柏林厚，李智勇，南洪濤，程 偉

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

“天宮一號”目標飛行器的主要任務(wù)是作為交會對接目標完成交會對接試驗，并為我國建立長期載人空間站進行技術(shù)驗證。信息系統(tǒng)作為支持目標飛行器在軌飛行任務(wù)的重要功能系統(tǒng)，主要完成目標飛行器內(nèi)部信息管理以及與地面和載人飛船的通信管理[1]。它一方面以各電子設(shè)備或組合的形式完成目標飛行器各功能單元的信息采集和控制，另一方面采用通信技術(shù)溝通內(nèi)部各功能單元之間、各艙之間以及與飛船和地面之間的聯(lián)系，形成信息共 享的整體，確保目標飛行器的健康和穩(wěn)定運行，支持目標飛行器各項任務(wù)的完成。

本文對“天宮一號”目標飛行器信息系統(tǒng)的信息管理策略進行了概述，包括信息管理需求、設(shè)計原則、系統(tǒng)組成、主要技術(shù)特點以及可靠性安全性設(shè)計。

1 信息管理需求

1.1 任務(wù)需求

根據(jù)任務(wù)需求分析，信息系統(tǒng)的信息管理需求概括如下（圖1）。

圖1 信息管理需求Fig.1 The requirements of the information management

1）遙控：接收地面遙控指令及注入數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)用戶；

2）程控：根據(jù)時間或條件，實現(xiàn)平臺程序化自主控制；

3）手控：為航天員提供手動控制接口；

4）平臺遙測：采集平臺實時遙測（測控區(qū)內(nèi)）和延時遙測（測控區(qū)外）數(shù)據(jù)，下行至地面；

5）儀表顯示：采集航天員需求的數(shù)據(jù)并顯示；

6）分系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信：完成GNC、數(shù)管、測控、推進、電源分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信；

7）系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信：整個飛行階段，完成目標飛行器與地面之間的雙向數(shù)據(jù)通信；在交會對接和組合體飛行階段，完成目標飛行器與飛船之間的雙向數(shù)據(jù)通信；

8）跟蹤測軌支持：在軌運行期間配合地面完成測定軌；

9）下行試驗數(shù)據(jù)：采集試驗數(shù)據(jù)，并下行至地面；

10）話音需求：實現(xiàn)航天員與地面，以及航天員之間的話音通信；

11）圖像需求：實現(xiàn)地面對艙內(nèi)外圖像的監(jiān)視，實現(xiàn)航天員與地面之間的雙向視頻通信；

12）郵件需求：實現(xiàn)航天員與地面之間的郵件交互。

1.2 性能指標需求

信息系統(tǒng)的主要指標需求如下：

1）遙測數(shù)據(jù)傳輸速率最大達到600 kbit/s；

2）試驗數(shù)據(jù)傳輸速率最大達到100 Mbit/s；

3）指令空間不少于2 000 條；

4）遙測傳輸誤碼率不大于10-5；

5）單路高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)傳輸速率為1.92 Mbit/s；

6）單路高質(zhì)量話音數(shù)據(jù)傳輸速率為192 kbit/s；

7）最大中繼下行速率不小于144 Mbit/s。

1.3 擴展需求

信息系統(tǒng)設(shè)計考慮一定的可擴展性，需支持平臺和試驗數(shù)據(jù)的動態(tài)組幀以及平臺新設(shè)備的動態(tài)接入。

2 信息管理策略

2.1 設(shè)計原則

1）適應(yīng)我國目前已有的測控體制

我國目前成熟的測控體制是USB 測控體制，在載人航天一期工程中得到了成熟應(yīng)用，目標飛行器的測控體制應(yīng)適應(yīng)此體制。

2）對交會對接相關(guān)功能進行一體化設(shè)計

為完成交會對接、分離和組合體任務(wù)，目標飛行器和載人運輸飛船信息管理需要進行一體化設(shè)計。

3）設(shè)計繼承原則

載人航天一期工程采用了1553B 總線、同步和異步串口通信、復(fù)接、儀表編碼指令等技術(shù)，并經(jīng)過了多次飛行試驗的驗證。為保證“天宮一號”目標飛行器信息系統(tǒng)的可靠運行，應(yīng)盡可能地繼承成熟技術(shù)，建成一個可靠的信息系統(tǒng)核心。

4）裕量設(shè)計原則

在指令空間、遙測能力、天地間通信鏈路的信道容量、1553B 總線的通信流量、總線終端的數(shù)量等方面設(shè)置裕量。

5）適當?shù)男录夹g(shù)應(yīng)用驗證

為滿足載人航天后續(xù)任務(wù)和型號的需要，目標飛行器在繼承成熟技術(shù)構(gòu)建信息系統(tǒng)核心功能的同時，應(yīng)考慮驗證信息系統(tǒng)的新技術(shù)和先進技術(shù)，主要包括中繼星通信技術(shù)、CCSDS 技術(shù)、1394 總線技術(shù)和LVDS 總線技術(shù)。

6）冗余設(shè)計原則

系統(tǒng)層次的可靠性設(shè)計手段主要為冗余設(shè)計，要求核心功能必須有冗余。

7）簡單化原則

降低目標飛行器總體設(shè)計的復(fù)雜度，采用總線技術(shù)降低設(shè)備之間的直接連接從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

8）產(chǎn)品化設(shè)計原則

遙控、遙測、手控設(shè)備采用產(chǎn)品化或飛船驗證過的產(chǎn)品。

2.2 系統(tǒng)組成及功能

“天宮一號”目標飛行器的信息系統(tǒng)（如圖2所示）由以下6 個功能子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)配合實現(xiàn)整個飛行器的信息管理。

1）平臺測量與控制功能子系統(tǒng)。完成設(shè)備的參數(shù)測量和采集、指令控制、分系統(tǒng)及系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信，具體負責(zé)：設(shè)備的模擬量參數(shù)測量及數(shù)字量參數(shù)的采集，并將獲得的參數(shù)組幀、調(diào)度后輸出給天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)；控制天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)在測控區(qū)內(nèi)實時下行遙測數(shù)據(jù)，在測控區(qū)外存儲遙測數(shù)據(jù)并延時下行；接收天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)輸入的遙控指令和遙控數(shù)據(jù)，將開關(guān)指令發(fā)送給執(zhí)行部件或者設(shè)備，將遙控數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的設(shè)備；按照飛行程序發(fā)送時間指令、條件指令及廣播時間和事件信息，以及根據(jù)遙控數(shù)據(jù)更新飛行程序；將航天員的手控指令發(fā)送給執(zhí)行部件或者設(shè)備；將飛行器相關(guān)數(shù)據(jù)顯示給航天員；實現(xiàn)相關(guān)分系統(tǒng)及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。

2）天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)。完成目標飛行器與地面、中繼衛(wèi)星以及飛船之間的雙向數(shù)據(jù)通信，具體負責(zé)：接收地面上行的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理和分路后，將指令和遙控數(shù)據(jù)送平臺測量與控制功能子系統(tǒng)，將圖像數(shù)據(jù)送圖像通信功能子系統(tǒng)，將話音數(shù)據(jù)送話音通信功能子系統(tǒng)；接收圖像通信功能子系統(tǒng)的下行圖像數(shù)據(jù)，接收話音通信功能子系統(tǒng)的話音數(shù)據(jù)，接收試驗設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)；接收平臺測量與控制功能子系統(tǒng)獲取的實時及延時平臺遙測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)合路和處理后通過通信機直接或者間接下行到地面；支持對目標飛行器的跟蹤測軌功能。

3）高速試驗數(shù)據(jù)管理功能子系統(tǒng)。完成目標飛行器試驗數(shù)據(jù)的管理，具體負責(zé)：試驗數(shù)據(jù)的采集、組幀，將試驗數(shù)據(jù)送平臺測量與控制功能子系統(tǒng)進行存儲，然后送天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)下行；通過平臺測量與控制功能子系統(tǒng)接收控制指令，對試驗終端設(shè)備進行指令控制；采集試驗終端設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并組幀，然后將數(shù)據(jù)送平臺測量與控制功能子系統(tǒng)，通過天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)下行。

4）圖像通信功能子系統(tǒng)。完成天地圖像傳輸，具體負責(zé)：攝取艙內(nèi)外圖像、進行編碼處理后送天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)，同時送液晶顯示器顯示；接收天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)輸入的地面上行圖像數(shù)據(jù)，進行解碼處理后恢復(fù)出圖像和伴音，圖像送液晶顯示器顯示，伴音送話音通信功能子系統(tǒng)。

5）話音通信功能子系統(tǒng)。完成天地話音通信和航天員間的話音通信，具體負責(zé)：采集航天員話音、進行編碼處理，然后送天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)下行，同時送圖像通信功能子系統(tǒng)作為圖像伴音；接收天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)輸入的上行話音數(shù)據(jù)，進行解密和解碼處理后恢復(fù)出話音信號并播放給航天員；實現(xiàn)航天員之間的話音通信。

6）交會對接及組合體信息支持子系統(tǒng)。完成交會對接和組合體期間目標飛行器與飛船之間的信息交互；完成地面測控點頻在飛船一方時，地面與目標飛行器之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及點頻在目標飛行器一方時，地面與飛船之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 信息系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The configuration of the information management system

2.3 技術(shù)特點

“天宮一號”目標飛行器信息管理策略借鑒了載人航天一期工程中飛船的設(shè)計方法，包括1553B總線管理體制[2]、天地?zé)o線鏈路通信管理體制等，但由于系統(tǒng)需求相對飛船發(fā)生了較大的變化，所以設(shè)計上又有著自身的技術(shù)特點，主要包括以下幾個方面。

1）平臺數(shù)據(jù)管理特點：目標飛行器1553B 總線終端設(shè)備多，平臺遙測數(shù)據(jù)量大。目標飛行器總線終端為26 個，接近單套1553B 總線所能管理的極限。為了對26 個總線終端進行可靠的管理，同時也為了驗證空間站多層總線結(jié)構(gòu)，目標飛行器配置了2 套1553B 總線對平臺數(shù)據(jù)進行管理。此外，目標飛行器平臺遙測數(shù)據(jù)傳輸速率最大達到600 kbit/s，相對于一期飛船平臺遙測數(shù)據(jù)量有了很大的增加。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)的靈活復(fù)接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度管理，也為了適應(yīng)后續(xù)空間站發(fā)展的需要，目標飛行器采用高級在軌系統(tǒng)協(xié)議[3]，通過分包遙測的形式完成數(shù)據(jù)匯集，經(jīng)過符合空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）建議的高級在軌系統(tǒng)（AOS）的格式化形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)流。

2）數(shù)據(jù)存儲回放特點：目標飛行器測控資源有限，在自主運行段，處于測控區(qū)外的時間最長達13 h。為了保證遙測數(shù)據(jù)的完整性，需對飛行器整個在軌過程中的狀態(tài)進行監(jiān)視。因此，在測控區(qū)外需要對平臺遙測數(shù)據(jù)進行存儲，待進入測控區(qū)后進行延時數(shù)據(jù)的回放；同時，由于試驗數(shù)據(jù)無實時性要求，為了方便試驗數(shù)據(jù)的管理，試驗數(shù)據(jù)均進行存儲后再下行至地面。因此，目標飛行器采用數(shù)據(jù)回放技術(shù)，完成測控區(qū)外平臺遙測數(shù)據(jù)的存儲記錄，測控區(qū)內(nèi)、外試驗數(shù)據(jù)的存儲以及測控區(qū)內(nèi)遙測數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的回放控制。

3）試驗數(shù)據(jù)管理特點：目標飛行器信息系統(tǒng)不僅負責(zé)平臺遙測數(shù)據(jù)的管理，還需要負責(zé)高速試驗數(shù)據(jù)的管理。由于在目標飛行器上開展空間科學(xué)試驗的數(shù)據(jù)量巨大，傳輸速率最大達到100 Mbit/s，所以配置了空間試驗平臺[4]，采用1394 高速總線[5]以及LVDS 串行總線進行數(shù)據(jù)的采集，其中1394高速總線系統(tǒng)將試驗管理設(shè)備以及試驗設(shè)備連接起來，在試驗管理設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度下完成試驗設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和管理；LVDS 總線完成高速數(shù)據(jù)與中繼鏈路設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過高速中繼鏈路將試驗數(shù)據(jù)下行地面。

4）組合體及交會對接信息管理特點：目標飛行器作為對接目標，需要完成與飛船之間的信息交互管理，配合完成交會對接任務(wù)。設(shè)計空-空通信和并網(wǎng)總線兩條鏈路用于交會對接及組合體飛行期間載人飛船與目標飛行器之間的信息通信，并根據(jù)地面測控點頻跟蹤情況進行鏈路切換。當?shù)孛鏈y控點頻跟蹤載人飛船時，使用空-空通信鏈路和對接總線鏈路；當?shù)孛鏈y控點頻跟蹤目標飛行器時，使用對接總線鏈路。

5）自主管理特點：目標飛行器測控資源有限，為了保證測控區(qū)外發(fā)生緊急重大故障時目標飛行器的平臺安全，設(shè)計自主故障診斷處置的安全模式[6]。當發(fā)生影響平臺安全且實時性處理要求較高的故障時，飛行器轉(zhuǎn)入安全模式，自主進行一系列的處置，以確保飛行器供電、姿態(tài)、推進劑、天地通信鏈路以及載人環(huán)境等的安全。

6）圖像系統(tǒng)特點：目標飛行器需要配合飛船完成交會對接，同時支持航天員在組合體駐留。為了更直觀地觀察交會對接過程，同時支持航天員與地面間的圖像通信，設(shè)計了目標飛行器圖像系統(tǒng)，設(shè)置多個攝像機進行艙、內(nèi)外拍攝并根據(jù)需要進行切換，選擇高、低速兩套圖像壓縮編碼方式，以同時適應(yīng)高質(zhì)量圖像拍攝以及航天員與地面間的視頻通信需求。

2.4 可靠性安全性設(shè)計

1）可靠性設(shè)計

結(jié)合目標飛行器長期在軌飛行、短期有人照料的特點，把可靠性設(shè)計思想應(yīng)用于信息管理策略中：盡量消除單點故障模式設(shè)計，對重要的設(shè)備和功能進行冗余設(shè)計；冗余備份設(shè)計時采用獨立設(shè)計，以防止共模失效；設(shè)計力求簡單、可靠，盡量采用成熟的可靠技術(shù)或現(xiàn)成的可靠產(chǎn)品。

結(jié)合以上設(shè)計思想，對信息系統(tǒng)進行了以下可靠性方面的設(shè)計：

① 平臺測量與控制功能子系統(tǒng)。在平臺核心網(wǎng)1553B 總線網(wǎng)的設(shè)計時，每套總線均包括A、B兩條總線，且兩條總線是完全備份的關(guān)系：當其中一條總線發(fā)生故障時，可自主切為另一條總線工作；為了避免故障耦合現(xiàn)象的發(fā)生，A、B 總線與用戶之間的接口采用不同的形式。同時在設(shè)計總線用戶時，考慮對總線上的重要用戶通過雙機冷備份的方式進行冗余設(shè)計，設(shè)備對總線的接口也采用備份冗余，以減少單點故障的存在。數(shù)據(jù)采集設(shè)計時，對于重要的數(shù)據(jù)通過數(shù)管采集、工程遙測采集以及分系統(tǒng)自行采集的形式進行備份設(shè)計，采集途徑相互獨立。對于關(guān)鍵事件，指令發(fā)送方式具備多種手段，且對發(fā)令設(shè)備也進行了備份設(shè)計。對關(guān)鍵傳感器，例如，艙內(nèi)總壓、氧分壓、二氧化碳分壓以及溫濕度傳感器等都設(shè)計為3 取2 模式；液路溫度傳感器、感煙探測器、差定溫差探測器等傳感器配置在艙內(nèi)不同位置，每種互為備份。

② 天地測控與通信接口功能子系統(tǒng)。天地通信信道包括USB 信道、S 波段數(shù)傳信道、中繼KSA信道、中繼SSA 信道以及空-空通信信道等多種信道，上下行數(shù)據(jù)可以通過不同的信道到達地面或者目標飛行器，這些信道相互獨立，在飛行過程的不同階段可以對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)起到備份的功能。

③ 圖像通信功能子系統(tǒng)。設(shè)計視頻編碼器和視頻處理器，分別完成圖像的中低質(zhì)量和高質(zhì)量的編碼，這兩種質(zhì)量的圖像體制可以互相備份；對于視頻切換器設(shè)置2 個通道，在一個通道故障時，可以采用另一個通道進行圖像下傳；同時在視頻切換器內(nèi)設(shè)置一個直通通道，把艙內(nèi)一路圖像直通到視頻編碼器，在視頻切換器故障時直接選用此路圖像下傳。

④ 話音通信功能子系統(tǒng)。話音分配中的指揮話和專用話通道可以起到備份的功能；同時當目標飛行器進入中繼測控區(qū)時，上行圖像伴音可以對話音起到備份的作用。

⑤ 交會對接及組合體信息支持子系統(tǒng)。在組合體飛行期間，兩飛行器間的數(shù)據(jù)可以通過空-空通信鏈路和對接總線鏈路兩種獨立的鏈路進行通信。

2）安全性設(shè)計[7]

① 設(shè)計顯示及報警的功能。對關(guān)系到航天員生命安全的數(shù)據(jù)進行顯示，當數(shù)據(jù)越限時，產(chǎn)生報警音及時通知航天員，同時航天員可以通過手控指令（開關(guān)指令或編碼指令）對影響自身安全的事件進行控制。

② 自主飛行管理期間，為了保證目標飛行器安全運行，設(shè)計自主安全模式，當在軌出現(xiàn)影響平臺安全且實時性處理要求較高的故障時，目標飛行器自主進行處置，轉(zhuǎn)入安全模式運行，以確保飛行器的供電、姿態(tài)、推進劑、天地通信鏈路及載人環(huán)境安全。

3 結(jié)束語

“天宮一號”目標飛行器發(fā)射至今執(zhí)行了獨立自主飛行期間的任務(wù)，并配合“神舟九號”和“神舟十號”載人飛船分別完成了首次無人和有人交會對接任務(wù)，任務(wù)期間信息系統(tǒng)工作正常，所采用的信息管理策略得到了驗證，滿足各項飛行任務(wù)對信息的使用需求，為后續(xù)空間站信息管理策略的詳細設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

（References）

[1]戚發(fā)軔, 朱仁璋, 李頤黎.載人航天器技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2002

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[3]Advanced orbiting systems, networks and data links:architectural specification, CCSDS 701.0-B-3[R], 2001

[4]梁建輝, 金海丁, 孫永進, 等.航天器公用空間搭載試驗平臺設(shè)計[J].航天器環(huán)境工程, 2011, 28(6):521-524 Liang Jianhui, Jin Haiding, Sun Yongjin, et al.Design of a general flight experimental platform for spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6):521- 524

[5]IEEE STD-1394A IEEE standard for a high performance serial bus-amendment[S], 2000

[6]李智勇.“天宮一號”目標飛行器系統(tǒng)級自主安全設(shè)計[J].航天器環(huán)境工程, 2011, 28(6):525-528 Li Zhiyong.Design of systemic autonomous safety for Tiangong-1 target spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6):525-528

[7]QJ 2236A—1998 航天產(chǎn)品安全性保證要求[S]