孔繁青 郭永林

（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

1 前言

空間站是一個遠離地球獨立、長期在太空中服務的多功能體，一般由多個功能模塊或功能艙構成的，航天員要在上面工作和生活，要進行艙外活動等，要對各個功能艙的狀態(tài)進行監(jiān)視，要在各個功能艙間進行信息交互，要完成各種試驗，要與地面建立信息交控鏈路[1]。空間站信息系統(tǒng)就是為了支持空間站在軌運行和有效載荷的操作，為各種信息的處理和傳輸提供一個高速、寬帶綜合的局域網絡。

空間站信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是將各個獨立發(fā)展的若干系統(tǒng)集成為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，構成一個寬帶綜合業(yè)務網絡，這將簡化空間站系統(tǒng)的復雜度，提高系統(tǒng)的可靠性。統(tǒng)一的空間站信息系統(tǒng)是空間站電子技術的發(fā)展方向。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前國際空間站代表了國際上空間站發(fā)展的技術水平。國際空間站[2]是全面采用CCSDS-AOS體制的復雜星載信息系統(tǒng)，它是由四個局域網通過網關互聯(lián)而構成信息系統(tǒng)的，數(shù)據(jù)經過虛擬信道鏈路控制器和合分路器后，進入兩個射頻信道與地面站進行通信，國際空間站的網絡體系結構如圖1所示。其中俄羅斯的服務艙和美國的實驗艙的電子系統(tǒng)最復雜，它們既是空間站自主運行的控制中心，又是信息系統(tǒng)的控制中心。

圖1 國際空間站的網絡體系結構框圖

2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

在我國神舟載人飛船上，采用了數(shù)管系統(tǒng)來完成飛船的信息管理。神舟飛船采用了總線結構的分級分布式計算機系統(tǒng)。全船采用1553B總線作為設備間的通信介質，總線分為兩級，第一級為整船級，即數(shù)管系統(tǒng)的1553B總線，它將全船各分系統(tǒng)的設備連接在一起，實現(xiàn)全船的信息共享；第二級為各分系統(tǒng)的1553B總線，如有效載荷的1553B總線，該總線將分系統(tǒng)內部的設備連接在一起，完成分系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)交換，其總線控制器又掛在數(shù)管系統(tǒng)的1553B總線上，能實現(xiàn)與飛船和地球站的數(shù)據(jù)傳輸。

3 我國空間站信息系統(tǒng)的構成方案設計

3.1 空間站信息系統(tǒng)的結構選擇原則

空間站信息系統(tǒng)的結構選擇原則，重點考慮可靠性、通信性能、可擴展性、復雜度、體積功耗等問題。

首先是可靠性，因為信息系統(tǒng)是全站信息交換的命脈，所以對可靠性的要求是極高的。一般認為，空間站信息系統(tǒng)通信的可靠性應該在設計壽命期不低于0.99。其次，通信性能一般以通信鏈路的頻帶或最大數(shù)據(jù)率（byte/s）來描述。此外，空間站信息系統(tǒng)的結構選擇還要考慮系統(tǒng)軟硬件本身的復雜性，以及系統(tǒng)所需的功耗、重量、體積等?？臻g站信息系統(tǒng)的結構選擇應特別注重系統(tǒng)的可擴展性，即改變系統(tǒng)容量時引起軟硬件改變的程度。

要同時在上述指標都達到最優(yōu)是很困難的，我們只能從系統(tǒng)優(yōu)化原則出發(fā)，選擇較好的結構。常見的局域網絡的結構有：總線形，星形，樹形，環(huán)形和網狀網絡等五種。

從可靠性上來講星形和樹形結構存在單點失效，最不可取。環(huán)形的可靠性雖然可以用雙向通信來彌補，但容錯能力不高，而且通信時延長?？偩€型尤其是1553B總線廣泛應用于航空和航天領域，它的模塊化程度較高，使其可維修性和可擴展性好。但是它有兩個致命的短處：其一是存在可靠性瓶頸，總線上有較多的單點失效部位，使之長壽命高可靠難以實現(xiàn)，同時它的功耗很大，系統(tǒng)復雜；其二，總線上是主從響應式分時通信，效率較差，每個結點機可用的通信容量太少，尤其在需要任意兩結點之間進行通信時，必須要有防止總線沖突的仲裁策略，對提高通信速率是不利的。因此，總線型的方案不太適合作為空間站信息系統(tǒng)的核心網絡。

相對于其他拓撲結構，網狀拓撲具有一些優(yōu)點。首先，網狀拓撲具有很高的可靠性和極強的健壯性。當一條鏈路不可用時，并不會使整個網絡癱瘓。第二，使用專用鏈路使得設備之間的數(shù)據(jù)負載由專門的連接承擔，避免了共享鏈路中的通信量問題。最后，點到點鏈路使故障識別和故障隔離十分容易。網絡流量可以選擇路由，避開有問題的鏈路。這種便利使網絡管理員能精確定位故障，并幫助找出故障原因和解決方案。

網狀拓撲的主要缺點在于所需要的電纜和設備上輸入輸出端口的數(shù)量過于巨大。因此，網狀拓撲通常只在有限的方式下使用，作為主干來連接主機。而相對于空間站信息系統(tǒng)的核心網絡來講，由于節(jié)點數(shù)量有限一般不大于四個，節(jié)點端口數(shù)和連接電纜數(shù)都是工程上可接受的。因此網狀拓撲的網絡結構作為優(yōu)選結構應用于空間站信息系統(tǒng)。

3.2 我國空間站信息系統(tǒng)的體系結構選擇

按照上述設計準則，并根據(jù)我國的實際情況，根據(jù)空間站的發(fā)展階段、規(guī)模及任務要求，進行規(guī)劃和設計，提高網絡的可靠性和通信效率。

空間站信息系統(tǒng)的體系結構的選取要折衷考慮設計的復雜程度、設計約束，是否可靠、易于裁剪和擴展。對總線網絡和網狀網絡進行折衷，采用多級網絡是我國空間站信息系統(tǒng)的體系結構的優(yōu)選結構。

3.3 我國空間站信息系統(tǒng)的構成方案設想

根據(jù)目前的技術和技術的發(fā)展，空間站信息系統(tǒng)可有兩種實現(xiàn)方案。

3.3.1 我國空間站信息系統(tǒng)的拓撲方案1

該方案按照業(yè)務功能的不同，核心網絡采用若干相對獨立的網絡構成。根據(jù)業(yè)務需求的不同，各核心網絡可以采用不同的網絡層次，采用不同的網絡結構、協(xié)議和標準。不同的核心網絡之間采用網關進行連接，實現(xiàn)核心網絡之間必要的通信聯(lián)系。圖2為該方案的拓撲結構圖。

按照空間站功能艙的布置，或按信息功能的不同分為若干個相對獨立的核心網絡，按照每個艙段或功能的復雜程度選擇相應的網絡協(xié)議，這些網絡之間通過網關實現(xiàn)必要的通信。按功能艙還是按信息功能劃分網絡，需根據(jù)空間站的規(guī)模和任務來確定。同時，同一核心網絡是采用一級網絡還是多級網絡，也應按該核心網絡的規(guī)模和復雜程度來確定。

按功能可以分為工程管理網、通信網、航天員的操作控制網、載荷試驗網等。對于工程管理網、航天員的操作控制網可以采用較為成熟的網絡和協(xié)議，甚至采用COS協(xié)議。載荷試驗網由于數(shù)據(jù)量大通信速率高，因此需要采用高速網絡和協(xié)議。該方案信息系統(tǒng)的核心網絡示意圖如圖3所示。每個功能網絡根據(jù)本網絡的功能可以采用分層的網絡結構，下層網絡根據(jù)應用的不同可以采用不同的網絡，如1553B總線網絡。

圖2 我國空間站信息系統(tǒng)的拓撲方案1體系結構圖

圖3 方案1信息系統(tǒng)核心網絡

從上述方案中可以看出，該核心網絡由多個網絡構成，每個網絡按適應本功能的要求來構造，針對性強，同時帶來信息系統(tǒng)網絡復雜、擴展性差，網絡之間需要增加網關來實現(xiàn)互通。該方案適合近期空間站的應用和建設。

3.3.2 我國空間站信息系統(tǒng)的拓撲方案2

該方案的核心網絡采用一個寬帶綜合業(yè)務網絡構成，采用統(tǒng)一網絡協(xié)議和標準，根據(jù)業(yè)務需求的不同，可以采用不同的網絡層次，不同的低層網絡可以采用不同的網絡協(xié)議和標準。該方案的拓撲結構圖參見圖4。

圖4 我國空間站信息系統(tǒng)的拓撲方案2體系結構圖

圖5 方案2信息系統(tǒng)核心網絡

該方案信息系統(tǒng)的核心網絡示意圖如圖5所示，信息系統(tǒng)根據(jù)空間站的實際規(guī)模和功能艙的數(shù)量，確定節(jié)點數(shù)量，每個節(jié)點以交換機為核心構成，通過交換機的端口利用光纖和相鄰的節(jié)點相連，組成了一個網狀的拓撲結構，實現(xiàn)了多路由。

下層網絡根據(jù)應用的不同可以采用不同的網絡，這些子網通過與交換機相連實現(xiàn)不同接口不同協(xié)議之間的互通。

從上述方案中可以看出，該核心網絡由單一網絡構成，擴展性好，不存在信息互通的問題，同時對底層數(shù)據(jù)單元提出了更高的要求，要求數(shù)據(jù)單元按照協(xié)議產生數(shù)據(jù)，或是在中間增加協(xié)議轉換設備，增加了網絡的實現(xiàn)難度。本方案是空間站信息系統(tǒng)發(fā)展的方向。

3.4 網絡體制選擇

為了能采用統(tǒng)一的方式對現(xiàn)有各種不同速率的業(yè)務和將來可能出現(xiàn)的業(yè)務在網絡中進行傳輸和交換，空間站信息系統(tǒng)考慮采用分組交換的體制。分組交換體制包括定長分組和不定長分組兩類。

定長分組交換技術的代表主要有ATM技術和類ATM技術。ATM是被國際電聯(lián)選定的B-ISDN體制，是面向連接的傳輸模式，融合了電路交換和分組交換的優(yōu)點，即面向連接、保證服務質量和統(tǒng)計復用技術，高速率、低時延的多路復用交換技術。定長的信元結構便于用純硬件來實現(xiàn)高速交換，因為僅需要地址域中的比特來選擇要轉送的通道，理論上交換速率只受硬件的芯片性能影響。ATM具有相當完善的流量控制功能和擁塞控制功能，具有完備的服務質量保障機制，所以，ATM被廣泛的用于骨干交換網。缺點是：由于任何形式的信息輸入ATM網絡就會轉換為信元，即信息通過適配層分割/組裝成固定長度的信元，使得設備實現(xiàn)復雜、功耗高、價格貴、實現(xiàn)成本高。

不定長分組交換體制的主要代表技術是IP交換。伴隨著Internet的高速發(fā)展，IP成為當前計算機網絡應用中的當然標準和開放式系統(tǒng)平臺。它是一種端到端的無連接通信技術，其特點是“盡力傳送”，在全網采用統(tǒng)一IP地址，通過IP數(shù)據(jù)報和IP地址屏蔽網絡底層的差異，便于互連各種網絡，廣泛應用于數(shù)據(jù)型應用的骨干網上。

在空間通信中直接應用IP，目前存在一些應用的限制，特別是同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，存在時延長、誤碼率高和帶寬不對稱等問題，嚴重影響了TCP/IP的性能，而在空間站內部則不存在這些限制?？臻g站內的環(huán)境與地面環(huán)境很相似，可以類比為一個辦公大樓或相鄰的幾個辦公大樓。空間站的物理空間很有限，導致空間站內的信息傳輸時延很小，同時在空間站內采用光纖等有線傳輸介質，可以保證很好的傳輸質量，因此在空間站內直接應用IP是不存在技術限制的。而空間站與地面或其他星際網絡通信時存在長時延、誤碼率高等影響IP高效工作限制，需要考慮改進措施。

基于上述分析，同時考慮空間站的網絡構成，空間站信息系統(tǒng)的技術體制可以統(tǒng)一到IP上。

3.5 信息系統(tǒng)的業(yè)務綜合與星地一體化設計

空間站信息系統(tǒng)除接收遙控指令、話音數(shù)據(jù)外，還要發(fā)射話音、遙測、電視圖像和載荷數(shù)據(jù)等。由于空間站接收的數(shù)據(jù)速率很低，一般為1kbit/s～100kbit/s；而發(fā)射的數(shù)據(jù)速率很高，一般為100kbit/s～600Mbit/s，未來可能會更高，因此設計的重點是將空間站生成的數(shù)據(jù)以及待轉發(fā)的數(shù)據(jù)進行處理，經過時分復接，融合成統(tǒng)一數(shù)據(jù)流，再經物理信道傳輸。

國際空間數(shù)據(jù)咨詢委員會（CCSDS）在傳統(tǒng)的分包遙測與分包遙控建議書的基礎上建立了高級在軌系統(tǒng)（AOS）建議書。AOS提供不同的傳輸方案、不同的用戶數(shù)據(jù)格式化協(xié)議以及不同的差錯控制等級，以實現(xiàn)在一條鏈路上處理各種類型的數(shù)據(jù)。AOS建議書的一個核心特性就是虛擬信道（VC）的概念。虛擬信道允許一條空間物理信道被多個更高層次的傳輸流共享，每個傳輸流都可能有不同的業(yè)務要求，這樣單一的空間物理信道被分割成幾個分開的邏輯數(shù)據(jù)信道[3]。

利用虛擬信道的概念，對空間站不同類型的數(shù)據(jù)采用相應的協(xié)議進行處理，通過虛擬信道的調度，就可以實現(xiàn)星上業(yè)務綜合。綜上所述，只要開發(fā)出適于星上數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，并建立有效的虛擬信道調度策略，就能夠將星上各種類型的數(shù)據(jù)融合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流。星上業(yè)務綜合極大的簡化了星上數(shù)據(jù)的管理，也便于信道的統(tǒng)一傳輸。

隨著航天事業(yè)的進一步發(fā)展，單獨考慮空間站信息系統(tǒng)或地面設備的方式已經不能適應新的需要。星地雙向通信的傳輸方式也要求綜合考慮空間站信息系統(tǒng)和地面站建設，進行星地一體化設計，是空間站信息系統(tǒng)發(fā)展的方向。

空間站內部采用標準的接口和協(xié)議體系，空間站對外數(shù)據(jù)流的組織分為兩部分：一部分是高速率的有效載荷數(shù)據(jù)，它們通過與CCSDS的AOS相兼容的協(xié)議組織成相應格式，然后按照不同的數(shù)據(jù)類型和傳輸要求分配不同的虛擬信道，采用適當?shù)恼{度策略對多個虛擬信道進行合路后通過高速率信道發(fā)送；另一部分是低速率的工程數(shù)據(jù)流，它們與常規(guī)航天器的工程管理數(shù)據(jù)流是一樣的，這類數(shù)據(jù)流既可以使用傳統(tǒng)的低速信道經射頻調制后發(fā)送，也可以將打包后的數(shù)據(jù)插入高速有效載荷數(shù)據(jù)流傳輸?shù)拈g隙，與高速數(shù)據(jù)利用同一信道發(fā)送，兩個信道可以互為備份。完成虛擬信道調度功能的模塊和完成工程數(shù)據(jù)與指令處理功能的數(shù)管單元通過通用型網絡接口ESN（基本服務結點）與空間站信息系統(tǒng)網絡相連。同時，為提高對空間站在緊急情況下的控制能力，空間站仍保留直接命令與數(shù)據(jù)通道，可以不通過空間站上信息系統(tǒng)網絡接收和執(zhí)行地面指令。

3.6 我國空間站信息系統(tǒng)研究中的關鍵技術

由于空間站信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)相比，從概念到實現(xiàn)方法和手段上都有顯著差別，無論從系統(tǒng)的物理結構還是數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方面都需要解決很多技術問題，主要包括如下研究內容：

（1）網絡體制研究

空間站的特殊應用環(huán)境和要求決定了空間站信息系統(tǒng)要從整體層面和系統(tǒng)層面上進行空間站信息系統(tǒng)網絡體制研究。它是空間站信息系統(tǒng)的核心，對它有高性能、高可靠性的要求，因此開發(fā)適用的網絡是實現(xiàn)新型空間站信息系統(tǒng)的基礎。

（2）CCSDS標準的研究

CCSDS緊緊跟隨空間任務需求，不斷開發(fā)空間數(shù)據(jù)與信息傳輸新標準，我們可以從它的網站上了解其最新動態(tài)。CCSDS提出的研究方向，大部分也是我們中長期需要開展研究的方向，是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的技術發(fā)展前沿。通過研究CCSDS，并根據(jù)我國的實際情況，建立與CCSDS相兼容的標準。

（3）網絡總線及接口標準的研究

空間站信息系統(tǒng)構成一個局域網，同時又采用子網式的分層結構，而又有不同的總線標準，如FDDI、1553B、IEE E802.3、IEEE802.4、ATM、SDH 等 標準。對于子層網絡又有多種總線及標準，如1553B總線、串行通信線（RS-422、RS-485）、工業(yè)標準總線（SM系統(tǒng)管理總線、CAN總線、TM測試管理總線等）。這就需要根據(jù)空間站的實際應用環(huán)境和要求，研究適合空間站的網絡總線及相應的標準。

（4）信息系統(tǒng)軟件技術與結構研究

高可靠的網絡需要高可靠軟件系統(tǒng)支持。這樣，嵌入式實時操作系統(tǒng)，開發(fā)、仿真、測試一體化平臺將成為實現(xiàn)空間站數(shù)據(jù)系統(tǒng)的支柱，要求在軟件開發(fā)中保證軟件工程化管理，開發(fā)容錯軟件。研究軟件的構造技術，軟件的模塊化技術，研究軟件的容錯技術、可靠性技術。研究和實現(xiàn)空間站的自主運行技術。

（5）數(shù)據(jù)安全技術的研究

數(shù)據(jù)安全技術是一切網絡系統(tǒng)的關鍵技術，同樣也是空間站信息系統(tǒng)的關鍵，但是由于運行環(huán)境不同，所采用的加密技術也有較大的差異。

（6）可靠性、安全性和容錯性技術研究

空間站的高可靠性和安全性對空間站信息系統(tǒng)提出了更高的要求，需要研究提高空間站信息系統(tǒng)可靠性、安全性的措施，研究空間站信息系統(tǒng)的容錯措施、冗余措施，包括計算機系統(tǒng)的容錯冗余措施、總線的容錯冗余措施。需要研究故障檢測、故障隔離技術，需要研究空間站設備的空間環(huán)境適應性技術。 ◇

［1］戚發(fā)韌.載人航天器技術.國防工業(yè)出版社，2003，10.

［2］周林.國際空間站信息系統(tǒng)方案.遙測遙控，2005，3.

［3］譚維熾，顧瑩琦.空間數(shù)據(jù)系統(tǒng).中國科學技術出版社，2004，2.