我国空间站信息系统的综合技术研究

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1、基础研究载人航天2011年第2期我国空间站信息系统的综合技术研究孔繁青郭永林(中国电子科技集团公司第五十四研究所)摘要空间站信息系统的统一是空间站电子技术的发展方向。在分析国内外信息系统发展现状的基础上，论述了空间站信息系统的结构选择原则，提出了两种空间站信息系统拓扑方案，分析了空间站信息系统网络体制的选择。综述了空间站信息系统的业务，分析了星地一体化设计的必要性。给出了发展我国空间站信息系统需要研究的主要内容。关键词信息系统空间站局域网总线CCSDS分类号V423．7文献标识码A文章编号1674—5825(2011)02一0045

2、—05l前言空间站是一个远离地球独立、长期在太空中服务的多功能体，一般由多个功能模块或功能舱构成的，航天员要在上面工作和生活，要进行舱外活动等，要对各个功能舱的状态进行监视，要在各个功能舱间进行信息交互，要完成各种试验，要与地面建立信息交控链路【ll。空间站信息系统就是为了支持空间站在轨运行和有效载荷的操作，为各种信息的处理和传输提供一个高速、宽带综合的局域网络。空间站信息系统的发展趋势是将各个独立发展的若干系统集成为一个统一的系统，构成一个宽带综合业务网络，这将简化空间站系统的复杂度，提高系统的可靠性。统一的空间站信息系统是空间站

3、电子技术的发展方向。2发展现状2．1国外发展现状目前国际空间站代表了国际上空间站发展的技术水平。国际空间站【2】是全面采用CCSDS—AOS体制的复杂星载信息系统，它是由四个局域网通过网关互联而构成信息系统的，数据经过虚拟信道链路控制器和合分路器后，进入两个射频信道与地面站进行通信，国际空间站的网络体系结构如图l所示。其中俄罗斯的服务舱和美国的实验舱的电子系统最复杂，它们既是空间站自主运行的控制中心，又是信息系统的控制中心。图l国际空间站的网络体系结构框图AP：用户终端；LAN：局域网；MDM：数据复用。2．2国内发展现状在我国神舟

4、载人飞船上，采用了数管系统来完成飞船的信息管理。神舟飞船采用了总线结构的分级分布式计算机系统。全船采用1553B总线作为设来稿日期：20lo-ll一25；修回日期：20lo_12—30。作者简介：孔繁青(1967．03一)，男，硕士，高级工程师，主要从事通信网络设计工作。45载人航天2011年第2期基础研究备间的通信介质，总线分为两级，第一级为整船级，即数管系统的1553B总线，它将全船各分系统的设备连接在一起，实现全船的信息共享；第二级为各分系统的1553B总线，如有效载荷的1553B总线，该总线将分系统内部的设备连接在一起，完成

5、分系统内部的数据交换，其总线控制器又挂在数管系统的1553B总线上，能实现与飞船和地球站的数据传输。3我国空间站信息系统的构成方案设计3．1空间站信息系统的结构选择原则空间站信息系统的结构选择原则，重点考虑可靠性、通信性能、可扩展性、复杂度、体积功耗等问题。首先是可靠性，因为信息系统是全站信息交换的命脉，所以对可靠性的要求是极高的。一般认为，空间站信息系统通信的可靠性应该在设计寿命期不低于0．99。其次，通信性能一般以通信链路的频带或最大数据率(bvte／s)来描述。此外，空间站信息系统的结构选择还要考虑系统软硬件本身的复杂性，以及

6、系统所需的功耗、重量、体积等。空间站信息系统的结构选择应特别注重系统的可扩展性，即改变系统容量时引起软硬件改变的程度。要同时在上述指标都达到最优是很困难的，我们只能从系统优化原则出发，选择较好的结构。常见的局域网络的结构有：总线形，星形，树形，环形和网状网络等五种。从可靠性上来讲星形和树形结构存在单点失效，最不可取。环形的可靠性虽然可以用双向通信来弥补，但容错能力不高，而且通信时延长。总线型尤其是1553B总线广泛应用于航空和航天领域，它的模块化程度较高，使其可维修性和可扩展性好。但是它有两个致命的短处：其一是存在可靠性瓶颈，总线上

7、有较多的单点失效部位，使之长寿命高可靠难以实现，同时它的功耗很大，系统复杂；其二，总线上是主从响应式分时通信，效率较差，每个结点机可用的通信容量太少，尤其在需要任意两结点之间进行通信时，必须要有防止总线冲突的仲裁策略，对提高通信速率是不利的。因此，总线型的方案不太适合作为空间站信息系统的核心网络。相对于其他拓扑结构，网状拓扑具有一些优点。首先，网状拓扑具有很高的可靠性和极强的健壮性。当一条链路不可用时，并不会使整个网络瘫痪。第46二，使用专用链路使得设备之间的数据负载由专门的连接承担，避免了共享链路中的通信量问题。最后，点到点链路使

8、故障识别和故障隔离十分容易。网络流量可以选择路由，避开有问题的链路。这种便利使网络管理员能精确定位故障，并帮助找出故障原因和解决方案。网状拓扑的主要缺点在于所需要的电缆和设备上输入输出端口的数量过于巨大。因此，网状拓扑通常只在有限的方