徐曙清，王 震，董瑤海，李 卿

（1.上海創(chuàng)景計算機系統(tǒng)有限公司，上海 201201；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；3.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

目前，國內(nèi)航天器中普遍使用的總線或網(wǎng)絡(luò)主要有RS422，RS485，CAN 總線，1553總線，LVDS等。這些總線或網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)獲得了廣泛的使用，但同時也表現(xiàn)出通信速度、傳輸距離、協(xié)議配合、糾錯容錯、功耗、電纜重量等不足。歐空局針對這些不足，提出了全新的SpaceWire總線和SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)。其中SpaceWire總線已在多個型號中得到了應(yīng)用，SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)是正在研究的課題。本文對SpaceWire總線及SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)的概念、發(fā)展進行了綜述。

1 簡介

SpaceWire總線是歐空局與 NASA，JAXA，RKA等國際空間組織合作，基于IEEE 1355-1995，IEEE 1596.3兩個商用標準，通過改進IEEE 1355的可靠性、功耗等，使其能更好地滿足航空航天應(yīng)用而提出的一種專門用于空間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€標準。SpaceWire網(wǎng)絡(luò)具有低成本，高速度，高容錯等特點。

SpaceWire總線中數(shù)據(jù)采用DS編碼，用LVDS信號傳輸，通信速率為2～400Mb／s，可實現(xiàn)點對點的傳輸或通過路由構(gòu)造一個節(jié)點可達255個的星型網(wǎng)絡(luò)；在同一網(wǎng)絡(luò)中可同時使用多條總線；網(wǎng)絡(luò)拓撲具有很高的自由度；可通過增加總線數(shù)量的方法成倍提高整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度。SpaceWire定義了物理層、信號層、字符層、交換層、包層和網(wǎng)絡(luò)層6個協(xié)議層。其中：物理層主要定義了微距D型連接器，通過4對屏蔽雙絞電纜傳輸，達到10m的全雙工通信，每個方向包含數(shù)據(jù)（Data）和選通（Strobe）兩個信號；信號層定義采用LVDS實現(xiàn)長距離，低功耗的信號傳輸；字符層定義了控制和數(shù)據(jù)兩種類型字符，采用了獨特的奇校驗方式，在無有效數(shù)據(jù)時，發(fā)送NULL字符，以確保接收端的時鐘恢復(fù)的連續(xù)性；交換層通過狀態(tài)機的切換（Reset-＞W(wǎng)ait-＞Ready－＞Started-＞Connecting－＞Run），有效避免了接收端的緩沖的溢出，對各種可能發(fā)生的錯誤進行鏈路修復(fù)連接；包層定義了包頭和包結(jié)束標志，對有效載荷的數(shù)據(jù)未作硬性規(guī)定；網(wǎng)絡(luò)層定義了網(wǎng)絡(luò)組件和網(wǎng)絡(luò)的方式，可通過路徑方式或邏輯地址方式組網(wǎng)，定義了路由表的基本結(jié)構(gòu)，同時定義了蟲洞路由的交換機制和調(diào)度原理，定義了錯誤定位和恢復(fù)。因SpaceWire在包層未對有效載荷數(shù)據(jù)作詳細定義，故派生了 STUP，RMAP，CCSDS，RVTP等協(xié)議。

在SpaceWire總線的基礎(chǔ)上ESA正研究SpaceWire-D技術(shù)，SpaceWire-D是高可靠航天器控制信息組網(wǎng)技術(shù)，旨在構(gòu)建航天器任務(wù)、控制、數(shù)據(jù)交互的高可靠航天器信息網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)在符合SpaceWire協(xié)議標準基礎(chǔ)上，采用RMAP協(xié)議標準，增加了數(shù)據(jù)交互的可靠性，同時引入時間片劃分機制，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。該技術(shù)的特點是：符合SpaceWire，RMAP協(xié)議標準；采用SpaceWire Time-codes功能時鐘同步和時間片劃分；任務(wù)分配按時間片劃分進行；采用RMAP協(xié)議傳輸機制，有訪問應(yīng)答措施；支持故障檢測、隔離和恢復(fù)（FDIR）。

SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是ESA，NASA正在研究的高速太空網(wǎng)，是一種面向吉比特每秒級高速數(shù)據(jù)傳輸需求而提出的基于SpaceWire協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的新標準，目標是能傳輸高、低兩種通道的所有類型數(shù)據(jù)。SpaceFibre特點是：采用8B／10B的編碼技術(shù)；每條鏈路可達2Gb／s（目標5Gb／s），支持多條鏈路可達20Gb／s；根據(jù)傳輸距離選擇電纜，光纖傳輸約100m，適于長距離傳輸；銅纜傳輸5m，適于短距離傳輸或板級傳輸；引入了服務(wù)質(zhì)量（QoS）機制，可實現(xiàn)高帶寬使用率、優(yōu)先級的管理調(diào)度與服務(wù)；集成FDIR，使用校驗碼，8B／10B編碼，CRC檢驗，帶寬控制，直流隔離措施，數(shù)據(jù)幀格式和虛擬通道方式，快速重連和重發(fā)，鏈路恢復(fù)機制，支持錯誤報告等多種技術(shù)；電氣隔離，線纜具有內(nèi)、外兩層屏蔽層；傳輸電纜較輕（光纖30kg／m，銅纜60kg／m）；抗輻照性能好，EMC特性好；能與SpaceWire網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫互聯(lián)。

SpaceFibre定義了物理層、鏈路層、多鏈路層、質(zhì)量層、網(wǎng)絡(luò)層和管理層6個協(xié)議層。其中：

圖1 SpaceFibre協(xié)議層Fig.1 SpaceFibre layout

a）物理層 SpaceFibre可用光纖或銅纜傳輸，在線上傳輸8B／10B符號，接收端的物理層能從信號流中恢復(fù)出數(shù)據(jù)和時鐘。

b）鏈路層 對應(yīng)于鏈路的初始化和錯誤偵測，發(fā)生錯誤能自動重新初始化，用8B／10B的編譯碼進行收發(fā)，該編譯碼保證信號直流平衡，可保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串在接收端能被正確復(fù)原。

c）多鏈路層 支持有多條鏈路并行工作時的操作管理，達到高速度并行收發(fā)。一旦某條鏈路出錯能自動調(diào)整收發(fā)策略的分配。

d）質(zhì)量層 提供質(zhì)量服務(wù)和在SpaceFibre連接時管理信息流程。支持QoS的信息發(fā)送，偵測任何幀或控制碼丟失或錯誤，同時提供重發(fā)機制和ACK／NACK交互；提供虛擬通道可達256個。支持優(yōu)先級別服務(wù)，帶寬保留、預(yù)約和調(diào)度，支持時間片功能。通過加入偽隨機碼有效降低電磁輻射和提高抗干擾能力。

e）網(wǎng)絡(luò)層 對應(yīng)于在SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)上的收發(fā)數(shù)據(jù)和應(yīng)用信息的傳輸。提供包收發(fā)和廣播信息兩種服務(wù)。包收發(fā)服務(wù)在SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)數(shù)據(jù)包，使用與SpaceWire相同的包格式和路由概念，支持路徑和邏輯地址兩種方式。廣播信息服務(wù)對應(yīng)于廣播短消息（8字節(jié)）到網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，這些短消息能包含時間和各種同步信息。

f）管理層 對應(yīng)于配置、管理和監(jiān)控SpaceFibre協(xié)議棧的各種狀態(tài)。如配置虛擬信道的QoS設(shè)定，設(shè)定FDIR等。

SpaceFibre中有三種不同接口：虛擬通道接口用于收發(fā)SpaceFibre數(shù)據(jù)包，其中有虛擬通道緩沖器（VC Buffers）；廣播通道接口用于廣播和接收短消息，通過一組寄存器進行讀寫操作；連接管理接口用于配置和監(jiān)控，用寄存器進行操作。

SpaceFibre技術(shù)已成ESA，NASA的研究熱點，是未來航天器大容量數(shù)據(jù)傳輸較好的解決方案。

2 SpaceWire，SpaceFibre應(yīng)用于航天器

伴隨著航天科技的不斷進步，航天技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，航天器（航天器包括衛(wèi)星、載人和貨運飛船、空間站、月球探測器、深空探測器等）功能也不斷提升，這導(dǎo)致航天器內(nèi)部設(shè)備系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的強度和交換信息的數(shù)量越來越大，航天任務(wù)面臨復(fù)雜數(shù)據(jù)處理要求的挑戰(zhàn)，航天器內(nèi)部信息交互網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需求日益迫切。

在現(xiàn)代航天器內(nèi)部，各相對獨立的電子儀器設(shè)備間均通過數(shù)據(jù)總線有機連接，從而實現(xiàn)了集成化的分布式電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為一個小型的航天器設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)航天器上綜合電子信息的處理、監(jiān)視、協(xié)調(diào)和管理，并同時控制航天器內(nèi)各分系統(tǒng)的運行。因此，數(shù)據(jù)總線的速度，使用的可靠性、靈活性直接影響航天器的整體性能，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的地位舉足輕重。面對越來越復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求，越來越多外圍設(shè)備超出了原總線處理能力，這對航天器設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的改善提出了新的挑戰(zhàn)。

作為當前航天總線的前沿技術(shù)，SpaceWire，SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以滿足高速、高效傳輸為主要目標，具有較強的錯誤檢測、異常處理、故障檢測與恢復(fù)性能和良好的EMC特性。近年來，隨著電子技術(shù)和處理方法的發(fā)展，航天器有效載荷的數(shù)據(jù)量不斷增大，對航天器系統(tǒng)的功能要求也越來越高。多個自主管理的任務(wù)，如程控、能源管理、有效載荷管理、安全管理、系統(tǒng)重構(gòu)、器上時統(tǒng)及各分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換與共享等，越來越迫切需求構(gòu)建高可靠、高速統(tǒng)一航天器信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多用戶、多任務(wù)、大數(shù)據(jù)量航天器信息傳輸、交互與處理。

SpaceWire，SpaceFibre總線標準實現(xiàn)航天器有效載荷系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制信息的處理，以滿足未來高性能高速數(shù)據(jù)傳輸為目標，提供一種統(tǒng)一的用于連接傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、大容量存儲器的基礎(chǔ)架構(gòu)。該總線不僅具很好的EMC特性，而且在錯誤檢測、異常處理、故障保護和故障恢復(fù)及時間確定性方面也進行了加強。該技術(shù)在ESA，NASA的多個型號任務(wù)中成功應(yīng)用，有不斷擴大的趨勢。

常用總線比較見表1。由表可知：SpaceWire，SpaceFibre更適于在航天器上使用。

在航天器上使用SpaceWire，SpaceFibre的主要優(yōu)點如下：

a）SpaceWire，SpaceFibre有非常高的通信速率，特別是SpaceFibre能達到吉比特每秒量級。高通信速率表明能處理幾乎所有類型的數(shù)據(jù)，如雷達，光學像機等高速有效載荷的數(shù)據(jù)，也可傳遞遙控，遙測等低速率數(shù)據(jù)，亦可在板與板間傳遞信號。

b）由于通信速率的提升，致使航天器的儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，單機與單機間僅有SpaceWire或SpaceFibre與電源連接，而同臺單機內(nèi)的儀器插板也可采用此方式。按此結(jié)構(gòu)，整個航天器如同一計算機網(wǎng)絡(luò)：航天器單機是各PC，通過千兆Ethernet連接，單機內(nèi)的儀器插板即為PC機中的各種板卡，通過PCI、PCIe總線連接。

c）標準化后各研制單位設(shè)計的產(chǎn)品可直接連接到系統(tǒng)，不存在安全問題；不存在因誤插導(dǎo)致的各種錯誤，因使用統(tǒng)一的SpaceWire或SpaceFibre接口，且接口均有隔離功能，單機和板卡可實現(xiàn)盲插拔和熱插拔；各研制單位設(shè)計的產(chǎn)品不再需要協(xié)調(diào)接口，只需協(xié)調(diào)好通信接口調(diào)用和調(diào)度；重復(fù)性好，為其他型號研制的單機和插板可直接使用；功能擴展能力強，增減單機或增減功能插板方便；顯著降低了航天器上的電纜連接的復(fù)雜性，降低了接口的復(fù)雜性；明顯減少整個航天器的重量（包括線纜、接插件、元器件的數(shù)量和重量）；顯著降低了整個航天器的功耗；顯著增加了抗干擾和糾錯能力；顯著提升了實時處理能力；可明顯降低研制費用，因采用統(tǒng)一標準，單機和板卡的重用性好，能達到相同功能的單機或板卡可直接使用；明顯加快了研制時間，能達到相同功能的單機或板卡只需修改通信的調(diào)度和和協(xié)議接口就可使用；顯著降低了單機和板卡的設(shè)計復(fù)雜性：由于SpaceWire或SpaceFibre既有遠端控制能力，能直接通過遠端進行控制，這樣在許多單機或板卡上就不需要單獨使用處理器，也就減少了軟、硬件的開發(fā)，降低了設(shè)計的復(fù)雜性；極大降低了地面綜合測試設(shè)備的開發(fā)，采用SpaceWire或SpaceFibre后，因接口統(tǒng)一，只需1套設(shè)備就可覆蓋率所有的型號，通過修改軟件就可滿足需求。

表1 常用總線Tab.1 General bus

因此，實現(xiàn)航天器SpaceWire，SpaceFibre信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，可突破航天器數(shù)傳技術(shù)發(fā)展的瓶頸，減輕設(shè)計制造航天器型號的壓力，提高對各類客戶的服務(wù)質(zhì)量，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟和社會價值。

3 國外使用和基礎(chǔ)研究

3.1 SpaceWire國外使用

SpaceWire標準已經(jīng)在美、日等航天大國獲得了較廣泛的應(yīng)用。大量資料顯示，SpaceWire標準的芯片及相關(guān)技術(shù)在歐洲、美國和日本等航空航天部門獲得了大力發(fā)展，并已有大量產(chǎn)品推向市場。越來越多的遙感衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星已經(jīng)或準備采用SpaceWire標準。SpaceWire在美國目前和未來航天器中的應(yīng)用見表2。

月球探測衛(wèi)星（LRO）的SpaceWire網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。LRO采用高、低速雙總線傳輸方式，其中1553B總線實現(xiàn)遙控遙測及低速探測數(shù)據(jù)的傳輸，高速探測數(shù)據(jù)采用SpaceWire網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，通過SpaceWire路由器將LRO相機、微型雷達及萊曼－阿爾法制圖儀高速數(shù)據(jù)動態(tài)路由至Ka，S波段數(shù)傳通道對地下傳。

表2 美國使用SpaceWire的型號Tab.2 Module using SpaceWire in USA

圖2 美國月球探測衛(wèi)星結(jié)構(gòu)Fig.2 LRO structure of USA

為降低風險，美國轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)（TSAT）項目（國防部未來網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵組成部分）將聯(lián)合洛克·馬丁公司推出SpaceWire項目，采用SpaceWire技術(shù)提供靈活連接方式，在衛(wèi)星不同設(shè)備間實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)化。

歐洲在目前和未來航天器中SpaceWire的應(yīng)用見表3。

歐空局研制的火星快車探測器（ExoMars）是一個典型的SpaceWire信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖3所示。ExoMars采用SpaceWire網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的動態(tài)互聯(lián)，各探測儀器通過SpaceWire接口掛接在SpaceWire網(wǎng)絡(luò)中，通過地面切換路由方式，根據(jù)需求實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)動態(tài)路由至大容量存儲器、處理器及圖像處理器進行數(shù)據(jù)存儲和處理。

表3 歐洲使用SpaceWire型號Tab.3 Module using SpaceWire of Europe

圖3 歐空局火星快車探測器結(jié)構(gòu)Fig.3 ExoMars structure

日本在目前和未來航天器中SpaceWire的應(yīng)用見表4。

表4 日本使用SpaceWire型號Tab.4 Module using SpaceWire of Japan

JAXA研制的水星探測器（BepiColumbo MMO）的SpaceWire網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示。BepiColumbo MMO采用SpaceWire網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)13個探測儀器的數(shù)據(jù)傳輸，各探測儀器通過SpaceWire接口分別掛接至數(shù)據(jù)處理器單元1、2，這兩個數(shù)據(jù)處理器單元間亦通過SpaceWire接口連接，充分利用了SpaceWire網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖4 水星探測器結(jié)構(gòu)Fig.4 BepiColumbo MMO structure

3.2 SpaceWire國外基礎(chǔ)研究

STAR-Dundee推出了SpaceWire協(xié)議相關(guān)產(chǎn)品的IP核，并授權(quán)ATMEL公司生產(chǎn)相關(guān)的ASIC產(chǎn)品。目前推出市場的有節(jié)點芯片AT7911E，AT7912E，路由芯片AT7910E，遠程終端控制芯片AT7913E。

3.2.1 SpaceWire節(jié)點IP核

STAR-Dundee節(jié)點IP核提供了一個高度靈活的SpaceWire接口，完全符合SpaceWire標準；低功耗設(shè)計；可配置時鐘方案以滿足大范圍的應(yīng)用需求；對有高斜率或占空比條件很差的SpaceWire信號有強魯棒性；基于輸入和輸出FIFOs的簡單數(shù)據(jù)接口；簡單的時間碼接口；提供狀態(tài)和錯誤報告；一個32字節(jié)發(fā)送和接收FIFOs的典型SpaceWire節(jié)點程序設(shè)計將使用Actel RTAX1000（包括EDAC）資源的約7%，或Xilinx Spartan 3E1600資源的約4%。

另外，AreoFlex公司的GRIP核可根據(jù)需求定制成SpaceWire節(jié)點接口及UT100系列的收發(fā)器芯片。

3.2.2 SpaceWire路由器IP核

STAR-Dundee的SpaceWire Router IP支持靈活的基于無阻塞交叉交換蟲洞路由。完全符合SpaceWire標準；SpaceWire端口最多可達31個。外部并行端口最多可達31個，包含輸入FIFO和輸出FIFO各1個。一個無阻塞交叉交換可連接任意輸入端口到任意輸出端口。低功耗設(shè)計，切換頻率自適應(yīng)優(yōu)化或可配置；當數(shù)據(jù)準備發(fā)送時端口可設(shè)置為自動啟動，當無數(shù)據(jù)發(fā)送時端口可設(shè)置為停止以節(jié)省功耗。內(nèi)部配置端口可通過交叉交換從任何SpaceWire或外部并行端口讀寫。

一個典型的有SpaceWire端口4個和外部端口1個的路由設(shè)計將使用Actel RTAX2000資源的約50%，或Xilinx Spartan 3E1600資源的約20%。

ESA推出了源節(jié)點（Initiator）和目標節(jié)點（Target）的RMAP協(xié)議IP核，并在JAXA水星探測器MMO中得到應(yīng)用。MMO RMAP IP核結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中有SpaceWire接口、RMAP指令接口、時鐘編碼接口（Time code用于產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘）、DMA傳輸接口和時鐘／復(fù)位接口等。

圖5 水星探測器RMAP IP核結(jié)構(gòu)Fig.5 RAMP IP structure of MMO

另外，Aeroflex也有UT200系列的路由芯片。

3.3 SpaceFibre國外研發(fā)

目前，還未見具體航天器將使用SpaceFibre通信技術(shù)的報道，但從ESA等的器件和設(shè)備的規(guī)劃來看，可判斷SpaceFibre通信技術(shù)將用于未來的航天器。如ESA的SpaceFibre產(chǎn)品的計劃有以下。

a）帶SpaceFibre的LEON CPU，由荷蘭SSBV公司設(shè)計（估計Aeroflex公司將參與，因為Aeroflex下屬的Gaisler公司一直在研究和發(fā)布LEON CPU核，目前已發(fā)展到了LEON4）。

b）帶SpaceFibre的FPGA，由丹麥TWT公司設(shè)計（估計Atmel公司會參與，因為Atmel公司有宇航級FPGA）。

c）帶SpaceFibre的PowerPC CPU，由Astrium公司設(shè)計（估計Atmel公司會參與，因為Atmel公司有宇航級PowerPC CPU）。

d）兩個高性能的COTS計算機，使用SpaceFibre接口，由Astrium公司設(shè)計。

e）帶SpaceFibre的通用大規(guī)模存儲板，由Astrium和丹麥IDA公司設(shè)計。

上述項目均已規(guī)劃到了ASIC和單機，屬于較大型項目。

開發(fā)上述產(chǎn)品，最核心的是IP核等基礎(chǔ)研發(fā)，目前國外在其中投入了大量的人力和物力，如：STAR-Dundee在研究SpaceFibre標準，估計會在1年后通過ESA的標準；STAR-Dundee在研究CODEC IP核和路由器IP核，已宣稱馬上能推出；美國Honeywell國際空間電子系統(tǒng)研究SpaceFibre虛擬信道和流程控制；日本三菱電子的預(yù)研中心在研究SpaceFibre的Codec IP核，并規(guī)劃設(shè)計ASIC，進行了大量測試；已能傳輸2.5Gb／s的數(shù)據(jù)；部分設(shè)計已完成；日本三菱電子的預(yù)研中心研究SpaceFibre背板和子板設(shè)計；日本NEC已通過了SpaceFibre和SpaceWire的傳輸測試工作；Astrium在研究抗輻照的帶處理器的SpaceFibre器件，使用RMAP協(xié)議，SpaceFibre，CPU通過AMBA連接，帶Space－Fibre接口2路，目前還處于FPGA階段。

4 國內(nèi)使用和基礎(chǔ)研究

4.1 SpaceWire國內(nèi)使用

由于國內(nèi)的應(yīng)用需求強烈，國內(nèi)多家科研院所先后開展了航天器SpaceWire信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與IP核的國產(chǎn)化研究。從公開的文獻來看，中國科學院空間科學與應(yīng)用研究中心、北京航天自動控制研究所、北京空間機電研究所和西安微電子技術(shù)研究所等均獲得了科研成果，涉及基于SpaceWire總線的航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計、SpaceWire路由器的設(shè)計研究及SpaceWire軟核的設(shè)計等。

航天器SpaceWire信息網(wǎng)絡(luò)尚未在國內(nèi)航天型號上廣泛應(yīng)用，SpaceWire協(xié)議相關(guān)產(chǎn)品的IP核開發(fā)成果也較鮮見于科技文獻。與國外相比，目前國內(nèi)型號應(yīng)用較多的是采用1553B總線構(gòu)建航天器信息網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的可靠性雖有保證，但傳輸帶寬僅1Mb／s，無法滿足日益增加的航天器信息交互網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，高速載荷信息無法接入1553B總線。

上海衛(wèi)星工程研究所對星上SpaceWire總線數(shù)據(jù)傳輸進行了研究，主要涉及衛(wèi)星SpaceWire總線通信協(xié)議規(guī)范、SpaceWire總線在數(shù)傳系統(tǒng)中的設(shè)計及應(yīng)用，并進行了部分專項試驗：如衛(wèi)星SpaceWire地面干擾試驗和衛(wèi)星SpaceWire靜電放電干擾試驗，獲得了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，為SpaceWire信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。上海衛(wèi)星工程研究所主導(dǎo)研制的新一代靜止氣象衛(wèi)星是國內(nèi)較早應(yīng)用SpaceWire總線技術(shù)的航天器，已完成整星鑒定級測試，SpaceWire總線網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)優(yōu)異。

4.2 SpaceWire總線國內(nèi)基礎(chǔ)研究

國內(nèi)在IP核、芯片以及協(xié)議的研發(fā)方面也取得了進展。

在型號應(yīng)用的基礎(chǔ)上，上海衛(wèi)星工程研究所創(chuàng)造性地提出了遠程虛擬信道傳輸?shù)腟paceWire協(xié)議規(guī)范（RVTP）。上海創(chuàng)景計算機系統(tǒng)有限公司通過自主研發(fā)，成功研發(fā)了SpaceWire收發(fā)節(jié)點（Codec）IP核和路由器IP核，并申請了知識產(chǎn)權(quán)登記。其中：

a）Vision SpaceWire CODEC IP核完全按SpaceWire標 準：ECSS-E-ST-50-12C 編 寫；采 用Verilog語言編寫，非常容易移植到FPGA中；同步設(shè)計；低資源占用率；高性能（400Mb／s）；無無效傳輸位，無縫隙發(fā)送，恢復(fù)的rx clock完全連續(xù)；接口簡單，收發(fā)均采用 FIFO；Time-code接口設(shè)計；EOP，EPP插入接口設(shè)計；Error code設(shè)計，定位錯誤方便；可配發(fā)送速率。

b）Vision SpaceWire Router IP核按SpaceWire標準（ECSS-E-ST-50-12C）編寫；采用 Verilog HDL語言編寫，易移植入FPGA；采用模塊化設(shè)計，利于端口功能擴展；低資源占用率；高性能（Virtex6能實現(xiàn)多端口200Mb／s路由功能）；接口簡單，為Codec標準接口，便于移植，每個端口使用獨立收發(fā)FIFO；路由切換和節(jié)點收發(fā)無縫配合，無數(shù)據(jù)等待，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時性，不到1μs的輸出群延時；每個端口均有獨立的路由表，采用DPRAM來配置路由表；每個端口都可獨立控制啟動；無阻塞交叉開關(guān)、蟲洞路由；支持路徑、邏輯地址、群組路由功能；優(yōu)先級管理，支持多信道訪問；支持TimeCode廣播功能，各端口均可廣播及關(guān)閉TimeCode；內(nèi)部ErrorCode管理；具內(nèi)部配置模塊，便于外部通用總線對其進行配置。

在這兩個IP核的基礎(chǔ)上，上海創(chuàng)景計算機系統(tǒng)有限公司開發(fā)了SpaceWire收發(fā)和測試設(shè)備和Vision SpaceWireRouter路由器等系列產(chǎn)品：

4.3 SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)國內(nèi)基礎(chǔ)研究

目前，國內(nèi)有關(guān)單位在考慮開始SpaceFibre的基礎(chǔ)研究。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 高可靠SpaceWire-D信息組網(wǎng)技術(shù)

SpaceWire-D技術(shù)是未來航天器高可靠控制信息寬帶組網(wǎng)的解決方案，該技術(shù)的難點主要有：

a）高可靠傳輸方法 RMAP協(xié)議提供了遠程訪問機制，包括寫指令、寫應(yīng)答，讀指令、讀應(yīng)答，寫／讀／修改指令、寫／讀／修改應(yīng)答，有一定的錯誤識別功能，但未提出解決措施。對引入檢錯重傳功能，設(shè)置重傳機制，以及重傳機制對控制指令的實時性的影響尚需研究。

b）Time-slots劃分算法 該算法保證任務(wù)分配與執(zhí)行的確定性。需研究采用的劃分算法，以在充分利用SpaceWire網(wǎng)絡(luò)效率時，既能保證任務(wù)分配的合理性，也能保證任務(wù)執(zhí)行的實時性。

c）FDIR技術(shù) 涉及傳輸通道品質(zhì)管理和故障檢測隔離修復(fù)，主要用于控制信息流管理。當故障發(fā)生時，SpaceWire能檢測到錯誤并修復(fù)，重新建立路由鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、連續(xù)性和實時性。

目前國外尚未有SpaceWire-D相關(guān)協(xié)議正式發(fā)布。

5.2 高速SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

SpaceFibre技術(shù)是一種面向吉比特每秒量級高速數(shù)據(jù)傳輸需求提出的基于SpaceWire協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的新標準，其技術(shù)的難點主要有：

a）SpaceFibre體系結(jié)構(gòu) 涉及SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu)。與SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的無縫兼容，以及在此拓撲結(jié)構(gòu)中數(shù)吉比特每秒高速數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)是關(guān)鍵。

b）高速數(shù)據(jù)路由技術(shù) 多通道高速數(shù)據(jù)傳輸。路由實時、通暢的保證，以及故障發(fā)生時采用的機制以確保路由能實現(xiàn)故障隔離，進而達到故障恢復(fù)等是關(guān)鍵。

c）QoS，F(xiàn)DIR技術(shù) 涉及傳輸通道品質(zhì)管理和故障檢測隔離修復(fù)，主要用于數(shù)據(jù)流管理。故障發(fā)生時，SpaceFibre能檢測到錯誤并修復(fù)，重新建立路由鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、連續(xù)性和實時性。

目前國外尚未有SpaceFibre相關(guān)協(xié)議正式發(fā)布。

6 結(jié)束語

SpaceWire，SpaceFibre是一種用于航天器的新技術(shù)，與國外相比，目前我國還存在差距。在應(yīng)用方面，我國航天器SpaceWire信息網(wǎng)絡(luò)尚無飛行經(jīng)驗，其業(yè)務(wù)范圍、應(yīng)用規(guī)模、技術(shù)成熟度等都有較大差距；在SpaceWire基礎(chǔ)研究IP核和協(xié)議方面，上海創(chuàng)景計算機系統(tǒng)有限公司設(shè)計的IP核也僅在地面測試中使用；在SpaceFibre方面，國外已開展了數(shù)年的研發(fā)，而國內(nèi)還未實質(zhì)性起步。因此，有必要進行航天器SpaceWire，SpaceFibre信息網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)需求分析，開展基于SpaceWire，SpaceFibre總線技術(shù)研究，采用高可靠SpaceWire技術(shù)和高速Space－Fibre技術(shù)實現(xiàn)航天器任務(wù)、測控和載荷信息網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計，完成航天器內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和控制；確立信息網(wǎng)絡(luò)功能和指標，完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案設(shè)計、優(yōu)化及可行性論證，為航天器SpaceWire，Space-Fibre信息網(wǎng)絡(luò)工程化設(shè)計與實現(xiàn)提供總體指導(dǎo)和技術(shù)支撐。開展航天器SpaceWire，SpaceFibre信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、路由IP核設(shè)計等基礎(chǔ)研究，為航天器信息網(wǎng)絡(luò)提供標準化、高可靠傳輸接口，實現(xiàn)接口可重用，同時降低網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本，滿足航天器任務(wù)、測控、姿控及載荷等信息傳輸?shù)男阅苄枨?，為產(chǎn)品工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐，將有力推動我國航天器數(shù)傳與測控系統(tǒng)的發(fā)展，進一步縮短與國外航天器上信息流科技水平的差距，使我國航天器研制技術(shù)達到世界先進水平。