劉 丹 張芹芹 李本亮

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

新一代的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)遙測(cè)系統(tǒng)功能的前提下，新增加了遠(yuǎn)程、寬帶數(shù)據(jù)鏈，新增加的部分使得遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備了下行遙測(cè)傳輸能力，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因此可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸與控制需要在一定的規(guī)則下進(jìn)行，因此，研究遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，從而為飛行試驗(yàn)中遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的試飛數(shù)據(jù)傳輸提供統(tǒng)一規(guī)則。

在數(shù)據(jù)傳輸向網(wǎng)絡(luò)化格局發(fā)展的前提下，飛行試驗(yàn)中的遙測(cè)系統(tǒng)也趨于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。在保留傳統(tǒng)遙測(cè)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，在機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化以及地面遙測(cè)系統(tǒng)站網(wǎng)絡(luò)化的前提下，試飛測(cè)試對(duì)象與地面之間形成了一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，新一代的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括多個(gè)地面子系統(tǒng)和測(cè)試對(duì)象子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)處于遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在網(wǎng)絡(luò)中，不同的終端實(shí)體之間要進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，首先需要有個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則和約定，這個(gè)規(guī)則即協(xié)議。因此，對(duì)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的研究已是非常必要。本文重點(diǎn)闡述新一代遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)之上，研究遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從物理結(jié)構(gòu)上分為兩大部分，分別是，遙測(cè)地面站端和試驗(yàn)對(duì)象端。其中，遙測(cè)地面站端和試驗(yàn)對(duì)象端通過(guò)各自的天線系統(tǒng)單元進(jìn)行無(wú)線通訊，建立數(shù)據(jù)鏈接。從邏輯結(jié)構(gòu)上，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就像一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中包括很多個(gè)遙測(cè)地面站端的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以及試驗(yàn)對(duì)象端的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)部分和地面網(wǎng)絡(luò)部分的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。其中，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)部分利用收發(fā)天線，通過(guò)射頻網(wǎng)絡(luò)（rfNET），測(cè)試對(duì)象網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)給地面站，同時(shí)接收來(lái)自地面站的控制命令信息。rfNET 是在傳統(tǒng)的IRIG106 串行遙測(cè)鏈路的基礎(chǔ)上，另外增加了一條基于網(wǎng)絡(luò)的上下行鏈路，使得機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙向連接。通過(guò)該rfNET空地鏈路形成一個(gè)大的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在地面網(wǎng)絡(luò)部分中，天線系統(tǒng)將接收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)集中匯總，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，其他需要遙測(cè)數(shù)據(jù)的地面處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有選擇的接收。按照試飛測(cè)試體系的特點(diǎn)，地面數(shù)據(jù)處理網(wǎng)主要包括：遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，事后處理系統(tǒng)（預(yù)處理、二次處理等）。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)中的通信是指在不同系統(tǒng)中的實(shí)體之間的通信。所謂實(shí)體，是指能發(fā)送和接收信息的任何對(duì)象，包括終端、應(yīng)用軟件、通信進(jìn)程等。系統(tǒng)可以包含一個(gè)或多個(gè)實(shí)體，兩實(shí)體間要是能通信，就必須能夠互相理解，共同遵守都能接受的規(guī)則和約定，如傳送信息塊采用何種編碼和怎樣的格式，如何識(shí)別收發(fā)者的名稱和地址，傳送過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤如何處理，發(fā)送和接收速率不一致如何處理。把這些規(guī)則的結(jié)合稱為協(xié)議。因此，協(xié)議也可被稱為兩實(shí)體間控制數(shù)據(jù)交換規(guī)則的集合，它用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，信息交換。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是用來(lái)為完全不同的系統(tǒng)提供共同的用于通信的環(huán)境。沒(méi)有協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通信是不可能存在的，簡(jiǎn)單地講，通信雙方在通信時(shí)需要遵循的一些規(guī)則和約定就是協(xié)議。

通信協(xié)議的規(guī)則主要包括對(duì)通信的發(fā)送者和接收者完成的操作（語(yǔ)義）和交換信息的格式（語(yǔ)法）。協(xié)議有以下3 個(gè)要素。

語(yǔ)義：控制信息的內(nèi)容，需要做出的動(dòng)作及響應(yīng)，即“講什么”；

語(yǔ)法：數(shù)據(jù)與控制信息的格式、數(shù)據(jù)編碼等，即“怎么講”；

同步：事件先后順序和速度匹配，即“序速度控制”。

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

圖2 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系構(gòu)成圖

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是指為保證遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中通信雙方能有效、可靠通信而規(guī)定的一系列約定，包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢驗(yàn)糾錯(cuò)方式以及控制信息定義等問(wèn)題做出的統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為一種特殊的遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以利用成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)在實(shí)際飛行試驗(yàn)中的特殊情況，完善和優(yōu)化相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能。

RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議

射頻（RF）網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議定義了RF 網(wǎng)絡(luò)單元中多個(gè)功能組件中的消息及消息流到接口的規(guī)則。當(dāng)在一個(gè)RF 網(wǎng)絡(luò)中的不同物理部位，如一個(gè)在試驗(yàn)對(duì)象（TA）上，一個(gè)在地面上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要連接時(shí)，就必需用到RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議。RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議是兩個(gè)或多個(gè)相同功能節(jié)點(diǎn)支持分布式操作的邏輯連接，控制關(guān)系可以是主從式、對(duì)等、一對(duì)一、或一對(duì)多。

RF 網(wǎng)絡(luò)控制消息協(xié)議包括以下三種：鏈路管控制消息協(xié)議，該協(xié)議主要用來(lái)規(guī)定無(wú)線鏈路的建立、釋放和管理。RF 網(wǎng)絡(luò)管理控制消息協(xié)議，該協(xié)議主要負(fù)責(zé)地面站網(wǎng)絡(luò)管理到試驗(yàn)對(duì)象網(wǎng)絡(luò)管理、地面站網(wǎng)絡(luò)管理到本地地面站網(wǎng)絡(luò)管理以及地面站網(wǎng)絡(luò)管理到遠(yuǎn)程地面站網(wǎng)絡(luò)管理。連接控制消息協(xié)議，主要針對(duì)地面站到試驗(yàn)對(duì)象以及地面站到地面站試驗(yàn)域之間的傳輸規(guī)則。

RF 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

RF 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議遵照有關(guān)通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括三種，分別是：鏈路協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和傳輸協(xié)議。

鏈路協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)均支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，具體可以參照IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)。IEEE8.02.3 是一個(gè)使用CSMA/CD 媒體訪問(wèn)控制方法的局域網(wǎng)的綜合性標(biāo)準(zhǔn)。其體系結(jié)構(gòu)包括MAC 子層和物理層。物理層包括物理信令子層（PLS）和物理媒體鏈接件（PMA）。MAC 支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路功能，并為L(zhǎng)LC 子層提供服務(wù)，MAC 子層還實(shí)現(xiàn)幀的封裝、解封，幀的尋址和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)和維護(hù)MAC 協(xié)議，完成幀檢測(cè)序列的產(chǎn)生和檢驗(yàn)等功能。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以IPv4 為基礎(chǔ)，且兼容IPv6。IPv4 不能提供網(wǎng)絡(luò)安全，也不能實(shí)施復(fù)雜的路由選項(xiàng)，如在QoS 的水平上創(chuàng)建子網(wǎng)等，所以不適用于安全級(jí)別要求相對(duì)嚴(yán)格的情況。IPv6 是在IPv4 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有IPv4 的所有功能，并增加了一些更加優(yōu)秀的功能，例如128 位編址能力、擴(kuò)展地址和路由的能力以及內(nèi)嵌式的授權(quán)和加密安全等。

傳說(shuō)協(xié)議即傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào) 協(xié) 議（UDP）。TCP實(shí)現(xiàn)端到端的通信，提供面向連接的穩(wěn)定可靠的服務(wù)。UDP 采取無(wú)連接方式提供高層協(xié)議的信息數(shù)據(jù)處理，允許互相發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議

iNET 標(biāo)準(zhǔn)（V 0.7 版）中的試驗(yàn)對(duì)象（TA）標(biāo)準(zhǔn)第5 條詳細(xì)要求5.1 款，明確機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)間同步遵照IEEE1588 網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)鐘同步協(xié)議。RF 網(wǎng)絡(luò)單元標(biāo)準(zhǔn)中的第10 條通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù)中的10.3 款，明確RF 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步遵照RFC 1305 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP：Network Time Protocol Version 3）。

NTP 是網(wǎng)絡(luò)授時(shí)同步協(xié)議，可用于遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間同步，其缺點(diǎn)是NTP 協(xié)議假設(shè) NTP 請(qǐng)求和回復(fù)包傳送時(shí)延相等，無(wú)法克服報(bào)文單向時(shí)延所造成的影響，同時(shí)NTP 在應(yīng)用層需要用軟件方式打時(shí)間戳，同步精度較低。其時(shí)間服務(wù)器選擇GPS 或北斗作為系統(tǒng)的時(shí)間源進(jìn)行授時(shí)。

鑒于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）主要采用軟件時(shí)間同步方法，適用于大型通用網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間同步精度在毫秒級(jí)，而網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE 1588）采用軟、硬件相結(jié)合的時(shí)間同步方法，時(shí)間同步精度可達(dá)微秒級(jí)，適用于時(shí)間同步精度要求高的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，且已在測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。為了把遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)間同步從毫秒級(jí)提高到微秒級(jí)，滿足多機(jī)試飛中的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)高精度時(shí)間同步要求，在遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE 1588）替代傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）。

結(jié)語(yǔ)

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TmNS）是iNET（增強(qiáng)遙測(cè)綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）的核心，其優(yōu)于傳統(tǒng)遙測(cè)系統(tǒng)的地方在于具備了上下行的雙向鏈路數(shù)據(jù)交換，使得測(cè)試對(duì)象網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)處于同一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，地面端和測(cè)試對(duì)象端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈路訪問(wèn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)部分且根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)輸交換。對(duì)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的研究，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)統(tǒng)一通信協(xié)議的管理、支持各通信實(shí)體之間的數(shù)據(jù)交換等方面具有重要意義。