《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CCSDS包路由的綜合電子遙控遙測信息流應(yīng)用
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
彭 飛,楊 鹿,吳 杰,李 毅,彭小燕
上海航天電子技術(shù)研究所,上海201109
摘要: 對基于CCSDS包路由的一種綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究,并對這種架構(gòu)下的遙控遙測信息流的具體應(yīng)用進(jìn)行了介紹。提出綜合電子路由模塊對遙控包分層進(jìn)行逐次轉(zhuǎn)發(fā)的工程應(yīng)用。研究表明,該方式既保證了遙控遙測信息流轉(zhuǎn)的可靠和完整,也利于實(shí)現(xiàn)綜合電子模塊的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化。
中圖分類號: TN79+1
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.009
中文引用格式: 彭飛,楊鹿,吳杰,等. 基于CCSDS包路由的綜合電子遙控遙測信息流應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(1):35-38.
英文引用格式: Peng Fei,Yang Lu,Wu Jie,et al. Application of TM/TC data flow based on CCSDS packet routing in avionics system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(1):35-38.
Application of TM/TC data flow based on CCSDS packet routing in avionics system
Peng Fei,Yang Lu,Wu Jie,Li Yi,Peng Xiaoyan
Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute,Shanghai 201109,China
Abstract: A kind of avionics system architecture based on CCSDS packet routing is studied.And the application of the telecontrol and telemetry data flow in this architecture is introduced. This paper puts forward the engineering application of the TM/TC packet broadcast and route transmit module. The research shows that this application not only ensures the reliability and integrity of the avionics data flow, but also helps the universalization and modularization of the avionics hardware modules.
Key words : avionics;CCSDS packet;data flow;multilayer telecommand

0 引言

    衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)集成了平臺大多數(shù)電子設(shè)備,作為一個(gè)具有一定功能的、由軟硬件資源組成的完整系統(tǒng),它是以多種不同的功能模塊組成的集成系統(tǒng),在統(tǒng)一的任務(wù)調(diào)度和管理下,完成整星的所有管理功能。

    綜合電子系統(tǒng)的信息流主要是遙控信息流和遙測信息流,目前國內(nèi)大部分衛(wèi)星均采用了符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的分包遙測方案和AOS協(xié)議;但在遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路協(xié)議方面仍采用PCM遙控,遙控注入數(shù)據(jù)的格式由各航天器自行定義,由此帶來了一系列的問題,如重復(fù)的遙控遙測應(yīng)用層格式定義、重復(fù)的設(shè)備研制、軟件無法通用等[1]。

    新研衛(wèi)星型號大量應(yīng)用綜合電子設(shè)計(jì),且開始采用CCSDS分包遙控方案,遙控遙測信息流與傳統(tǒng)衛(wèi)星型號有較多不同,中心計(jì)算機(jī)(CTU)根據(jù)APID(應(yīng)用過程識別符)對遙控包進(jìn)行分發(fā),由綜合電子路由模塊對遙控包分層進(jìn)行逐次轉(zhuǎn)發(fā),遙控遙測的包格式不僅僅只在單機(jī)級存在,而是作為模塊級的輸入輸出接口貫穿整個(gè)綜合電子系統(tǒng)的遙控遙測信息交互。該方式既保證了遙控遙測信息流轉(zhuǎn)的可靠和完整,也利于實(shí)現(xiàn)綜合電子模塊的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化。

    本文對基于CCSDS包路由的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹,并對綜合電子核心的遙控信息流和遙測信息流應(yīng)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。

1 綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)簡介 

    基于CCSDS包路由的綜合電子從整星層面對衛(wèi)星信息流、控制流進(jìn)行整體規(guī)劃、集成設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)電系統(tǒng)資源配置、性能指標(biāo)綜合最優(yōu)為目標(biāo),覆蓋測控、數(shù)管、姿軌控、能源、熱控、推進(jìn)、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、功率驅(qū)動(dòng)等功能。系統(tǒng)由1臺管理單元和多臺擴(kuò)展單元組成。管理單元是整星的處理、運(yùn)算、管理和控制中心。擴(kuò)展單元是管理單元接口資源的擴(kuò)展,其配置數(shù)量取決于整星對接口資源的需求。管理單元通過標(biāo)準(zhǔn)串口或總線控制擴(kuò)展單元[2]。

    功能模塊是綜合電子的基本單元,是功能硬件與管理運(yùn)算邏輯的有機(jī)結(jié)合,具備一定的自治能力,可獨(dú)立完成服務(wù)的解析、執(zhí)行和監(jiān)控功能,模塊間關(guān)系簡單,支持基于模塊測試、產(chǎn)保,并便于系統(tǒng)集成。型號根據(jù)需要從貨架上選擇功能模塊,快速集成單機(jī)。

    系統(tǒng)采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了基于分包遙控和分包遙測的統(tǒng)一測控方案,制定統(tǒng)一串行通信協(xié)議和總線通信協(xié)議,統(tǒng)一各項(xiàng)功能服務(wù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、分發(fā)等流程和信息接口[3]。形成了基于1553B總線的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于路由模塊為中心節(jié)點(diǎn)的星形拓?fù)錁?gòu)成的混合型系統(tǒng)架構(gòu),綜合電子架構(gòu)相對傳統(tǒng)衛(wèi)星型號的單總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn):

    (1)簡化單機(jī)間和單機(jī)內(nèi)模塊間通信協(xié)議,節(jié)點(diǎn)間均以標(biāo)準(zhǔn)CCSDS包交互,利于綜合電子標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化實(shí)現(xiàn);

    (2)支持遙控指令和程控指令的驅(qū)動(dòng)合并,所有的程控指令均可通過地面遙控執(zhí)行,解決了地面遙控指令路數(shù)受限的問題;

    (3)降低1553B總線負(fù)載壓力。

2 遙控信息流實(shí)現(xiàn)

    遙控信息流是對來自外部或星上自主產(chǎn)生的,用于控制衛(wèi)星、單機(jī)狀態(tài)和動(dòng)作(包括開關(guān)機(jī)、狀態(tài)切換、參數(shù)修改等)的指令或數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、處理的渠道和過程。遙控指令分為直接指令和間接指令。綜合電子單機(jī)/模塊接收、生成、解析并逐級轉(zhuǎn)發(fā)控制信息[4]。

    綜合電子遙控信息處理流程如圖1所示。

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    信道關(guān)口模塊根據(jù)應(yīng)答機(jī)鎖定信號來對輸入通道進(jìn)行選擇,在收到上行PCM信號后,完成BCH解碼、解擾和解CRC校驗(yàn),對遙控信息進(jìn)行VCID(虛擬信道識別符)判斷。按照圖1流程對不同的遙控幀/包進(jìn)行校驗(yàn)和分發(fā)。

    綜合電子系統(tǒng)各單機(jī)間和單機(jī)內(nèi)的遙控信息流均以遙控包的形式進(jìn)行傳輸。遙控包格式如圖2所示。

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    (1)包主導(dǎo)頭

    ①版本號:3 bit,位0~2,固定為000,表示源包格式;

    ②類型指示:1 bit,位3,固定為1,表示遙控包,與遙測包相區(qū)分;

    ③副導(dǎo)頭標(biāo)志:1 bit,位4,0表示無副導(dǎo)頭,1表示有副導(dǎo)頭;

    ④應(yīng)用過程識別符:11 bit,位5~15,用于區(qū)分遙控包的去向標(biāo)識及數(shù)據(jù)類型標(biāo)識;

    ⑤序列標(biāo)志(2 bit):00-中間包,01-首包,10-末包,11-獨(dú)立包,固定為11b;

    ⑥包名稱或包序列計(jì)數(shù)(14 bit):表示遙控包在相關(guān)包序列中的序號,固定填充全0;

    ⑦包長:遙控包的長度,等于遙控包數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)減1。

    (2)數(shù)據(jù)域

    ①遙控應(yīng)用數(shù)據(jù):偶數(shù)個(gè)字節(jié);

    ②和校驗(yàn):對遙控應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行按字異或和校驗(yàn)。

    遙控信息轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3所示。遙控包來源共兩處:信道關(guān)口模塊解析上行遙控信息產(chǎn)生的遙控包和數(shù)管軟件根據(jù)程控流程產(chǎn)生的遙控包信息。

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    信道關(guān)口模塊提供的上行遙控注數(shù)直接指令包和數(shù)管軟件產(chǎn)生的程控指令包均輸出給管理單元的路由模塊;路由模塊根據(jù)“APID”域,對遙控包的目的地址進(jìn)行識別,進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的擴(kuò)展單元或內(nèi)部功能模塊;其中通過信道關(guān)口模塊輸入的上行遙控指令通道在轉(zhuǎn)發(fā)和解析執(zhí)行過程中均無軟件參與,全程均以CCSDS遙控包格式流轉(zhuǎn),理論上所有程控功能均可通過該通道實(shí)現(xiàn)地面遙控。

    管理單元功能模塊接收轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后對包進(jìn)行合法性檢驗(yàn),據(jù)此執(zhí)行或丟棄該包,并實(shí)時(shí)返回接收與校驗(yàn)狀態(tài);管理單元路由模塊若接收到返回的“錯(cuò)誤”狀態(tài)或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)(ms單位)未接收到返回,則安排注入數(shù)據(jù)包的重傳;每包數(shù)據(jù)只進(jìn)行一次重傳;若重傳仍不能得到“正確”返回,則安排相應(yīng)遙測參數(shù)返回狀態(tài)。

    擴(kuò)展單元路由模塊接收管理單元轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后對包進(jìn)行合法性檢驗(yàn),據(jù)此執(zhí)行/轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄該包,并實(shí)時(shí)向管理單元返回接收與校驗(yàn)狀態(tài);管理單元接收到應(yīng)答狀態(tài)后的重傳機(jī)制與對內(nèi)部功能模塊的處理方式一致。

    擴(kuò)展單元路由模塊根據(jù)接收到的遙控包“APID”域,對遙控包的目的地址進(jìn)行識別,進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)至單機(jī)內(nèi)部模塊;單機(jī)內(nèi)部的遙控包轉(zhuǎn)發(fā)和重發(fā)與管理單元一致。

3 遙測信息流實(shí)現(xiàn)

    遙測信息流是對反映衛(wèi)星狀態(tài)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)那篮瓦^程。其涉及遙測分類、分配原則、采集方式、接口電路、傳輸路徑、數(shù)據(jù)處理(包括加密、壓縮、編碼等)、組幀方式等。綜合電子單機(jī)/模塊生成、逐級轉(zhuǎn)發(fā)并組合遙測信息。

    管理單元通過路由模塊和1553B總線收集整星數(shù)字量遙測,經(jīng)CCSDS格式化后,通過信道關(guān)口模塊送應(yīng)答機(jī)下傳。部分由綜合電子分系統(tǒng)直接采集的模擬量、開關(guān)量、溫度量經(jīng)遙測采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后,以標(biāo)準(zhǔn)遙測包格式送路由模塊。

    遙測包由起始字、主導(dǎo)頭和數(shù)據(jù)域組成,主導(dǎo)頭包含包識別、包順序控制、包長三部分,固定為6 B,如圖4所示。

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    (1)包主導(dǎo)頭

    ①版本號:3 bit,位0~2,固定為000,表示源包格式;

    ②類型指示:1 bit,位3,固定為0,表示遙測包,與遙控包相區(qū)分;

    ③副導(dǎo)頭標(biāo)志:1 bit,位4,有副導(dǎo)頭為1,無副導(dǎo)頭為0;

    ④應(yīng)用過程識別符(APID):11 bit,位5~15,用于識別航天器上產(chǎn)生源包的數(shù)據(jù)源;

    ⑤分組標(biāo)志(2 bit):00-中間包,01-首包,10-末包,11-獨(dú)立包;

    ⑥包序列計(jì)數(shù):位18~31,此域?yàn)橐豁樞蛴?jì)數(shù)器,對標(biāo)有特有的應(yīng)用過程識別符的應(yīng)用過程所產(chǎn)生的每個(gè)包進(jìn)行計(jì)數(shù)。包數(shù)據(jù)長度=數(shù)據(jù)域長度-1。

    (2)數(shù)據(jù)域

    遙測應(yīng)用數(shù)據(jù):偶數(shù)個(gè)字節(jié)。

    遙測信息采集流程如圖5所示。綜合電子系統(tǒng)各單機(jī)間和單機(jī)內(nèi)的遙測信息流均以遙測包的形式進(jìn)行傳輸。遙測包的生成和傳輸需與“數(shù)字量遙測傳輸啟動(dòng)”遙控包配合工作。遙測包的信息流向與遙控包正好相反,最終所有遙測包均匯總到管理單元的路由模塊,以并行總線接口與CPU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,由星上軟件接收后組幀下傳。

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    管理單元星上軟件按程控節(jié)拍生成“數(shù)字量遙測采集啟動(dòng)包”遙控包,路由模塊在收到該遙控包后,根據(jù)模塊內(nèi)置路由表(決定各終端的主備選用)修改遙測采集包APID主備標(biāo)識后轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部功能模塊或擴(kuò)展單元。

    管理單元功能模塊接收該包后對包進(jìn)行合法性檢驗(yàn),若包合法,則在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將已準(zhǔn)備好的遙測數(shù)據(jù)包發(fā)送至路由模塊,否則丟棄該包不執(zhí)行。各功能模塊在執(zhí)行該包后自行刷新遙測數(shù)據(jù),供下一次傳輸使用。

    擴(kuò)展單元路由模塊接收該包后對包進(jìn)行合法性檢驗(yàn),若包合法,則在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將已準(zhǔn)備好的遙測數(shù)據(jù)包發(fā)送至管理單元路由模塊,完成后向其管控下的各功能模塊發(fā)送“數(shù)字量遙測數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)”控制信息包,功能模塊執(zhí)行情況與管理單元內(nèi)部類似。

    從遙測信息流實(shí)現(xiàn)過程也可以看出,在兩級路由架構(gòu)下,管理單元自身模塊的遙測數(shù)據(jù)相對當(dāng)前狀態(tài)存在1個(gè)星上軟件程控周期的延時(shí),而擴(kuò)展單元的遙測數(shù)據(jù)則存在2個(gè)周期的延時(shí)。

4 結(jié)論

    本文介紹了一種基于CCSDS包路由結(jié)構(gòu)的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu),并對綜合電子系統(tǒng)的遙控信息流和遙測信息流應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,對采用分包遙控和分包遙測方案的衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

彭  飛,楊  鹿,吳  杰,李  毅,彭小燕

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海201109)

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