CN103618573B - 一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线系统，解决总线的传输带宽低、电磁干扰、星内布线复杂、占用空间大、质量大等问题。控制器A与控制器B互为备份，在某一时间点只有一个控制器被星务计算机设置为当班控制器；当班控制器通过无线通信方式对有效载荷的数据通信进行管理、控制；当其中一个光纤环出现故障时，当班控制器将工作总线切换到令一个光纤环上；按照光传输方向编辑有效载荷序号，不同有效载荷采用不同波长传输数据，有效载荷k发射的激光信号的波长为λ_k，实现载荷数据上行；当班控制器通过无线方式向有效载荷发送控制指令，可调谐滤波器根据控制指令从光纤环上选取特定的波长进入激光接收器，实现载荷数据下行。

Description

一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线系统

技术领域

本发明涉及一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线系统，主要用于卫星有效载荷的数据通信，属于卫星平台电子系统领域。

背景技术

随着深空探测、对地观测以及遥感遥测等技术的快速发展，在空间与环境探测领域面临前所未有的机遇和挑战。空间与环境探测卫星完成的任务不仅越来越多，而且越来越复杂，其姿态和轨道控制精度要求越来越高，系统内部各个单元之间需要交换的信息量也在迅速增加，对有效载荷数据总线的带宽、码速率、可靠性和容错能力等方面提出了越来越高的要求。

目前，在空间与环境探测卫星中使用的数据总线主要采用窄线宽的同轴电缆或双绞线作为传输介质，码速率低，易受电磁干扰影响，因而不利于系统稳定性的进一步提高，很难完成空间与环境探测技术的信息处理任务。由于空间环境存在诸多电磁干扰和电磁脉冲源，使用基于电缆的总线很难满足空间与环境技术的高性能和高可靠性要求，并且无法支持高速率的数据传输。此外，在基于电缆的传统数据总线中，信息交换是由点到点的电缆完成。随着设备的不断增加，电缆在空间与环境探测卫星内布线复杂、占用空间大、质量大，这些问题成为限制空间与环境探测技术进一步发展的瓶颈，急需要采用新型传输媒质代替电缆。利用光纤传输介质来取代屏蔽双绞线以及电缆，是一种非常有效的解决途径。

MIL-STD-1773是1553B的光纤版，颁发于1987年。1773总线在通信协议、吞吐量、总线终端定义、总线长度等方面与1553B总线标准定义完全相同，重要的区别就是采用光纤作为传输介质，用光收/发器替换电总线中的电收/发器。这种方案的优点是它具有抗电磁干扰、重量轻、传输输率高、功耗低、无辐射及故障隔离性好等优点。AS1773为MIL-STD-1773标准的改进版，1995年由SAE颁布。该标准允许数据以20Mbps和1Mbps两种速率进行传输。AS1773保持了向下的兼容性，适用于新旧终端共存的应用环境。然而，对于新型有效载荷而言1773总线的带宽仍然不够，且采用星型耦合器，存在单点失效的风险，可靠性较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线系统，主要针对卫星有效载荷器之间信息流交互而开展的系统设计，解决总线的传输带宽低、电磁干扰、星内布线复杂、占用空间大、质量大等问题，在解决有效载荷数据的上行与下行的同时不影响其他载荷的通信。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线系统，该系统包括光纤环I、光纤环II、控制器A、控制器B和n个有效载荷，控制器A与控制器B互为备份，在某一时间点只有一个控制器被星务计算机设置为当班控制器；当班控制器通过无线通信方式对有效载荷的数据通信进行管理、控制；当其中一个光纤环出现故障时，当班控制器将工作总线切换到令一个光纤环上；有效载荷数据通过激光信号接入光纤环，按照光传输方向编辑有效载荷序号，有效载荷包含激光发射器、激光接收器和可调谐滤波器，其中可调谐滤波器用于控制激光接收器的输入波长；不同有效载荷采用不同波长传输数据，有效载荷k发射的激光信号的波长为λ_k，实现载荷数据上行；当班控制器通过无线方式向有效载荷发送控制指令，可调谐滤波器根据控制指令从光纤环上选取特定的波长进入激光接收器，实现载荷数据下行；

该系统的工作流程为：

①系统在上电后完成初始化，在初始化的过程中当班控制器依次与所有的有效载荷通信，获取并存储有效载荷的状态，并进行光总线状态检查；

②假设完成初始化的时刻为0，在每个周期T内，当班控制器为每个有效载荷分配一个时隙,在相应的时隙范围内当班控制器与有效载荷通过无线通信方式协调光总线的通信；

③有效载荷i需要向有效载荷j发送数据时，首先有效载荷i在当班控制器所分配的时隙内向当班控制器发出发送数据请求；当班控制器检测有效载荷j的状态，判断有效载荷j是否正在接收数据或故障，如果是，则发送数据请求不被允许，通知有效载荷i先不要发送数据，否则，发送数据请求被允许，则通知有效载荷i发送数据和有效载荷j接收数据；此后，有效载荷i发射激光信号的波长为λ_i，有效载荷j接收信号的波长为λ_i；当完成数据传输后，有效载荷j向当班控制器反馈，更新其状态；

④若有效载荷i需要向多个有效载荷发送数据，将会按照有效载荷的优先级建立发送数据的队列，在当班控制器分配的时隙范围内按照优先级依次向当班控制器发出发送数据请求；若优先级最高的发送数据请求不被允许，则选择第二优先级的进行尝试；若第二优先级的发送数据请求不被允许，则选择第三优先级的进行尝试，以此类推；对于被允许的发送数据请求，按照第③点的描述由有效载荷i向目的有效载荷发送数据；同时，有效载荷i将遥测数据通过无线传输方式发送到当班控制器中；

⑤若有效载荷i想要广播数据，则按照有效载荷序号建立向所有其余有效载荷发送数据的队列，然后按照第④点的描述由有效载荷i向各个其他有效载荷发送数据；

⑥若某一时刻当班控制器通过有效载荷的遥测数据判定某个有效载荷出现故障，则将分配给它的时隙设置为空闲，其在当班控制器中的状态标注为故障，即其余有效载荷不允许向其发送数据；

⑦若有效载荷i需要与有效载荷j建立全双工通信时，有效载荷i发射激光信号的波长为λ_i，接收信号的波长为λ_j；有效载荷j发射激光信号的波长为λ_j，接收信号的波长为λ_i。

有益效果：

1）采用星载有效载荷光总线系统，其网络拓扑为环状，可以实现任意两个有效载荷的数据通信，而不影响其余有效载荷的数据通信；

2）采用星载有效载荷光总线系统，将光纤环的实际使用带宽提升到n倍；

3）星载有效载荷光总线系统光纤连接与控制器采用冗余设计，互为备份的组件可以方便切换，提升系统的可靠性；

4）采用星载有效载荷光总线系统，解决了总线的传输带宽低、电磁干扰、星内布线复杂、占用空间大、质量大等问题；

5）星载有效载荷光总线系统有效载荷通过无线传输方式进行遥控遥测，对通信进行管理，实现了全系统测控无电缆，减小系统的重量。

附图说明

图1为星载有效载荷光总线系统原理框图。

图2为有效载荷控制时隙分配。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线主要用于完成有效载荷之间数据信息通信，具体包括通信管理、数据上行、数据下行、总线切换等功能。

图1示出了星载有效载荷光总线系统的原理框图。如图1所示，星载有效载荷光总线系统包括光纤环I、光纤环II、控制器A、控制器B和n个有效载荷。其中光纤环I与光纤环II可以为同向，也可以为逆向；两个光纤环互为备份；控制器A与控制器B互为备份，在某一时间点只有一个控制器设置为当班控制器；当班控制器通过无线通信的方式对有效载荷的数据通信进行管理、控制。

当一个光纤环出现故障时，当班控制器将工作总线切换到另一个光纤环上；若当班控制器A出现故障时，星务计算机将当班控制器切换为控制器B。

有效载荷通过激光信号接入光纤环I和光纤环II，按照光传输方向编辑有效载荷序号。有效载荷包含激光发射器、激光接收器和可调谐滤波器，激光发射器用于向光纤环发射波长可调的激光信号，激光接收器用于从光纤环接收激光信号，由可调谐滤波器控制激光接收器的输入波长。可调谐滤波器由当班控制器进行无线控制。

本发明中不同序号的有效载荷采用不同波长传输数据。设连接在光总线上的有效载荷数为n，其中有效载荷k发射的激光信号的波长为λ_k，实现载荷“数据上行”。k的取值范围为1～n。

当班控制器通过无线方式向有效载荷的发送控制指令，可调谐滤波器根据控制指令从光总线上选取特定的波长进入激光接收器，实现载荷“数据下行”。

若有效载荷i需要与有效载荷j建立全双工通信时，有效载荷i发射激光信号的波长为λ_i，接收信号的波长为λ_j；有效载荷j发射激光信号的波长为λ_j，接收信号的波长为λ_i。

若有效载荷i需要向有效载荷j发送数据，有效载荷j需要向有效载荷k发送数据，则有效载荷j接收波长为λ_i，有效载荷k接收波长为λ_j。

该系统的工作流程为：

①系统在上电后完成初始化，在初始化的过程中当班控制器依次与所有的有效载荷通信，获取并存储有效载荷的状态（包括是否正在发送、接收），并进行光总线系统状态检查。

光总线系统状态检查方法为：

所有有效载荷依次发送并接收一个自检数据包，即有效载荷i将自检数据包以波长λ_i发送到光纤环上，并从光纤环上接收波长λ_i的自检数据包，若接收陈宫则表明有效载荷i与光纤环完好，并写将接收状态汇集到当班控制器中。若当班控制器获知所有有效载荷均无法接收自身发送的自检数据包，说明光纤环路断开，则将当班光纤环切换到另一个光纤环。

②假设完成初始化后的时刻为0，如图2所示，在一个周期T内，当班控制器为每个有效载荷分配一个时隙,在相应的时隙范围内当班控制器与有效载荷通过无线通信方式协调光总线的通信。每个周期中还可以预留一些时隙给后续加入的更多有效载荷。

③有效载荷i想给有效载荷j发送数据时，首先有效载荷i在当班控制器所分配的时隙内向当班控制器发出发送数据请求；当班控制器检测有效载荷j的状态，若此时有效载荷j正在接收数据或其在当班控制器中标注的状态为故障，则通知有效载荷i先不要发送数据，若有效载荷j没有正在接收数据，则通知有效载荷i发送数据和有效载荷j接收数据；当完成数据传输后，有效载荷j将向当班控制器反馈，更新其状态。

④若有效载荷i想给有效载荷a、b、c发送数据，将会按照有效载荷的优先级建立发送数据队列，在当班控制器分配的时隙范围内会按照优先级依次向当班控制器发出发送数据请求，当班控制器根据被请求的目的有效载荷是否正在接收数据确定发送请求是否被允许。若优先级最高的发送请求不被允许，则选择第二优先级的进行尝试；若第二优先级的发送请求不被允许，则选择第三优先级的进行尝试，以此类推；对于被允许的发送数据请求，按照第③点的描述由有效载荷i向目的有效载荷发送数据。同时，有效载荷i将遥测数据通过无线传输方式发送到当班控制器中。

⑤若有效载荷i想要广播数据，则按照有效载荷序号建立向所有其余节点发送数据的队列，然后按照第④点的描述由有效载荷i向各个其他有效载荷发送数据。

⑥若某一时刻当班控制器通过有效载荷的遥测数据判定某个有效载荷出现故障，则将分配给它的时隙设置为空闲，其在当班控制器中的状态标注为故障，即其余有效载荷不允许向其发送数据。

举例说明：

假设卫星有10个有效载荷，分别为有效载荷1到有效载荷10。系统上电进行初始化，建立有效载荷的初始状态表格，如表1所示。

表1有效载荷初始状态

有效载荷

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

发射

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

接收

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

空闲

假设在某一时间段，需要建立有效载荷之间的全双工通信连接发射波长与接收波长如下表所示。

表2有效载荷全双工通信发射与接收激光的波长

若单一数据通信连接的带宽为d，那么光纤环实际传输带宽为10d。

若第3个载荷想给第5、7、10个载荷发送数据，优先级从高到底依次为有效载荷7、有效载荷5、有效载荷10，将会按照优先级建立发送数据队列{7，5，10}；在当班控制器分配的时隙范围内会按照优先级依次建立通信连接{3→7，3→5，3→10}；若通信连接3→7的发送请求不被允许，则选择通信连接3→5进行尝试，通信连接3→5建立成功则进行数据上行，否则尝试通信连接3→10；同时将有效载荷3的遥测参数通过无线传输方式发送到当班控制器中。

若第6个载荷想广播数据，则按照光传输方向有效载荷序号建立向所有其余节点发送数据的队列{6→7，6→8，6→9，6→10，6→1，6→2，6→3，6→4，6→5}，然后按照上述步骤建立通信链接。

若某一时刻，当班控制器通过遥测数据发现有效载荷4出现故障，则将分配给它的时隙设置为空闲，此时并不影响其余有效载荷之间的数据通信。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于波分复用技术的星载有效载荷光总线系统，其特征在于，该系统包括光纤环I、光纤环II、控制器A、控制器B和n个有效载荷，n为大于或等于2的正整数；控制器A与控制器B互为备份，在某一时间点只有一个控制器被星务计算机设置为当班控制器；当班控制器通过无线通信方式对有效载荷的数据通信进行管理、控制；当其中一个光纤环出现故障时，当班控制器将工作总线切换到另一个光纤环上；有效载荷数据通过激光信号接入光纤环，按照光传输方向编辑有效载荷序号，有效载荷包含激光发射器、激光接收器和可调谐滤波器，其中可调谐滤波器用于控制激光接收器的输入波长；不同有效载荷采用不同波长传输数据，有效载荷k发射的激光信号的波长为λ_k，实现载荷数据上行；当班控制器通过无线方式向有效载荷发送控制指令，可调谐滤波器根据控制指令从光纤环上选取特定的波长进入激光接收器，实现载荷数据下行；

该系统的工作流程为：

①系统在上电后完成初始化，在初始化的过程中当班控制器依次与所有的有效载荷通信，获取并存储有效载荷的状态，并进行光总线状态检查；

②假设完成初始化的时刻为0，在每个周期T内，当班控制器为每个有效载荷分配一个时隙,在相应的时隙范围内当班控制器与有效载荷通过无线通信方式协调光总线的通信；

③有效载荷i需要向有效载荷j发送数据时，首先有效载荷i在当班控制器所分配的时隙内向当班控制器发出发送数据请求；当班控制器检测有效载荷j的状态，判断有效载荷j是否正在接收数据或故障，如果是，则发送数据请求不被允许，通知有效载荷i先不要发送数据，否则，发送数据请求被允许，则通知有效载荷i发送数据和有效载荷j接收数据；此后，有效载荷i发射激光信号的波长为λ_i，有效载荷j接收信号的波长为λ_i；当完成数据传输后，有效载荷j向当班控制器反馈，更新其状态；

④若有效载荷i需要向多个有效载荷发送数据，将会按照有效载荷的优先级建立发送数据的队列，在当班控制器分配的时隙范围内按照优先级依次向当班控制器发出发送数据请求；若优先级最高的发送数据请求不被允许，则选择第二优先级的进行尝试；若第二优先级的发送数据请求不被允许，则选择第三优先级的进行尝试，以此类推；对于被允许的发送数据请求，按照第③点的描述由有效载荷i向目的有效载荷发送数据；同时，有效载荷i将遥测数据通过无线传输方式发送到当班控制器中；

⑤若有效载荷i想要广播数据，则按照有效载荷序号建立向所有其余有效载荷发送数据的队列，然后按照第④点的描述由有效载荷i向各个其他有效载荷发送数据；

⑥若某一时刻当班控制器通过有效载荷的遥测数据判定某个有效载荷出现故障，则将分配给它的时隙设置为空闲，其在当班控制器中的状态标注为故障，即其余有效载荷不允许向其发送数据。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光总线状态检查过程为：

所有有效载荷依次发送并接收一个自检数据包，即有效载荷i将自检数据包以波长λ_i发送到光纤环上，并从光纤环上接收波长λ_i的自检数据包，若接收成功则表明有效载荷i与光纤环完好，并将接收状态汇集到当班控制器中；若当班控制器获知所有有效载荷均无法接收自身发送的自检数据包，说明光纤环路断开，则将当班光纤环切换到另一个光纤环上。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，若有效载荷i需要与有效载荷j建立全双工通信时，有效载荷i发射激光信号的波长为λ_i，接收信号的波长为λ_j；有效载荷j发射激光信号的波长为λ_j，接收信号的波长为λ_i。