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.
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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
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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)