張晨光，孫沂昆，劉巧珍，彭　越，李　婧（.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京00076；.北京特種工程設(shè)計研究院，北京0008）

載人火箭信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

張晨光1，孫沂昆2，劉巧珍1，彭越1，李婧1
（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；2.北京特種工程設(shè)計研究院，北京100028）

載人火箭信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是為適應(yīng)載人運載火箭遠距離測試和發(fā)射控制而研制，系統(tǒng)采用熱備份路由及重傳驗證信息傳輸方法，實現(xiàn)了高效、高可靠的地面信息交換平臺。在系統(tǒng)框架設(shè)計及可靠性分析的基礎(chǔ)上，對待發(fā)段故障診斷、流程指揮與射前監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)研究，實現(xiàn)了高可靠信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)已圓滿完成載人航天工程任務(wù)。本技術(shù)成功應(yīng)用優(yōu)化了運載火箭信息傳輸與應(yīng)用模式，提供了標準體系構(gòu)架，對于后續(xù)運載火箭及航天器信息傳輸與應(yīng)用的研制具有重要借鑒意義。

載人火箭；信息傳輸；通信網(wǎng)絡(luò)

1　引言

為了更有效保護人員和發(fā)射場設(shè)備的安全，現(xiàn)代運載火箭普遍采用遠程測試和發(fā)射控制模式，遠程測試和發(fā)射控制以數(shù)字通信方式為基礎(chǔ)，以太網(wǎng)通信技術(shù)就是其中之一，載人火箭遠程信息傳輸網(wǎng)絡(luò)就是采用此方法進行設(shè)計和實施的。遠程信息傳輸網(wǎng)絡(luò)用于火箭各系統(tǒng)地面信息傳輸與交換，綜合處理火箭各系統(tǒng)測試信息及發(fā)射場信息，提供決策依據(jù)。

各系統(tǒng)地面測試發(fā)控設(shè)備分為前端和后端，通過構(gòu)建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了各系統(tǒng)遠距離測試發(fā)控，綜合處理火箭各系統(tǒng)以及發(fā)射場C3I系統(tǒng)的測試信息，完成火箭各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接、待發(fā)段故障診斷、射前監(jiān)測、信息發(fā)布、流程指揮、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測，提供決策依據(jù)。

2　系統(tǒng)功能分析

1）聯(lián)網(wǎng)功能?；鸺孛鏈y試各個分系統(tǒng)前端和后端的測試設(shè)備、測試微機聯(lián)成局域網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)分系統(tǒng)包括：火箭各分系統(tǒng)以及發(fā)射場C3I系統(tǒng)。

2）信息交換。實現(xiàn)各系統(tǒng)內(nèi)部及各系統(tǒng)之間的實時信息交換，完成對各分系統(tǒng)測試狀態(tài)和測試參數(shù)的實時采集，測試數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。根據(jù)需求，將測試信息實時轉(zhuǎn)發(fā)到發(fā)射場C3I系統(tǒng)。

3）待發(fā)段故障診斷。載人火箭待發(fā)段是根據(jù)預(yù)定的故障判別模式對推進劑泄漏、著火、緊急關(guān)機后的傾倒、緊急關(guān)機后控制系統(tǒng)斷電失敗進行故障診斷，將診斷參數(shù)和診斷結(jié)果實時顯示，當出現(xiàn)故障時，向待發(fā)段逃逸指揮控制臺發(fā)出信號。

4）射前監(jiān)測。發(fā)射前，實時監(jiān)測各系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，為各系統(tǒng)提供射前數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)，通過射前監(jiān)測判據(jù)，完成超差判斷。

5）數(shù)據(jù)瀏覽。連接到網(wǎng)絡(luò)上的瀏覽微機，通過授權(quán)后，通過IE瀏覽器以瀏覽網(wǎng)頁的方式，實時瀏覽網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)庫中的全部測試數(shù)據(jù)，包括當前測試數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)瀏覽微機可以靈活的、有選擇的查看本崗位關(guān)心的測試數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)中建立遙測數(shù)據(jù)判讀程序的鏈接通道，實現(xiàn)事后判讀網(wǎng)絡(luò)管理。

6）網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)測。通過網(wǎng)管管理微機對整個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行管理，對網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測微機對前后端關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和數(shù)據(jù)包獲取，對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

7）網(wǎng)絡(luò)安全管理。系統(tǒng)上網(wǎng)設(shè)備組成不同的VLAN，實現(xiàn)信息交換安全設(shè)計。由信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)統(tǒng)一為各系統(tǒng)提供防病毒軟件，各系統(tǒng)自行防病毒處理。信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)連接C3I設(shè)置硬件防火墻。

8）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對時。過B碼時統(tǒng)卡，接收發(fā)射場時碼信息，與發(fā)射場時統(tǒng)同步，通過網(wǎng)絡(luò)將時間進行發(fā)布，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)統(tǒng)一對時功能。

3　系統(tǒng)框架設(shè)計

載人火箭采用遠距離測試和發(fā)射控制模式，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建了信息傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)各系統(tǒng)遠距離測試發(fā)控需求，各系統(tǒng)前后端測試發(fā)控設(shè)備連接到測發(fā)控網(wǎng)絡(luò)上，由此構(gòu)成一個互相連接、集中管理的地面測試發(fā)控系統(tǒng)，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)見圖1［1］。

圖1　載人火箭信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic d iagram of the communication network in manned launch vehicle

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由核心網(wǎng)、信息網(wǎng)、服務(wù)器和測控微機等設(shè)備組成，核心網(wǎng)采用四臺交換機實現(xiàn)，通過千兆光纜環(huán)形連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心層冗余。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)和交換式以太網(wǎng)技術(shù)。從網(wǎng)絡(luò)安全性考慮，在后端與外系統(tǒng)之間設(shè)置了防火墻，信息網(wǎng)通過防火墻接入核心網(wǎng)［2-3］，核心網(wǎng)是系統(tǒng)關(guān)鍵部分。

核心網(wǎng)的前端兩臺交換機分別為交換機A、交換機B，此兩交換機互為冗余，后端兩臺交換機分別為交換機C、交換機D，此兩交換機互為冗余。在同端的交換機A與交換機B之間、交換機C與交換機D之間通過雙千兆光纜連接，前后端的交換機A與交換機C之間、交換機B與交換機D之間通過雙千兆光纜連接。各系統(tǒng)參與測控的前后端設(shè)備直接連接到四臺交換機上，實現(xiàn)測試信息交換。后端不直接參與測試的設(shè)備，連入交換機E，并通過防火墻與核心網(wǎng)絡(luò)隔離，發(fā)射場C3I系統(tǒng)通過防火墻連接，起到物理隔離，形成統(tǒng)一的整體。

4　核心網(wǎng)可靠性建模與分析

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性分析由核心網(wǎng)、信息網(wǎng)、服務(wù)器等部分組成，核心網(wǎng)是其關(guān)鍵部分，為了簡化模型僅對核心網(wǎng)進行建模與分析。為了消除系統(tǒng)單點故障，核心網(wǎng)四臺交換機構(gòu)成“環(huán)形”拓撲結(jié)構(gòu)，大大增強了系統(tǒng)的可靠性，四臺交換機允許出現(xiàn)的故障模式如下所示：

1）交換機中任何一臺故障不影響網(wǎng)絡(luò)通信。以交換機B出現(xiàn)故障為例進行說明，正常情況下，交換機B→交換機D進行通信，當交換機B出現(xiàn)故障時，其他交換機根據(jù)算法快速計算，尋找另外一條信息通道，即由交換機A→交換機C→交換機D；

2）四臺交換機中兩臺出現(xiàn)故障不影響網(wǎng)絡(luò)通信。以交換機B、交換機D同時出現(xiàn)故障為例進行說明，正常情況下，交換機B→交換機D進行通信，當交換機B、交換機D同時出現(xiàn)故障時其他交換機根據(jù)算法計算，信息傳輸由交換機A→交換機C。

通過分析得出，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性模型為串并系統(tǒng)形式，可靠性框圖（RBD）如圖2所示。

圖2　信息傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of the communication network inmanned launch vehicle

根據(jù)可靠性串并模型可知計算公式如式（1）：

由交換機指標可知，MTBF為94 076 h。系統(tǒng)連續(xù)工作時間按照射前8 h工作計算。代入可求的R=0.999 87，RS=0.999 999 932，滿足總體0.998可靠性指標要求。

5　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

5.1待發(fā)段故障診斷技術(shù)

我國載人火箭待發(fā)段故障診斷從射前-30 min開始并具備逃逸能力。待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)根據(jù)推進劑泄漏、尾艙著火、火箭傾倒和緊急關(guān)機后控制系統(tǒng)斷電失敗四種故障模式對火箭相關(guān)參數(shù)進行實時診斷，當診斷出某一故障發(fā)生，向逃逸控制臺發(fā)送逃逸告警或請求逃逸信號，根據(jù)發(fā)生故障情況，通過現(xiàn)場分析與決策，由逃逸控制臺實施逃逸控制，以確保航天員生命安全。

待發(fā)段故障診斷通過待發(fā)段故障診斷軟件實現(xiàn)，該軟件是火箭系統(tǒng)與逃逸控制臺的唯一接口，以協(xié)助完成待發(fā)段航天員的逃逸救生指揮控制任務(wù)。軟件實現(xiàn)了故障判據(jù)數(shù)據(jù)的實時接收、故障診斷、向逃逸控制臺發(fā)送逃逸信息等功能。軟件設(shè)計采用冗余技術(shù)以保證待發(fā)段逃逸救生任務(wù)的可靠性。運行于主故障診斷微機的為診斷模式，運行于副故障診斷微機的為顯示模式，顯示模式軟件為診斷模式的備份不進行操作，兩種模式信息同步顯示，當主故障診斷工作站發(fā)生異常，將副故障診斷微機的故障診斷軟件切換為診斷模式，繼續(xù)執(zhí)行待發(fā)段診斷功能。該冗余設(shè)計提高了待發(fā)段故障診斷的可靠性。待發(fā)段故障診斷軟件框架示意圖見圖3。

圖3　待發(fā)段故障診斷框架軟件示意圖Fig. 3 Block diagram of the fault diagnosis software in waiting-for-lift-off phase

5.2射前監(jiān)測技術(shù)

載人火箭射前監(jiān)測技術(shù)是指在射前-30 min至點火期間，對關(guān)鍵遙測參數(shù)進行實時監(jiān)測技術(shù)，用于在臨發(fā)射前及時、準確發(fā)現(xiàn)火箭故障。射前監(jiān)測是在火箭即將點火升空前對其進行最后一次的綜合“會診”，是輔助決策發(fā)射的主要手段，是確保發(fā)射任務(wù)成功的重要環(huán)節(jié)。運載火箭射前監(jiān)測包括信息獲取、綜合處理、分析診斷、參數(shù)顯示。信息獲取是對處理后的遙測參數(shù)信息的收集與匯總，通過網(wǎng)絡(luò)通信進行信息傳輸和交換；綜合處理是將接收后的遙測數(shù)據(jù)進行集中處理，以滿足分析和顯示要求；分析診斷是根據(jù)預(yù)先確定的判據(jù)或規(guī)則，對遙測參數(shù)進行分析判斷或推理診斷，并根據(jù)判斷或診斷結(jié)果完成射前輔助決策功能；參數(shù)顯示是將判斷或診斷后的參數(shù)進行集中或分布顯示。

射前監(jiān)測軟件采用B/S框架進行設(shè)計，由應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，應(yīng)用服務(wù)器部署WEB SERVER和用戶接口處理模塊，應(yīng)用服務(wù)軟件運行在應(yīng)用服務(wù)器上對發(fā)布數(shù)據(jù)進行集中管理并完成WEB發(fā)布。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)用Oracle數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行集中管理，在客戶端通過標準IE瀏覽器進行數(shù)據(jù)監(jiān)測與瀏覽。射前監(jiān)測軟件框架示意見圖4。

圖4　射前監(jiān)測軟件框架示意圖Fig.4 Schematic diagram of the monitoring software in p re-launch phase

5.3網(wǎng)絡(luò)信息傳輸可靠性設(shè)計

5.3.1網(wǎng)絡(luò)熱冗余路由技術(shù)

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由四臺交換機組成核心網(wǎng)。實現(xiàn)了系統(tǒng)高可靠性設(shè)計要求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備熱冗余包括交換機冗余、交換機之間鏈路冗余、網(wǎng)卡和網(wǎng)線冗余，可消除交換機、光纜（光纖）、網(wǎng)卡、網(wǎng)線單點故障。在核心層交換機中通過RSTP和HSRP協(xié)議、千兆以太網(wǎng)信道協(xié)議實現(xiàn)當任意一臺交換機或者連接鏈路出現(xiàn)故障，根據(jù)收斂算法通過快速計算，尋找另外一條信息通道，實現(xiàn)信息通路的冗余。信息傳輸網(wǎng)絡(luò)熱冗余路由技術(shù)如圖5［4］。

正常情況下，交換機A和交換機C完成控制系統(tǒng)前后端的信息通信，當交換機C出現(xiàn)故障而宕機，RSTP中的收斂算法快速計算，尋找另外一條信息通道，即由交換機A→交換機B→交換機D，同時HSRP協(xié)議將備份路由器交換機D激活成為活動路由器，默認網(wǎng)關(guān)也隨之切換到交換機D上，實現(xiàn)信息通道的快速切換。經(jīng)過試驗驗證，網(wǎng)絡(luò)收斂時間在1 s以內(nèi)，滿足發(fā)射任務(wù)要求。

5.3.2重傳驗證傳輸方法

采用以太網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)遠距離測試和發(fā)射控制，要求網(wǎng)絡(luò)信息傳輸及時、準確、可控、可追溯。以太網(wǎng)常用的UDP和TCP通信協(xié)議，因固有特性無法滿足系統(tǒng)需求，因此創(chuàng)建了基于UDP協(xié)議重傳驗證傳輸方法，該方法保證了信息傳輸網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、可追溯性。基于UDP協(xié)議重傳驗證傳輸方法，包括信息報文發(fā)送步驟和信息報文接收步驟。在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計了關(guān)鍵信息報文傳輸方法，每發(fā)送一次信息報文都需要延時，保證發(fā)送端準確接收到接收端發(fā)送確認報文，降低了虛警概率，通過三次超時重發(fā)機制，保證數(shù)據(jù)在一定時間內(nèi)傳輸?shù)膶崟r性和確定性，本發(fā)明的定時、定數(shù)的接收確認機制相比較現(xiàn)有技術(shù)而言，在犧牲部分通信效率的前提下解決了信息傳輸時間不確定性的問題，基于UDP協(xié)議重傳驗證傳輸方法見圖6。

圖5　信息傳輸網(wǎng)絡(luò)熱冗余路由技術(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of heat redundant routing in the comm unication network

圖6　基于UDP協(xié)議重傳驗證傳輸方法示意圖Fig.6 Diagram of UDP protocol based retransm ission verification transm ission method

5.4網(wǎng)絡(luò)安全防御控制技術(shù)

5.4.1等級網(wǎng)絡(luò)隔離防護技術(shù)

根據(jù)載人火箭測試和發(fā)控信息交換要求與特點，采用等級網(wǎng)絡(luò)隔離防護技術(shù)，使各系統(tǒng)參與測控的設(shè)備在核心網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)傳輸，后端不參與測試的設(shè)備在信息網(wǎng)上進行信息交換，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)采取分級進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，各系統(tǒng)參與測控的前后端設(shè)備直接連接到交換機A、交換機B、交換機C、交換機D上，實現(xiàn)遠距離信息交換，由此構(gòu)成核心網(wǎng)絡(luò)層，訪問控制為“最高級”。后端不直接參與測控的設(shè)備連入交換機E形成信息網(wǎng)絡(luò)，并通過防火墻與核心網(wǎng)絡(luò)隔離，設(shè)置訪問控制實現(xiàn)兩層間的信息交換，此為“次高級”。通過防火墻連接外系統(tǒng)，并將其設(shè)置為“最低級”，起到完全隔離的作用，這樣形成多層次分級管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時防火墻將基地C3I系統(tǒng)隔離，等級網(wǎng)絡(luò)隔離防護技術(shù)見圖7。

圖7　等級網(wǎng)絡(luò)隔離防護技術(shù)示意圖Fig.7 Schematic diagram of isolation protection technology in hierarchical network

5.4.2基于端口鏡像網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)

對各系統(tǒng)前后端關(guān)鍵設(shè)備采用基于物理芯片端口鏡像技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)事件分析和對關(guān)鍵信息事后分析與排故。端口鏡像技術(shù)是將源端口或特定的VLAN的流量映射到一個目的端口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)據(jù)的分析。端口鏡像不會影響源端口的網(wǎng)絡(luò)流量交換，將不再轉(zhuǎn)發(fā)除端口鏡像流量外的任何流量，并只由端口鏡像程序使用［5］。

根據(jù)連接到信息傳輸網(wǎng)絡(luò)各系統(tǒng)設(shè)備特點，在前后端各配置一臺網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測微機，對關(guān)鍵節(jié)點進行端口鏡像網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，采用專用分析軟件對鏡像數(shù)據(jù)進行抓包和分析，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和分析軟件運行界面見圖8。

圖8　基于端口鏡像網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測示意圖Fig.8 Schematic diagram of portm irroring based network monitoring

6　結(jié)論

通過對載人火箭信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究，實現(xiàn)了安全、可靠的地面信息交換平臺，滿足可靠信息傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全、快速收斂等需求，系統(tǒng)已成功完成天宮一號發(fā)射任務(wù)、神舟八號交會對接任務(wù)、神舟九號/神舟十號載人交會對接任務(wù)，取得飛行試驗的圓滿成功，為載人航天工程任務(wù)的順利實施奠定了基礎(chǔ)。本技術(shù)成功應(yīng)用優(yōu)化了信息傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模式，提供了標準網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系構(gòu)建，對后續(xù)運載火箭信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研制具有重要借鑒意義。

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Study on Architecture Design and Key Technology of Communication Network in M anned Launch Vehicle

ZHANG Chenguang1，SUN Yikun2，LIU Qiaozhen1，PENG Yue1，LIJing1
（1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China；2.Beijing Special Engineering Design Institute，Beijing 100028，China）

The communication network in Manned Launch Vehicle was developed for long-range testing，launch and control of launch vehicle，in which hot-standby route and retransmission validation protocol were used to build the information interchange platform with high efficiency and high reliability.On the basis of the system frame design and reliability analysis，applying key technology of the faultdiagnosis in waiting-for-lift-off phase and the rocket launch process command，a highly reliable communication network system was implemented.The system was successfully applied to the manned space program.The technology was successfully applied to the optimization of the rocket’s information transmission and application mode.A standard system framework was provided.It can be applied to the system design of future rocket and spacecraft information transmission and application.

manned launch vehicle；information transmission；communication network

V556

A

1674-5825（2015）02-0153-05

2014-10-23；

2015-02-10

張晨光（1973-），男，碩士，高級工程師，研究方向為運載火箭電氣系統(tǒng)總體設(shè)計。E-mail：zcg2073@sina.com