王立勝，魏 然，沈宗月，王秉臣，朱 波，朱智超，賴安學

（1.上海市空間飛行器機構(gòu)重點實驗室，上海 201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著人類對空間探索的不斷深入，空間站逐漸成為探索太空必不可少的工具。受體積和重量的影響，空間站需要逐艙發(fā)射、空中對接，實現(xiàn)整個空間站艙段間的信息并網(wǎng)，系統(tǒng)繁冗復雜。與其他飛行器相比，信息系統(tǒng)架構(gòu)亦將有所改變，且會涉及多種空間應用新技術(shù)，如高速以太網(wǎng)技術(shù)、多總線通信管理調(diào)度、基于新型架構(gòu)處理器的實時多任務應用開發(fā)、WIFI無線通信等，國內(nèi)均為首次空間應用。高速以太網(wǎng)的功能及性能是否滿足信息安全可靠及時的傳輸需求，多組1553B總線的通信管理與調(diào)度，新型架構(gòu)處理器中實時多任務應用開發(fā)，以及WIFI無線通信的熱點捕獲、性能是否滿足空間應用環(huán)境中的可靠通信，諸多關鍵技術(shù)均無應用先例。建立信息系統(tǒng)仿真驗證平臺，可在技術(shù)狀態(tài)尚不成熟時提供一相對靈活、開放的仿真環(huán)境，針對關鍵技術(shù)進行攻關研究與仿真驗證，為信息系統(tǒng)設計積累經(jīng)驗與技術(shù)。仿真驗證平臺需模擬信息系統(tǒng)的體系架構(gòu)，實現(xiàn)各類信息流的發(fā)送、傳輸與接收，完成對各項關鍵技術(shù)的仿真驗證，并提供軟件開發(fā)所需的硬件環(huán)境。為此，本文對空間站信息系統(tǒng)仿真驗證平臺設計進行了研究。

1 信息系統(tǒng)概述

1.1 組成架構(gòu)

參考國際空間站建設情況，未來空間站信息系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)網(wǎng)與高速網(wǎng)兩部分。系統(tǒng)網(wǎng)采用分層拓撲結(jié)構(gòu)設計，分為控制層和用戶層，兩層相對獨立。控制層由中央處理器和多組1553B總線組成，每組總線均采用A、B互為備份；用戶層根據(jù)需要由不同應用系統(tǒng)設備和相應總線組成。高速網(wǎng)基于千兆以太網(wǎng)交換技術(shù)，物理部分采用樹型拓撲結(jié)構(gòu)，分為頂層交換機和接入交換機。頂層交換機以千兆以太網(wǎng)交換機為核心，下連接入交換機；通過頂層交換機實現(xiàn)空間站的高速網(wǎng)互聯(lián)。系統(tǒng)網(wǎng)與高速網(wǎng)之間通過中央處理器連接，中央處理器作為以太網(wǎng)與總線間的網(wǎng)關，構(gòu)成完整的信息系統(tǒng)架構(gòu)。

1.2 工作原理

信息系統(tǒng)高速網(wǎng)與系統(tǒng)網(wǎng)既相對獨立又密切聯(lián)系。系統(tǒng)網(wǎng)主要用于信息系統(tǒng)核心服務，完成系統(tǒng)指令的控制，遙測參數(shù)的采集、處理和傳輸?shù)裙δ?；高速網(wǎng)主要用于語音、圖像、載荷數(shù)據(jù)等信息傳輸、操作控制、重要參數(shù)顯示及越限報警等。此外，系統(tǒng)網(wǎng)的控制指令、遙測數(shù)據(jù)除通過系統(tǒng)網(wǎng)傳輸外，還可通過高速網(wǎng)傳輸，而高速網(wǎng)的部分重要和關鍵數(shù)據(jù)也可通過系統(tǒng)網(wǎng)傳輸，兩網(wǎng)相互補充、協(xié)同工作，提高整個信息系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)網(wǎng)控制層由中央處理器負責各組總線的通信管理調(diào)度、在軌軟件運行維護、控制指令發(fā)送及遙測數(shù)據(jù)采集組幀等，設置遠置終端實現(xiàn)不同應用系統(tǒng)的遙測采集和指令發(fā)送；中央處理器與終端通過1553B總線進行遙測數(shù)據(jù)和控制指令的傳送?？蓪⒖偩€根據(jù)不同功能和應用需求進行分組，如GNC總線、平臺總線、數(shù)管總線、載荷總線等；其中載荷總線采用總線開關將艙內(nèi)與艙外部分分開，在艙外設備異常時可進行故障隔離，不影響艙內(nèi)系統(tǒng)總線的正常通信。用戶層由不同應用系統(tǒng)設備通過其應用總線與各執(zhí)行設備通信，用于應用系統(tǒng)自身設備的控制與數(shù)據(jù)采集。

高速網(wǎng)通過頂層交換機與接入交換機構(gòu)成了信息傳輸?shù)闹鞲删W(wǎng)及接入網(wǎng)，主干網(wǎng)通過頂層交換機實現(xiàn)高速網(wǎng)互聯(lián)，接入網(wǎng)提供各終端設備的接入端口。終端設備的信息通過接入網(wǎng)進入主干網(wǎng)，與其他終端設備進行信息交互。對實時性要求較高的設備，如視頻處理器、儀表控制器、話音處理器、載荷管理器等直接接入主干網(wǎng)，對實時性要求一般的設備通過接入網(wǎng)連接到網(wǎng)絡。高速網(wǎng)設置數(shù)據(jù)復接器，對圖像、話音、遙測等數(shù)據(jù)進行復接處理后，經(jīng)通信網(wǎng)關送高速通信機下傳；不能及時下傳的數(shù)據(jù)，在大容量固存中進行存儲。高速通信機接收的上行數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)關安全過濾后進入高速網(wǎng)。

圖1 信息系統(tǒng)組成架構(gòu)Fig.1 Architecture of information system

2 仿真驗證平臺設計方案

仿真驗證平臺模擬未來的空間站信息系統(tǒng)，采用工控機、功能板卡以及與航天產(chǎn)品相對應的低等級設備進行構(gòu)建；同時為適應嵌入式軟件全生命周期的研制需求，構(gòu)建數(shù)字化計算機平臺，提供軟件設計開發(fā)和仿真驗證環(huán)境。整個仿真驗證平臺包括1553B總線網(wǎng)絡、高速以太網(wǎng)絡、WIFI通信仿真驗證及數(shù)字化虛擬計算機開發(fā)仿真環(huán)境，平臺組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)網(wǎng)設計中，中央處理器采用工控機及功能板卡模擬，5組總線中1組總線用于空間站艙段間的通信，其余總線用于本地控制層；為簡化仿真驗證系統(tǒng)，控制層總線只有2組接總線RT模擬器。用工控機與總線仿真卡模擬1553B總線RT，每組總線最多可動態(tài)模擬總線RT30個。標準總線測試儀用作1553B總線監(jiān)視器，監(jiān)視記錄每組總線的通信，便于總線通信異常時的問題查找與定位。用工控機模擬測控通信機，仿真與中央處理器的遙控遙測通信功能。中央處理器通過以太網(wǎng)接口與頂層交換機連接，實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)與高速網(wǎng)間的通信鏈路。此外，在中央處理器中構(gòu)建數(shù)字化虛擬硬件環(huán)境，進行軟件開發(fā)調(diào)試。

高速以太網(wǎng)交換機采用商用標準千兆以太網(wǎng)交換機，配有100／1 000M自適應電接口和1 000M光接口，分為頂層核心交換機和接入交換機。高速通信模擬器用一臺工控機作為高速網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理器，通過光網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)接收與處理，包括不同數(shù)據(jù)的分類、話音與圖像的復現(xiàn)等。用攝像機、話筒產(chǎn)生話音、圖像等網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。用2臺帶千兆自適應網(wǎng)口的計算機模擬兩個高速節(jié)點，產(chǎn)生不同速率的數(shù)據(jù)源。用1臺工控機實現(xiàn)網(wǎng)絡管理器，對交換機進行管理設置，如優(yōu)先級、基于端口的VLAN劃分等，并用標準的網(wǎng)絡測試設備網(wǎng)絡測試儀測試網(wǎng)絡吞吐率、延遲、帶寬利用率、丟包率等網(wǎng)絡性能。

圖2 仿真驗證平臺結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame of simulation platform

用WIFI無線接入點（AP）和無線終端對 WIFI通信功能進行仿真驗證。AP選用標準設備，接入以太網(wǎng)交換機；用有視頻與話音功能的便攜式計算機模擬無線終端。無線終端可在AP間直接進行信息傳輸，或通過AP接入以太網(wǎng)交換機，與以太網(wǎng)其他節(jié)點設備進行信息交互，或經(jīng)以太網(wǎng)傳輸，通過另外的AP與其他無線終端進行信息交互。通過無線終端的移動以及遮擋AP使其信號產(chǎn)生強弱變化等方法驗證WIFI無線通信的功能與性能。

仿真平臺設計中需注意：多組總線的通信調(diào)度與數(shù)據(jù)融合；高速以太網(wǎng)多種信息流及通信速率的同時模擬，驗證相互間的影響關系；模擬WIFI通信的信號強弱變化，驗證其功能與性能；在無硬件條件下提供軟件開發(fā)調(diào)試環(huán)境；驗證所仿真的信息系統(tǒng)架構(gòu)的合理與可行性。

3 仿真驗證試驗與結(jié)果

針對未來空間站信息系統(tǒng)將涉及的各項關鍵技術(shù)，在仿真驗證平臺上進行相應的仿真驗證，主要包括系統(tǒng)網(wǎng)多總線管理調(diào)度、高速以太網(wǎng)的功能與性能、WIFI無線通信、基于新架構(gòu)的數(shù)字化仿真、信息系統(tǒng)完整信息流通信鏈路與協(xié)議仿真等。

3.1 多總線管理調(diào)度及數(shù)據(jù)融合仿真

3.1.1 驗證內(nèi)容

以往飛行器僅有一組1553B總線的通信，未涉及多組總線的應用。需對多組1553B總線通信的管理調(diào)度、多組總線傳輸能力是否為各組總線的傳輸能力總和、數(shù)據(jù)通信與處理協(xié)議與單組總線的一致性，以及多組總線的數(shù)據(jù)融合等技術(shù)的應用進行仿真驗證；另外對遙測數(shù)據(jù)組幀、遙控數(shù)據(jù)解幀以及不同通信途徑與方式，如接口類型、通信速率匹配等，也需進行測試驗證。

3.1.2 驗證方案

多總線通信管理調(diào)度策略驗證結(jié)構(gòu)如圖3所示。中央處理器和遠置終端組成1553B多總線網(wǎng)絡，中央處理器作為總線BC，在其上進行軟件開發(fā)，與兩組總線RT模擬器通信。中央處理器通過多組總線網(wǎng)絡采集各1553B總線RT遙測數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)按CCSDS格式組幀，通過以太網(wǎng)接口送給高速通信模擬器，通過串行接口送測控通信機模擬器，通過總線接口送其他艙段中央處理器模擬器；同時接收測控模擬器、其他艙段中央處理器模擬器、高速通信模擬器的遙控指令和注數(shù)，進行CCSDS解包后通過總線向?qū)?553B總線RT發(fā)送。通過上述途徑實現(xiàn)對多組總線通信管理調(diào)度策略、多組總線數(shù)據(jù)的融合、應用協(xié)議以及可能出現(xiàn)的各種問題進行仿真驗證。用1553B總線監(jiān)視器監(jiān)視總線網(wǎng)絡上的所有信息，分析總線通信。

圖3 多總線通信管理調(diào)度策略驗證結(jié)構(gòu)Fig.3 Approval simulation of multibus management

3.1.3 驗證結(jié)果

在中央處理器和兩組1553B總線RT模擬器中分別運行BC，RT仿真軟件，中央處理器能按正常調(diào)度與兩組總線RT通信，獲取RT端的遙測數(shù)據(jù)，并將采集到的兩組總線RT遙測數(shù)據(jù)統(tǒng)一組幀、多途徑發(fā)送，同時進行后臺歸檔文件存儲，經(jīng)比對遙測數(shù)據(jù)及組幀格式完全正確；中央處理器將各途徑接收到的遙控指令解幀處理后分發(fā)給不同總線RT，RT端能正確接收并執(zhí)行指令。仿真結(jié)果顯示：多組1553B總線通信管理調(diào)度運行正常，數(shù)據(jù)融合組幀解幀功能正確，通信接口與速率等完全匹配。

3.2 高速以太網(wǎng)功能與性能驗證

3.2.1 驗證內(nèi)容 仿真驗證以太網(wǎng)功能，如虛擬局域網(wǎng)VLAN劃分、安全控制特性、優(yōu)先級等QoS策略設置以及流量控制等；測試驗證以太網(wǎng)性能，如以太網(wǎng)吞吐率、傳輸時延、丟包率等［1－3］。

3.2.2 驗證方案 高速以太網(wǎng)通信技術(shù)驗證結(jié)構(gòu)如圖4所示。用平臺中的以太網(wǎng)交換機及網(wǎng)絡接口的圖像、話音設備、由工控機模擬的載荷設備、數(shù)據(jù)接收設備、網(wǎng)絡測試儀組成高速以太網(wǎng)絡，根據(jù)信息流的重要程度設置不同優(yōu)先級，并通過網(wǎng)絡管理器對交換機進行VLAN劃分、安全控制策略、擁塞控制策略、優(yōu)先級分配、端口流量限制等協(xié)議策略設置；通過圖像、話音設備及載荷模擬設備進行不同類型數(shù)據(jù)的發(fā)送，并控制載荷模擬器發(fā)送的數(shù)據(jù)量，在高速通信模擬器端接收并分類進行處理，圖像、話音解碼復現(xiàn)，載荷數(shù)據(jù)解析顯示。用網(wǎng)絡測試儀測試以太網(wǎng)的吞吐率、傳輸時延、丟包率等性能。由此驗證高速以太網(wǎng)的各項功能及網(wǎng)絡策略設置的合理性，并最終驗證高速以太網(wǎng)在信息安全可靠及時傳輸對航天應用的支持程度。

圖4 高速以太網(wǎng)通信技術(shù)驗證結(jié)構(gòu)Fig.4 Approval simulation of Ethernet communication

3.2.3 驗證結(jié)果 傳輸靜止圖像數(shù)據(jù)時，接收端圖像播放流暢無卡頓，且與發(fā)送端的圖像源播放幾乎同步；實時視頻通信時，實時視頻流暢且無延遲；實時話音通信時，可流暢地進行話音交談，無卡頓現(xiàn)象，但有稍許的延遲感，通過調(diào)整接收緩存的大小，延遲感可減小甚至消失；大流量數(shù)據(jù)傳輸時，接收端與發(fā)送端同時實時刷新，顯示內(nèi)容同步，比較發(fā)送端源文件及接收端接收保存的文件，內(nèi)容完全一致。用網(wǎng)絡測試儀的測試結(jié)果為：高速以太網(wǎng)支持QoS業(yè)務分級功能、訪問控制列表ACL功能、虛擬局域網(wǎng)VLAN功能、端口鏡像功能等，吞吐率能達到100%，丟包率能達到0，傳輸時延千兆端口最大不超過50μs，百兆端口最大不超過200μs。仿真測試結(jié)果顯示：高速以太網(wǎng)帶寬與時延特性能滿足靜止圖像、實時視頻、話音以及大流量數(shù)據(jù)的通信，預測未來空間站可能的任務情況，高速以太網(wǎng)功能性能滿足應用需求。

3.3 WIFI無線通信仿真驗證

3.3.1 驗證內(nèi)容 驗證WIFI無線熱點自動捕獲、配置、安全連接認證工作情況；驗證無線終端在移動過程中、在熱點切換情況下無線通信的可靠性和連續(xù)性，獲取無線通信對數(shù)據(jù)傳輸、話音傳輸、圖像傳輸?shù)木唧w應用效果［5］。

3.3.2 驗證方案 WIFI無線通信仿真驗證結(jié)構(gòu)如圖5所示。用 WIFI無線接入設備（AP）和終端組成無線網(wǎng)絡，將2個WIFI無線AP通過有線網(wǎng)絡接口接入以太網(wǎng)交換機，相隔一定距離，在其間進行信號遮擋；在兩個 WIFI無線終端間、WIFI無線終端與以太網(wǎng)節(jié)點設備間進行圖像、語音、數(shù)據(jù)等信息交互；使一個無線終端不停地在兩AP間來回移動，與兩個AP間的信號強度不斷出現(xiàn)強／弱、弱／強變化，仿真AP熱點的切換，測試在終端移動過程中以及在熱點間切換時WIFI通信的可靠性，驗證其自動捕獲與配置功能［4］。

圖5 WIFI無線通信仿真驗證結(jié)構(gòu)Fig.5 Approval simulation of WiFi communication

3.3.3 WIFI無線通信仿真結(jié)果 仿真結(jié)果顯示：在信號覆蓋范圍內(nèi)，WIFI無線終端能夠自動捕獲無線AP熱點信號，進行安全認證、關聯(lián)過程，隨后即可進行無線通信；兩終端通過同一個AP覆蓋直接通信，信號無遮擋時在802.11g模式下實際吞吐量可 達 約 10Mb／s，在 802.11n 模 式 下 可 達 約20Mb／s，一般不丟包，視頻圖像傳輸流暢，話音清晰連貫；終端移動過程中，信號強度未下降時吞吐量保持不變，圖像、話音仍可正常通信；遮擋導致信號強度下降時性能相對變差，偶有丟包，圖像偶有卡頓，話音偶有斷續(xù)；終端繼續(xù)移動，導致熱點切換至另一AP時，吞吐量又可達到無遮擋時的水平，切換過程有數(shù)據(jù)丟失，圖像、話音有瞬時斷續(xù)。

3.4 基于新架構(gòu)的數(shù)字化仿真

3.4.1 仿真內(nèi)容 中央處理器作為信息管理控制中心，集多種功能于一體，任務多，功能復雜，實時性要求也高，因而采用基于新型架構(gòu)處理器進行實時多任務的軟件開發(fā)。為此需仿真處理器平臺硬件環(huán)境，進行實時操作系統(tǒng)的移植、適應性裁剪、核心控制軟件的設計開發(fā)、調(diào)試測試，以及控制策略與應用協(xié)議的仿真驗證，具體功能包括多任務管理技術(shù)、應用協(xié)議與控制策略、故障注入、系統(tǒng)功能冗余、多組1553B總線通信管理調(diào)度、遙測數(shù)據(jù)采集組幀、遙控指令及注數(shù)分發(fā)、時間產(chǎn)生與維護、與高速網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與信息交互、分包遙控及分包遙測處理等。

3.4.2 仿真方案 在仿真平臺上用iSystem數(shù)字化虛擬開發(fā)仿真軟件構(gòu)建處理器硬件模擬環(huán)境，并連接真實的外圍硬件接口，如1553B總線BC控制器接口、串行接口、以太網(wǎng)接口，構(gòu)建外圍通信環(huán)境；在虛擬處理器平臺上進行實時操作系統(tǒng)的移植裁剪、嵌入式計算機板級支持包BSP配置，并進行多任務系統(tǒng)軟件的開發(fā)與仿真驗證，完整地實現(xiàn)多任務核心控制軟件開發(fā)、調(diào)試和測試，通過數(shù)字化技術(shù)驗證控制策略、應用協(xié)議，并進行故障模擬注入，驗證處理器BSP配置的可靠性、操作系統(tǒng)內(nèi)核裁減的安全性、應用軟件任務調(diào)度的實時性和合理性，適應嵌入式軟件全生命周期的研制需求［6］。iSystem數(shù)字化計算機系統(tǒng)由iSystem Target目標處理器虛擬機、iSystem Device Model外部設備模型、iSystem Debugger調(diào)試器、iSystem ObjectCode Analyzer目標碼覆蓋率分析模塊組成，用其構(gòu)建的數(shù)字化開發(fā)驗證環(huán)境如圖6所示。

圖6 數(shù)字化開發(fā)驗證環(huán)境構(gòu)建Fig.6 Composing of digital development environment

3.5 信息系統(tǒng)聯(lián)合仿真

3.5.1 仿真內(nèi)容 仿真信息系統(tǒng)的全部信息流通路，系統(tǒng)網(wǎng)與高速網(wǎng)間協(xié)同工作與數(shù)據(jù)交互的正確性、整個系統(tǒng)信息流連通性，以及數(shù)據(jù)交換、速率匹配、各功能協(xié)同工作及相互影響，如系統(tǒng)網(wǎng)遙測遙控信息流，高速網(wǎng)的視頻、語音、遙測傳輸?shù)龋M而仿真驗證信息系統(tǒng)整體架構(gòu)的合理性。仿真信息系統(tǒng)的各種工作模式，測試功能和性能，同時可模擬總線和網(wǎng)絡的各種故障，檢查信息系統(tǒng)的故障處理和系統(tǒng)重構(gòu)能力。

3.5.2 仿真方案 在各項技術(shù)仿真驗證完成后，設置多組1553B總線網(wǎng)、高速以太網(wǎng)、WIFI無線網(wǎng)絡同時聯(lián)合工作，模擬信息系統(tǒng)的完整信息流，對各功能配合情況、速率與接口匹配情況進行整體驗證；人為設置故障模式，仿真驗證系統(tǒng)的處理及重構(gòu)情況。3.5.3 仿真結(jié)果 仿真結(jié)果顯示，在系統(tǒng)網(wǎng)、高速網(wǎng)各類數(shù)據(jù)流同時運行的情況下，仿真效果與單一數(shù)據(jù)流仿真時效果一致。由此驗證了系統(tǒng)網(wǎng)1553B總線網(wǎng)絡、高速網(wǎng)千兆以太網(wǎng)網(wǎng)絡及整個信息系統(tǒng)體系架構(gòu)的合理性。

4 結(jié)束語

本文對空間站信息系統(tǒng)仿真驗證平臺設計進行了研究，仿真驗證了未來將應用的關鍵技術(shù)和體系架構(gòu)，為空間站信息系統(tǒng)設計積累了經(jīng)驗及技術(shù)。該平臺可實現(xiàn)基于實時操作系統(tǒng)的多任務實時軟件更全面深入的測試與驗證，可基于虛擬環(huán)境開展基于硬件環(huán)境無法進行的測試和驗證工作，如目標碼覆蓋率分析、CPU故障注入等，還可作為今后信息系統(tǒng)及單機設備功能和性能測試平臺。若產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，可用該平臺進行分析和試驗，更好地復現(xiàn)、分析和解決，而且能遠程再現(xiàn)故障，無需設備的來回運送，更好地支持總體工作。

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