周 虎，胡海峰，凌 震

(1.北京航天自動控制研究所,北京100854；2.宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100854)

1 引言

隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步與電子、控制等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,近地空間載人航天活動日益常態(tài)化,空間站實(shí)驗(yàn)與各類太空旅游業(yè)等各類載人航天任務(wù)蓬勃發(fā)展［1］,客觀上對運(yùn)載火箭發(fā)射控制的敏捷程度、測試和數(shù)據(jù)分析自動化程度等方面提出了更高的要求。目前美國Falcon-9、歐空局Ariane-5、Vega、日本H2A/B,以及我國新一代運(yùn)載火箭均已采用了1553B總線體制+箭上BIT測試作為電氣系統(tǒng)主要測試方案［2］,但考慮到載人航天對系統(tǒng)可靠性、測試覆蓋性等高標(biāo)準(zhǔn)要求,1553B較低的總線帶寬與通信速率、較短的傳輸距離約束了測試數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸能力,不利于故障診斷、智能決策等技術(shù)的深度應(yīng)用,影響了對電氣系統(tǒng)的控制功能以及運(yùn)載火箭整體性能評估的準(zhǔn)確性；同時復(fù)雜的箭地通信體制以及地面設(shè)備間多種數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)姆绞接窒拗屏嗽O(shè)備的快速接入與系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。因此,依托先進(jìn)的信息與控制技術(shù),設(shè)計滿足載人航天運(yùn)載火箭需求的高帶寬、高實(shí)時性、高可靠性、易擴(kuò)展箭地一體化總線體制,提升運(yùn)載火箭實(shí)時數(shù)據(jù)吞吐率,以充分發(fā)揮各類計算資源強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與分析能力,能夠在根本上實(shí)現(xiàn)大幅度降低載人航天運(yùn)載火箭測試成本、提高測試效率與覆蓋性的目的。

目前具備高帶寬、高實(shí)時性、高可靠性與易擴(kuò)展特征的高速總線主要包括航空領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex Switcher Ethernet Network,AFDX)［3］、光纖通道 1553(Fiber Channel 1553,FC-1553)［4］、時間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time Triggered Ethernet,TTE)［5］等,但AFDX采用速率受限通信機(jī)制,不利于運(yùn)載火箭高實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸［6］,而國內(nèi)針對 FC-1553、TTE兩類總線的研究剛剛起步,短期內(nèi)尚達(dá)不到實(shí)際工程應(yīng)用的程度［7］。

工業(yè)自動化以太網(wǎng)(Ethernet for Plant Automation,EPA)總線是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)控制總線［8］,屬于實(shí)時以太網(wǎng)的范疇,其物理層與數(shù)據(jù)鏈路層兼容IEEE 802.3、IEEE 802.11、IEEE 802.15規(guī)范,網(wǎng)絡(luò)層以及傳輸層采用TCP(UDP)/IP協(xié)議,并在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間定義了一個EPA通信調(diào)度接口。EPA具備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)精確時鐘同步、周期報文/非周期報文傳輸調(diào)度管理能力,支持星型、線型、環(huán)型和多網(wǎng)級聯(lián)混合拓?fù)涞染W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型與鏈路冗余、設(shè)備冗余、環(huán)網(wǎng)冗余等多種冗余方式,能夠適應(yīng)10/100/1000 Mbps通信速率,EPA節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)65 535個［9］。由于未采用類似于1553B的主從式通信方式,EPA避免了主節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致全網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風(fēng)險,同時由于EPA對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)良好的兼容性,可充分利用以太網(wǎng)通信靈活的優(yōu)勢,基于EPA快速構(gòu)建運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)箭地一體化總線通信網(wǎng)絡(luò),降低系統(tǒng)設(shè)計難度。

權(quán)赫等［10］通過設(shè)計箭地間高速總線體制,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭BIT測試數(shù)據(jù)的實(shí)時下傳,但未對箭上設(shè)備間通信模式進(jìn)行分析；曾星星等［11］基于以太網(wǎng)設(shè)計了航天飛行器綜合電子系統(tǒng),但未考慮信息傳輸?shù)拇_定性與實(shí)時性指標(biāo)等約束條件；鄭建林［12］基于時間片分析法探討了火箭控制系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但沒有對運(yùn)載火箭可能的海量測試數(shù)據(jù)的傳輸效率問題開展進(jìn)一步論證。本文在分析載人航天運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)信息傳輸與處理需求基礎(chǔ)上,對基于EPA總線的電氣系統(tǒng)包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、信息冗余傳輸模式、數(shù)據(jù)流規(guī)劃與性能評估等在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論證,形成可用于某型載人航天運(yùn)載火箭的可行電氣系統(tǒng)設(shè)計方案。

2 箭地一體化通信體制設(shè)計

2.1 電氣系統(tǒng)方案及信息處理要求

電氣系統(tǒng)方案規(guī)劃如下：將箭載控制計算機(jī)作為核心信息處理器,接收電氣系統(tǒng)慣性測量單元、GNSS單元等各類傳感器的輸入信息和地面計算機(jī)上傳的測試控制指令,實(shí)現(xiàn)火箭制導(dǎo)與姿控計算功能；并輸出控制指令到各級綜合控制器和伺服控制器等各類執(zhí)行機(jī)構(gòu),驅(qū)動其執(zhí)行相應(yīng)的動作,控制箭體按預(yù)定軌道穩(wěn)定飛行。單獨(dú)配置的測量控制器通過總線接收網(wǎng)絡(luò)中各類設(shè)備BIT測試數(shù)據(jù),并經(jīng)遙測通道獨(dú)立傳輸至地面。

要求測試發(fā)射控制系統(tǒng)采用主控計算機(jī)進(jìn)行測試控制指令上傳與裝訂諸元、程序,并監(jiān)聽總線數(shù)據(jù),同時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)服務(wù)器,便于后續(xù)判讀分析、故障診斷等相關(guān)處理。

2.2 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接反映電氣系統(tǒng)設(shè)備間的信息互聯(lián)關(guān)系。考慮網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余與運(yùn)載火箭飛行過程中級段分離要求,基于EPA的星型、線型、環(huán)型結(jié)構(gòu)運(yùn)載火箭總線拓?fù)湓O(shè)計如圖1～3所示。

如圖1所示,EPA星型拓?fù)浞桨钢屑厮型ㄐ殴?jié)點(diǎn)均直連至交換機(jī)。交換機(jī)置于箭上末級,以保證級間分離后處于工作狀態(tài)的電氣系統(tǒng)設(shè)備間能夠繼續(xù)可靠通信。該方案物理鏈路與信息流向一致,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,但不同級段節(jié)點(diǎn)到交換機(jī)距離遠(yuǎn),長通信線纜多,不利于箭體減重；且中心交換節(jié)點(diǎn)為單點(diǎn),限制了系統(tǒng)整體可靠性。

如圖2所示,EPA線型拓?fù)浞桨钢屑厮型ㄐ殴?jié)點(diǎn)串行連通。相比星型拓?fù)?該方案節(jié)省了一套交換機(jī),且除級間互聯(lián)外,任一節(jié)點(diǎn)僅需與本級段兩組相鄰節(jié)點(diǎn)直接相連,因此通信電纜總長度最短,但任一通信節(jié)點(diǎn)均為單點(diǎn),總線網(wǎng)絡(luò)可靠性低。

環(huán)網(wǎng)避免了單一通信節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致鏈路斷開的弊端,是對線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)在可靠性方面的拓展。如圖3所示,除通常意義上的環(huán)網(wǎng)外,EPA總線還可以設(shè)計局部環(huán)網(wǎng)冗余鏈路1、2。EPA總線基于分布式冗余協(xié)議(Distributed Redundancy Protocol,DRP)技術(shù)［13］,在初始狀態(tài)情況下禁用冗余鏈路；一旦檢測到由于級間分離導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)退化為線型網(wǎng)絡(luò),則啟用相應(yīng)的冗余鏈路,動態(tài)形成新的環(huán)網(wǎng)拓?fù)?以保證高的通信可靠性。但通信鏈路上所有節(jié)點(diǎn)均參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量的增長,傳輸延遲將線性增加,將對系統(tǒng)總線吞吐率特別是對于某些需要及時響應(yīng)并處理的信息造成較為明顯的影響。

由以上分析可知,星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,信息交互速度快,設(shè)備易接入；線型拓?fù)渚€纜最短。綜合考慮系統(tǒng)可靠性、吞吐率與減重要求,采用級內(nèi)星型連接、級間交換機(jī)線型級聯(lián)的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。

2.3 信息傳輸與處理冗余模式

根據(jù)信息產(chǎn)生、接收與處理方式不同,運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)備可劃分為布置于箭上各級段的傳感器、處理器、執(zhí)行器,以及地面主控計算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等5類功能單元。為滿足載人航天對于可靠性的高標(biāo)準(zhǔn)要求,其中接入安全、控制系統(tǒng)回路的箭上關(guān)鍵設(shè)備采用三冗余模式；各節(jié)點(diǎn)分別接入網(wǎng)絡(luò)中［14］。箭上其他非關(guān)鍵傳感器類設(shè)備可采用單節(jié)點(diǎn)方式接入系統(tǒng)總線。

以某載人航天運(yùn)載火箭采用的三冗余捷聯(lián)慣組為例,設(shè)t時刻三套慣組同一物理量測試值分別為P1(t)、P2(t)、P3(t),箭載計算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后,計算 P1(t) － P2(t)、P2(t) － P3(t)、P3(t) －P1(t),若計算結(jié)果分別小于某一預(yù)設(shè)閾值,則ε1(t) ＝ 1、ε2(t) ＝ 1、ε3(t) ＝ 1,否則ε1(t) ＝ 0、ε2(t) ＝ 0、ε3(t) ＝ 0。當(dāng)ε1(t)+ε2(t)+ε3(t) ＞1時,即可以滿足εi(t)＝1的任意Pi(t)值作為實(shí)際采用的測試值,從而實(shí)現(xiàn)三取二表決,屏蔽一度故障［15］,其中 i ＝ 1,2,3。

為保證電氣系統(tǒng)測試時箭地指令發(fā)送與數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量,特別是某些應(yīng)急操作的可靠性,地面設(shè)備通常采用雙機(jī)熱備冗余方式連接至冗余網(wǎng)絡(luò)［16］。由于EPA協(xié)議本身支持各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的鏈路冗余,因此必要時節(jié)點(diǎn)間可采用雙冗余物理鏈路方式提高通信過程中的報文發(fā)送可靠性,以消除信息傳輸鏈路單點(diǎn)。

2.4 電氣系統(tǒng)通信方案

綜合考慮箭上重量約束條件,以可用于載人航天發(fā)射任務(wù)的某型號二級火箭為例,一種基于EPA的電氣系統(tǒng)箭地一體化混合級聯(lián)總線拓?fù)湓O(shè)計如圖4,其中級間采用交換機(jī)互聯(lián),級內(nèi)基于雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別接入級內(nèi)兩臺交換機(jī)實(shí)現(xiàn)通信鏈路冗余；非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)僅與一臺交換機(jī)連接。圖中三冗余節(jié)點(diǎn)中,除處理器B用于箭上測試數(shù)據(jù)經(jīng)有線、無線方式轉(zhuǎn)發(fā)外,其余節(jié)點(diǎn)均與飛行控制直接相關(guān)。

3 總線性能分析

以新一代運(yùn)載火箭廣泛應(yīng)用的1553B總線體制為對比對象,分析基于EPA總線協(xié)議的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信性能如下。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸時間

假設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B間存在經(jīng)由N臺交換機(jī)的EPA邏輯鏈路LAB,則完成一次實(shí)時通信占用的時間TAB可通過式(1)計算：

TS、TP、TR分別為數(shù)據(jù)發(fā)送時間、交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時間以及線纜傳輸延時。其中數(shù)據(jù)發(fā)送時間滿足式(2)：

式中 TIFG、TPRM、TSFD、TADD、TLTH、TDAT、TFCS依次為基于802.3協(xié)議定義的96 bit的幀間間隙(InterFrame Gap)、56 bit的幀前序(Preamble)、8 bit的幀起始符(Start of Frame Delimiter)、96 bit的MAC層目的地址與源地址(Delivery Address＆Source Address)、16 bit的幀長度指示區(qū)(Length)、46～1500 byte的可變字節(jié)客戶數(shù)據(jù)區(qū)(MAC Client Data)、32 bit的幀校驗(yàn)區(qū)(Frame Check Sequence)。當(dāng)有效客戶數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)k＜46 byte時,客戶數(shù)據(jù)區(qū)將用零值填充至46 byte［17］。因此實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)長度為8×MAX(46,k)bit,其中MAX表示取46與k間較大的那個數(shù)值。設(shè)EPA總線帶寬為H(單位為Hz),依據(jù)式(2),數(shù)據(jù)發(fā)送時間計算結(jié)果如式(3)所示：

為提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時性,設(shè)計全雙工交換機(jī)在接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時,不等待數(shù)據(jù)完全接收,即可立即通過目的端口轉(zhuǎn)發(fā)［18］。此時可視為數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)發(fā)送過程同步進(jìn)行,不再單獨(dú)計算數(shù)據(jù)接收時間,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時間近似如式(4)所示：

再設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B間物理鏈路長度為Y,由于電磁波在光纖或者銅纜中傳輸速率為真空光速的2/3,可求得線纜數(shù)據(jù)傳輸延時如式(5)所示：

從而由(1)～(5)式可得式(6)：

采用標(biāo)準(zhǔn)1553B協(xié)議時兩個RT節(jié)點(diǎn)A、B間完成一次實(shí)時通信占用時間T′AB可通過式(7)計算：

式中 TRC、TSC、TRR、TSR、TD分別為接收命令字、發(fā)送命令字、接收狀態(tài)字、發(fā)送狀態(tài)字、數(shù)據(jù)字發(fā)送時間,TI為所有消息間的時間間隔,TR為線纜傳輸延時。消息間隔時間與響應(yīng)時間均取最小值4 μs,當(dāng)有效客戶數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)k＜64 byte時,計算可得式(8)：

其中1553B總線帶寬 H′為1 MHz。假設(shè)Y＝100 m,N＝3,若采用百兆以太網(wǎng),傳輸?shù)挠行Э蛻魯?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)k＝1～46 byte時,將參數(shù)代入式(6)、(8),兩類總線數(shù)據(jù)傳輸時間如圖5所示,由圖可知,EPA總線為該通信邏輯鏈路分配的時隙不小于2.738 μs即可避免消息碰撞,而隨著發(fā)送數(shù)據(jù)量的增加,1553B總線傳輸該類信息最大傳輸時間接近 200 μs。

3.2 系統(tǒng)控制周期

以圖4所示電氣系統(tǒng)為例,設(shè)級內(nèi)各節(jié)點(diǎn)距離交換機(jī)小于10 m,一二級、一級與助推級、一級與地面級交換機(jī)距離分別為30 m、20 m、50 m。將總線周期信息鏈路主要分為如下幾類：①箭上傳感器A到處理器A、處理器A到執(zhí)行器A的飛行控制信息鏈路；②各類傳感器、執(zhí)行器以及控制處理器A到測量處理器B的箭上BIT測試信息鏈路；③地面主控計算機(jī)與箭上處理器A間的箭地控制交互信息；④實(shí)現(xiàn)海量箭測數(shù)據(jù)實(shí)時下傳至地面服務(wù)器的通信鏈路。為保證系統(tǒng)可靠性并充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬,邏輯鏈路進(jìn)一步采用了組播式全冗余數(shù)據(jù)傳輸模式,即數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)經(jīng)由冗余物理鏈路將數(shù)據(jù)組播到多個同類型數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)；而數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)接收多個同類型數(shù)據(jù)源經(jīng)由冗余物理鏈路的總線數(shù)據(jù)。如圖4中執(zhí)行器A節(jié)點(diǎn)1、2、3均接收處理器A 節(jié)點(diǎn)1、2、3經(jīng)由冗余交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的周期數(shù)據(jù),故一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)接收邏輯鏈路為6條,三冗余節(jié)點(diǎn)共計18條邏輯鏈路,如表1所示,其中助推器以4臺計。

設(shè)一個控制周期內(nèi)傳感器C～G至處理器B傳輸有效字節(jié)數(shù)為2k,處理器B至服務(wù)器傳輸有效字節(jié)數(shù)為20k,其余邏輯鏈路間傳輸有效字節(jié)數(shù)均為k,當(dāng)k＝1～46 byte時,考慮1553B采用三總線機(jī)制以降低數(shù)據(jù)鏈路復(fù)雜性的前提下,與采用單以太網(wǎng)總線的最小控制周期可分別由式(9)、(10)計算,對比結(jié)果如圖6所示。

表1 一個控制周期數(shù)據(jù)傳輸時隙計算值Table 1 Transmission slot for periodic data

式(9)中,n、ki、Ni、Yi分別為邏輯鏈路總數(shù)、邏輯鏈路Li對應(yīng)的有效客戶信息量字節(jié)數(shù)、經(jīng)由的交換機(jī)數(shù)量、物理鏈路長度。由圖6可知,盡管采用了三總線機(jī)制,1553B最小控制周期隨著發(fā)送字節(jié)的增加有不斷惡化的趨勢,而EPA總線始終能夠保持不大于5 ms的最小控制周期,從而保證了系統(tǒng)控制精度。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸效率

定義一個控制周期內(nèi)單位數(shù)據(jù)傳輸時間內(nèi)有效客戶數(shù)據(jù)流量均值為數(shù)據(jù)傳輸效率。則基于EPA總線與1553B總線體制的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率分別如式(11)、(12)所示：

運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)總體方案確定后,上式中宏周期內(nèi)周期數(shù)據(jù)總量然,當(dāng)邏輯鏈路數(shù)量n值減小而數(shù)據(jù)發(fā)送幀有效客戶數(shù)據(jù)量平均值8ki增加時,Q、Q′均趨近于最大值。因此實(shí)際總線規(guī)劃時,一方面可以通過將多個具有低采樣速率、低帶寬的傳感器周期客戶數(shù)據(jù)經(jīng)組幀處理后再統(tǒng)一接入EPA總線傳輸,借此大規(guī)模壓縮站點(diǎn)數(shù)量,這也是圖2中各級接入總線網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限的原因；另一方面可將箭上BIT測試數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的站點(diǎn)下傳至地面判讀,而不采取分別下傳的方式,也能夠有效減少邏輯鏈路數(shù)量,從而能夠使得總線整體上具備更高的傳輸效率。

傳輸有效字節(jié)數(shù)取值與3.2節(jié)相同時,兩類總線對應(yīng)的傳輸效率如圖7所示?？梢奅PA總線理論傳輸效率可達(dá)到Mb/s級別,而1553B對應(yīng)的Q′不超過60 kb/s。

4 結(jié)論

相對于傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)方案,基于EPA總線的電氣系統(tǒng)具備高總線帶寬、高響應(yīng)速度等特點(diǎn),在消息傳輸占用總線時間、理論最小控制周期、傳輸效率等性能方面至少存在一個數(shù)量級的提升?？紤]到EPA總線擴(kuò)展的便捷性,通過多維度通信冗余設(shè)計,能夠滿足載人航天運(yùn)載火箭對安全性、可靠性、數(shù)據(jù)吞吐率、測試覆蓋性等各方面要求,可以應(yīng)用于未來載人航天運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計中。特別是其物理層與數(shù)據(jù)鏈路層兼容IEEE 802.3等標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議,隨著工業(yè)領(lǐng)域千兆、萬兆以太網(wǎng)等技術(shù)的不斷普及,在通信實(shí)時性、高帶寬等方面將會體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。