王 洋，姜云升，任 凱，劉丹陽，韓 明

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

測控通信是運載火箭在飛行試驗中獲取數(shù)據(jù)的重要手段，是發(fā)射任務成功的重要保證之一。運載火箭在測試和飛行期間，內(nèi)部的各種狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)通過測控通信系統(tǒng)傳輸至地面，作為設計人員了解火箭測試和飛行狀態(tài)的最重要依據(jù)[1]。

從1959年開始，美國靶場指揮官委員會(Range Commanders Council，RCC)下屬遙測組(Telemetry Group，TG)提出并維護靶場儀器組(Inter-Range Instrumentation Group，IRIG)106協(xié)議[2]，協(xié)議旨在保證RCC管轄內(nèi)各試驗靶場遙測應用的互通性。2004年，美國核心試驗和評估投資計劃(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)實施了集成網(wǎng)絡增強遙測(integrated Network Enhanced Telemet-ry，iNET)項目[3]，以期達到增強已有遙測系統(tǒng)能力的目的。與此同時，提出遙測網(wǎng)絡標準(Telemetry Network Standard，TmNS)作為iNET項目的核心內(nèi)容，旨在規(guī)范各組成部分之間的互通性，指導系統(tǒng)的開發(fā)。IRIG 106每兩年進行一次更新，從2001版開始，IRIG 106標準便加入了遙測網(wǎng)絡的部分，目前IRIG 106最新版本為2020版，此版本中第二部分(第21～28章)是對遙測網(wǎng)絡標準TmNS的介紹。

目前我國運載火箭主要采用點對點、單向傳輸?shù)臒o線測控方式，即箭上測量系統(tǒng)將信息經(jīng)過PCM-FM調(diào)制后通過無線鏈路發(fā)送給地面站，無線鏈路采用S頻段。該遙測體制遵循我國現(xiàn)行的GJB遙測標準[4]，該標準基本上是參考美國IRIG106遙測標準制定的。

近年來，隨著我國運載火箭規(guī)模的增大以及發(fā)射任務的密集化，傳統(tǒng)的點對點、單向傳輸?shù)倪b測技術已經(jīng)不能滿足飛行試驗測控需求的變化與增長，在網(wǎng)絡互聯(lián)技術迅猛發(fā)展的推動下，多點對多點、雙向通信的天地一體化網(wǎng)絡傳輸技術成為了新的研究熱點[5-7]，帶來了遙測體制的變革[8-9]。本文以TmNS為基礎，提出了基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡的思路及實現(xiàn)方法。

1 TmNS標準簡介

1.1 TmNS特性

TmNS的核心設計原則是為建立基于網(wǎng)絡的遙測系統(tǒng)提供框架，通過提高頻譜效率來實現(xiàn)飛行試驗測控手段的變革，是對現(xiàn)有遙測系統(tǒng)功能的增強和擴展。TmNS在保留傳統(tǒng)PCM串行遙測流(Serial Streaming Telemetry，SST)功能的基礎上，利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)標準協(xié)議(TCP/IP協(xié)議棧)以及新設計的特定協(xié)議，提供路由、服務質(zhì)量和擁塞控制等特性，使新型遙測系統(tǒng)具備以下幾大增強功能[10-11]：

1)雙向通信功能：可分別從傳感器和存儲器上實時查看被測對象(Test Article，TA)當前和歷史測量數(shù)據(jù)；當PCM信號失鎖時可以近實時地恢復丟失的測量數(shù)據(jù)；地面站可為被測對象提供參數(shù)配置、指令控制等功能。

2)動態(tài)頻譜共享：多發(fā)試驗任務并行開展時，具備提供遙測頻譜資源共享的能力。

3)服務質(zhì)量：可根據(jù)特定試驗任務或特定測量數(shù)據(jù)(如話音數(shù)據(jù))的優(yōu)先級來動態(tài)共享頻譜資源。

4)全互聯(lián)系統(tǒng)：可為被測對象提供從一個天線到另一個天線的發(fā)射/接收數(shù)據(jù)的無縫切換能力，包括在不同網(wǎng)絡和其他靶場內(nèi)的天線。TmNS使用術語“接力”來描述該類型切換。

5)視距外遙測：為包含多個被測對象和遠距離射程的靶場試驗提供被測對象到被測對象的中繼通信能力。

1.2 TmNS協(xié)議棧

為實現(xiàn)測控網(wǎng)絡中成員之間的雙向通信(互聯(lián)互通)，TmNS利用了現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議棧，并在其基礎上進行了一些適應性更改[12]。

TCP/IP協(xié)議棧是一個4層的協(xié)議結構，它包含應用層、運輸層、IP層、網(wǎng)絡接入層(數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)，其中每一層都服務于上一層，同時被其下面的層所服務，發(fā)送端數(shù)據(jù)從TCP/IP協(xié)議棧的應用層自上而下傳遞到物理層，從發(fā)送端的物理層經(jīng)過特定的傳輸媒介達到接收端的物理層，再自下而上傳遞到接收端的應用層被接收。TCP/IP協(xié)議棧中各層之間是嚴格獨立的，對其中一層的改動不會影響到其他層，每層允許使用不同的協(xié)議技術。

圖1給出了基于TCP/IP協(xié)議棧的TmNS協(xié)議棧設計，其中，中間協(xié)議族為被TmNS選中的已有TCP/IP協(xié)議，右邊協(xié)議族為TmNS設計的特定協(xié)議。同時，為方便讀者理解，將現(xiàn)有傳統(tǒng)的PCM-FM遙測體制(左邊協(xié)議族)放入TCP/IP協(xié)議棧相應層中與TmNS協(xié)議棧進行對比，可以看出，傳統(tǒng)的PCM-FM遙測體制僅規(guī)范了一些底層的物理特性和協(xié)議，例如頻率、信道編碼、編幀、調(diào)制方式等，這些均是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術，不存在應用層、運輸層和IP層。

1.3 TmNS系統(tǒng)架構

如圖2所示，TmNS系統(tǒng)架構包含4個子系統(tǒng)(不強制基于TmNS的系統(tǒng)都包含這4個子系統(tǒng)，但是典型的系統(tǒng)部署應包含這4部分)，4個子系統(tǒng)的功能描述如下[13]：

圖1 基于TCP/IP協(xié)議棧的TmNS協(xié)議棧Fig.1 TmNS protocol stack based on TCP/IP protocol stack

圖2 TmNS系統(tǒng)架構圖Fig.2 TmNS system architecture diagram

1)被測對象子系統(tǒng)(Test Article Subsystem，TAS)：空中的被測對象為數(shù)據(jù)采集單元、存儲器、遙測傳輸設備等提供基于網(wǎng)絡的接口，用于對設備進行配置和控制以及設備健康和狀態(tài)信息的回傳。同時，被測對象還具備與現(xiàn)有的傳統(tǒng)PCM遙測系統(tǒng)進行交互的接口。

2)地面站子系統(tǒng)(Ground Antenna Subsystem，GAS)：地面站子系統(tǒng)用于連接被測對象與靶場操作中心兩個子系統(tǒng)，為被測對象提供雙向無線鏈路，可依賴于現(xiàn)有的跟蹤機制，例如跟蹤被測對象發(fā)射的SST信號。

3)靶場操作子系統(tǒng)(Range Operations Subsystem，ROS)：該子系統(tǒng)用于將地面站子系統(tǒng)中的射頻組件與靶場操作中心進行互聯(lián)，具備遠程管理地面站子系統(tǒng)中跟蹤天線、網(wǎng)絡設備(交換機和路由器)等資源的能力。

4)任務控制子系統(tǒng)(Mission Control Subsystem，MCS)：任務控制子系統(tǒng)可與被測對象進行通信，具備接入現(xiàn)有遙測處理系統(tǒng)的接口，還具備處理TmNS數(shù)據(jù)消息的所需資源。

2 基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡設計

現(xiàn)有運載火箭PCM遙測系統(tǒng)中，需要提前策劃數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容及幀格式，即PCM數(shù)據(jù)流格式是提前編排好的，根據(jù)每發(fā)任務需求進行差異化設計。該工作模式顯著優(yōu)點是傳輸可靠性和實時性好，在現(xiàn)有運載火箭遙測參數(shù)規(guī)模及發(fā)射頻度下，可以滿足任務需求。隨著運載火箭遙測參數(shù)規(guī)模逐步擴大以及并行試驗任務的日益增多，這種單向、點對點、結構不靈活的工作模式不能滿足未來運載火箭測控的需求，頻譜資源利用等問題也日益突出。TmNS標準的提出，使得在傳統(tǒng)PCM遙測鏈路外增加了上下行的雙向無線網(wǎng)絡鏈路，實現(xiàn)遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和天地一體化，基于雙向IP網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)按需遙測的能力，即可根據(jù)策劃或者突發(fā)事件更改遙測傳輸內(nèi)容，同時可提供基于任務和數(shù)據(jù)優(yōu)先級的服務質(zhì)量；具備動態(tài)資源共享能力，可支持多發(fā)并行試驗任務，解決了頻譜資源緊張的問題。

在現(xiàn)有運載火箭PCM遙測系統(tǒng)基礎上，基于TmNS標準構建的新型運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡系統(tǒng)框圖如圖3所示，該系統(tǒng)可以劃分為火箭內(nèi)部網(wǎng)絡、地面站、靶場操作中心、任務控制中心等4部分，各部分組成和功能描述如下。

2.1 火箭內(nèi)部網(wǎng)絡

傳統(tǒng)PCM數(shù)據(jù)流向如圖3中紅色實線框中所示，由箭上PCM數(shù)據(jù)采集單元將采集的測量數(shù)據(jù)傳輸給PCM編幀加密設備進行遙測編幀及數(shù)據(jù)加密，加密后的PCM數(shù)據(jù)通過SST發(fā)射機轉(zhuǎn)換為射頻信號后，傳給天線系統(tǒng)發(fā)射出去，在未來較長一段時間內(nèi)，將會保留傳統(tǒng)PCM碼流用于傳輸高可靠性和實時性要求的數(shù)據(jù)。

基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡在現(xiàn)有PCM數(shù)據(jù)流(SST)基礎上增加了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流，即TmNS數(shù)據(jù)流。首先，箭載Network數(shù)據(jù)采集單元將采集到的測量數(shù)據(jù)封裝在TmNS數(shù)據(jù)消息(Data Message)中，根據(jù)用戶需求，采用LTC傳輸協(xié)議(Latency/Throughput Critical Delivery Protocol)將TmNS數(shù)據(jù)消息傳遞給MDL文件(該文件用于配置和控制基于TmNS的設備以及獲取其狀態(tài)等信息)中定義的目的地址(如傳遞給箭載TmNS存儲器進行備份或者地面遙測處理設備進行數(shù)據(jù)的分析與顯示)。箭載TmNS存儲器可利用LTC傳輸協(xié)議接收TmNS數(shù)據(jù)消息，將其存儲在固態(tài)介質(zhì)中，也可將利用RC傳輸協(xié)議(Reliablity Critical Delivery Protocol)將被請求的數(shù)據(jù)發(fā)送給任務控制中心的TmNS存儲器。火箭內(nèi)部各網(wǎng)絡設備通過交換機進行互聯(lián)互通，TmNS數(shù)據(jù)消息先經(jīng)過網(wǎng)絡加密機進行加密，再傳遞給TmNS發(fā)射機生成射頻信號通過天線系統(tǒng)發(fā)射出去，天線系統(tǒng)接收到地面站發(fā)送的射頻信號后傳遞給TmNS接收機，再經(jīng)過網(wǎng)絡解密機進行解密后得到TmNS數(shù)據(jù)消息發(fā)給相應設備。

同時，SST與TmNS數(shù)據(jù)流之間可以相互轉(zhuǎn)換，這一功能也是基于TmNS的新增功能，由箭載PCM網(wǎng)關和Network網(wǎng)關實現(xiàn)[14]。PCM網(wǎng)關可根據(jù)MDL文件從未加密PCM數(shù)據(jù)流中選擇所需要的PCM數(shù)據(jù)，通過TMoIP協(xié)議轉(zhuǎn)換為IP包，實現(xiàn)將PCM數(shù)據(jù)承載在IP網(wǎng)絡中傳輸。Network網(wǎng)關可根據(jù)MDL文件從IP包中選擇所需要的測量數(shù)據(jù)(IP包)，通過數(shù)據(jù)包遙測技術轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送到SST發(fā)射機。

2.2 地面站

地面站的天線系統(tǒng)接收到箭上天線系統(tǒng)發(fā)射的無線信號，將TmNS無線信號送給TmNS接收機處理，將SST無線信號送給SST接收機處理，分別解調(diào)出加密后的IP包和加密后的PCM數(shù)據(jù)流送給任務控制中心進行處理。加密后的PCM數(shù)據(jù)可以通過地面站PCM網(wǎng)關轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)PCM在靶場網(wǎng)絡中的傳輸，也可以直接送給任務控制中心的PCM解密機進行解密處理。任務控制中心的指控數(shù)據(jù)(IP包格式)，通過靶場網(wǎng)絡發(fā)送給地面站TmNS發(fā)射機生成射頻信號，再通過地面天線系統(tǒng)向空間發(fā)射出去。同時，地面站TmNS發(fā)射機/接收機可受靶場操作中心的鏈路管理器(Link Manager，LM)的控制，執(zhí)行鏈路控制功能，通過靶場網(wǎng)絡接收LM發(fā)送的控制信息，該信息規(guī)定了上行/下行傳輸開始和結束的精確時間，還可接收射頻(Radio Frequency，RF)網(wǎng)絡管理指令并做出響應。

2.3 靶場操作中心

位于靶場操作中心的RF網(wǎng)絡管理器(RF Network Manger)負責管理RF網(wǎng)絡資源，對RF網(wǎng)絡中的相關設備進行優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)，包括協(xié)調(diào)靶場內(nèi)和靶場間地面站接力的具體細節(jié)，協(xié)調(diào)RF鏈路和RF網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)讓訖C制的更新，協(xié)調(diào)RF網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)配置的更新等。鏈路管理器負責策劃TmNS發(fā)射機/接收機的RF傳輸，為地面站和被測對象之間的所有上下行鏈路的RF傳輸分配時隙，即提供時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的控制功能。這些網(wǎng)絡管理信息均承載在IP包中，經(jīng)靶場網(wǎng)絡送給地面站的TmNS發(fā)射機/接收機。

圖3 基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of TmNS-based space-earth integrated TT&C network for launch vehicles

2.4 任務控制中心

具備傳統(tǒng)PCM數(shù)據(jù)流的接收功能，通過任務控制中心的PCM解密機對地面站SST接收機輸出的加密PCM數(shù)據(jù)流進行解密后送給中心的遙測處理設備，還可以通過任務控制中心的Network網(wǎng)關將從靶場網(wǎng)絡送來的IP包中承載的加密后的PCM數(shù)據(jù)剝離出來(該過程為TMoIP的逆過程)，送入PCM解密機解密后給遙測處理設備進行處理。同時，任務控制中心PCM網(wǎng)關從PCM數(shù)據(jù)流中找到相應的IP包(該過程為數(shù)據(jù)包遙測的逆過程)，通過交換機送給相應的遙測處理設備；任務控制中心Network網(wǎng)關接收到含有PCM數(shù)據(jù)的IP包，將其解析后(該過程為TMoIP的逆過程)傳送給相應的遙測處理設備。

3 關鍵技術研究

3.1 TmNS數(shù)據(jù)消息傳輸協(xié)議

在基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡系統(tǒng)中，測量數(shù)據(jù)在應用層以TmNS數(shù)據(jù)消息的格式進行傳遞。TmNS數(shù)據(jù)消息結構如圖4所示，由TmNS數(shù)據(jù)消息頭域和載荷域構成，其中TmNS數(shù)據(jù)消息載荷域中包含多個信息包，每個信息包中均存放有測量信息。

（1）在初始參數(shù)均為地板厚度30mm；功率150W/m2；室外溫度-8℃；相對誤差0.001時，隨著時間的延長，各特性征點溫度越來越高。

圖4 TmNS數(shù)據(jù)消息格式Fig.4 TmNS data message structure

在應用層，需要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需求選擇合適的應用層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，根據(jù)TmNS標準，建議應用層使用LTC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和RC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸TmNS數(shù)據(jù)消息，兩種協(xié)議的傳輸特性比較見表1。

表1 LTC和RC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對比

TCP和UDP協(xié)議均為TCP/IP協(xié)議棧中的傳輸層協(xié)議，最大區(qū)別在于TCP協(xié)議是面向連接的，而UDP協(xié)議是無連接的。TCP協(xié)議提供面向連接的可靠服務，在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送結束后要釋放連接。同時，由于TCP協(xié)議要提供可靠的、面向連接的傳輸服務，不可避免地會增加一些開銷，比如應答、計時器、流量控制以及連接管理等，同時增加了處理資源。UDP協(xié)議在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接，不需要確認數(shù)據(jù)，提供一種不可靠交付，在某些情況下(實時性要求高)是一種最有效的傳輸方式。同時，UDP協(xié)議支持多播服務。

LTC和RC這兩種協(xié)議的傳輸特性使得數(shù)據(jù)傳輸性能截然不同，需要系統(tǒng)設計師根據(jù)不同數(shù)據(jù)的傳輸需求來選擇合適的傳輸協(xié)議，例如箭載Network數(shù)據(jù)采集單元產(chǎn)生的TmNS數(shù)據(jù)消息可利用LTC傳輸協(xié)議進行傳輸，雖然UDP協(xié)議不保證順序傳輸，但是可以提供相比基于TCP協(xié)議更低的端到端時延，同時可以利用UDP協(xié)議多播功能實現(xiàn)到多個目的地址的數(shù)據(jù)傳輸。TmNS數(shù)據(jù)消息頭域中有基于某類消息的序號，該序號隨著發(fā)送端發(fā)送該類消息數(shù)目的遞增而遞增。因此，如果使用LTC傳輸協(xié)議來傳輸某些對可靠性有要求的數(shù)據(jù)，接收端可以通過檢測接收到的TmNS數(shù)據(jù)消息頭域中的序號來檢測和報告丟失的數(shù)據(jù)[15]。

3.2 RF網(wǎng)絡接入層協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層位于IP層之下，服務于IP層，用于將IP層交付下來的IP包組裝成幀，在兩個結點之間傳輸。在基于TmNS的RF網(wǎng)絡中，需要將網(wǎng)絡信息(IP包)和控制消息等載荷數(shù)據(jù)組裝成數(shù)據(jù)鏈路幀，再交給物理層(RF通信鏈路)進行比特流的傳輸。由于基于TmNS的RF網(wǎng)絡特性與以太網(wǎng)特性有所不同，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧中網(wǎng)絡接入層(數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)協(xié)議不再適用，需改動網(wǎng)絡接入層協(xié)議來支持RF鏈路傳輸[16]。

RF網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層具備將網(wǎng)絡信息和控制消息等載荷數(shù)據(jù)復用在介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control，MAC)幀中的能力，可基于鏈路的需求和優(yōu)先級為上行和下行鏈路策劃和分配信道容量，提供一種自適應的時分多址(TDMA)機制共享通信信道，滿足有限帶寬下并行試驗需求，同時可使用ARQ協(xié)議來提高傳輸可靠性。

圖5給出了網(wǎng)絡層信息在RF網(wǎng)絡接入層中進行傳輸?shù)奶幚磉^程。

圖5 基于TmNS的RF網(wǎng)絡中網(wǎng)絡接入層示意圖Fig.5 Overview of network access layer in TmNS-based RF network

網(wǎng)絡層信息(TCP/IP、UDP/IP和相關的IP協(xié)議族包)和鏈路層控制消息(Link Layer Control Messages，LLCMs)統(tǒng)一被稱為MAC 服務數(shù)據(jù)單元(MAC Service Data Units，MSDUs)，被復用在MAC幀中。多個長度較短的MSDUs被打包成為ARQ blocks(塊)，然后被封裝在一個MAC幀中；長度較長的MSDU被分割為多個ARQ blocks，然后被封裝在多個MAC幀中。ARQ block的分段/打包頭域(Fragmentation/Packing SubHeader，F(xiàn)PSH)指示該ARQ block是否為MSDU分段或打包處理后產(chǎn)生的，其中的FC域是一個分段標示，可以表示沒有分段(00)、第一個分段(10)、中間的分段(11)、最后的分段(01)，同時FPSH還指示被封裝數(shù)據(jù)的協(xié)議類型，被封裝數(shù)據(jù)相對于其他ARQ blocks的優(yōu)先級等。

MAC幀由MAC頭、載荷部分以及幀校驗序列構成。MAC幀載荷包含一到多個可變長度的ARQ blocks，每個ARQ block的最大長度受限于MAC幀載荷部分的長度，而MAC幀載荷部分的長度又受限于物理層信道編碼的碼字長度(MAC幀的最大長度與信道編碼碼長相對應)。MAC頭中含有發(fā)送和接收無線設備的RF MAC地址以及一些用于鏈路層處理的附加信息。

MAC幀在物理層中先進行比特交織，然后進行LDPC編碼，最后進行SOQPSK調(diào)制。IRIG 106-20標準中推薦使用CCSDS標準中應用于深空通信的累積重復參差累積碼(Accumulate Repeat Jagged Accumulate Code，AR4JA碼)構造的LDPC碼，碼率為1/2，2/3 和4/5可選，LDPC碼信息比特長為128字節(jié)和512字節(jié)可選。

多個LDPC blocks組成一個burst在RF鏈路上傳輸，每個burst由前導信息、同步標志和碼塊幀(包含1到N個固定長度的LDPC blocks，N最大可配置為16)組成，同步標志用來輔助比特和字節(jié)級的同步和解調(diào)。無線收發(fā)設備利用在TDMA 時隙(epoch)中策劃的傳輸機會(Transmission Opportunities，TxOps)來傳輸這些burst序列。TDMA epoch也叫作TDMA幀，其典型結構如圖6中所示。epoch大小固定，由多個大小可變的TxOps組成。TxOps代表一段時間，在該段時間內(nèi)源無線設備可以接入到信道中將數(shù)據(jù)傳輸給目的無線設備，因此，源和目的無線設備之間的通信均需分配TxOps，例如地面站發(fā)往箭上的上行數(shù)據(jù)傳輸、火箭發(fā)往地面站的下行數(shù)據(jù)傳輸以及火箭與火箭之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 典型的TDMA幀結構Fig.6 Typical TDMA frame

為簡化TDMA的策略，TDMA幀(epoch)的持續(xù)時間通常有以下幾種選擇：1000(最大時間)，500,250,125,100(默認時間),50,40,25,10 ms(最小時間)。RF網(wǎng)絡設計師可通過選擇合適的TDMA幀(epoch)的持續(xù)時間來在開銷、包時延和網(wǎng)絡性能之間進行性能折中。同時，RF網(wǎng)絡中每個無線或管理設備都必須使用通用的時間同步協(xié)議來達到時間同步，避免RF之間的干擾。

在RF網(wǎng)絡中，TDMA控制器(LM)在每次試驗時基于上下行鏈路的需求和優(yōu)先級來分配epoch中的TxOps。最基礎的分配策略為TxOps的靜態(tài)分配，這種方式不考慮每次試驗的容量需求。TmNS的典型分配策略為基于優(yōu)先級和瞬時/平均網(wǎng)絡負載量來分配TxOps，以優(yōu)化整個RF網(wǎng)絡的使用，可最小化網(wǎng)絡傳輸時延，最大化吞吐量，減小隊列溢出所造成的損失[17-18]。

3.3 TMoIP協(xié)議

SST與TmNS數(shù)據(jù)流之間可以相互轉(zhuǎn)換，這一功能也是基于TmNS的新增功能，箭載PCM網(wǎng)關、地面站PCM網(wǎng)關、任務控制中心Network網(wǎng)關均具備該功能。箭載PCM網(wǎng)關/地面站PCM網(wǎng)關將PCM數(shù)據(jù)封裝在IP包中，實現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡中的傳輸，實現(xiàn)該功能的協(xié)議被稱為TMoIP(Transmission over Internet Protocol)[19]，任務控制中心Network網(wǎng)關執(zhí)行逆操作。

表2給出了TMoIP對應于TCP/IP協(xié)議棧中每層的具體實現(xiàn)。

表2 TMoIP在TCP/IP協(xié)議棧的具體實現(xiàn)

TMoIP應用層提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，即載荷匯聚功能，可以保證SST流被承載在網(wǎng)絡包中，實現(xiàn)過程如下：

1)首先，實現(xiàn)SST流格式轉(zhuǎn)換，將串行流格式轉(zhuǎn)換為包格式，得到的包被稱作原始包載荷。

2)其次，將TMoIP的控制字追加到原始包載荷前面，構成TMoIP載荷。圖7給出了TMoIP的控制字以及得到的TMoIP載荷格式。TMoIP可通過控制字實現(xiàn)丟包或失序的檢測，同時也標識了PCM子幀或者副幀同步狀態(tài)、時間戳等信息。

傳輸層、IP層和網(wǎng)絡接入層均為成熟TCP/IP協(xié)議，圖8給出了TMoIP在TCP/IP協(xié)議中各層的展開實現(xiàn)。

3.4 數(shù)據(jù)包遙測

數(shù)據(jù)包遙測技術可將來自一個或者多個數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)異步插入到PCM子幀中，數(shù)據(jù)類型可支持以太網(wǎng)幀、TmNS數(shù)據(jù)消息、IP包等。這是一種將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包融入傳統(tǒng)PCM碼流的方法，以兼容網(wǎng)絡化的遙測數(shù)據(jù)包。箭載Network網(wǎng)關利用該項技術，根據(jù)MDL文件從IP包中選擇所需要的測量數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)包遙測的具體實現(xiàn)過程如圖9所示，異步插入的數(shù)據(jù)被稱作源包(Source Packet，SP)。

圖7 TMoIP載荷格式Fig.7 TMoIP payload structure

圖8 TMoIP協(xié)議各層展開圖Fig.8 TMoIP layout in layers

首先，一個SP被封裝在一個或多個封裝包(Encapsulation Packet，EPs)的載荷域中，通常，一個EP只包含一個SP。當SP大小超過64k字節(jié)的時候，SP將被分割為多個SP段，此時一個EP包含一個SP段。EP頭域中“內(nèi)容”域可指示EP載荷所包含的SP的類型，如IP包SP、TmNS數(shù)據(jù)消息SP、MAC幀SP等，“分段”域可指示EP載荷所包含的SP是獨立的SP或者SP段。不同類型的SP可同時被多路復用到一個單獨的EP邏輯流中(圖9中EP流中紅色豎線表示EP的首字節(jié))。

圖9 數(shù)據(jù)包遙測示意圖Fig.9 Packet telemetry overview

接著，EP流將被分割到多個等長的傳輸包(Transport Packet，TPs)的載荷域中，形成TP流。如果TP載荷中包含了一個EP的首字節(jié)，那么TP頭域?qū)皆揈P首字節(jié)的偏移量；如果TP載荷中包含了多個EPs，那么TP頭域?qū)降谝粋€EP首字節(jié)的偏移量。

最后，每個TP被插入到一個單獨的PCM子幀中。一個TP可被分割為多個TP段，和PCM數(shù)據(jù)一起排布在一個PCM子幀中，但是每個PCM子幀只能包含一個TP，圖9中為一個PCM子幀包含了兩個TP段(1個TP)。

4 結論

隨著運載火箭發(fā)射任務的密集化以及網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡化遙測在空間通信方面的優(yōu)勢顯而易見，特別是IRIG 106-20中TmNS建議的提出，明確了天地一體化測控網(wǎng)絡的思想。本文關注未來運載火箭測控通信網(wǎng)絡發(fā)展，對TmNS特性、協(xié)議棧、體系架構進行深入研究，在現(xiàn)有PCM-FM遙測架構基礎上提出了基于TmNS的運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡的思想，對其具體系統(tǒng)架構、關鍵技術以及實現(xiàn)方式等進行了研究和闡述。目前，網(wǎng)絡化技術在空間通信方面也在深入發(fā)展，對運載火箭天地一體化測控網(wǎng)絡的研究將有助于天地網(wǎng)絡的結合，促進航天領域測控通信的不斷發(fā)展。