飞行器的故障模式，组合体层1553B总线系统设计组合体安全模式支持数据管理功能故障重构，实现各种故障模式下高可靠的数据管理。各工作模式具体如下:①单飞模式。各载人航天器在单独飞行期间，在组合体层管理总线系统中，组合体级数据管理单元作为BC，单器级数据管理单元作为RT，组合体级数据管理单元负责所有器载数据管理；②组合体正常模式。各载人航天器形成组合体期间，一般情况下，主控航天器的组合体级数据管理单元工作在BC模式，负责组合体所有器载数据管理，其他组合体级数据管理单元、单器级数据管理单元工作在RT模式。同时，各航天器组合体级数据管理单元之间交互组合体层数据，如飞行器间的遥控遥测数据，在空间链路子网络支持下确保组合体器载网络的高可靠性；③组合体安全模式。各载人航天器形成组合体期间，当主控舱段组合体级数据管理单元BC出现故障或异常时，指定某个航天器的组合体级数据管理单元切换至BC模式并负责组合体器载数据管理，实现组合体层管理总线系统的重构。

图3 组合体器载网络多层1553B总线系统架构Fig.3 Architecture ofmulti-layer 1553B bus system on multi spacecraft level

2)航天器层管理总线系统相对独立，相应单器级数据管理单元作为BC，负责本航天器器载数据管理。在组合体层管理总线系统的各种工作模式下，航天器层管理总线系统工作模式均一致。

3)子系统层管理总线系统相对独立，相应子系统控制器作为BC，负责本子系统的器载数据管理。在组合体层管理总线系统各种工作模式下，子系统层管理总线系统工作模式均一致。

4 空间数据系统协议体系设计

CCSDS主要负责开发和采纳适合于空间通信和数据处理系统的各种通信协议和数据处理规范，在器载通信协议、空间链路通信协议等方面提出了多个建议书，适合于组合式航天器协议体系设计，在国内外航天器中得到广泛应用，以支持航天器各种业务及协议的标准化设计。结合CCSDS的空间链路业务(Space Link Services，SLS)领域的空间通信协议体系及航天器器载接口业务(Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS)的器载通信协议体系，本文提出的载人航天器空间数据系统协议体系如图4所示。

1)应用层面向载人航天器顶层应用功能，对业务数据标准化、模块化，将顶层应用功能与底层协议分离以适应不同类型的载人航天器。根据载人航天器类型及功能定位，识别并标准化共性顶层应用功能，包括遥控、遥测、热控管理、环控管理、时间管理等。对于特殊的顶层应用功能进行模块化设计以供备选，包括交会对接、停靠管理、出舱活动、推进补加等。

图4 基于CCSDS的载人航天器空间数据系统协议体系Fig.4 Protocol architecture ofmanned spacecraft data system based on CCSDS

2)应用支持层支持应用层对底层设备、时间、消息等进行虚拟化形式访问，以摆脱器载网络对底层协议的依赖。航天器星载接口业务SOIS体系架构中，应用支持层包括命令与数据获取业务(Command and Data Acquisition Service，CDAS)、时间访问业务(Time Access Service，TAS)、文件及包存储业务(File and Packet Store Service，FPSS)、消息传输业务(Message Transfer Service，MTS)、设备枚举业务(Device Enumeration Service，DES)5种应用支持层业务。载人航天器空间数据系统中，应用层对于设备、时间、消息的访问是最基本的功能，应用支持层选用CDAS、TAS及MTS业务，其他2种业务预留。

3)网络层面向器载网络的网络层协议，采用CCSDS空间包协议，对空间包APID和副导头进行合理规划，包括业务数据类型、源地址、目的地址等，对器载网络的网络层传输路由协议进行标准化设计，支持空间包在不同航天器器载网络间、航天器不同子系统器载网络间传输路由，支持不同器载网络间自主识别及组网。后续随着器载网络升级及天地一体化网络技术发展，依据IP over CCSDS SPACE LINKS蓝皮书(CCSDS 702.1-B-1)，载人航天器空间数据系统器载网络的网络层CCSDS空间包可封装IP数据包来支持IP数据包在器载网络层传输；同时，该类型CCSDS空间包可通过链路层IP over CCSDS AOS协议实现器载网络和地面网络通信协议的一致化，从而可支持载人航天器实现天地一体化。

4)链路层面向空间链路子网络及器载网络，针对空间链路子网络，CCSDS空间链路协议包括常规在轨系统(Conventional Orbiting System，COS)空间链路协议和高级在轨系统(Advanced Orbiting System，AOS)空间链路协议。COS包括遥测(Tele-Measuring，TM)空间链路协议和遥控(Tele-Controlling，TC)空间链路协议，其中，AOS业务已经覆盖了TM业务。基于此，载人航天器链路层协议设计如下:①空间链路层面向空间链路子网络的链路层协议，包括载人航天器的器-地(天地间)、器-器(空-空)链路层协议。器-器链路层协议面向载人航天器间的空-空通信链路层协议，采用AOS空间链路协议。器-地链路层协议主要面向载人航天器天地测控链路层协议，对于器-地上行采用TC＋AOS相结合的空间链路层协议，既能满足上行多种类型、不同速率的业务数据，又能对目前载人航天器兼容；器-地下行采用AOS空间链路层协议。后续随着航天器天地一体化网络的发展，载人航天器空间链路层协议可扩展为IP over CCSDSAOS。②器载链路层面向器载网络的链路层协议，采用符合GJB 289 A的1553B总线链路协议，通过1553B汇聚协议及包业务实现与器载网络的网络层间的数据传输。

5)物理层面向空间链路子网络及器载网络的物理层协议，包括空间物理层及器载物理层。空间物理层应满足天地测控链路、天基中继空-空链路、航天器间空-空链路等物理层协议要求，主要涉及链路物理层的射频与调制相关标准，本文不再详述。器载物理层采用符合GJB 289 A的1553B总线物理层协议，后续随着器载网络通信技术发展可扩展为时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTE)、FCAE-1553总线等。

5 结论

本文提出的系统架构及协议体系中关键协议已在某项目中成功应用，并通过了地面试验验证。

1)基于多层1553B总线的载人航天器器载网络系统架构解决了组合式载人航天器组合体构建过程中的各单航天间识别及组网、组合体数据融合管理及重构、组合体兼容扩展难题，为该类型载人航天器组合体管理提供一种高可靠、分布式、分层次、大负载、可重构的有效解决方案。

2)基于CCSDS的系统性、分层次的载人航天器空间数据系统协议体系可解决不同种类航天器、不同业务数据的标准化、通用化和可扩展性设计问题，有效提升载人航天器的兼容性及可扩展性。