王報華，郝現(xiàn)偉，王 昕，郭世友，李大全

FC-AE-1553光纖總線技術(shù)在運載火箭測量系統(tǒng)的應用

王報華1,2，郝現(xiàn)偉1，王 昕1，郭世友1，李大全3

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱，150006；3. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

運載火箭測量系統(tǒng)使用LVDS、RS422、1553B等總線接口，以混合應用方式構(gòu)成了測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。隨著運載火箭測量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，高帶寬傳輸、設備數(shù)據(jù)共享、電纜網(wǎng)輕質(zhì)化等需求日益增長，測量系統(tǒng)亟需發(fā)展新型總線技術(shù)滿足應用需求。FC-AE-1553光纖總線技術(shù)具有時間同步、高速傳輸、多冗余和多級網(wǎng)絡級聯(lián)等總線網(wǎng)絡特點，能夠應用于航空航天和船舶等高速高可靠應用領(lǐng)域。運載火箭測量系統(tǒng)采用FC-AE-1553光纖總線技術(shù)，在保證測量系統(tǒng)高可靠通信的同時，能夠極大提升測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通信速率，實現(xiàn)測量系統(tǒng)高速信息傳輸。

測量系統(tǒng)；FC-AE-1553；高速傳輸；高可靠傳輸

0 引 言

運載火箭測量系統(tǒng)是執(zhí)行運載火箭遙測、外測、安控任務的重要分系統(tǒng)，對于運載火箭狀態(tài)監(jiān)測和飛行評估具有重要意義。運載火箭測量系統(tǒng)設備種類繁多，數(shù)量龐大，設備遍布于多個艙段。傳統(tǒng)測量系統(tǒng)采用LVDS、RS422、1553B等總線接口，形成了高、中、低3種通信速率傳輸能力，以混合應用方式構(gòu)成了測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。當前，測量系統(tǒng)混合總線應用方式凸顯出通信帶寬不足、接口種類繁多和電纜網(wǎng)設計復雜等問題，亟需發(fā)展新一代高速高可靠總線進行一體化、統(tǒng)一化設計[1]。FC-AE-1553光纖總線具有吉比特數(shù)據(jù)通信能力，多冗余網(wǎng)絡傳輸，輕質(zhì)化、抗干擾的物理通信介質(zhì)，以及高精度的時間同步能力，能夠有效解決運載火箭測量系統(tǒng)應用需求[2]，實現(xiàn)運載火箭測量系統(tǒng)的升級換代。

1 FC-AE-1553光纖總線技術(shù)介紹

FC-AE-1553光纖總線采用了多種先進、可靠技術(shù)，保證了總線高速傳輸能力和高可靠性。主要包括：

a）采用多層體系結(jié)構(gòu)，由FC-0（物理層）、FC-1（傳輸協(xié)議）、FC-2（信令協(xié)議）、FC-3（公共服務）和FC-4（高層協(xié)議映射）組成；

b）支持PON/仲裁環(huán)/交換型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，支持雙冗余網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計；

c）定義NC、NT、NM端節(jié)點功能，NC完成對各NT節(jié)點的調(diào)度，NM負責監(jiān)聽網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，支持多NC通信模式；

d）采用流量控制機制，為解決數(shù)據(jù)沖突及實現(xiàn)總線高吞吐率提供了保證；

e）支持10種交換模式，具備多種網(wǎng)絡訪問能力；

f）支持1.0625 Gb/s、2.125 Gb/s、4.25 Gb/s高速高帶寬傳輸能力；

g）支持大規(guī)模節(jié)點入網(wǎng)能力，終端數(shù)量224-1，子地址數(shù)量232-1；

h）網(wǎng)絡時間同步特性，同步精度優(yōu)于100 ns。

FC-AE-1553光纖總線支持總線型、交換型、仲裁環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。PON總線型拓撲結(jié)構(gòu)采用分光器、光反射器及端節(jié)點設備組成[3]，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)相對易于實現(xiàn)[4]，但是由于分光器分光比和光纜傳輸衰減等因素，網(wǎng)絡可靠通信需要嚴格的光功率計算和特殊設計才能實現(xiàn)，不利于系統(tǒng)擴展升級。在特殊情況下，若某端節(jié)點設備出現(xiàn)故障，一直處于光發(fā)射狀態(tài)，可能造成網(wǎng)絡出現(xiàn)全局故障。仲裁環(huán)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)存在PON總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)相同的全局故障模式。若環(huán)路中NT或NM端節(jié)點單點故障，則會導致環(huán)路通信中斷。雙冗余交換型網(wǎng)絡采用交換機設備實現(xiàn)網(wǎng)絡級聯(lián)和設備擴展，能夠更好支撐大規(guī)模網(wǎng)絡建設。若有一臺端節(jié)點設備發(fā)生故障，可對該故障節(jié)點設備進行屏蔽，不會出現(xiàn)PON總線、仲裁環(huán)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的全局故障形式。

圖1 FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2 運載火箭測量系統(tǒng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

運載火箭測量系統(tǒng)采用分布采集、逐級綜合的數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)采編設備采集各艙段傳感器數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設備狀態(tài)數(shù)據(jù)后，發(fā)送給數(shù)據(jù)綜合設備進行綜合編幀，遙測幀數(shù)據(jù)經(jīng)遙測發(fā)射機調(diào)制放大后進行無線下傳。運載火箭測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

測量系統(tǒng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)中，數(shù)據(jù)綜合設備與采編設備采用HDLC接口總線協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，HDLC接口總線協(xié)議物理層采用RS422器件，可支持10 Mb/s速率數(shù)據(jù)傳輸。HDLC接口總線按照“指令-響應”工作方式，數(shù)據(jù)綜合設備發(fā)送命令信號及伴隨時鐘，采編設備返回數(shù)據(jù)信息及伴隨時鐘。由于HDLC接口總線是點對點傳輸，設備之間均需要獨立的通信接口，造成了電纜網(wǎng)設計復雜及電纜網(wǎng)質(zhì)量增加。同時，由于HDLC接口總線冗余代價較大，數(shù)據(jù)采編設備和數(shù)據(jù)綜合設備之間不具備多冗余傳輸能力，若HDLC接口總線信號發(fā)生故障，相關(guān)數(shù)據(jù)采編設備數(shù)據(jù)將無法傳輸?shù)綌?shù)據(jù)綜合設備，從而造成遙測數(shù)據(jù)部分丟失。在測量系統(tǒng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式中，數(shù)據(jù)綜合設備往往只有1臺設備，數(shù)據(jù)綜合設備的冗余能力需進一步提高。HDLC接口總線協(xié)議采用發(fā)送串行同步指令方式進行系統(tǒng)同步，數(shù)據(jù)綜合設備向數(shù)據(jù)采編設備發(fā)送多比特串行指令，數(shù)據(jù)采編設備在接收到串行同步指令后，進行本地同步，與數(shù)據(jù)綜合設備進行時間對齊。由于該系統(tǒng)同步機制未采用時間誤差補償，時間同步精度為1 us以上，系統(tǒng)時間同步性能較差。

3 測量系統(tǒng)FC-AE-1553光纖總線應用

3.1 基于光纖總線的測量系統(tǒng)架構(gòu)

基于FC-AE-1553光纖總線的雙冗余交換型網(wǎng)絡具備A/B總線冗余通信能力，能夠提高網(wǎng)絡通信可靠性。交換機能夠支持網(wǎng)絡節(jié)點靈活接入[5]，是適用于測量系統(tǒng)高速高可靠應用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。測量系統(tǒng)FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用A/B總線完成下行指令及上行數(shù)據(jù)通信，A/B總線通道形成了2條完全獨立的信息傳輸路徑，避免單總線失效影響系統(tǒng)正常運行。測量系統(tǒng)FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

成都工業(yè)學院[3]主要在教學內(nèi)容上增加零部件測量、檢測、機構(gòu)調(diào)整、汽車配件質(zhì)量的鑒別與檢測、汽車再制造認識、再生燃料及新能源汽車認識等拓展內(nèi)容，以引導學生不滿足于現(xiàn)狀、努力學習，達到強化實踐操作技能、提升工作能力的目的。

圖3 測量系統(tǒng)FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡

圖3中，數(shù)據(jù)綜合器為NC主控節(jié)點設備，采編器為NT端節(jié)點設備，測量系統(tǒng)采用A/B總線進行冗余通信，采用交換機實現(xiàn)網(wǎng)絡級聯(lián)和節(jié)點擴展。在多級火箭中，每級艙段均有網(wǎng)絡交換機設備，采編設備可分別與A/B總線交換機連接，形成A/B總線冗余通信。數(shù)據(jù)綜合器作為NC節(jié)點設備，承擔總線任務調(diào)度功能。圖3中，為提高測量系統(tǒng)可靠性，避免NC主控節(jié)點失效引起測量系統(tǒng)無法運行，F(xiàn)C-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡采用了雙NC工作模式。主NC節(jié)點、備NC節(jié)點在FC-AE-1553起到雙冗余主控節(jié)點作用。為避免主NC、備NC調(diào)度沖突，在主NC正常工作時，備NC以NM端節(jié)點功能存在，實時監(jiān)聽網(wǎng)絡運行及主NC工作狀態(tài)；主NC設備失效后，備NC設備由NM監(jiān)聽功能切換為NC主控功能，替代主NC設備執(zhí)行FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)調(diào)度任務。

在基于FC-AE-1553光纖總線的測量系統(tǒng)中，主NC主控節(jié)點向遙測發(fā)射機發(fā)送遙測編幀數(shù)據(jù)，備NC主控節(jié)點作為NM存在時，實時監(jiān)聽過濾FC-AE-1553光纖總線數(shù)據(jù)，可以獲取與主NC主控節(jié)點完全一致的遙測數(shù)據(jù)。備NC也把該遙測數(shù)據(jù)流發(fā)往下一級遙測發(fā)射機設備，從而使測量系統(tǒng)獲取了雙冗余遙測數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)傳輸能力。

3.2 時間觸發(fā)及總線調(diào)度機制

FC-AE-1553光纖總線采用IEEE1588時間同步協(xié)議實現(xiàn)時間同步。IEEE1588時間同步協(xié)議主時鐘、從時鐘間前向路徑采用發(fā)送Sync同步報文、Follow_up跟隨報文，返向路徑采用發(fā)送Delay_req延遲請求報文以及Delay_resp延時請求響應報文?？梢跃_計算出從時鐘與主時鐘之間的時間偏差offset和網(wǎng)絡延時delay，從時鐘根據(jù)時間偏差offset和網(wǎng)絡延時delay參數(shù)修正本地時鐘，從而實現(xiàn)與主時鐘的精確時間同步，同步精度可優(yōu)于100 ns。

基于高精度時間同步特性可建立測量系統(tǒng)網(wǎng)絡通信時間觸發(fā)機制，構(gòu)建調(diào)度周期、時間原語信息的嚴格時間相關(guān)關(guān)系，在調(diào)度周期內(nèi)實現(xiàn)多個任務調(diào)度時隙的劃分，能夠形成適用于運載火箭測量系統(tǒng)的高可靠無沖突總線調(diào)度機制。圖4為總線調(diào)度周期及時隙劃分。按照FC-AE-1553光纖總線時間觸發(fā)機制，調(diào)度周期劃分為個時隙，測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)度任務依次安排在時隙內(nèi)，保證了調(diào)度周期內(nèi)各節(jié)點的嚴格時間關(guān)系，避免了各任務調(diào)度時間碰撞，保證了測量系統(tǒng)任務調(diào)度的時間故障隔離能力。

圖4 總線調(diào)度周期及時隙劃分

3.3 箭地一體化通信應用

箭地一體化通信是箭上測量系統(tǒng)與地面測發(fā)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢[6]。傳統(tǒng)測量系統(tǒng)箭地通信網(wǎng)絡協(xié)議繁多，接口不統(tǒng)一，難以實現(xiàn)箭地一體化通信[7]。箭上測量系統(tǒng)采用FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡，地面前端測發(fā)控系統(tǒng)也采用FC-AE-1553光纖總線接入到箭上測量系統(tǒng)FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)箭地通信一體化通信應用。地面前端測發(fā)控系統(tǒng)增加FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡節(jié)點設備及交換機設備，接入到FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡后，能夠?qū)崿F(xiàn)箭上供配電控制、功率控制、參數(shù)注入和箭上數(shù)據(jù)采集監(jiān)聽等[8]。箭地一體化通信網(wǎng)絡中，前端測發(fā)控系統(tǒng)采用NC功能訪問箭上設備節(jié)點，箭地FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡將存在多個NC通信。為避免多NC通信沖突，可在時間觸發(fā)機制的基礎(chǔ)上，采用時間分割的方法解決可能發(fā)生的訪問沖突，提升系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。對測量系統(tǒng)FC-AE-1553光纖總線網(wǎng)絡調(diào)度周期進行分割，NC1、NC2、NC3…NC的占用時間分別為Δ1、Δ2、Δ3…Δt。Δ1、Δ2、Δ3…Δt在時間關(guān)系上互相隔離，互不沖突，這樣系統(tǒng)不會發(fā)生時間碰撞問題，從而實現(xiàn)了多NC節(jié)點無碰撞通信，保證了箭地一體化通信可靠性。網(wǎng)絡調(diào)度周期時間分割方法如圖5所示。

圖5 箭地通信多NC通信的時間分割方法

4 FC-AE-1553光纖總線應用測試

5 結(jié)束語

基于FC-AE-1553光纖總線應用，運載火箭測量系統(tǒng)實現(xiàn)了高速互聯(lián)互通，大量復雜的物理連接關(guān)系將轉(zhuǎn)換為通信時隙資源，簡化了電纜網(wǎng)設計，同時測量系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)訪問獲取將更為便捷，數(shù)據(jù)處理及應用將更加普遍。采用A/B總線冗余傳輸和數(shù)據(jù)綜合冗余等冗余設計手段，增強了測量系統(tǒng)FC-AE-1553光纖總線應用可靠性，基于時間同步、時間觸發(fā)總線和時間分割機制，測量系統(tǒng)設備同步能力優(yōu)于100 ns，實現(xiàn)了各任務調(diào)度時間的無碰撞通信。FC-AE-1553光纖總線應用突破了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了運載火箭測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的升級換代，在航天領(lǐng)域?qū)⒕哂泻艽蟮募夹g(shù)應用潛力。

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Application of FC-AE-1553 Optical Fiber Bus Technology in Launch Vehicle Measurement System

WANG Baohua1,2, HAO Xianwei1, WANG Xin1, GUO Shiyou1, LI Daquan3

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin, 150006;3. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The measurement system of launch vehicle uses bus interfaces such as LVDS, RS422 and 1553B buses to form the data transmission network of the measurement system in a hybrid application mode. With the development of launch vehicle measurement system technology, the requirements for high bandwidth transmission, equipment data sharing, and cable network lightweight are growing day by day. It is urgent to develop new bus interface technology for measurement system to meet the application requirements. FC-AE-1553 optical fiber bus technology has the characteristics of time synchronization, high-speed transmission, multi redundancy, multi-level network cascade and other bus networks, and can be applied to high-speed and high reliability applications such as aerospace, shipbuilding, etc. The carrier rocket measurement system adopts FC-AE-1553 optical fiber bus technology, which can greatly improve the data transmission communication rate of the measurement system while ensuring the high reliable communication of the measurement system, and realize high-speed information transmission of measurement systems.

measurement system; FC-AE-1553; high speed transmission; highly reliable transmission

2097-1974(2023)02-0137-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230227

V475.1

A

2022-12-02；

2023-01-04

王報華（1987-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設計。

郝現(xiàn)偉（1985-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設計。

王 昕（1983-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設計。

郭世友（1974-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設計。

李大全（1975-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設計。