一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法
2023-06-30 23:04:01
專利名稱：一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法
一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法技術領域
本發明公開了一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法，屬於通信技術領域。
背景技術：
根據網絡拓撲結構，太空飛行器器載網絡由多個子網組成，每個子網存在一個主控終端和多個遠程終端，該主控終端同時還作為上一級子網的遠程終端，連接兩個子網，如圖I 所示，子網I為整個網絡的最上級子網，子網2、3的主控終端同時也作為子網I的遠程終端，從而將3個子網連接為一體。每個子網內傳輸的下行數據均要通過該子網的主控終端。 通過這種連接方式，多個子網構成了一個完整的器載網絡，所有下行數據通過最上級子網的主控終端完成最後的匯集，形成下行數據幀傳送至地面站。
太空飛行器存在兩種類型的下行數據常規下行數據和突發下行數據。在下行信道的使用上，將物理信道分為兩個獨立的虛擬信道VCl和VC2，分別常規下行數據和突發下行數據進行下行傳送。在平時VCl佔用物理信道進行周期性的傳輸，當太空飛行器上產生了突發下行數據時，可調度VC2通過搶佔物理信道的方式，或者與VCl按照一定的傳輸比例共用物理信道的方式進行傳輸。
傳統的太空飛行器器載網絡以單網絡為基礎，所有的數據傳輸均由該網絡主控終端發起，根據採集到的不同數據選用不同的傳輸方法。兩類數據傳輸方法分別如下
( I)常規下行數據的傳輸
此類數據在整個太空飛行器在軌期間一直存在，並根據數據的變化情況按照一定的下傳周期進行傳輸。因此此類數據在網絡內的傳輸有主控終端負責，按照數據的各自採集周期要求，周期性的從各遠程終端獲取，其中子網2、3的主控終端獲取本級各遠程終端的常規數據後，根據太空飛行器內部網絡通信協議的要求組織好數據，等待子網I主控終端的獲取， 子網I獲取本級各遠程終端及子網2、3主控終端的此類數據後，根據太空飛行器下行數據格式的要求,生成VCl下行數據幀，並傳送至地面站。
(2)突發下行數據
此類數據的特點是，在太空飛行器在軌期間，大部分時間都不會產生，但一旦產生此類數據，要在儘量短的時間內完成下傳。
原來在進行此類數據傳輸時，均由主控終端向對應的遠程終端發出取數據指令， 間隔一段時間後(假設為Tl )，再到遠程終端取回數據，打上相應的數據識別信息，並組成下行數據幀下傳。如當子網I的主控終端需要獲取子網2的某個遠程終端的數據時，在TO時刻，子網I的主控終端通知其遠程終端(即子網2的主控終端)準備數據，子網2的主控終端收到命令後，通知其遠程終端準備數據；子網2的主控終端等待T2時間後，從其遠程終端讀取數據並打上相應的數據識別信息2，子網I的主控終端等待(T1+T2)時間後，從其遠程終端(即子網2的主控終端)讀取數據並打上相應的數據識別信息I。可見，取數據指令和回傳的數據均需要經過子網2主控終端的轉發，在子網2內也會有一定的間隔時間T2，這樣子網I主控終端需要等待T1+T2時間後，進行取數據操作，過程如圖2所示。Tl及T2的取值受到子網I、子網2的通信協議、物理層等特性影響，還要保證足夠的時間餘量，效率不高。
同時，當器載網絡擴展到多級子網時，從主控終端發起突發數據獲取過程時，需要經過多次發出指令、取回數據、由上一級子網獲取的操作，每經過一級子網，根據該子網的特性會增加一個時延，累積到最上層子網，時延增大，且受到不同下級子網網絡特性的影響，時延不是一個通用的數值，主控終端控制邏輯臃腫，難以實現。而且，每級主控終端均需要了解數據內容，並根據內容層層打上數據標識，這樣上級主控終端就必須了解所有下級子網的組成及特性，設計複雜，且不符合子網互相獨立的設計原則，非常不利於網絡的擴充。發明內容
鑑於此，本發明提供了一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法，使得太空飛行器器載網絡能夠在保證原有常規下行數據傳輸的功能的同時，提高突發下行數據的靈活性，簡化握手協議和主控終端的控制邏輯。
太空飛行器多級子網，即太空飛行器器載網絡，由多個子網組成，其中，第一級子網中的主控終端可直接通過太空飛行器應答機與地面站進行通信；子網中的主控終端為上一級子網中的遠程終端；
當地面站向太空飛行器多級子網中的某遠程終端有數據請求時，所述突發下行數據通信方法的具體實現步驟如下
(I)地面站生成向某遠程終端請求數據的遙控包，按照上行信道的上行注入格式的要求封裝為遙控幀，遙控幀中攜帶遙控幀標識用於表示遙控幀屬於哪個子網；將所述遙控幀發送給太空飛行器，經應答機解調後傳送至第一級子網的主控終端；所述的遙控包包含用於表示遙控包屬於哪個遠程終端的遙控包標識；
(2)第一級子網的主控終端根據遙控幀標識判斷所接收的遙控幀是否屬於本級子網，若是，則根據遙控包內容直接通知對應的遠程終端準備數據，不再等待，轉而執行其他工作；否則將遙控幀轉發至自身所連接的下一級子網的主控終端，並在完成轉發後轉而執行其他工作；
(3)各級子網的主控終端根據遙控幀標識判斷所接收的遙控幀是否屬於本級子網，若是，則根據遙控包內容直接通知對應的遠程終端準備數據，否則將遙控幀轉發至自身所連接的下一級子網的主控終端，直至通知到地面站要求上傳數據的遠程終端準備數據；
(4)地面站要求上傳數據的遠程終端根據遙控包內容準備好相應的數據，並封裝成遙測包，向其所在子網的主控終端提出數據傳輸服務請求；
(5)各級子網的主控終端以設定的時間為周期，查詢所在子網的遠程終端是否有數據傳輸服務請求，一旦查詢到數據傳輸服務請求，則獲取遠程終端準備好的數據，並通知該遠程終端數據傳輸結束，然後向上一級子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，直到所述準備好的數據到達第一級子網的主控終端；
(6)第一級子網的主控終端將獲取到的所述準備好的數據按照下行數據格式的要求，組成突發下行數據幀，按照突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略，佔用物理信道完成下傳；5
(7)突發下行數據幀下傳結束後，第一級子網的主控終端停止突發下行數據幀的傳輸，恢復傳輸之前的常規下行數據幀。
當地面站沒有生成並發送向太空飛行器多級子網中的某遠程終端請求數據的遙控包， 但遠程終端有突發下行數據需要下傳時，所述突發下行數據通信方法的具體實現步驟為
SI :遠程終端將突發下行數據封裝成遙測包，向其所在子網的主控終端提出數據傳輸服務請求；
S2 :各級子網的主控終端以設定的時間為周期，查詢所在子網的遠程終端是否有數據傳輸服務請求，一旦查詢到數據傳輸服務請求，則獲取遠程終端準備好的數據，並通知該遠程終端數據傳輸結束，然後向上一級子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，直到所述準備好的數據到達第一級子網的主控終端；
S3:第一級子網的主控終端將獲取到的所述準備好的數據按照下行數據格式的要求，組成突發下行數據幀，按照突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略，佔用物理信道完成下傳；
S4:突發下行數據幀下傳結束後，第一級子網的主控終端停止突發下行數據幀的傳輸，恢復之前的下傳方式。
所述的突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略是指突發下行數據幀搶佔常規下行數據幀的傳送信道，或者突發下行數據幀和常規下行數據幀按照一定的比例輪流佔用傳送信道下傳數據。
有益效果
本發明涉及在由多級網絡組成的太空飛行器器載網絡環境下，下行數據如何穿過多級網絡，最終匯集到下行信道的一種通信方法，應用於多級器載數據網絡拓撲結構的各類太空飛行器，可實現常規下行數據的周期性傳輸，也可實現由各類突發事件產生的突發下行數據的隨時下傳，提高了突發下行數據的下傳實時性，增強了各網絡終端設備自主輸出突發下行數據的能力，同時在無突發下行數據下傳需求時，不佔用常規下行數據的傳輸通道。
主控終端不再關心時間間隔問題，將數據回傳的權利交給遠程終端，主控終端能夠在最短時間內獲取到數據，不需要考慮餘量問題，提高了效率；
子網的主控終端不需要為每個遠程終端的回傳數據標識，該工作由遠程終端自行進行，進一步節省了時間，加快了數據讀取速度；
主控終端不再需要了解所有下級子網的網絡特性，簡化控制邏輯，提高各級子網的獨立性，當子網級數繼續擴充時，對上級子網的工作不會產生任何影響，極大地提高了網絡的可擴充能力。
圖I為太空飛行器器載網絡結構示意圖2為傳統的突發數據的傳輸流程；
圖3為本發明對突發數據的傳輸流程；
圖4為某太空飛行器器載網絡結構示意圖5為具體實施例流程圖。
具體實施方式
本發明提供了一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法，其基本思想是將太空飛行器網絡內突發下行數據傳輸的發起和數據回傳分開，各自由數據的源端負責，其中傳輸發起由子網的主控終端負責，而數據的回傳由遠程終端負責，主控終端在向對應的遠程終端發出取數據指令後，就不再等待，可以轉而進行其他工作，而遠程終端準備好數據後，向主控終端提出突發數據傳輸請求。
太空飛行器多級子網，即太空飛行器器載網絡，由多個子網組成，其中，子網I為第一級子網，子網I的主控終端可直接通過太空飛行器應答機與地面站進行通信；子網中的主控終端為上一級子網中的遠程終端；
如圖3所示，當地面站要求某子網的遠程終端上傳數據時，具體實現步驟如下
(I)地面站生成符合CCSDS規定格式的向某遠程終端A請求數據的遙控包，其中包含遠程終端A的內存讀出指令，按照上行信道的上行注入格式的要求，封裝為遙控幀，遙控幀中攜帶遙控幀標識用於表示遙控幀屬於哪個子網；將所述遙控幀發送給太空飛行器，經應答機解調後傳送至子網I的主控終端；
(2)子網I的主控終端根據遙控幀標識判斷所接收的遙控幀是否屬於本級子網， 若是，則根據遙控包內容直接通知對應的遠程終端準備數據，不再等待，轉而執行其他工作；否則將遙控幀轉發至自身所連接的下一級子網(即圖3中的子網2)的主控終端，並在完成轉發後轉而執行其他工作；子網I的主控終端完成轉發後，繼續進行其他工作；
(3)第二級子網的主控終端根據遙控幀標識判斷所接收的遙控幀是否屬於本級子網，若是，則根據遙控包內容直接通知對應的遠程終端準備數據，不再等待，轉而執行其他工作；否則將遙控幀轉發至自身所連接的下一級子網(即圖3中的子網3)的主控終端，並在完成轉發後轉而執行其他工作；第二級子網的主控終端完成轉發後，繼續進行其他工作；
(4)各級子網的主控終端依次根據遙控幀標識判斷所接收的遙控幀是否屬於本級子網，若是，則根據遙控包內容直接通知相應的遠程終端準備數據，不再等待，轉而執行其他工作；否則將遙控幀轉發至自身所連接的下一級子網的主控終端，直至通知到地面站要求上傳數據的遠程終端A準備數據；各級子網的主控終端完成轉發後，不再等待，繼續進行其他工作；所述的其它工作是指主控終端在被打斷前正在進行的工作，例如太空飛行器自主溫度控制，也可以是預定要進行的其他工作，如由太空飛行器自主溫度控制轉向能源管理；
(5)地面站要求上傳數據的遠程終端A從遙控包中識別出自身的內存讀出指令後，準備好相應的數據，並封裝成符合CCSDS規定格式的遙測包，向其所在子網(即圖3中的子網η)的主控終端提出數據傳輸服務請求；
(6)地面站要求上傳數據的遠程終端A所在子網(即圖3中的子網η)的主控終端以設定的時間為周期，查詢遠程終端A是否有數據傳輸服務請求，一旦查詢到數據傳輸服務請求，則獲取遠程終端A準備好的數據，並通知遠程終端A數據傳輸結束，遠程終端A不再向其所在子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，然後遠程終端A所在子網的主控終端向上一級子網(即圖3中的子網η-l)的主控終端提出數據傳輸服務請求；
(7)各級子網的主控終端依次以設定的時間為周期查詢本級子網遠程終端是否有數據傳輸服務請求，一旦查詢到數據傳輸服務請求，則獲取準備好的數據，並通知發出數據傳輸服務請求的遠程終端傳輸結束，遠程終端不再向其所在子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，然後遠程終端所在子網的主控終端向上一級子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，直到所述準備好的數據到達第一級子網I的主控終端；
(8)第一級子網I的主控終端將獲取到的所述準備好的數據按照下行數據格式的要求，組成突發下行數據幀，按照突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略，佔用物理信道完成下傳；
(9)突發下行數據幀下傳結束後，第一級子網I的主控終端停止突發下行數據幀的傳輸，恢復傳輸之前的常規下行數據幀。
當地面站沒有向太空飛行器多級子網中的某遠程終端請求數據，但遠程終端有突發下行數據需要下傳時，具體實現步驟為
SI :遠程終端將突發下行數據封裝成遙測包，向其所在子網的主控終端提出數據傳輸服務請求；
S2 :各級子網的主控終端以設定的時間為周期，查詢所在子網的遠程終端是否有數據傳輸服務請求，一旦查詢到數據傳輸服務請求，則獲取遠程終端準備好的數據，並通知該遠程終端數據傳輸結束，然後向上一級子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，直到所述準備好的數據到達第一級子網的主控終端；
S3:第一級子網的主控終端將獲取到的所述準備好的數據按照下行數據格式的要求，組成突發下行數據幀，按照突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略，佔用物理信道完成下傳；
S4:突發下行數據幀下傳結束後，第一級子網的主控終端停止突發下行數據幀的傳輸，恢復傳輸之前的常規下行數據幀。
所述的突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略是指突發下行數據幀搶佔常規下行數據幀的傳送信道，或者突發下行數據幀和常規下行數據幀按照一定的比例輪流佔用傳送信道下傳數據。
下面結合說明書附圖和具體實例對本發明做進一步詳細說明。
某太空飛行器器載網絡由3個子網構成，其中子網I為第一級子網，可通過太空飛行器應答機直接與地面站進行通信，子網2和子網3為第二級子網，各級子網中均設有1553B總線；在每個子網中，主控終端和遠程終端均連接到本子網的1553B總線上，且主控終端工作於1553B總線控制模式，遠程終端工作在1553B總線遠程終端模式；而且，除第一級子網外， 其他各子網的主控終端還連接到上一級子網的1553B總線上，但是其仍工作在本子網的 1553B總線遠程終端模式；如圖4所示，整個網絡的組成設備包括
數管系統管理單元SMU1、SMU2、SMU3 ；
姿軌控計算機GNCC1、GNCC2、GNCC3；
其他設備綜合接口單元、樣品轉移機構、採樣封裝控制器、電源控制器PIU等。
各數管系統管理單元工作於1553B總線控制模式(BC)，作為各子網的主控終端， 其他所有設備均工作在1553B總線遠程終端模式(RT)，作為各子網的遠程終端。
該太空飛行器與地面站的通信信道由數管系統管理單元SMUl進行統一控制，通過應答機與地面站完成上下行通信，下行信道分為兩個虛擬信道VCl和VC2，其中VCl用於傳輸常規下行數據，VC2用於傳輸突發下行數據，平時VCl佔用物理信道進行數據傳輸，當有突發下行數據下行時，VC2搶佔物理信道進行傳輸，結束後釋放使用權，繼續傳輸VCl。8
以讀出該太空飛行器的突發下行數據為例，地面站命令主控終端按照指定讀出長度， 將子網2的遠程終端GNCC2的內存數據下傳至地面站，供地面分析使用。如圖5所示，具體實現步驟為
(I)地面站生成符合CCSDS規定格式的GNCC2遙控包，其中包含GNCC2的內存讀出指令，按照上行信道的上行注入格式的要求，封裝為子網2的遙控幀，並將遙控幀發送給太空飛行器，經應答機解調後傳送至SMUl ；
(2)SMU1根據遙控幀標識，識別該幀為子網2的數據，將其轉發至SMU2 ；SMU1完成轉發後，繼續進行其他工作；
(3) SMU2根據遙控包標識，識別該遙控包為GNCC2的遙控包，將其轉發至GNCC2 ； SMU2完成轉發後，繼續進行其他工作；
(4)GNCC2從該遙控包中識別出自身的內存讀出指令後，準備好相應的數據，並封裝成符合CCSDS規定格式的遙測包，通過總線發送矢量字的方式向SMU2提出數據傳輸服務請求；
(5)SMU2以125ms為周期，查詢GNCC2是否有數據傳輸的請求，一旦查詢到該請求， 則獲取該數據，通過同步字通知GNCC2數據傳輸結束，GNCC2不再向SMU2提出數據傳輸服務請求，然後SMU2通過總線發送矢量字的方式向SMUl提出數據傳輸服務請求；
(6)SMU1以125ms為周期，查詢SMU2是否有數據傳輸的請求，一旦查詢到該請求， 則獲取該數據，通過同步字通知SMU2數據傳輸結束，SMU2不再向SMUl提出數據傳輸服務請求；
(7)SMU1將獲取到的遙測包按照下行數據格式的要求，組成突發下行數據幀，調度 VC2搶佔物理信道完成下傳；
(8)突發下行數據幀下傳結束後，SMUl停止VC2，恢復VCl繼續傳輸常規下行數據。
綜上所述，以上僅為本發明的一種較佳實例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法，太空飛行器多級子網由多個子網組成，其中，第一級子網中的主控終端直接通過太空飛行器應答機與地面站進行通信；子網中的主控終端為上ー級子網中的遠程終端；其特徵在於 所述突發下行數據通信方法具體實現步驟如下 (1)地面站生成向某遠程終端請求數據的遙控包，按照上行信道的上行注入格式的要求封裝為遙控幀，遙控幀中攜帶遙控幀標識用於表示遙控幀屬於哪個子網；將所述遙控幀發送給太空飛行器，經應答機解調後傳送至第一級子網的主控終端； (2)第一級子網的主控終端根據遙控幀標識判斷所接收的遙控幀是否屬於本級子網，若是，則根據遙控包內容直接通知對應的遠程終端準備數據，不再等待，轉而執行其他エ作；否則將遙控幀轉發至自身所連接的下一級子網的主控終端，並在完成轉發後轉而執行其他工作； (3)各級子網的主控終端根據遙控幀標識判斷所接收的遙控幀是否屬於本級子網，若是，則根據遙控包內容直接通知對應的遠程終端準備數據，否則將遙控幀轉發至自身所連接的下一級子網的主控終端，直至通知到地面站要求上傳數據的遠程終端準備數據； (4)地面站要求上傳數據的遠程終端根據遙控包內容準備好相應的數據，並封裝成遙測包，向其所在子網的主控終端提出數據傳輸服務請求； (5)各級子網的主控終端以設定的時間為周期，查詢所在子網的遠程終端是否有數據傳輸服務請求，一旦查詢到數據傳輸服務請求，則獲取遠程終端準備好的數據，並通知該遠程終端數據傳輸結束，然後向上一級子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，直到所述準備好的數據到達第一級子網的主控終端； (6)第一級子網的主控終端將獲取到的所述準備好的數據按照下行數據格式的要求，組成突發下行數據幀，按照突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略，佔用物理信道完成下傳； (7)突發下行數據幀下傳結束後，第一級子網的主控終端停止突發下行數據幀的傳輸，恢復傳輸之前的常規下行數據幀。
2.如權利要求I所述的ー種用於太空飛行器多級子網的下行數據通信方法，其特徵在於所述太空飛行器多級子網中的各子網中均設有1553B總線；在每個子網中，主控終端和遠程終端均連接到本子網的1553B總線上，且主控終端工作於1553B總線控制模式，遠程終端工作在1553B總線遠程終端模式；而且，除第一級子網外，其他各子網的主控終端還連接到上一級子網的1553B總線上。
3.如權利要求I所述的ー種用於太空飛行器多級子網的下行數據通信方法，其特徵在於 當地面站沒有生成並發送向太空飛行器多級子網中的某遠程終端請求數據的遙控包，但所述遠程終端有突發下行數據需要下傳時，具體實現過程為 Si:遠程終端將突發下行數據封裝成遙測包，向其所在子網的主控終端提出數據傳輸服務請求； S2:各級子網的主控終端以設定的時間為周期，查詢所在子網的遠程終端是否有數據傳輸服務請求，一旦查詢到數據傳輸服務請求，則獲取遠程終端準備好的數據，並通知該遠程終端數據傳輸結束，然後向上一級子網的主控終端提出數據傳輸服務請求，直到所述準備好的數據到達第一級子網的主控終端；· 53:第一級子網的主控終端將獲取到的所述準備好的數據按照下行數據格式的要求，組成突發下行數據幀，按照突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略，佔用物理信道完成下傳； ·54:突發下行數據幀下傳結束後，第一級子網的主控終端停止突發下行數據幀的傳輸，恢復傳輸之前的常規下行數據幀。
4.如權利要求I或權利要求3所述的ー種用於太空飛行器多級子網的下行數據通信方法，其特徵在於所述的突發下行數據幀和常規下行數據幀的傳輸策略是指突發下行數據幀搶佔常規下行數據幀的傳送信道，或者突發下行數據幀和常規下行數據幀按照一定的比例輪流佔用傳送信道下傳數據。
全文摘要
本發明公開了一種用於太空飛行器多級子網的突發下行數據通信方法，屬於通信技術領域。地面站生成遠程終端A遙控包，封裝為遙控幀傳送至第一級子網主控終端；各級子網主控終端判斷遙控幀是否屬於本級子網，若是，則通知對應的遠程終端準備數據，轉而執行其他工作；否則將遙控幀轉發至下一級子網的主控終端，直至通知到遠程終端A準備數據；遠程終端A準備好數據後提出請求；各級子網主控終端一旦查詢到遠程終端有請求時，獲取數據，然後向上一級子網主控終端提出請求，直到數據到達第一級子網主控終端；第一級子網主控終端將獲取的數據組成突發下行數據幀，調度對應信道完成下傳；下傳結束後，恢復傳輸常規下行數據。本發明能夠提高太空飛行器器載網絡傳輸突發下行數據的靈活性。
文檔編號H04L12/40GK102984220SQ201210455040
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者穆強, 張亞航, 郭堅, 袁珺, 彭兢, 張紅軍, 葉志玲, 程慧霞, 裴楠, 禹霽陽 申請人:北京空間飛行器總體設計部