CN105099770A - 一种空间无线即插即用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间无线即插即用系统，采用无线通信方式，替代传统的星上总线通信，淘汰了传统星载电子设备之间的通信电缆，实现了卫星内部电子设备之间的互联，应用在卫星舱内电子设备即插即用接入卫星系统进行信息交互，可避免传统电缆连接的复杂性，提高卫星响应速度，有效的减轻卫星的重量，简化卫星AIT过程；并且在卫星的最初研制试验阶段，只需把每个带有无线即插即用接口的分系统或部件放在射频影响范围内就能够进行组网测试，避免了使用连接线缆和接口硬件，简化了试验步骤，缩短研发时间。

Description

一种空间无线即插即用系统

技术领域

本发明涉及空间即插即用技术领域，具体涉及一种空间无线即插即用系统。

背景技术

目前，空间快速响应技术得到了世界各国的普遍重视，其技术在军事领域首先得到了初步应用，鉴于空间快速响应技术所蕴藏的巨大空间潜在优势，可以预见空间快速响应技术在未来空间探索、空间开发和空间应用等方面必将发挥越来越重要的作用。即插即用技术是美国“作战响应空间”计划下提出的空间飞行器设计研制概念，主要是为了降低空间飞行器研制成本、缩短研制周期。

现有的即插即用技术都采用电缆连接有线手段，这种空间有线即插即用技术电气系统连接关系复杂，增加了系统研制和测试的复杂性，而且不利于模块在轨维修和在轨更换等空间操作。如果采用无线方式实现信息流传输，不仅可以提高空间飞行器响应速度，还可以减少空间飞行器干重，从而降低空间飞行器发射成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间无线即插即用系统，本系统采用即插即用技术和无线通信技术，星载电子设备可以通过无线通信的方式快速接入星载通信网络，不仅能够减少空间飞行器干重，降低空间飞行器发射成本，还能够完成卫星快速集成、快速测试和快速发射等快速响应任务。

本发明的一种空间无线即插即用系统，包括：无线接入点AP、路由节点、无线接口模块WIM、星载电子设备和星载计算机；

根据航天器上星载电子设备的分布，对航天器进行区域划分，使互相靠近的星载电子设备处在同一个区域，并在每个区域配置一个路由节点；所述星载计算机所在区域配置有无线接入点AP；

当所述星载电子设备为高速存储设备时，不配置无线接口模块WIM；除高速存储设备外的其他星载电子设备均配置一个无线接口模块WIM；

各区域内的无线接口模块WIM和路由节点构成子网；无线接入点AP和各个区域的路由节点构成主网；

高速存储设备直接通过所在子网的路由节点与主网通信；其他星载电子设备通过无线接口模块WIM与所在区域内的路由节点相连，再通过路由节点与主网通信；

所述星载电子设备及其所在子网构成设备层；所述星载计算机设置有应用层和管理层；

所述应用层包括用于实现不同任务的应用程序；

所述管理层包含：主网数据管理模块M-DM，主网网络管理模块M-NM，任务管理模块TM，进程管理模块PM，与子网分别一一对应的子网数据管理模块S-DM和子网网络管理模块S-NM，以及与星载电子设备一一对应的传感器管理模块SM；

星载电子设备经由所在子网的路由节点以及主网的无线接入点AP与相应的传感器管理模块SM相连；

当星载电子设备接入主网时，星载电子设备自动生成电子数据表单，相应的传感器管理模块SM接收该电子数据表单后，并将其存储到相应的子网数据管理模块S-DM上；接入成功后，相应的传感器管理模块SM通过任务管理模块TM将电子数据表单注册到主网数据管理模块M-DM上；

星载电子设备采集的数据和信息，依次通过相应的传感器管理模块SM和子网数据管理模块S-DM上发送到主网数据管理模块M-DM并存储；

子网中的路由节点查询星载电子设备的网络状态，得到星载电子设备的网络状态信息，并将其通过相应的传感器管理模块SM发送给相应的子网网络管理模块S-NM；子网网络管理模块S-NM根据星载电子设备的网络状态信息保存和更新所在子网的网络拓扑结构；

主网中的无线接入点AP查询各子网中路由节点的网络状态，得到主网的网络状态信息，并将其发送给主网网络管理模块M-NM上，主网网络管理模块M-NM根据主网的网络状态信息保存和更新主网的网络拓扑结构；

进程管理模块PM管理星载计算机上的CPU资源和内存资源，并向主网数据管理模块M-DM、主网网络管理模块M-NM、任务管理模块TM以及各个传感器管理模块SM分配CPU资源和内存资源；

所述应用层经由任务管理模块TM调用主网数据管理模块M-DM存储的所述数据和信息；根据当前的任务状态，调用相应的应用程序并运行并产生要执行的任务；最后将要执行的任务送给任务管理模块TM；

所述任务管理模块TM根据任务的类型，将信息类任务发送给主网数据管理模块M-DM，将网络类任务发送给主网网络管理模块M-DM；

主网数据管理模块M-DM接收到要执行的任务后，对所述电子数据表单进行解析，得到所述要执行任务对应的星载电子设备；然后再将该要执行任务通过子网数据管理模块S-DM和相应的传感器管理模块分配给相应的星载电子设备；

主网网络管理模块N-DM接收到要执行的任务后，通过子网网络管理模块S-NM和相应的传感器管理模块SM将任务分配给相应的星载电子设备。

较佳的，所述星载电子设备通过三次无线握手方式接入到主网中。

本发明具有如下有益效果：

(1)空间无线即插即用系统采用无线通信方式，替代传统的星上总线通信，淘汰了传统星载电子设备之间的通信电缆，实现了卫星内部电子设备之间的互联，应用在卫星舱内电子设备即插即用接入卫星系统进行信息交互，可避免传统电缆连接的复杂性，提高卫星响应速度，有效的减轻卫星的重量，简化卫星AIT过程；并且在卫星的最初研制试验阶段，只需把每个带有无线即插即用接口的分系统或部件放在射频影响范围内就能够进行组网测试，避免了使用连接线缆和接口硬件，简化了试验步骤，缩短研发时间。

(2)空间无线即插即用系统的星载电子设备一接入主网就会自动请求握手，这种启发式、通过电子数据表单自查询的方法，能够实现星载电子设备的快速接入，更迅速的进行常规的星务管理活动，而且为初始资源配置的采集和检测以及特殊任务行动提供了一个更高程度的系统自治能力，能够实现多任务兼容，长生命周期，快速征召和现场发射集成，在轨智能初始化配置以及批量制造能力；在本发明空间无线即插即用系统中采用无线通信方式实现设备间的信息的互联传输中，在管理层增加了网络管理模块，能够实时获得无线网络的拓扑结构、通信质量和网络阻塞等信息，保证信息的可靠传输。

附图说明

图1为空间无线即插即用硬件系统。

图2为无线接入点构成框图。

图3为路由节点构成框图。

图4为无线接口模块构成框图。

图5为空间无线即插即用软件系统。

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。

本发明提供了一种空间无线即插即用系统，包括：硬件系统和软件系统。

如图1所示为空间无线即插即用的硬件系统，包括：无线接入点AP、路由节点、无线接口模块WIM、星载计算机、高速设备、大量存储设备以及低速设备；高速设备、大容量存储设备以及低速设备通常称为星载电子设备。

根据航天器上星载电子设备的分布，对航天器进行区域划分，使互相靠近的星载电子设备处在同一个区域，并在每个区域配置一个路由节点；星载计算机所在区域配置有无线接入点AP；

当所述星载电子设备为高速存储设备时，不配置无线接口模块WIM；除高速存储设备外的其他星载电子设备均配置一个无线接口模块WIM；

各区域内的无线接口模块WIM和路由节点构成子网；无线接入点AP和各个区域的路由节点构成主网；

高速存储设备直接通过所在子网的路由节点与主网通信；其他星载电子设备通过无线接口模块WIM与所在区域内的路由节点相连，再通过路由节点与主网通信；

其中，空间无线即插即用主网采用无线局域网WiFi的通信方式；高速子网采用UWB的通信方式；低速子网采用WiFi和Zigbee的通信方式。路由节点的主要作用就是无线即插即用主网和空间无线即插即用子网之间通信数据格式的转换，能够运行所有的无线通信接口模块能够接入空间无线即插即用网络。

星载电子设备及其所在子网构成设备层。

如图2所示，无线接入点AP主要包括WiFi模块、MCU模块、有线接口模块、FLASH模块、时钟模块和电源模块等。其中，WiFi模块作为无线接口与路由节点构成无线通信网络；MCU模块主要对WiFi模块和有线接口模块进行配置和管理；有线接口可用于连接没有无线通信功能的星载计算机，完成数据信息和控制指令的传输；FLASH模块用于存储网络状态信息和设备的电子信息表单；时钟模块主要为MCU模块提供时钟信号；电源模块主要功能是为无线接入点正常工作提供所需的电源。

如图3所示，路由节点主要包括WiFi模块、无线通信模块1、有线接口模块、MCU模块、FLASH模块、时钟模块和电源模块等。其中，WiFi模块主要作用是接入无线接入点AP创建的无线接插即用主网；无线通信模块1主要作用是创建无线即插即用子网；有线接口可用于连接没有无线通信功能的星载电子设备，完成数据信息和控制指令的传输；FLASH模块主要是存储无线即插即用子网内所有星载电子设备的电子数据表单和无线即插即用子网的网络状态；MCU模、时钟模块和电源模块与无线接入点具有相同的功能。

如图4所示，无线接口模块主要包括无线通信模块2、有线接口模块、MCU模块、FLASH模块、时钟模块和电源模块等。其中，无线通信模块2主要作用接入路由节点创建的无线即插即用子网；有线接口可用于连接没有无线通信功能的星载电子设备，完成数据信息和控制指令的传输；FLASH模块主要是存储与有线接口相连的星载电子设备的电子数据表单；MCU模块、时钟模块和电源模块与无线接入点具有相同的功能。

如图5所示，所述星载计算机设置有应用层和管理层；其中，设备层是需要通过插即用接入的星载电子设备；管理层主要实现对即插即用接入过程的管理和无线即插即用网络状态的管理；应用层是实现不同任务所进行的应用程序。

管理层是无线即插即用系统的核心，是快速开发即插即用设备和进行快速测试的软件核心技术。管理层包含：主网数据管理模块M-DM，主网网络管理模块M-NM，任务管理模块TM，进程管理模块PM，与子网分别一一对应的子网数据管理模块S-DM和子网网络管理模块S-NM，以及与星载电子设备一一对应的传感器管理模块SM；

星载电子设备经由所在子网的路由节点以及主网的无线接入点AP与相应的传感器管理模块SM相连；

当星载电子设备接入主网时，星载电子设备自动生成电子数据表单，相应的传感器管理模块SM接收该电子数据表单后，并将其存储到相应的子网数据管理模块S-DM上；接入成功后，相应的传感器管理模块SM通过任务管理模块TM将电子数据表单注册到主网数据管理模块M-DM上；

星载电子设备采集的数据和信息，依次通过相应的传感器管理模块SM和子网数据管理模块S-DM上发送到主网数据管理模块M-DM并存储；

子网中的路由节点查询星载电子设备的网络状态，得到星载电子设备的网络状态信息，并将其通过相应的传感器管理模块SM发送给相应的子网网络管理模块S-NM；子网网络管理模块S-NM根据星载电子设备的网络状态信息保存和更新所在子网的网络拓扑结构；

主网中的无线接入点AP查询各子网中路由节点的网络状态，得到主网的网络状态信息，并将其发送给主网网络管理模块M-NM上，主网网络管理模块M-NM根据主网的网络状态信息保存和更新主网的网络拓扑结构；

进程管理模块PM管理星载计算机上的CPU资源和内存资源，并向主网数据管理模块M-DM、主网网络管理模块M-NM、任务管理模块TM以及各个传感器管理模块SM分配CPU资源和内存资源；

所述应用层经由任务管理模块TM调用主网数据管理模块M-DM存储的所述数据和信息；根据当前的任务状态，调用相应的应用程序并运行并产生要执行的任务；最后将要执行的任务送给任务管理模块TM；

所述任务管理模块TM根据任务的类型，将信息类任务发送给主网数据管理模块M-DM，将网络类任务发送给主网网络管理模块M-DM；

主网数据管理模块M-DM接收到要执行的任务后，对所述电子数据表单进行解析，得到所述要执行任务对应的星载电子设备；然后再将该要执行任务通过子网数据管理模块S-DM和相应的传感器管理模块分配给相应的星载电子设备；

主网网络管理模块N-DM接收到要执行的任务后，通过子网网络管理模块S-NM和相应的传感器管理模块SM将任务分配给相应的星载电子设备。

即插即用握手是用于建立主控设备与从控设备之间的枚举机制，主要包括三次无线握手过程：设备发现、设备描述和设备控制，具体过程如下：

一、设备发现：

(1)从控设备向主控设备发出主机询问帧，向主控设备请求握手；

(2)主控设备将主机确认帧反馈给从控设备；

(3)如果从控设备收到主控设备发送的主机确认帧，则第一次握手成功；否则，第一次握手失败，此时，反复进行(1)～(2)直到第一次握手成功，然后进行第二次握手；

二、设备描述：

(1)主控设备向从控设备发送从机查询帧；

(2)从控设备收到从机查询帧后，向主控设备发送从机电子数据表单；

(3)主控设备收到从控设备发送的从机电子数据表单后，向从控设备发送确认信息；

(4)如果从控设备收到主控设备发送的确认信息，则第二次握手成功；否则，第二次握手失败，此时，反复进行(1)～(3)直到第二次握手成功，然后进行第三次握手；

三、设备控制：

(1)主控设备向从控设备发送从机配置帧，对从控设备进行配置；

(2)从控设备收到从机配置帧后，根据从机配置帧进行配置，配置成功后向主控设备发送确认信息；

(4)如果主控设备收到从控控设备发送的确认信息，则第三次握手成功；否则，第二次握手失败，此时，反复进行(1)～(3)直到第三次握手成功。

完成上述3次握手操作，星载电子设备即插即用接入成功。

星载电子设备退出主网有两种方式，一种是被动退出，星载计算机调用包含退出指令的应用程序；退出指令依次通过任务管理模块TM、相应的子网数据管理模块S-DM和传感器管理模块SM发送给相应的星载电子设备；星载电子设备接收到退出指令后退出主网；

另一种是主动退出，星载电子设备将申请退出指令依次通过传感器管理模块SM、子网数据管理模块S-DM和任务管理模块TM发送给星载计算机；星载计算机接收到申请退出指令后，按照相反路径发送给星载电子设备；星载电子设备接收到允许退出指令后退出主网；

当星载电子设备退出主网时，主网数据管理模块M-DM和子网数据管理模块S-DM将该星载电子设备的电子数据表单删除。

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 (2)

1.一种空间无线即插即用系统，其特征在于，包括：无线接入点AP、路由节点、无线接口模块WIM、星载电子设备和星载计算机；

根据航天器上星载电子设备的分布，对航天器进行区域划分，使互相靠近的星载电子设备处在同一个区域，并在每个区域配置一个路由节点；所述星载计算机所在区域配置有无线接入点AP；

当所述星载电子设备为高速存储设备时，不配置无线接口模块WIM；除高速存储设备外的其他星载电子设备均配置一个无线接口模块WIM；

各区域内的无线接口模块WIM和路由节点构成子网；无线接入点AP和各个区域的路由节点构成主网；

高速存储设备直接通过所在子网的路由节点与主网通信；其他星载电子设备通过无线接口模块WIM与所在区域内的路由节点相连，再通过路由节点与主网通信；

所述星载电子设备及其所在子网构成设备层；所述星载计算机设置有应用层和管理层；

所述应用层包括用于实现不同任务的应用程序；

所述管理层包含：主网数据管理模块M-DM，主网网络管理模块M-NM，任务管理模块TM，进程管理模块PM，与子网分别一一对应的子网数据管理模块S-DM和子网网络管理模块S-NM，以及与星载电子设备一一对应的传感器管理模块SM；

星载电子设备经由所在子网的路由节点以及主网的无线接入点AP与相应的传感器管理模块SM相连；

当星载电子设备接入主网时，星载电子设备自动生成电子数据表单，相应的传感器管理模块SM接收该电子数据表单后，并将其存储到相应的子网数据管理模块S-DM上；接入成功后，相应的传感器管理模块SM通过任务管理模块TM将电子数据表单注册到主网数据管理模块M-DM上；

星载电子设备采集的数据和信息，依次通过相应的传感器管理模块SM和子网数据管理模块S-DM上发送到主网数据管理模块M-DM并存储；

子网中的路由节点查询星载电子设备的网络状态，得到星载电子设备的网络状态信息，并将其通过相应的传感器管理模块SM发送给相应的子网网络管理模块S-NM；子网网络管理模块S-NM根据星载电子设备的网络状态信息保存和更新所在子网的网络拓扑结构；

主网中的无线接入点AP查询各子网中路由节点的网络状态，得到主网的网络状态信息，并将其发送给主网网络管理模块M-NM上，主网网络管理模块M-NM根据主网的网络状态信息保存和更新主网的网络拓扑结构；

进程管理模块PM管理星载计算机上的CPU资源和内存资源，并向主网数据管理模块M-DM、主网网络管理模块M-NM、任务管理模块TM以及各个传感器管理模块SM分配CPU资源和内存资源；

所述应用层经由任务管理模块TM调用主网数据管理模块M-DM存储的所述数据和信息；根据当前的任务状态，调用相应的应用程序并运行并产生要执行的任务；最后将要执行的任务送给任务管理模块TM；

所述任务管理模块TM根据任务的类型，将信息类任务发送给主网数据管理模块M-DM，将网络类任务发送给主网网络管理模块M-DM；

主网数据管理模块M-DM接收到要执行的任务后，对所述电子数据表单进行解析，得到所述要执行任务对应的星载电子设备；然后再将该要执行任务通过子网数据管理模块S-DM和相应的传感器管理模块分配给相应的星载电子设备；

主网网络管理模块N-DM接收到要执行的任务后，通过子网网络管理模块S-NM和相应的传感器管理模块SM将任务分配给相应的星载电子设备。

2.如权利要求1所述的空间无线即插即用系统，其特征在于，所述星载电子设备通过三次无线握手方式接入到主网中。