临近空间飞艇艇载网络分析

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  [摘 要]针对临近空间飞艇的系统特点,根据数据传输特性及数据流量,使用MIL-STD-1553B总线构建了适合于临近空间飞艇的艇载网络结构,重点分析了系统故障重构和故障隔离的软件实现方法。
  [关键词]临近空间飞艇 艇载网络 网络结构
  中图分类号:F553 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)07-0295-01
  1、 引言
  临近空间一般指距地面20km—100km之间的区域。临近空间飞艇具有滞空时间长(几个月至几年)、大范围定点能力强、可持续定点、有效载荷承载能力较强(和卫星相比,可携带更大更重的仪器设备)、可重复使用等特点,已被公认为在临近空间使用的最佳飞行器。临近空间飞艇是一个复杂的系统,通常由环境控制、艇务管理、测控、导航与飞行控制、能源与供配电、动力与推进及有效载荷等子系统组成。各子系统间的通信由艇载网络完成,因此艇载网络能够稳定可靠地工作至关重要。
  本文构建了临近空间飞艇的艇载网络结构,初步分析了提高网络可靠性的实现方法。
  2、 艇载网络分析
  2.1 网络结构形式
  基本的网络结构形式有点对点型、星型、总线型、树型、环型等。根据航电系统的组成及相互关系,各系统把采集、处理后的信息经总线传输给艇务管理系统或其它功能系统,艇务管理系统接收各系统传输的信息,并管理各系统。因此,采用总线拓扑结构,艇务管理系统作为控制器(BC),各子系统作为总线的一个远程终端(RT),BC和RT都通过特定的总线接口和总线连接。这种设计不仅能使总线结构形式简单,降低成本和开发难度,也非常适合临近空间飞艇实际的信息交换要求。
  2.2 系统间数据流量需求分析
  据统计各系统数据总量为上行50kbps(其中测控系统约7kbps),下行80kbps(其中测控系统约26kbps)。
  统计过程中的模拟量,在传输前要进行A/D转换,初步把转换精度都定为16bit。根据实际使用经验,8bit的转换精度已能完全满足系统要求,选用16bit,可以保证充分的设计余量。
  其中的开关量理論上用1bit(1位0或1)就能表示,但是有些开关量控制的装置非常重要(如应急撕裂幅电机控制信号,风机、阀门控制信号等),必须要有足够的长度进行校验和确认,以保证飞行的安全。像这类开关量信号,长度定为16bit,而有些开关量信号(如灯光系统的),4bit即可满足。
  2.3 数据总线形式
  现代飞行器常用的数据总线有MIL-STD-1553B总线和ARINC 429总线等,ARINC 429总线采用单工通讯方式,此种传输方式不适于临近空间飞艇的数据传输要求。1553B总线为半双工总线,传输速率为1Mbps,性能较先进,具有大量的兼容设备。
  假设2.2小节统计的所有数据都经过总线传输,1553B总线协议中,字长20bit,数据字中有效数据位16bit,根据总线负载的含义—传输信息量(数据字、状态字、指令字)与能传输的最大信息量的百分比,可以计算出数据字占总线负载的比例为:
  加上任务系统和其它设备保留的部分数据带宽,还有系统工作时必须的状态字和指令,总线负载约是这个数量的2~3倍,不大于50%,具有一定的裕度,满足一般的设计要求。
  综上所述,1553B总线满足数据传输的实时性要求,另外,1553B还具有结构简单,重量轻等优点,因此临近空间飞艇采用1553B总线较为适合。
  2.4 总线接口
  艇载网络由数据总线及其附属设备构成,其附属设备主要指总线接口。总线接口是使数据总线与子系统相接口的电子组件,它可以是独立组件,也可以包含在子系统中。典型的总线接口结构主要包括收发器、总线协议处理器(协议芯片),控制电路和时钟电路。
  2.5 故障重构与故障隔离
  在总线型拓扑结构中,所有挂接在总线上的系统都作为总线的一个终端,通过1553B接口与总线连接,向总线提供信息,从总线上获取信息,总线故障将导致整个网络瘫痪,为了提高总线系统的工作可靠性,总线采用双冗余度的结构设计,当正在使用的总线发生故障时,自动切换到另一总线通道,可实现对总线故障的重构。艇务管理计算机作为总线控制器,是总线的控制、管理者,也是所有通信动作的发起者,艇务管理计算机的故障也将导致整个网络系统瘫痪,因此艇务管理计算机也采用双冗余度的结构设计以实现故障重构。另外,一些关键设备或系统,如艇务管理计算机和飞控系统,其总线接口也采用双余度的形式。
  艇务管理计算机的余度管理和切换由其内部软硬件控制。总线余度的管理和切换由BC控制。系统正常工作时,由初始化结果决定工作总线,另一总线处于热备份状态。总线接口的双收发器分别与两总线连接。BC通过Plooing list 对RT进行站位查询,可查询RT的故障,这一过程可周期性进行,为避免过多占用主机机时,一般每秒钟查询一个RT,如果通信错误发生在消息传递过程中,该RT被BC查获有故障,此时该RT要进行重试,并与门限比较,一般重试两次,若重试不成功,计数器已达到门限,然后BC将在备份通道上重新组织发送。具体来说,即BC发出发送器关闭指令“00100”关闭被查获故障的RT收发器,而另一个收发器仍在工作。若两个收发器都被关闭,则对该RT进行了隔离。
  3、 总线协议
  1553B信号以串行数字脉冲编码调制(PCM)形式在数据总线上传输,字长为16位有效位加同步头和奇偶位,共20位。数据编码采用曼彻斯特II型双相电平码。1553B的数据传输为半双工方式,总线上波特率为1Mbps。
  在1553B总线协议中,共定义了10种消息格式,其中6种消息格式都是在总线控制器的直接控制下才能执行,并且这6种格式都要求被访问的远程终端做出特定、唯一的响应。另外4种是广播式,广播式允许总线控制器或某一个远程终端将消息发送至所有其他终端,而不需要确认接收终端的状态。这种传输效率很高,但是由于消息发送端对各接收端的消息状态无法确认,因此很难保证传输的可靠性,所以必须慎重使用广播消息格式。   4 、结论
  临近空间飞艇系统庞杂,信息量极大,本文仅对艇载网络的构成做了初步探索性的研究,要确保设备和网络安全,还需进一步深入的研究。
  参考文献
  [1] 曹勇.平流层飞艇艇务管理任务分析[J]. 航天返回与遥感.2006.27(2).
  [2] 中国航空工业总公司第三O一所.GJB289A-97 数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线[S].1997.
  [3] 郭小和,王少萍,教宗夏.基于1553B数据总线的可靠性及冗余模式设计 [J].计算机工程.2007.07.
  [4] 杨建新,张军.机载双余度1553B总线检测研究[J].计算机测量与控制.2010.09.
  作者简介
  韩先兵,男,助理工程师,毕业于南京航空航天大学测控技术与仪器专业,研究方向:飞艇电气。1、 引言
  临近空间一般指距地面20km—100km之间的区域。临近空间飞艇具有滞空时间长(几个月至几年)、大范围定点能力强、可持续定点、有效载荷承载能力较强(和卫星相比,可携带更大更重的仪器设备)、可重复使用等特点,已被公认为在临近空间使用的最佳飞行器。临近空间飞艇是一个复杂的系统,通常由环境控制、艇务管理、测控、导航与飞行控制、能源与供配电、动力与推进及有效载荷等子系统组成。各子系统间的通信由艇载网络完成,因此艇载网络能够稳定可靠地工作至关重要。
  本文构建了临近空间飞艇的艇载网络结构,初步分析了提高网络可靠性的实现方法。
  2、 艇载网络分析
  2.1 网络结构形式
  基本的网络结构形式有点对点型、星型、总线型、树型、环型等。根据航电系统的组成及相互关系,各系统把采集、处理后的信息经总线传输给艇务管理系统或其它功能系统,艇务管理系统接收各系统传输的信息,并管理各系统。因此,采用总线拓扑结构,艇务管理系统作为控制器(BC),各子系统作为总线的一个远程终端(RT),BC和RT都通过特定的总线接口和总线连接。这种设计不仅能使总线结构形式简单,降低成本和开发难度,也非常适合临近空间飞艇实际的信息交换要求。
  2.2 系统间数据流量需求分析
  据统计各系统数据总量为上行50kbps(其中测控系统约7kbps),下行80kbps(其中测控系统约26kbps)。
  统计过程中的模拟量,在传输前要进行A/D转换,初步把转换精度都定为16bit。根据实际使用经验,8bit的转换精度已能完全满足系统要求,选用16bit,可以保证充分的设计余量。
  其中的开关量理论上用1bit(1位0或1)就能表示,但是有些开关量控制的装置非常重要(如应急撕裂幅电机控制信号,风机、阀门控制信号等),必须要有足够的长度进行校验和确认,以保证飞行的安全。像这类开关量信号,长度定为16bit,而有些开关量信号(如灯光系统的),4bit即可满足。
  2.3 数据总线形式
  现代飞行器常用的数据总线有MIL-STD-1553B总线和ARINC 429总线等,ARINC 429总线采用单工通讯方式,此种传输方式不适于临近空间飞艇的数据传输要求。1553B总线为半双工总线,传输速率为1Mbps,性能较先进,具有大量的兼容设备。
  假设2.2小节统计的所有数据都经过总线传输,1553B总线协议中,字长20bit,数据字中有效数据位16bit,根据总线负载的含义—传输信息量(数据字、状态字、指令字)与能传输的最大信息量的百分比,可以计算出数据字占总线负载的比例为:
  加上任务系统和其它设备保留的部分数据带宽,还有系统工作时必须的状态字和指令,总线负载约是这个数量的2~3倍,不大于50%,具有一定的裕度,满足一般的设计要求。
  综上所述,1553B总线满足数据传输的实时性要求,另外,1553B还具有结构简单,重量轻等优点,因此临近空间飞艇采用1553B总线较为适合。
  2.4 总线接口
  艇载网络由数据总线及其附属设备构成,其附属设备主要指总线接口。总线接口是使数据总线与子系统相接口的电子组件,它可以是独立组件,也可以包含在子系统中。典型的总线接口结构主要包括收发器、总线协议处理器(协议芯片),控制电路和时钟电路。
  2.5 故障重构与故障隔离
  在总线型拓扑结构中,所有挂接在总线上的系统都作为总线的一个终端,通过1553B接口与总线连接,向总线提供信息,从总线上获取信息,总线故障将导致整个网络瘫痪,为了提高总线系统的工作可靠性,总线采用双冗余度的结构设计,当正在使用的总线发生故障时,自动切换到另一总线通道,可实现对总线故障的重构。艇务管理计算机作为总线控制器,是总线的控制、管理者,也是所有通信动作的发起者,艇务管理计算机的故障也将导致整个网络系统瘫痪,因此艇务管理计算机也采用双冗余度的结构设计以实现故障重构。另外,一些关键设备或系统,如艇务管理计算机和飞控系统,其总线接口也采用双余度的形式。
  艇务管理计算机的余度管理和切换由其内部软硬件控制。总线余度的管理和切换由BC控制。系统正常工作时,由初始化结果决定工作总线,另一总线处于热备份状态。总线接口的双收发器分别与两总线连接。BC通过Plooing list 对RT进行站位查询,可查询RT的故障,这一过程可周期性进行,为避免过多占用主机机时,一般每秒钟查询一个RT,如果通信错误发生在消息传递过程中,该RT被BC查获有故障,此时该RT要进行重试,并与门限比较,一般重试两次,若重试不成功,计数器已达到门限,然后BC将在备份通道上重新组织发送。具体来说,即BC发出发送器关闭指令“00100”关闭被查获故障的RT收发器,而另一个收发器仍在工作。若两个收发器都被关闭,则对该RT进行了隔离。
  3、 总线协议
  1553B信号以串行数字脉冲编码调制(PCM)形式在数据总线上传输,字长为16位有效位加同步头和奇偶位,共20位。数据编码采用曼彻斯特II型双相电平码。1553B的数据传输为半双工方式,总线上波特率为1Mbps。
  在1553B总线协议中,共定义了10种消息格式,其中6种消息格式都是在总线控制器的直接控制下才能执行,并且这6种格式都要求被访问的远程终端做出特定、唯一的响应。另外4种是广播式,广播式允许总线控制器或某一个远程终端将消息发送至所有其他终端,而不需要确认接收终端的状态。这种传输效率很高,但是由于消息发送端对各接收端的消息状态无法确认,因此很难保证传输的可靠性,所以必须慎重使用广播消息格式。
  4 、结论
  临近空间飞艇系统庞杂,信息量极大,本文仅对艇载网络的构成做了初步探索性的研究,要确保设备和网络安全,还需进一步深入的研究。
  参考文献
  [1] 曹勇.平流层飞艇艇务管理任务分析[J]. 航天返回與遥感.2006.27(2).
  [2] 中国航空工业总公司第三O一所.GJB289A-97 数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线[S].1997.
  [3] 郭小和,王少萍,教宗夏.基于1553B数据总线的可靠性及冗余模式设计 [J].计算机工程.2007.07.
  [4] 杨建新,张军.机载双余度1553B总线检测研究[J].计算机测量与控制.2010.09.
  作者简介
  韩先兵,男,助理工程师,毕业于南京航空航天大学测控技术与仪器专业,研究方向:飞艇电气。
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