CN103220169B - 一种航天器层状信息流传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器层状信息流传输系统，基于航天器系统高可靠性的要求开展层状信息流传输系统设计，在充分发掘各种信息特点、变化规律的基础上，提炼数据属性，建立可靠性的约束条件，设计的高可靠层状信息流传输系统具有高可靠性；分层次设计的信息流结构，每个层次相对独立，层与层之间具有良好接口，使每个阶段的设计方法相互支持共同组成系统级信息流设计，这种分层信息流设计能够充分利用信息特点，便于分层次管理，易于工程实现。

Description

一种航天器层状信息流传输系统

技术领域

本发明涉及一种航天器层状信息流传输系统，尤其涉及一种航天器高可靠层状信息流传输系统，属于航天器信息流设计领域。

背景技术

信息流设计是对航天器各种信息处理过程和航天器工作状态进行得统一规划和控制。当前设计的信息流主要针对具体航天器实际使用情况开展的复核性设计，以当前装备的使用状态为起点，结合已知产品的结构，以数据交互为研究目标，进行的信息流设计。随着航天技术不断进步，各种航天应用越来越多，信息类型也多种多样，信息流设计在航天领域也有了很大发展，但是有一定的局限性，主要表现在以下几个方面：（1）已有设计方法多是关注某种信息流的设计，比如遥控信息流设计、遥测信息流设计，对航天器整星多业务综合设计较少涉及；（2）已有设计方法主要是针对卫星某些部件或分系统进行的，没有提出一套基于整星的系统的设计方法；（3）已有设计方法多是注重信息传输流向的设计，没有考虑充分信息流传输可靠性的设计。经过检索，未发现与本方法相近的已申请专利项，也未发现有与本设计相近的资料、文献。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种航天器层状信息流传输系统，该信息流传输系统工作可靠性高，便于分层次管理，易于工程实现。

本发明的技术解决方案是：一种航天器层状信息流传输系统，包括上行信道设备、指令单元、中央处理单元、m个分布远置单元、重要远置单元、一般单机设备、重要单机设备、特殊单机设备、下行信道设备、总线和电缆网；上行信道设备与指令单元通过电缆网连接，指令单元与中央处理单元通过电缆网连接，中央处理单元与下行信道设备通过电缆网连接；中央处理单元通过总线与m个分布远置单元、重要远置单元和特殊单机设备进行信息交互，每个分布远置单元均通过电缆网与一般单机设备进行信息交互，重要远置单元通过电缆网与重要单机设备进行信息交互；正常情况下，中央处理单元通过电缆网接收指令单元发送的指令，再通过总线发送给重要远置单元，由重要远置单元通过电缆网发送给重要单机设备，重要远置单元通过电缆网接收重要单机设备的遥测信息，通过总线传给中央处理单元，再由中央处理单元通过电缆网传输给下行信道设备，异常情况下，重要远置单元直接通过电缆网与指令单元和下行信道设备进行信息交互，确保异常情况下重要指令的可靠上行和和重要遥测的可靠下传；上行信道设备、指令单元、重要单机设备、重要远置单元、下行信道设备和总线、电缆网组成的信息流结构采用PCM体制；上行信道设备、指令单元、中央处理单元、下行信道设备、重要远置单元、重要单机设备、分布远置单元、一般单机设备、总线和电缆网组成的信息流结构采用AOS体制，m为大于1的整数。

所述一般单机设备为传输不反映卫星安全特性的遥测设备。

所述重要单机设备为传输直接反映卫星安全特性的遥测设备。

所述特殊单机设备为传输大容量或高速率遥测数据的设备。

所述上行信道设备包括测控天线、多工器和应答机，下行信道设备包括应答机、固态放大器、多工器和测控天线。

所述重要处理单元为采集重要单机设备遥测参数的远置单元，在异常情况下直接接收来自指令单元的指令并发送给重要单机设备，并将采集到的重要单机设备的遥测参数发送给下行信道设备。

所述分布远置单元为采集一般单机设备遥测参数的远置单元。

所述总线为1553B总线、CAN总线或422总线。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明基于航天器系统高可靠性的要求开展层状信息流传输系统设计，在充分发掘各种信息特点、变化规律的基础上，提炼数据属性，建立可靠性的约束条件，设计的高可靠层状信息流传输系统具有高可靠性；分层次设计的信息流结构，每个层次相对独立，层与层之间具有良好接口，使每个阶段的设计方法相互支持共同组成系统级信息流设计，这种分层信息流设计能够充分利用信息特点，便于分层次管理，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明的层状信息流传输系统组成结构图。

具体实施方式

本发明的实现思路是：

(1)通过对航天器信息流进行梳理，将各种信息类型进行有效识别，建立面向航天器应用任务的信息类型；

(2)按照航天器各信息类型的属性进行分类，以提高信息可靠性为标准，建立可高可靠运行的数据组成关系，完成航天器运行过程中各有关数据特征提取，形成各应用信息的数据类型；

(3)具有明显使用特点的数据类型构成一种或多种航天器的信息机制，从而建立系统级层状信息流传输体系，将系统级信息流结构体系实体化，建立能够满足多种航天器信息机制要求的物理拓扑结构，能够在一种或多种机制间可靠切换重组，保证信息交互的正确性，提高信息的健壮性。

本发明对航天器信息类型进行梳理，能够将各种信息类型进行有效识别，建立面向航天器应用任务的信息类型：

航天器遥测类：1）硬件采集健康状态。例如表征性能的电压、电流、温度、气压、仪器参数等，用于监测系统情况和状态是否正常，此类参数一般变化缓慢，其短时变化对卫星无重大影响，整星大部分遥测参数属于此类；2）工作状态。例如描述设备主备份、开启/闭合、增益选档、测控锁定状态等工况数据，这类参数一般情况下不会频繁变化，但在故障诊断过程中，需关注故障时刻前后的状态，并一般需要参与联合判断；3）遥控响应突发信息。例如反映星上接收、处理遥控命令和用户响应等信息；星载计算机内存下传数据（受指令控制下传）等，该类数据不是实时固定存在，是在受控后产生的突发数据；4）姿态信息。如姿态角、姿态角速度、自旋速率等，此类数据变化迅速，当卫星工作方式发生变化后地面对此类数据尤其关注，下传紧迫度要求高，地面需及时监测该类参数以确认卫星状态；5）软件下传变量。该类数据是软件控制过程产生的软件数据，对地面判断分系统状态和自主管理效果的意义较大，须保证下传；6）空间环境监测及科学试验类。例如电磁辐射、高能粒子、磁场等环境参数、飞行力学数据等，这类数据对为实现科学探测需求，正常情况下须保证下传，但其下传周期一般要求较低；7）信息处理结果，例如趋势预报、统计结果、诊断结果、事件预报等，这类数据的数据量和发生率都不是很大，但产生随机性比较大，也比较重要，可能需要重复发送。

航天器遥控类：8）开关命令。例如电源通断、信号通断、状态设置、系统重组等切换命令，这类信息需通过遥控指令数据信息传送，信息字节内容一般较少，必须保证信息传输的正确性；9）注入信息。例如工作参数、工作程序、在轨软件维护等上行数据，这类信息需通过遥控指令数据块传送，信息字节内容一般较多，必须保证信息传输的正确性。

有效载荷业务类：10）航天器测轨定位。用于确定航天器轨道数据和星历，实时自主定位；11）通讯类载荷。一般是多媒体数据流，包含图像、话音等信息；12）对地观察类载荷。一般属于遥感数据流，包含对地观测到的各类信息；13）导航定位类载荷。包含导航数据流。14）载人类。更为广泛的需要语音、图文、视频等多媒体通讯类信息。这类数据类型多，数据量大，较为复杂。

延时遥测类：根据卫星轨道与测控站/船的关系，某些卫星存在不可监测弧段。延时遥测数据是指在境外不可监测弧段存储的数据，入境后可下传，以观测不可见弧段卫星各系统状态。

按照航天器各信息类型的属性进行分类，以提高信息可靠性为标准，建立可高可靠运行的数据组成关系，完成航天器运行过程中各有关数据特征提取，形成各应用信息的数据类型；

容量属性：A．大容量数据：6）、9）、11）、12）、13）、14）、15）一般信息容量较大（百K级及以上）；B．（非大）容量数据：1）、2）、3）、4）、5）、7）、8）、10）一般属于非大容量（百K级以下）；

速率属性：C．高速（周期us级或以上）：11）、12）、14）一般需要语音、画面的清晰、清楚、需要高速传输，保证较高的分辨率；D．较高速（周期ms级或以下）：3）、4）、8）、9）、10）、13）反应卫星姿态等重要信息，而且信源是实时变化的，或则反应指令的执行效果，或是指令信息，或是定位数据等，一般实时性要求较高，需保证快速下传；另外2）、5）、7）、15）当进行故障判断或趋势分析等需求迫切时，也需保证较高的下传速率，甚至需要重复传送；E．中等速率（周期s级）：1）、2）、5）、7），反应卫星健康信息，正常情况下变化缓慢，其短时变化对卫星无重大影响，正常情况下需保证按一定速率下传；F．低速率（周期十秒级或以上）：6）、15），作为科研类数据，在保证其他数据正常下传的前提下，适当设计该类数据的速率，供科学研究和分析使用，这类数据一般要求下传信息完整，但对信息速率一般要求不高；延时遥测数据，在可见弧度如果实时遥测正常情况下，可不下传或选择下传，在可见弧度如果实时遥测异常情况下，需进相关信息的快速下传，辅助故障判断，所以这类数据灵活性要求较高。

重要程度属性：G．重要：1）、2）、3）、4）、5）、8）、9）、10）、11）、12）、13）、14）均是反应卫星常规健康状态、指令信息、载荷情况等，对卫星在轨运行和服务意义重大，需保证下传；H．非重要：6）、7）、15）卫星正常情况下对卫星生存和服务无重大影响，属于非重要数据。但在某些特定情况下，如：7）在需要故障诊断结果或进行预报等情况下，需要作为重要数据，并需较高速重复发送；如：15）在可见弧度内发现故障时，需要调用相关延时遥测时，需要作为重要数据，并需较高速发送。

突发属性：I．突发性：3）、7）、8）、9）类信息一般不总是存在，而是在某些激励条件下，产生的信息，具备突发性；J．不具备突发性：不受其他条件约束，定时就会产生的信息，不具备突发性。

信息间耦合属性：K．耦合性：1）、2）、4）之间一般具备互相关性；3）和8）、3）和9）之间一般具备耦合性；7）与1）、2）、4）、5）、10）、11）、12）、13）之间一般具备耦合性；当故障情况下1）、2）、4）、7）和15）之间一般具备耦合性；L．不具备耦合性：其他各类信息之间一般不具备互相关性。

表1信息类型与数据属性关系

注：“√”表示该信息类型具有此数据属性；“v”表示故障情况下才具有的属性；“相同字母”表示具有同类相关性。

具有明显使用特点的数据类型构成一种或多种航天器的信息机制，从而建立系统级信息流传输体系。

PCM体制：信息属于B、D（E、F）、L的一般可选用PCM体制。PCM体制采用时分多路复用的方式，每一路信号占据的时隙位置固定，这种体制的波道利用率较低，不能实现动态调度。

AOS体制：信息中包含A、C、K类的一般选用AOS体制。AOS遥测体制对下行数据流进行动态管理，用“需求驱动”的机制取代了为每个遥测参数采用固定的传输时隙，同时实现了多类型数据源的合路传输，便于星上预处理，提高了数据价值。AOS可实现COS的全部能力，并具备虚拟信道调度能力，具有高灵活性。

组合体制：因遥控类信息一般信息内容较少，重要性高，且抗攻击能力要求较高，所以某些航天器信息流设计时上行（遥控信息）选用PCM或COS体制，而下行（其他类信息）选用AOS体制。

通过信息流结构层设计，将系统级层状信息流结构体系实体化，建立能够满足多种航天器信息机制要求的物理拓扑结构，能够在一种或多种机制间可靠切换重组。

如图1所示，信息流结构层的组成分为：上行信道设备：负责上行射频信号的接收、解调和处理；指令单元：负责指令的译码和分发；中央处理单元：负责上下行信息的综合调度和处理；分布远置单元：负责非重要上下行信息的调度和处理，负责与中央处理单元进行信息交互；重要远置单元：负责重要上下行信息的处理和调度；单机设备：下行信息的源端和上行信息的宿端；下行信道设备：负责下行视频信号的调制、放大和发送；总线：包括1553B总线、CAN总线、422总线等；电缆网：连接设备与设备之间的电缆，可以完成单独遥测遥控信号的传输。

连接结构可设计为：上行信道设备通过电缆网与指令单元连接，指令单元与中央处理单元通过电缆网连接，中央处理单元直接与下行信道设备通过电缆网连接；中央处理单元通过总线与分布远置单元进行信息交互；中央处理单元通过总线与重要单机设备进行信息交互，比如有些设备需要直接通过总线与中央处理单元进行大数据量传输；重要远置单元通过电缆网与重要单机设备进行信息交互；分布远置单元通过电缆网与单机设备进行信息交互。

冗余结构设计为：中央处理单元、分布远置单元和重要单机设备均有主备份冗余；总线均具有主备份冗余；中央处理单元、分布远置单元均可在主份或备份状态下通过总线与其它分布单元的主份或备份进行通信；重要信息的电缆网设计采用双点双线。

健壮性结构设计为：重要远置单元通过电缆网与重要单机设备进行信息交互，通过总线与中央处理单元进行信息交互，在正常工作情况下，重要远置单元通过电缆网接收重要单机设备的遥测，通过总线传给中央处理单元，再由中央处理单元通过电缆网传输给下行信道设备，在特殊情况下，重要远置单元可以直接通过电缆网与上下信道设备和下行信道设备进行信息交互，确保特殊情况下重要遥测数据的可靠下传；一般情况下，各单机设备的信息通过电缆与自己最近的分布远置单元进行信息交互，电缆网设计时，尽量使电缆网直线连接，确保电缆网设计路径最短。

体制适应性结构设计为：上行信道设备、指令单元、重要单机设备、重要远置单元、下行信道设备和总线、电缆网组成的信息流结构适用PCM体制；上行信道应答机、指令单元、中央处理单元、重要远置单元、重要单机设备、分布远置单元、一般单机设备、下行信道设备以及总线和电缆网组成的信息流结构适用AOS体制；所有组成的信息流结构适用组合体制。

在流体层数据传输，一般包含有数据采集、存储、组帧、输出环节，在各模块间数据交互需要在流体层设置纠、检错措施，如；数据采集之后，存储之前，需要对采集的数据内容进行检错，有错误不存储，正确数据才进行保存；提取存储的数据之前需要设计纠错和检错措施，如CRC校验等保证组帧数据内容的正确性，在数据输出之前，设置校验码，提供下一个环节检验使用。有重要属性的数据设计的校验措施越需要严格，是多种纠、检错措施的综合应用，设计有差错控制方法。按照高可靠通讯的原则，设计信息备份措施，采取冗余设计方法，提高信息的健壮性。多物理通道保证了数据路由的多样性，由源端到应用前设计有多个路径，为保证信息的可靠，数据类型需要有足够的存储容量，支持数据重组、再次发送等的断点续传能力。由于硬件资源有限，重要数据分散在多个设备中，共同完成数据备份；最为重要的数据类型，需要安排不同设备、通过不同的信息通道互相备份，做到多冗余的目的，如：重要指令类信息，需要设置多个输出通道，保证指令输出的互备。通过灵活组帧设计方法，将具有相同耦合性的数据类型尽量安排在相邻或相近的存储及组包位置；有提取数据并重新组帧的能力，能够灵活的挑选不同位置的数据组成新的存储及组包格式进行传输；设计有延时数据功能，在故障或需求的情况下，能够通过对存储的延时数据信息进行调度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种航天器层状信息流传输系统，其特征在于：包括上行信道设备、指令单元、中央处理单元、m个分布远置单元、重要远置单元、一般单机设备、重要单机设备、特殊单机设备、下行信道设备、总线和电缆网；上行信道设备与指令单元通过电缆网连接，指令单元与中央处理单元通过电缆网连接，中央处理单元与下行信道设备通过电缆网连接；中央处理单元通过总线与m个分布远置单元、重要远置单元和特殊单机设备进行信息交互，每个分布远置单元均通过电缆网与一般单机设备进行信息交互，重要远置单元通过电缆网与重要单机设备进行信息交互；正常情况下，中央处理单元通过电缆网接收指令单元发送的指令，再通过总线发送给重要远置单元，由重要远置单元通过电缆网发送给重要单机设备，重要远置单元通过电缆网接收重要单机设备的遥测信息，通过总线传给中央处理单元，再由中央处理单元通过电缆网传输给下行信道设备，异常情况下，重要远置单元直接通过电缆网与指令单元和下行信道设备进行信息交互，确保异常情况下重要指令的可靠上行和重要遥测的可靠下传；上行信道设备、指令单元、重要单机设备、重要远置单元、下行信道设备和总线、电缆网组成的信息流结构采用PCM体制；上行信道设备、指令单元、中央处理单元、下行信道设备、重要远置单元、重要单机设备、分布远置单元、一般单机设备、总线和电缆网组成的信息流结构采用AOS体制；

所述一般单机设备为传输不反映卫星安全特性的遥测设备；

所述重要单机设备为传输直接反映卫星安全特性的遥测设备；

所述特殊单机设备为传输大容量或高速率遥测数据的设备；

所述重要远置单元为采集重要单机设备遥测参数的远置单元，在异常情况下直接接收来自指令单元的指令并发送给重要单机设备，并将采集到的重要单机设备的遥测参数发送给下行信道设备；

所述分布远置单元为采集一般单机设备遥测参数的远置单元。

2.根据权利要求1所述的一种航天器层状信息流传输系统，其特征在于：所述上行信道设备包括测控天线、多工器和应答机，下行信道设备包括应答机、固态放大器、多工器和测控天线。

3.根据权利要求1所述的一种航天器层状信息流传输系统，其特征在于：所述总线为1553B总线、CAN总线或422总线。