基于TmNS的运载火箭天地一体化测控网络研究

王 洋，姜云升，任 凯，刘丹阳，韩 明

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

测控通信是运载火箭在飞行试验中获取数据的重要手段，是发射任务成功的重要保证之一。运载火箭在测试和飞行期间，内部的各种状态监测参数通过测控通信系统传输至地面，作为设计人员了解火箭测试和飞行状态的最重要依据[1]。

从1959年开始，美国靶场指挥官委员会(Range Commanders Council，RCC)下属遥测组(Telemetry Group，TG)提出并维护靶场仪器组(Inter-Range Instrumentation Group，IRIG)106协议[2]，协议旨在保证RCC管辖内各试验靶场遥测应用的互通性。2004年，美国核心试验和评估投资计划(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)实施了集成网络增强遥测(integrated Network Enhanced Telemet-ry，iNET)项目[3]，以期达到增强已有遥测系统能力的目的。与此同时，提出遥测网络标准(Telemetry Network Standard，TmNS)作为iNET项目的核心内容，旨在规范各组成部分之间的互通性，指导系统的开发。IRIG 106每两年进行一次更新，从2001版开始，IRIG 106标准便加入了遥测网络的部分，目前IRIG 106最新版本为2020版，此版本中第二部分(第21～28章)是对遥测网络标准TmNS的介绍。

目前我国运载火箭主要采用点对点、单向传输的无线测控方式，即箭上测量系统将信息经过PCM-FM调制后通过无线链路发送给地面站，无线链路采用S频段。该遥测体制遵循我国现行的GJB遥测标准[4]，该标准基本上是参考美国IRIG106遥测标准制定的。

近年来，随着我国运载火箭规模的增大以及发射任务的密集化，传统的点对点、单向传输的遥测技术已经不能满足飞行试验测控需求的变化与增长，在网络互联技术迅猛发展的推动下，多点对多点、双向通信的天地一体化网络传输技术成为了新的研究热点[5-7]，带来了遥测体制的变革[8-9]。本文以TmNS为基础，提出了基于TmNS的运载火箭天地一体化测控网络的思路及实现方法。

1 TmNS标准简介

1.1 TmNS特性

TmNS的核心设计原则是为建立基于网络的遥测系统提供框架，通过提高频谱效率来实现飞行试验测控手段的变革，是对现有遥测系统功能的增强和扩展。TmNS在保留传统PCM串行遥测流(Serial Streaming Telemetry，SST)功能的基础上，利用现有的以太网标准协议(TCP/IP协议栈)以及新设计的特定协议，提供路由、服务质量和拥塞控制等特性，使新型遥测系统具备以下几大增强功能[10-11]：

1)双向通信功能：可分别从传感器和存储器上实时查看被测对象(Test Article，TA)当前和历史测量数据；当PCM信号失锁时可以近实时地恢复丢失的测量数据；地面站可为被测对象提供参数配置、指令控制等功能。

2)动态频谱共享：多发试验任务并行开展时，具备提供遥测频谱资源共享的能力。

3)服务质量：可根据特定试验任务或特定测量数据(如话音数据)的优先级来动态共享频谱资源。

4)全互联系统：可为被测对象提供从一个天线到另一个天线的发射/接收数据的无缝切换能力，包括在不同网络和其他靶场内的天线。TmNS使用术语“接力”来描述该类型切换。

5)视距外遥测：为包含多个被测对象和远距离射程的靶场试验提供被测对象到被测对象的中继通信能力。

1.2 TmNS协议栈

为实现测控网络中成员之间的双向通信(互联互通)，TmNS利用了现有的TCP/IP协议栈，并在其基础上进行了一些适应性更改[12]。

TCP/IP协议栈是一个4层的协议结构，它包含应用层、运输层、IP层、网络接入层(数据链路层和物理层)，其中每一层都服务于上一层，同时被其下面的层所服务，发送端数据从TCP/IP协议栈的应用层自上而下传递到物理层，从发送端的物理层经过特定的传输媒介达到接收端的物理层，再自下而上传递到接收端的应用层被接收。TCP/IP协议栈中各层之间是严格独立的，对其中一层的改动不会影响到其他层，每层允许使用不同的协议技术。

图1给出了基于TCP/IP协议栈的TmNS协议栈设计，其中，中间协议族为被TmNS选中的已有TCP/IP协议，右边协议族为TmNS设计的特定协议。同时，为方便读者理解，将现有传统的PCM-FM遥测体制(左边协议族)放入TCP/IP协议栈相应层中与TmNS协议栈进行对比，可以看出，传统的PCM-FM遥测体制仅规范了一些底层的物理特性和协议，例如频率、信道编码、编帧、调制方式等，这些均是物理层和数据链路层的技术，不存在应用层、运输层和IP层。

1.3 TmNS系统架构

如图2所示，TmNS系统架构包含4个子系统(不强制基于TmNS的系统都包含这4个子系统，但是典型的系统部署应包含这4部分)，4个子系统的功能描述如下[13]：

图1 基于TCP/IP协议栈的TmNS协议栈Fig.1 TmNS protocol stack based on TCP/IP protocol stack

图2 TmNS系统架构图Fig.2 TmNS system architecture diagram

1)被测对象子系统(Test Article Subsystem，TAS)：空中的被测对象为数据采集单元、存储器、遥测传输设备等提供基于网络的接口，用于对设备进行配置和控制以及设备健康和状态信息的回传。同时，被测对象还具备与现有的传统PCM遥测系统进行交互的接口。

2)地面站子系统(Ground Antenna Subsystem，GAS)：地面站子系统用于连接被测对象与靶场操作中心两个子系统，为被测对象提供双向无线链路，可依赖于现有的跟踪机制，例如跟踪被测对象发射的SST信号。

3)靶场操作子系统(Range Operations Subsystem，ROS)：该子系统用于将地面站子系统中的射频组件与靶场操作中心进行互联，具备远程管理地面站子系统中跟踪天线、网络设备(交换机和路由器)等资源的能力。

4)任务控制子系统(Mission Control Subsystem，MCS)：任务控制子系统可与被测对象进行通信，具备接入现有遥测处理系统的接口，还具备处理TmNS数据消息的所需资源。

2 基于TmNS的运载火箭天地一体化测控网络设计

现有运载火箭PCM遥测系统中，需要提前策划数据传输内容及帧格式，即PCM数据流格式是提前编排好的，根据每发任务需求进行差异化设计。该工作模式显著优点是传输可靠性和实时性好，在现有运载火箭遥测参数规模及发射频度下，可以满足任务需求。随着运载火箭遥测参数规模逐步扩大以及并行试验任务的日益增多，这种单向、点对点、结构不灵活的工作模式不能满足未来运载火箭测控的需求，频谱资源利用等问题也日益突出。TmNS标准的提出，使得在传统PCM遥测链路外增加了上下行的双向无线网络链路，实现遥测系统的网络化和天地一体化，基于双向IP网络实现了数据按需遥测的能力，即可根据策划或者突发事件更改遥测传输内容，同时可提供基于任务和数据优先级的服务质量；具备动态资源共享能力，可支持多发并行试验任务，解决了频谱资源紧张的问题。

在现有运载火箭PCM遥测系统基础上，基于TmNS标准构建的新型运载火箭天地一体化测控网络系统框图如图3所示，该系统可以划分为火箭内部网络、地面站、靶场操作中心、任务控制中心等4部分，各部分组成和功能描述如下。

2.1 火箭内部网络

传统PCM数据流向如图3中红色实线框中所示，由箭上PCM数据采集单元将采集的测量数据传输给PCM编帧加密设备进行遥测编帧及数据加密，加密后的PCM数据通过SST发射机转换为射频信号后，传给天线系统发射出去，在未来较长一段时间内，将会保留传统PCM码流用于传输高可靠性和实时性要求的数据。

基于TmNS的运载火箭天地一体化测控网络在现有PCM数据流(SST)基础上增加了网络数据流，即TmNS数据流。首先，箭载Network数据采集单元将采集到的测量数据封装在TmNS数据消息(Data Message)中，根据用户需求，采用LTC传输协议(Latency/Throughput Critical Delivery Protocol)将TmNS数据消息传递给MDL文件(该文件用于配置和控制基于TmNS的设备以及获取其状态等信息)中定义的目的地址(如传递给箭载TmNS存储器进行备份或者地面遥测处理设备进行数据的分析与显示)。箭载TmNS存储器可利用LTC传输协议接收TmNS数据消息，将其存储在固态介质中，也可将利用RC传输协议(Reliablity Critical Delivery Protocol)将被请求的数据发送给任务控制中心的TmNS存储器。火箭内部各网络设备通过交换机进行互联互通，TmNS数据消息先经过网络加密机进行加密，再传递给TmNS发射机生成射频信号通过天线系统发射出去，天线系统接收到地面站发送的射频信号后传递给TmNS接收机，再经过网络解密机进行解密后得到TmNS数据消息发给相应设备。

同时，SST与TmNS数据流之间可以相互转换，这一功能也是基于TmNS的新增功能，由箭载PCM网关和Network网关实现[14]。PCM网关可根据MDL文件从未加密PCM数据流中选择所需要的PCM数据，通过TMoIP协议转换为IP包，实现将PCM数据承载在IP网络中传输。Network网关可根据MDL文件从IP包中选择所需要的测量数据(IP包)，通过数据包遥测技术转换为PCM数据流发送到SST发射机。

2.2 地面站

地面站的天线系统接收到箭上天线系统发射的无线信号，将TmNS无线信号送给TmNS接收机处理，将SST无线信号送给SST接收机处理，分别解调出加密后的IP包和加密后的PCM数据流送给任务控制中心进行处理。加密后的PCM数据可以通过地面站PCM网关转换为IP数据包，实现PCM在靶场网络中的传输，也可以直接送给任务控制中心的PCM解密机进行解密处理。任务控制中心的指控数据(IP包格式)，通过靶场网络发送给地面站TmNS发射机生成射频信号，再通过地面天线系统向空间发射出去。同时，地面站TmNS发射机/接收机可受靶场操作中心的链路管理器(Link Manager，LM)的控制，执行链路控制功能，通过靶场网络接收LM发送的控制信息，该信息规定了上行/下行传输开始和结束的精确时间，还可接收射频(Radio Frequency，RF)网络管理指令并做出响应。

2.3 靶场操作中心

位于靶场操作中心的RF网络管理器(RF Network Manger)负责管理RF网络资源，对RF网络中的相关设备进行优化控制和协调，包括协调靶场内和靶场间地面站接力的具体细节，协调RF链路和RF网络数据传输底层机制的更新，协调RF网络转发配置的更新等。链路管理器负责策划TmNS发射机/接收机的RF传输，为地面站和被测对象之间的所有上下行链路的RF传输分配时隙，即提供时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的控制功能。这些网络管理信息均承载在IP包中，经靶场网络送给地面站的TmNS发射机/接收机。

图3 基于TmNS的运载火箭天地一体化测控网络系统框图Fig.3 Diagram of TmNS-based space-earth integrated TT&C network for launch vehicles

2.4 任务控制中心

具备传统PCM数据流的接收功能，通过任务控制中心的PCM解密机对地面站SST接收机输出的加密PCM数据流进行解密后送给中心的遥测处理设备，还可以通过任务控制中心的Network网关将从靶场网络送来的IP包中承载的加密后的PCM数据剥离出来(该过程为TMoIP的逆过程)，送入PCM解密机解密后给遥测处理设备进行处理。同时，任务控制中心PCM网关从PCM数据流中找到相应的IP包(该过程为数据包遥测的逆过程)，通过交换机送给相应的遥测处理设备；任务控制中心Network网关接收到含有PCM数据的IP包，将其解析后(该过程为TMoIP的逆过程)传送给相应的遥测处理设备。

3 关键技术研究

3.1 TmNS数据消息传输协议

在基于TmNS的运载火箭天地一体化测控网络系统中，测量数据在应用层以TmNS数据消息的格式进行传递。TmNS数据消息结构如图4所示，由TmNS数据消息头域和载荷域构成，其中TmNS数据消息载荷域中包含多个信息包，每个信息包中均存放有测量信息。

（1）在初始参数均为地板厚度30mm；功率150W/m2；室外温度-8℃；相对误差0.001时，随着时间的延长，各特性征点温度越来越高。

图4 TmNS数据消息格式Fig.4 TmNS data message structure

在应用层，需要根据数据传输需求选择合适的应用层数据传输协议，根据TmNS标准，建议应用层使用LTC数据传输协议和RC数据传输协议传输TmNS数据消息，两种协议的传输特性比较见表1。

表1 LTC和RC数据传输协议对比

TCP和UDP协议均为TCP/IP协议栈中的传输层协议，最大区别在于TCP协议是面向连接的，而UDP协议是无连接的。TCP协议提供面向连接的可靠服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。同时，由于TCP协议要提供可靠的、面向连接的传输服务，不可避免地会增加一些开销，比如应答、计时器、流量控制以及连接管理等，同时增加了处理资源。UDP协议在传送数据之前不需要先建立连接，不需要确认数据，提供一种不可靠交付，在某些情况下(实时性要求高)是一种最有效的传输方式。同时，UDP协议支持多播服务。

LTC和RC这两种协议的传输特性使得数据传输性能截然不同，需要系统设计师根据不同数据的传输需求来选择合适的传输协议，例如箭载Network数据采集单元产生的TmNS数据消息可利用LTC传输协议进行传输，虽然UDP协议不保证顺序传输，但是可以提供相比基于TCP协议更低的端到端时延，同时可以利用UDP协议多播功能实现到多个目的地址的数据传输。TmNS数据消息头域中有基于某类消息的序号，该序号随着发送端发送该类消息数目的递增而递增。因此，如果使用LTC传输协议来传输某些对可靠性有要求的数据，接收端可以通过检测接收到的TmNS数据消息头域中的序号来检测和报告丢失的数据[15]。

3.2 RF网络接入层协议

数据链路层位于IP层之下，服务于IP层，用于将IP层交付下来的IP包组装成帧，在两个结点之间传输。在基于TmNS的RF网络中，需要将网络信息(IP包)和控制消息等载荷数据组装成数据链路帧，再交给物理层(RF通信链路)进行比特流的传输。由于基于TmNS的RF网络特性与以太网特性有所不同，以太网TCP/IP协议栈中网络接入层(数据链路层和物理层)协议不再适用，需改动网络接入层协议来支持RF链路传输[16]。

RF网络数据链路层具备将网络信息和控制消息等载荷数据复用在介质访问控制(Medium Access Control，MAC)帧中的能力，可基于链路的需求和优先级为上行和下行链路策划和分配信道容量，提供一种自适应的时分多址(TDMA)机制共享通信信道，满足有限带宽下并行试验需求，同时可使用ARQ协议来提高传输可靠性。

图5给出了网络层信息在RF网络接入层中进行传输的处理过程。

图5 基于TmNS的RF网络中网络接入层示意图Fig.5 Overview of network access layer in TmNS-based RF network

网络层信息(TCP/IP、UDP/IP和相关的IP协议族包)和链路层控制消息(Link Layer Control Messages，LLCMs)统一被称为MAC 服务数据单元(MAC Service Data Units，MSDUs)，被复用在MAC帧中。多个长度较短的MSDUs被打包成为ARQ blocks(块)，然后被封装在一个MAC帧中；长度较长的MSDU被分割为多个ARQ blocks，然后被封装在多个MAC帧中。ARQ block的分段/打包头域(Fragmentation/Packing SubHeader，FPSH)指示该ARQ block是否为MSDU分段或打包处理后产生的，其中的FC域是一个分段标示，可以表示没有分段(00)、第一个分段(10)、中间的分段(11)、最后的分段(01)，同时FPSH还指示被封装数据的协议类型，被封装数据相对于其他ARQ blocks的优先级等。

MAC帧由MAC头、载荷部分以及帧校验序列构成。MAC帧载荷包含一到多个可变长度的ARQ blocks，每个ARQ block的最大长度受限于MAC帧载荷部分的长度，而MAC帧载荷部分的长度又受限于物理层信道编码的码字长度(MAC帧的最大长度与信道编码码长相对应)。MAC头中含有发送和接收无线设备的RF MAC地址以及一些用于链路层处理的附加信息。

MAC帧在物理层中先进行比特交织，然后进行LDPC编码，最后进行SOQPSK调制。IRIG 106-20标准中推荐使用CCSDS标准中应用于深空通信的累积重复参差累积码(Accumulate Repeat Jagged Accumulate Code，AR4JA码)构造的LDPC码，码率为1/2，2/3 和4/5可选，LDPC码信息比特长为128字节和512字节可选。

多个LDPC blocks组成一个burst在RF链路上传输，每个burst由前导信息、同步标志和码块帧(包含1到N个固定长度的LDPC blocks，N最大可配置为16)组成，同步标志用来辅助比特和字节级的同步和解调。无线收发设备利用在TDMA 时隙(epoch)中策划的传输机会(Transmission Opportunities，TxOps)来传输这些burst序列。TDMA epoch也叫作TDMA帧，其典型结构如图6中所示。epoch大小固定，由多个大小可变的TxOps组成。TxOps代表一段时间，在该段时间内源无线设备可以接入到信道中将数据传输给目的无线设备，因此，源和目的无线设备之间的通信均需分配TxOps，例如地面站发往箭上的上行数据传输、火箭发往地面站的下行数据传输以及火箭与火箭之间的数据传输。

图6 典型的TDMA帧结构Fig.6 Typical TDMA frame

为简化TDMA的策略，TDMA帧(epoch)的持续时间通常有以下几种选择：1000(最大时间)，500,250,125,100(默认时间),50,40,25,10 ms(最小时间)。RF网络设计师可通过选择合适的TDMA帧(epoch)的持续时间来在开销、包时延和网络性能之间进行性能折中。同时，RF网络中每个无线或管理设备都必须使用通用的时间同步协议来达到时间同步，避免RF之间的干扰。

在RF网络中，TDMA控制器(LM)在每次试验时基于上下行链路的需求和优先级来分配epoch中的TxOps。最基础的分配策略为TxOps的静态分配，这种方式不考虑每次试验的容量需求。TmNS的典型分配策略为基于优先级和瞬时/平均网络负载量来分配TxOps，以优化整个RF网络的使用，可最小化网络传输时延，最大化吞吐量，减小队列溢出所造成的损失[17-18]。

3.3 TMoIP协议

SST与TmNS数据流之间可以相互转换，这一功能也是基于TmNS的新增功能，箭载PCM网关、地面站PCM网关、任务控制中心Network网关均具备该功能。箭载PCM网关/地面站PCM网关将PCM数据封装在IP包中，实现PCM数据在IP网络中的传输，实现该功能的协议被称为TMoIP(Transmission over Internet Protocol)[19]，任务控制中心Network网关执行逆操作。

表2给出了TMoIP对应于TCP/IP协议栈中每层的具体实现。

表2 TMoIP在TCP/IP协议栈的具体实现

TMoIP应用层提供数据转换功能，即载荷汇聚功能，可以保证SST流被承载在网络包中，实现过程如下：

1)首先，实现SST流格式转换，将串行流格式转换为包格式，得到的包被称作原始包载荷。

2)其次，将TMoIP的控制字追加到原始包载荷前面，构成TMoIP载荷。图7给出了TMoIP的控制字以及得到的TMoIP载荷格式。TMoIP可通过控制字实现丢包或失序的检测，同时也标识了PCM子帧或者副帧同步状态、时间戳等信息。

传输层、IP层和网络接入层均为成熟TCP/IP协议，图8给出了TMoIP在TCP/IP协议中各层的展开实现。

3.4 数据包遥测

数据包遥测技术可将来自一个或者多个数据流的数据异步插入到PCM子帧中，数据类型可支持以太网帧、TmNS数据消息、IP包等。这是一种将网络数据包融入传统PCM码流的方法，以兼容网络化的遥测数据包。箭载Network网关利用该项技术，根据MDL文件从IP包中选择所需要的测量数据，将其转换为PCM数据流。数据包遥测的具体实现过程如图9所示，异步插入的数据被称作源包(Source Packet，SP)。

图7 TMoIP载荷格式Fig.7 TMoIP payload structure

图8 TMoIP协议各层展开图Fig.8 TMoIP layout in layers

首先，一个SP被封装在一个或多个封装包(Encapsulation Packet，EPs)的载荷域中，通常，一个EP只包含一个SP。当SP大小超过64k字节的时候，SP将被分割为多个SP段，此时一个EP包含一个SP段。EP头域中“内容”域可指示EP载荷所包含的SP的类型，如IP包SP、TmNS数据消息SP、MAC帧SP等，“分段”域可指示EP载荷所包含的SP是独立的SP或者SP段。不同类型的SP可同时被多路复用到一个单独的EP逻辑流中(图9中EP流中红色竖线表示EP的首字节)。

图9 数据包遥测示意图Fig.9 Packet telemetry overview

接着，EP流将被分割到多个等长的传输包(Transport Packet，TPs)的载荷域中，形成TP流。如果TP载荷中包含了一个EP的首字节，那么TP头域将包含到该EP首字节的偏移量；如果TP载荷中包含了多个EPs，那么TP头域将包含到第一个EP首字节的偏移量。

最后，每个TP被插入到一个单独的PCM子帧中。一个TP可被分割为多个TP段，和PCM数据一起排布在一个PCM子帧中，但是每个PCM子帧只能包含一个TP，图9中为一个PCM子帧包含了两个TP段(1个TP)。

4 结论

随着运载火箭发射任务的密集化以及网络技术的不断发展，网络化遥测在空间通信方面的优势显而易见，特别是IRIG 106-20中TmNS建议的提出，明确了天地一体化测控网络的思想。本文关注未来运载火箭测控通信网络发展，对TmNS特性、协议栈、体系架构进行深入研究，在现有PCM-FM遥测架构基础上提出了基于TmNS的运载火箭天地一体化测控网络的思想，对其具体系统架构、关键技术以及实现方式等进行了研究和阐述。目前，网络化技术在空间通信方面也在深入发展，对运载火箭天地一体化测控网络的研究将有助于天地网络的结合，促进航天领域测控通信的不断发展。