CN102932261A

CN102932261A - 一种基于智能型高速路由器的星上载荷信息流管理***

Info

Publication number: CN102932261A
Application number: CN2012104786936A
Authority: CN
Inventors: 马文杰; 李延东; 贾涛; 刘思远; 王国良
Original assignee: Aerospace Dongfanghong Satellite Co Ltd
Current assignee: Aerospace Dongfanghong Satellite Co Ltd
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种基于智能型高速路由器的星上载荷信息流管理***，包括智能型高速路由器、有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数传设备，智能型高速路由器包括SpaceWire路由模块、智能控制模块和SpaceWire标准总线接口，SpaceWire路由模块将来自有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数据传输设备的数据直接进行交换或通过智能控制模块的CAN接口输出到星载低速总线网络；并将利用智能控制模块接收到的来自星载低速总线网络的遥控指令发送到所述有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数据传输设备。本发明解决了目前小卫星有效载荷***与数据传输***接口复杂、模块化程度低、不利于快速组装与测试以及不利于设备技术升级的问题。

Description

一种基于智能型高速路由器的星上载荷信息流管理***

技术领域

本发明涉及一种基于智能型高速路由器的星上有效载荷信息管理***，特别是针对信息获取型卫星的一种基于智能型高速路由器的有效载荷高速和低速信息流管理***，属于卫星数据传输与信息管理领域。

背景技术

目前的小卫星***中，有效载荷***用来实现小卫星在轨运行的特定航天任务。对于信息获取型卫星，有效载荷产生高速数据并输出给数据传输***。数据传输***则对载荷原始数据进行处理、存储并回传地面站。另外，有效载荷与数据传输***状态的监测与功能的维持还需要进行低速遥测与遥控数据的交换。

目前的有效载荷***以及数据传输***的信息流管理的设计采用的是针对每颗卫星的实际需求进行针对性专门设计的方法，即一星一设计的模式，不同的卫星在总线传输格式、节点设备数量上会有所差异，但总体架构基本一致。根据传输数据类型的差异可以将其分为高速网络和低速网络。其中高速网络用来进行高速载荷数据的处理、存储和传输；低速网络主要用来进行测控信息传输和译码。

图1和图2给出了目前小卫星通用的一种有效载荷数据管理***的高速数据管理***与低速数据管理***组成。

高速数据管理***主要由效载荷模块、预处理模块、调度复接模块、固存模块、编码模调制模块、发射机模块以及模块之间的接口和电缆组成。有效载荷产生一路或多路高速原始数据，并传送给预处理模块或者调度复接模块。预处理模块根据实际需要进行配置，可对原始数据进行压缩编码等操作。调度复接模块主要包括两个方面的功能：调度功能、复接功能。调度功能主要根据数传工作模式对数据源、数据处理流程和方式等进行调度。主要用来完成在多路载荷数据、固存数据、整星遥测数据之间利用调度原则选择数据进行复接；完成复接数据的输出选择；完成对固存数据的写入和读出控制。复接功能实现对选定的数据进行AOS复接和组帧。固存模块用来存储载荷数据和整星遥测数据。编码调制模块用来完成对AOS传输帧的信道编码和调制。发射机则将调制后的数据流进行变频、放大滤波后输出。

不同的模块之间的数据传输采用LVDS接口，具体传输速率和接口传输线的数量则需要根据实际需求进行设计。调度复接模块与固存之间的操作指令则利用RS485接口传输。

目前的数据传输模式主要包括：记录模式、回放模式、直传+回放模式、直传+记录模式、记录+回放模式。

记录模式主要用于卫星在地面接收站可视范围外的情况，由调度复接模块完成将经过预处理的载荷数据以及星务计算机通过CAN总线送来的卫星工程遥测等辅助数据，进行格式编排、并送固态存储器进行记录。

回放模式用来将记入固态存储器的经过调度复接模块进行格式编排后的载荷数据进行回放传输。

直传+回放模式主要用于数据传输***对地可传输码速率大于载荷实时产生码速率的情况。该模式下，调度复接模块将载荷产生的数据以及来自固态存储器的数据进行复接和编排后送编码调制器处理后对地传输。

直传+记录模式主要用于数据传输***对地可传输码速率小于载荷实时产生码速率的情况。该模式下，调度复接模块根据优先级将载荷产生的部分数据复接编排后传送给编码调制器，部分数据进行格式编排后存入固态存储器。

记录+回放模式用于数据传输***对地可传输码速率小于载荷实时产生码速率的情况。该模式下，调度复接模块一方面将载荷产生的数据复接编排后存入固态存储器，另一方面将固态存储器的数据进行回放传输。该模式相当于准实时传输模式，利用固态存储器作为缓存使用。

如图2所示，低速数据管理***由有效载荷下位机、数传下位机以及有效载荷管理模块组成。低速数据管理***主要负责对有效载荷和数传***遥测信息的采集和遥控指令的分配和译码，并完成对高精度时间的广播。有效载荷下位机负责完成有效载荷遥测参数的采集，并通过二级CAN总线传送给有效载荷管理单元，并完成部分有效载荷遥控指令的解译。数传下位机则完成数传***各设备遥测参数的采集，并传送给有效载荷管理单元，还负责数传***遥控指令的解译。有效载荷管理模块通过二级总线负责完成有效载荷和数传***遥测参数的采集，并通过一级CAN总线传送给星务管理计算机。此外，有效载荷管理模块还完成对部分遥控指令的解译，并通过对继电器的控制完成对有效载荷和数传设备的指令执行。

目前的有效载荷高速数据和低速数据管理***主要存在以下不足之处：

(1)采用的传输端口类型和数据传输协议不统一，包括各种速率的LVDS接口、CAN接口、485接口等，增加了设备的复杂度，不利于卫星的快速组装和测试；

(2)不同卫星载荷与数传分***设备组成不同，设备间的接口不同，不具有通用性，不利于系列化生产；

(3)设备模块化程度低，连接方式固定，无法灵活的进行模块的更替，不利于设备的技术升级；

(4)具体卫星数据的流向单一且固定，无法适应不同卫星多样化的数据交换和处理的需求；

(5)具体卫星数据传输设备的速率单一，无法适应不同卫星多样化的数据速率需求。

随着信息传输技术的发展，一些新型总线得到了快速的开发和利用。SpaceWire总线作为欧洲专门为航天应用开发的总线标准已经在国外的航天器中得到应用，但多用于点到点的数据传输，已有文献提出SpaceWire路由器在星上网络中应用方案，但多为整星均采用SpaceWire总线网络，虽然能实现总线的统一，但对于管理信息量较小的小卫星平台，完全采用SpaceWire总线会大大增加研制成本。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提出了一种基于智能型高速路由器的星上有效载荷信息流管理***，解决了目前小卫星有效载荷***与数据传输***接口复杂、模块化程度低、不利于快速组装与测试以及不利于设备技术升级的问题。进一步降低了***复杂度，在一定程度上实现了高速数据交换设备的通用化。

本发明的技术解决方案是：

一种基于智能型高速路由器的星上有效载荷信息流管理***，包括：智能型高速路由器、SpaceWire高速总线和带有智能接口单元的高速数据管理设备。所述高速数据管理设备包括带有IIU的有效载荷设备、带有IIU的数据处理设备、带有II U的数据存储设备、带有IIU的数据传输设备。其中IIU为智能接口单元Intelligent Interface Unit的缩写。

智能型高速路由器为星载高速网络的核心设备，负责完成高速网络数据的交换。有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数传设备直接通过具有双向高速SpaceWire接口的智能接口连接在所述路由器上。高速数据可以通过智能型高速路由器根据路由表的配置，在有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备以及数据传输设备之间进行灵活的传输。智能型高速路由器通过CAN接口与星载低速总线网络连接。各设备的遥测数据可以利用SpaceWire接口传送给路由器，智能型高速路由器通过CAN接口和星上低速网络传送给综合管控计算机(也称作星务主机)。综合管控计算机也可以通过CAN总线实现对路由器的配置，以及实现高速网络设备遥测参数的采集和遥控指令的传输。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明所述的一种基于智能型高速路由器的星上有效载荷信息管理***丰富了数据的流向，可利用智能控制模块实现路由表的修改和配置，从而实现了任意方向的数据传输。因此其工作模式不仅涵盖了传统的有限几种工作模式，而且实现了工作模式的可配置。

进一步，本发明所带来的优点体现在以下几个方面：

(1)采用智能型高速路由器完成了原来依靠两个网络完成的有效载荷、固存、数据传输等处理高速数据的设备之间的高速和低速数据交换，从而简化了***的复杂度，便于提高***可靠性；

(2)统一了设备间的接口，采用一种接口取代了原有的CAN接口、L/DS接口和485接口等多种接口，利于卫星的快速组装和测试，减轻卫星的质量，且便于设备进行系列化生产，并大大提高了卫星总装的灵活性和快速性；

(3)采用SpaceWire总线路由技术，网络设备间的数据交换更为灵活，可以提供更为灵活的数据传输模式；同时该智能型高速路由器具有一定传输速率适应能力，因此具有较高的通用性，同一个设备可以适应于多颗卫星，可以大大降低设备开发成本；

(4)利用智能控制模块可以对路由表进行配置的特点，实现了数据传输模式的可配置。

附图说明

图1为传统高速数据管理***组成示意图；

图2传统低速数据管理***组成示意图；

图3为本发明的***组成示意图；

图4为本发明的智能型路由器功能组成示意图；

图5为本发明的带有IIU的有效载荷设备组成示意图；

图6为本发明的带有IIU的数据处理设备组成示意图；

图7为本发明的带有IIU的数据存储设备组成示意图；

图8为本发明的带有II U的数传设备组成示意图；

图9为本发明的信息管理流程图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图3所示，为本发明结构示意图。其中智能型高速路由器为星载高速网络的核心设备，负责完成高速网络数据的交换。有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数传设备直接通过智能接口单元连接在所述路由器上。高速数据可以通过路由器根据路由表的配置，在有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备以及数据传输设备之间进行传输。路由器通过CAN接口与星载低速总线网络连接。各设备产生的遥测数据经过路由器后，由路由器通过CAN接口经星上低速网络传送给综合管控计算机(也称作星务主机)。综合管控计算机业可以通过CAN总线实现对路由器的配置(比如修改路由表)，以及实现高速网络设备遥测参数的采集和遥控指令的传输。

如图4所示，本发明的智能型高速路由器由SpaceWire路由模块、智能控制模块和SpaceWire标准总线接口SpW组成。其中SpaceWire路由模块基于ECSS-E-ST-50-12C标准规范实现。所述智能型高速路由器一方面实现路由器的资源管理，另一方面通过CAN接口与星载低速网络的连接将遥测信息传递给星务计算机，第三方面可将来自星务计算机的遥控指令转发给连接到路由器的各设备。

带有IIU的有效载荷设备，与传统的有效载荷设备相比增加了智能接口单元，其组成见图5所示，由多个单机设备、下位机和智能接口单元组成。单机设备的功能和处理过程由用户定义，可以为光学相机也可以为电子载荷等，它产生多路高速载荷数据。下位机则负责对各单机设备的遥测参数进行采集生成低速遥测数据。高速数据和低速数据均通过智能接口单元利用标准的SpaceWire接口传送给路由器。另外，对路由器送来的遥控数据，则由接口模块传送给下位机，由下位机完成指令的译码和指令的执行。

带有IIU的数据处理设备用来进行载荷高速数据的处理，其组成见图6所示，与传统的数据处理设备相比增加了智能接口单元。数据处理设备接收待处理的高速数据，经过一定的处理后输出。处理的过程可以由用户定义，可以为数据压缩，数据编排和复接等。下位机完成单机设备的遥测参数采集，以及遥控指令的解译和分发。IIU完成输入输出高速数据和低速数据的调度。

带有IIU的数据存储设备用来进行载荷高速数据的存储，其组成见图7所示，与传统的数据处理设备相比增加了智能接口单元。数据存储设备接收高速数据并存储，在接收到回放指令后输出存储的数据。下位机完成单机设备的遥测参数采集、遥控指令的解译和分发以及对存储器的控制。IIU完成输入输出高速数据和低速数据的调度。

带有IIU的数据传输设备用来完成传输数据的编码调制，变成模拟信号由天线辐射到空间。与传统的数据传输设备相比，本数据传输设备除了后端的信道编码、调制和射频处理外，其它的功能可以由用户定义。比如可以具备复接功能，也可以具备加密功能，另外数据传输***不具有对固存的直接控制功能。数据传输设备组成见图8所示。其中的下位机完成数据传输设备遥测参数采集和遥控指令的译码与分发，各单机完成用户定义的功能和编码、调制、变频、滤波放大等功能。最终的模拟信号经天线辐射到空间。

本发明的有效载荷信息流包括低速测控信息流和高速载荷信息流。低速测控信息流又包括遥测数据和遥控指令，其中遥测数据通过路由器的智能控制模块完成采集，并最终通过CAN总线传递给与星载低速总线网络相连的综合管控计算机。遥控指令则由综合管控计算机通过CAN总线发送至路由器的智能控制模块，并由其通过路由器转发给各设备。高速信息流则直接通过路由器在各设备间进行交换，实现数据的存储、处理和下传地面，并不在低速星载网络上传输，但路由器的路由表的管理需要利用智能控制模块完成。

由于载荷数据和遥控指令为突发性质，而遥测数据则需要进行周期性的采集。因此可以利用SpaceWire总线具有高精度时间同步能力的特点采用“时间触发”与“事件触发”共存的模式。

对于周期性数据和随机性数据的传输，本发明将采用《宇航学报》2012年02期“SpaceWire星载网络通信协议设计”一文提出的方案进行，信息管理过程如图9所示，具体步骤如下：

1)将“目的地址”域和“包数据”域的设置，依据“SpaceWire星载网络通信协议设计”进行设置。

2)以每秒为一个通信周期T，将一个通信周期划分为2个时间窗口，第一个时间窗口为无竞争时间窗口，第二个时间窗口为竞争性时间窗口，时间窗口的划分根据周期性数据的总速率R_z和竞争性数据总速率R_J确定，第一个时间窗口的时间T1为T×(R_z/(R_z+R_J))，第二个时间窗口T2长度为T×(R_J/(R_z+R_J))，当节点工作在第一个时间窗口时，表示为无竞争状态，当工作在第二个时间窗口时，表示为竞争状态。

3)利用ECSS-E-ST-50-12C标准规范中定义的SpaceWire时间码的两个比特(T6，T7)来实现节点应用层窗口之间的切换，(0，0)表示节点即将进入无竞争状态，(0，1)表示节点即将进入竞争状态，两种状态切换时间码记为T_m1和T_m2。

4)网络中的所有节点同步进行状态机切换机制，时间码不仅用来完成全网的时间同步，而且可以用来实现状态机的切换，在每个通信周期T开始的时刻，主节点进行时间码(T_m1)广播。节点收到该时间码后，一方面完成时间同步的功能，另一方面将工作状态切换为无竞争状态。

5)在无竞争状态下，各节点启动自身计时器，并依据制定的时序要求发送本节点的遥测数据至主节点，由主节点依次完成各节点遥测数据的采集，并将其按照整星对遥测数据格式的约定进行数据包的编排，编排完成后通过星载低速总线(CAN总线)发送给综合管控计算机。

6)在无竞争状态下，主节点在T1结束时发送T_m2时间码，各节点收到该时间码后，进入竞争状态，进行载荷数据包的发送。

对于遥控指令，则采用优先级的方式实现。将传送数据优先级按照由高到低的顺序依次为：遥控指令、遥测数据、载荷数据。在任何状态下，遥控指令将优先传输。遥控指令与遥测数据的传输方向相反，因此不会影响遥测数据的采集。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种基于智能型高速路由器的星上载荷信息流管理***，其特征在于，包括智能型高速路由器、有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数传设备，

所述智能型高速路由器包括SpaceWire路由模块、智能控制模块和SpaceWire标准总线接口，所述SpaceWire路由模块通过SpaceWire标准总线接口与所述有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数据传输设备相连；

所述SpaceWire路由模块将来自所述有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数据传输设备的数据直接进行交换或通过智能控制模块的CAN接口输出到星载低速总线网络；并将利用智能控制模块接收到的来自星载低速总线网络的遥控指令发送到所述有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数据传输设备。

2.如权利要求1所述的一种基于智能型高速路由器的星上载荷信息流管理***，其特征在于：所述有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数据传输设备均具有智能接口单元；所述智能接口单元与SpaceWire标准总线接口进行高速和低速双向数据传输。

3.如权利要求1所述的一种基于智能型高速路由器的星上载荷信息流管理***，其特征在于：所述SpaceWire路由模块可通过智能控制模块经CAN总线接收配置指令。