一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統的製作方法
2023-05-14 11:54:56
一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統，解決總線的傳輸帶寬低、電磁幹擾、星內布線複雜、佔用空間大、質量大等問題。控制器A與控制器B互為備份，在某一時間點只有一個控制器被星務計算機設置為當班控制器；當班控制器通過無線通信方式對有效載荷的數據通信進行管理、控制；當其中一個光纖環出現故障時，當班控制器將工作總線切換到令一個光纖環上；按照光傳輸方向編輯有效載荷序號，不同有效載荷採用不同波長傳輸數據，有效載荷k發射的雷射信號的波長為λk，實現載荷數據上行；當班控制器通過無線方式向有效載荷發送控制指令，可調諧濾波器根據控制指令從光纖環上選取特定的波長進入雷射接收器，實現載荷數據下行。
【專利說明】一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統，主要用於衛星有效載荷的數據通信，屬於衛星平臺電子系統領域。
【背景技術】
[0002]隨著深空探測、對地觀測以及遙感遙測等技術的快速發展，在空間與環境探測領域面臨前所未有的機遇和挑戰。空間與環境探測衛星完成的任務不僅越來越多，而且越來越複雜，其姿態和軌道控制精度要求越來越高，系統內部各個單元之間需要交換的信息量也在迅速增加，對有效載荷數據總線的帶寬、碼速率、可靠性和容錯能力等方面提出了越來越高的要求。
[0003]目前，在空間與環境探測衛星中使用的數據總線主要採用窄線寬的同軸電纜或雙絞線作為傳輸介質，碼速率低，易受電磁幹擾影響，因而不利於系統穩定性的進一步提高，很難完成空間與環境探測技術的信息處理任務。由於空間環境存在諸多電磁幹擾和電磁脈衝源，使用基於電纜的總線很難滿足空間與環境技術的高性能和高可靠性要求，並且無法支持高速率的數據傳輸。此外，在基於電纜的傳統數據總線中，信息交換是由點到點的電纜完成。隨著設備的不斷增加，電纜在空間與環境探測衛星內布線複雜、佔用空間大、質量大，這些問題成為限制空間與環境探測技術進一步發展的瓶頸，急需要採用新型傳輸媒質代替電纜。利用光纖傳輸介質來取代屏蔽雙絞線以及電纜，是一種非常有效的解決途徑。
[0004]MIL-STD-1773是1553B的光纖版，頒發於1987年。1773總線在通信協議、吞吐量、總線終端定義、總線長度等方面與1553B總線標準定義完全相同，重要的區別就是採用光纖作為傳輸介質，用光收/發器替換電總線中的電收/發器。這種方案的優點是它具有抗電磁幹擾、重量輕、傳輸輸率高、功耗低、無輻射及故障隔離性好等優點。AS1773為MIL-STD-1773標準的改進版，1995年由SAE頒布。該標準允許數據以20Mbps和IMbps兩種速率進行傳輸。AS1773保持了向下的兼容性，適用於新舊終端共存的應用環境。然而，對於新型有效載荷而言1773總線的帶寬仍然不夠，且採用星型耦合器，存在單點失效的風險，可靠性較低。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，本發明提供了一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統，主要針對衛星有效載荷器之間信息流交互而開展的系統設計，解決總線的傳輸帶寬低、電磁幹擾、星內布線複雜、佔用空間大、質量大等問題，在解決有效載荷數據的上行與下行的同時不影響其他載荷的通信。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明是這樣實現的:
[0007]—種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統，該系統包括光纖環1、光纖環
I1、控制器A、控制器B和η個有效載荷，控制器A與控制器B互為備份，在某一時間點只有一個控制器被星務計算機設置為當班控制器；當班控制器通過無線通信方式對有效載荷的數據通信進行管理、控制；當其中一個光纖環出現故障時，當班控制器將工作總線切換到令一個光纖環上；有效載荷數據通過雷射信號接入光纖環，按照光傳輸方向編輯有效載荷序號，有效載荷包含雷射發射器、雷射接收器和可調諧濾波器，其中可調諧濾波器用於控制雷射接收器的輸入波長；不同有效載荷採用不同波長傳輸數據，有效載荷k發射的雷射信號的波長為λ k，實現載荷數據上行；當班控制器通過無線方式向有效載荷發送控制指令，可調諧濾波器根據控制指令從光纖環上選取特定的波長進入雷射接收器，實現載荷數據下行；
[0008]該系統的工作流程為:
[0009]①系統在上電後完成初始化，在初始化的過程中當班控制器依次與所有的有效載荷通信，獲取並存儲有效載荷的狀態，並進行光總線狀態檢查；
[0010]②假設完成初始化的時刻為0，在每個周期T內，當班控制器為每個有效載荷分配一個時隙，在相應的時隙範圍內當班控制器與有效載荷通過無線通信方式協調光總線的通信；
[0011]③有效載荷i需要向有效載荷j發送數據時，首先有效載荷i在當班控制器所分配的時隙內向當班控制器發出發送數據請求；當班控制器檢測有效載荷j的狀態，判斷有效載荷j是否正在接收數據或故障，如果是，則發送數據請求不被允許，通知有效載荷i先不要發送數據，否則，發送數據請求被允許，則通知有效載荷i發送數據和有效載荷j接收數據；此後，有效載荷i發射雷射信號的波長為Xi，有效載荷j接收信號的波長為λ?;當完成數據傳輸後，有效載荷j向當班控制器反饋，更新其狀態；
[0012]④若有效載荷i 需要向多個有效載荷發送數據，將會按照有效載荷的優先級建立發送數據的隊列，在當班控制器分配的時隙範圍內按照優先級依次向當班控制器發出發送數據請求；若優先級最高的發送數據請求不被允許，則選擇第二優先級的進行嘗試；若第二優先級的發送數據請求不被允許，則選擇第三優先級的進行嘗試，以此類推；對於被允許的發送數據請求，按照第③點的描述由有效載荷i向目的有效載荷發送數據；同時，有效載荷i將遙測數據通過無線傳輸方式發送到當班控制器中；
[0013]⑤若有效載荷i想要廣播數據，則按照有效載荷序號建立向所有其餘有效載荷發送數據的隊列，然後按照第④點的描述由有效載荷i向各個其他有效載荷發送數據；
[0014]⑥若某一時刻當班控制器通過有效載荷的遙測數據判定某個有效載荷出現故障，則將分配給它的時隙設置為空閒，其在當班控制器中的狀態標註為故障，即其餘有效載荷不允許向其發送數據；
[0015]⑦若有效載荷i需要與有效載荷j建立全雙工通信時，有效載荷i發射雷射信號的波長為Xi，接收信號的波長為λ y有效載荷j發射雷射信號的波長為λρ接收信號的波長為入i。
[0016]有益效果:
[0017]I)採用星載有效載荷光總線系統，其網絡拓撲為環狀，可以實現任意兩個有效載荷的數據通信，而不影響其餘有效載荷的數據通信；
[0018]2)採用星載有效載荷光總線系統，將光纖環的實際使用帶寬提升到η倍；
[0019]3)星載有效載荷光總線系統光纖連接與控制器採用冗餘設計，互為備份的組件可以方便切換，提升系統的可靠性；
[0020]4)採用星載有效載荷光總線系統，解決了總線的傳輸帶寬低、電磁幹擾、星內布線複雜、佔用空間大、質量大等問題；
[0021]5)星載有效載荷光總線系統有效載荷通過無線傳輸方式進行遙控遙測，對通信進行管理，實現了全系統測控無電纜，減小系統的重量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為星載有效載荷光總線系統原理框圖。
[0023]圖2為有效載荷控制時隙分配。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0025]一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線主要用於完成有效載荷之間數據信息通信，具體包括通信管理、數據上行、數據下行、總線切換等功能。
[0026]圖1示出了星載有效載荷光總線系統的原理框圖。如圖1所示，星載有效載荷光總線系統包括光纖環1、光纖環I1、控制器A、控制器B和η個有效載荷。其中光纖環I與光纖環II可以為同向，也可以為逆向；兩個光纖環互為備份；控制器A與控制器B互為備份，在某一時間點只有一個控制器設置為當班控制器；當班控制器通過無線通信的方式對有效載荷的數據通信進行管理、控制。
[0027]當一個光纖環出現故障時，當班控制器將工作總線切換到另一個光纖環上；若當班控制器A出現故障時，星務計算機將當班控制器切換為控制器B。
[0028]有效載荷通過雷射信號接入光纖環I和光纖環II，按照光傳輸方向編輯有效載荷序號。有效載荷包含雷射發射器、雷射接收器和可調諧濾波器，雷射發射器用於向光纖環發射波長可調的雷射信號，雷射接收器用於從光纖環接收雷射信號，由可調諧濾波器控制雷射接收器的輸入波長。可調諧濾波器由當班控制器進行無線控制。
[0029]本發明中不同序號的有效載荷採用不同波長傳輸數據。設連接在光總線上的有效載荷數為η，其中有效載荷k發射的雷射信號的波長為λ k，實現載荷「數據上行」。k的取值範圍為I?η。
[0030]當班控制器通過無線方式向有效載荷的發送控制指令，可調諧濾波器根據控制指令從光總線上選取特定的波長進入雷射接收器，實現載荷「數據下行」。
[0031]若有效載荷i需要與有效載荷j建立全雙工通信時，有效載荷i發射雷射信號的波長為Xi，接收信號的波長為λy有效載荷j發射雷射信號的波長為λρ接收信號的波長為入i。
[0032]若有效載荷i需要向有效載荷j發送數據，有效載荷j需要向有效載荷k發送數據，貝1J有效載荷j接收波長為λ i，有效載荷k接收波長為λ」。
[0033]該系統的工作流程為:
[0034]①系統在上電後完成初始化，在初始化的過程中當班控制器依次與所有的有效載荷通信，獲取並存儲有效載荷的狀態(包括是否正在發送、接收)，並進行光總線系統狀態檢查。
[0035]光總線系統狀態檢查方法為:
[0036]所有有效載荷依次發送並接收一個自檢數據包，即有效載荷i將自檢數據包以波長Ai*送到光纖環上，並從光纖環上接收波長Ai的自檢數據包，若接收陳宮則表明有效載荷i與光纖環完好，並寫將接收狀態匯集到當班控制器中。若當班控制器獲知所有有效載荷均無法接收自身發送的自檢數據包，說明光纖環路斷開，則將當班光纖環切換到另一個光纖環。
[0037]②假設完成初始化後的時刻為0，如圖2所示，在一個周期T內，當班控制器為每個有效載荷分配一個時隙，在相應的時隙範圍內當班控制器與有效載荷通過無線通信方式協調光總線的通信。每個周期中還可以預留一些時隙給後續加入的更多有效載荷。
[0038]③有效載荷i想給有效載荷j發送數據時，首先有效載荷i在當班控制器所分配的時隙內向當班控制器發出發送數據請求；當班控制器檢測有效載荷j的狀態，若此時有效載荷j正在接收數據或其在當班控制器中標註的狀態為故障，則通知有效載荷i先不要發送數據，若有效載荷j沒有正在接收數據，則通知有效載荷i發送數據和有效載荷j接收數據；當完成數據傳輸後，有效載荷j將向當班控制器反饋，更新其狀態。
[0039]④若有效載荷i想給有效載荷a、b、c發送數據，將會按照有效載荷的優先級建立發送數據隊列，在當班控制器分配的時隙範圍內會按照優先級依次向當班控制器發出發送數據請求，當班控制器根據被請求的目的有效載荷是否正在接收數據確定發送請求是否被允許。若優先級最高的發送請求不被允許，則選擇第二優先級的進行嘗試；若第二優先級的發送請求不被允許，則選擇第三優先級的進行嘗試，以此類推；對於被允許的發送數據請求，按照第③點的描述由有效載荷i向目的有效載荷發送數據。同時，有效載荷i將遙測數據通過無線傳輸方式發送到當班控制器中。
[0040]⑤若有效載荷i想要廣播數據，則按照有效載荷序號建立向所有其餘節點發送數據的隊列，然後按照第④點的描述由有效載荷i向各個其他有效載荷發送數據。
[0041]⑥若某一時刻當班控制器通過有效載荷的遙測數據判定某個有效載荷出現故障，則將分配給它的時隙設置為空 閒，其在當班控制器中的狀態標註為故障，即其餘有效載荷不允許向其發送數據。
[0042]舉例說明:
[0043]假設衛星有10個有效載荷，分別為有效載荷I到有效載荷10。系統上電進行初始化，建立有效載荷的初始狀態表格，如表1所示。
[0044]表1有效載荷初始狀態
[0045]
【權利要求】
1.一種基于波分復用技術的星載有效載荷光總線系統，其特徵在於，該系統包括光纖環1、光纖環I1、控制器A、控制器B和η個有效載荷，η為大於或等於2的正整數；控制器A與控制器B互為備份，在某一時間點只有一個控制器被星務計算機設置為當班控制器；當班控制器通過無線通信方式對有效載荷的數據通信進行管理、控制；當其中一個光纖環出現故障時，當班控制器將工作總線切換到令一個光纖環上；有效載荷數據通過雷射信號接入光纖環，按照光傳輸方向編輯有效載荷序號，有效載荷包含雷射發射器、雷射接收器和可調諧濾波器，其中可調諧濾波器用於控制雷射接收器的輸入波長；不同有效載荷採用不同波長傳輸數據，有效載荷k發射的雷射信號的波長為λ k，實現載荷數據上行；當班控制器通過無線方式向有效載荷發送控制指令，可調諧濾波器根據控制指令從光纖環上選取特定的波長進入雷射接收器，實現載荷數據下行； 該系統的工作流程為: ①系統在上電後完成初始化，在初始化的過程中當班控制器依次與所有的有效載荷通信，獲取並存儲有效載荷的狀態，並進行光總線狀態檢查； ②假設完成初始化的時刻為O，在每個周期T內，當班控制器為每個有效載荷分配一個時隙，在相應的時隙範圍內當班控制器與有效載荷通過無線通信方式協調光總線的通信； ③有效載荷i需要向有效載荷j發送數據時，首先有效載荷i在當班控制器所分配的時隙內向當班控制器發出發送數據請求；當班控制器檢測有效載荷j的狀態，判斷有效載荷j是否正在接收數據或故障，如果是，則發送數據請求不被允許，通知有效載荷i先不要發送數據，否則，發送數據請求被允許，則通知有效載荷i發送數據和有效載荷j接收數據；此後，有效載荷i發射雷射信號的波長為λ i，有效載荷j接收信號的波長為λ i ;當完成數據傳輸後，有效載荷j向當班控制器反饋，更新其狀態； ④若有效載荷i需要向多個有效載荷發送數據，將會按照有效載荷的優先級建立發送數據的隊列，在當班控制器分配的時隙範圍內按照優先級依次向當班控制器發出發送數據請求；若優先級最高的發送數據請`求不被允許，則選擇第二優先級的進行嘗試；若第二優先級的發送數據請求不被允許，則選`擇第三優先級的進行嘗試，以此類推；對於被允許的發送數據請求，按照第③點的描述由有效載荷i向目的有效載荷發送數據；同時，有效載荷i將遙測數據通過無線傳輸方式發送到當班控制器中； ⑤若有效載荷i想要廣播數據，則按照有效載荷序號建立向所有其餘有效載荷發送數據的隊列，然後按照第④點的描述由有效載荷i向各個其他有效載荷發送數據； ⑥若某一時刻當班控制器通過有效載荷的遙測數據判定某個有效載荷出現故障，則將分配給它的時隙設置為空閒，其在當班控制器中的狀態標註為故障，即其餘有效載荷不允許向其發送數據。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述光總線狀態檢查過程為: 所有有效載荷依次發送並接收一個自檢數據包，即有效載荷i將自檢數據包以波長入i發送到光纖環上，並從光纖環上接收波長λ i的自檢數據包，若接收成功則表明有效載荷i與光纖環完好，並寫將接收狀態匯集到當班控制器中；若當班控制器獲知所有有效載荷均無法接收自身發送的自檢數據包，說明光纖環路斷開，則將當班光纖環切換到另一個光纖環上。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，若有效載荷i需要與有效載荷j建立全雙工通信時，有效載荷i發射雷射信號的波長為λi，接收信號的波長為λj ;有效載荷j發射雷射信號的波長為λP接收信號的波長為λρ
【文檔編號】H04B10/278GK103618573SQ201310591331
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】馬宗峰, 辛明瑞, 石德樂, 邵飛, 李振宇, 吳世臣, 程坤 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一三研究所