載人火箭信息傳輸網絡系統設計及關鍵技術研究

張晨光，孫沂昆，劉巧珍，彭　越，李　婧（.北京宇航系統工程研究所，北京00076；.北京特種工程設計研究院，北京0008）

載人火箭信息傳輸網絡系統設計及關鍵技術研究

張晨光1，孫沂昆2，劉巧珍1，彭越1，李婧1
（1.北京宇航系統工程研究所，北京100076；2.北京特種工程設計研究院，北京100028）

載人火箭信息傳輸網絡系統是為適應載人運載火箭遠距離測試和發射控制而研制，系統采用熱備份路由及重傳驗證信息傳輸方法，實現了高效、高可靠的地面信息交換平臺。在系統框架設計及可靠性分析的基礎上，對待發段故障診斷、流程指揮與射前監測等關鍵技術研究，實現了高可靠信息傳輸網絡系統，系統已圓滿完成載人航天工程任務。本技術成功應用優化了運載火箭信息傳輸與應用模式，提供了標準體系構架，對于后續運載火箭及航天器信息傳輸與應用的研制具有重要借鑒意義。

載人火箭；信息傳輸；通信網絡

1　引言

為了更有效保護人員和發射場設備的安全，現代運載火箭普遍采用遠程測試和發射控制模式，遠程測試和發射控制以數字通信方式為基礎，以太網通信技術就是其中之一，載人火箭遠程信息傳輸網絡就是采用此方法進行設計和實施的。遠程信息傳輸網絡用于火箭各系統地面信息傳輸與交換，綜合處理火箭各系統測試信息及發射場信息，提供決策依據。

各系統地面測試發控設備分為前端和后端，通過構建信息傳輸網絡系統，實現了各系統遠距離測試發控，綜合處理火箭各系統以及發射場C3I系統的測試信息，完成火箭各系統網絡連接、待發段故障診斷、射前監測、信息發布、流程指揮、網絡狀態監測，提供決策依據。

2　系統功能分析

1）聯網功能?；鸺孛鏈y試各個分系統前端和后端的測試設備、測試微機聯成局域網。聯網分系統包括：火箭各分系統以及發射場C3I系統。

2）信息交換。實現各系統內部及各系統之間的實時信息交換，完成對各分系統測試狀態和測試參數的實時采集，測試數據的發送、接收、轉發等功能。根據需求，將測試信息實時轉發到發射場C3I系統。

3）待發段故障診斷。載人火箭待發段是根據預定的故障判別模式對推進劑泄漏、著火、緊急關機后的傾倒、緊急關機后控制系統斷電失敗進行故障診斷，將診斷參數和診斷結果實時顯示，當出現故障時，向待發段逃逸指揮控制臺發出信號。

4）射前監測。發射前，實時監測各系統關鍵參數，為各系統提供射前數據監測服務，通過射前監測判據，完成超差判斷。

5）數據瀏覽。連接到網絡上的瀏覽微機，通過授權后，通過IE瀏覽器以瀏覽網頁的方式，實時瀏覽網絡中數據庫中的全部測試數據，包括當前測試數據和歷史數據。數據瀏覽微機可以靈活的、有選擇的查看本崗位關心的測試數據。在網絡中建立遙測數據判讀程序的鏈接通道，實現事后判讀網絡管理。

6）網絡管理和監測。通過網管管理微機對整個網絡狀態進行管理，對網絡運行狀態進行實時監測。通過網絡監測微機對前后端關鍵網絡節點進行網絡監測和數據包獲取，對網絡監測數據進行分析。

7）網絡安全管理。系統上網設備組成不同的VLAN，實現信息交換安全設計。由信息傳輸網絡系統統一為各系統提供防病毒軟件，各系統自行防病毒處理。信息傳輸網絡系統與外部網絡連接C3I設置硬件防火墻。

8）網絡系統對時。過B碼時統卡，接收發射場時碼信息，與發射場時統同步，通過網絡將時間進行發布，實現網絡系統統一對時功能。

3　系統框架設計

載人火箭采用遠距離測試和發射控制模式，信息傳輸網絡系統構建了信息傳輸網絡平臺，實現各系統遠距離測試發控需求，各系統前后端測試發控設備連接到測發控網絡上，由此構成一個互相連接、集中管理的地面測試發控系統，系統框架結構見圖1［1］。

圖1　載人火箭信息傳輸網絡系統組成示意圖Fig.1 Schematic d iagram of the communication network in manned launch vehicle

信息傳輸網絡系統由核心網、信息網、服務器和測控微機等設備組成，核心網采用四臺交換機實現，通過千兆光纜環形連接，實現網絡核心層冗余。設備聯網方式采用千兆以太網技術和交換式以太網技術。從網絡安全性考慮，在后端與外系統之間設置了防火墻，信息網通過防火墻接入核心網［2-3］，核心網是系統關鍵部分。

核心網的前端兩臺交換機分別為交換機A、交換機B，此兩交換機互為冗余，后端兩臺交換機分別為交換機C、交換機D，此兩交換機互為冗余。在同端的交換機A與交換機B之間、交換機C與交換機D之間通過雙千兆光纜連接，前后端的交換機A與交換機C之間、交換機B與交換機D之間通過雙千兆光纜連接。各系統參與測控的前后端設備直接連接到四臺交換機上，實現測試信息交換。后端不直接參與測試的設備，連入交換機E，并通過防火墻與核心網絡隔離，發射場C3I系統通過防火墻連接，起到物理隔離，形成統一的整體。

4　核心網可靠性建模與分析

信息傳輸網絡系統可靠性分析由核心網、信息網、服務器等部分組成，核心網是其關鍵部分，為了簡化模型僅對核心網進行建模與分析。為了消除系統單點故障，核心網四臺交換機構成“環形”拓撲結構，大大增強了系統的可靠性，四臺交換機允許出現的故障模式如下所示：

1）交換機中任何一臺故障不影響網絡通信。以交換機B出現故障為例進行說明，正常情況下，交換機B→交換機D進行通信，當交換機B出現故障時，其他交換機根據算法快速計算，尋找另外一條信息通道，即由交換機A→交換機C→交換機D；

2）四臺交換機中兩臺出現故障不影響網絡通信。以交換機B、交換機D同時出現故障為例進行說明，正常情況下，交換機B→交換機D進行通信，當交換機B、交換機D同時出現故障時其他交換機根據算法計算，信息傳輸由交換機A→交換機C。

通過分析得出，網絡拓撲結構的可靠性模型為串并系統形式，可靠性框圖（RBD）如圖2所示。

圖2　信息傳輸網絡可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of the communication network inmanned launch vehicle

根據可靠性串并模型可知計算公式如式（1）：

由交換機指標可知，MTBF為94 076 h。系統連續工作時間按照射前8 h工作計算。代入可求的R=0.999 87，RS=0.999 999 932，滿足總體0.998可靠性指標要求。

5　系統關鍵技術研究

5.1待發段故障診斷技術

我國載人火箭待發段故障診斷從射前-30 min開始并具備逃逸能力。待發段故障診斷系統根據推進劑泄漏、尾艙著火、火箭傾倒和緊急關機后控制系統斷電失敗四種故障模式對火箭相關參數進行實時診斷，當診斷出某一故障發生，向逃逸控制臺發送逃逸告警或請求逃逸信號，根據發生故障情況，通過現場分析與決策，由逃逸控制臺實施逃逸控制，以確保航天員生命安全。

待發段故障診斷通過待發段故障診斷軟件實現，該軟件是火箭系統與逃逸控制臺的唯一接口，以協助完成待發段航天員的逃逸救生指揮控制任務。軟件實現了故障判據數據的實時接收、故障診斷、向逃逸控制臺發送逃逸信息等功能。軟件設計采用冗余技術以保證待發段逃逸救生任務的可靠性。運行于主故障診斷微機的為診斷模式，運行于副故障診斷微機的為顯示模式，顯示模式軟件為診斷模式的備份不進行操作，兩種模式信息同步顯示，當主故障診斷工作站發生異常，將副故障診斷微機的故障診斷軟件切換為診斷模式，繼續執行待發段診斷功能。該冗余設計提高了待發段故障診斷的可靠性。待發段故障診斷軟件框架示意圖見圖3。

圖3　待發段故障診斷框架軟件示意圖Fig. 3 Block diagram of the fault diagnosis software in waiting-for-lift-off phase

5.2射前監測技術

載人火箭射前監測技術是指在射前-30 min至點火期間，對關鍵遙測參數進行實時監測技術，用于在臨發射前及時、準確發現火箭故障。射前監測是在火箭即將點火升空前對其進行最后一次的綜合“會診”，是輔助決策發射的主要手段，是確保發射任務成功的重要環節。運載火箭射前監測包括信息獲取、綜合處理、分析診斷、參數顯示。信息獲取是對處理后的遙測參數信息的收集與匯總，通過網絡通信進行信息傳輸和交換；綜合處理是將接收后的遙測數據進行集中處理，以滿足分析和顯示要求；分析診斷是根據預先確定的判據或規則，對遙測參數進行分析判斷或推理診斷，并根據判斷或診斷結果完成射前輔助決策功能；參數顯示是將判斷或診斷后的參數進行集中或分布顯示。

射前監測軟件采用B/S框架進行設計，由應用服務器和數據服務器組成，應用服務器部署WEB SERVER和用戶接口處理模塊，應用服務軟件運行在應用服務器上對發布數據進行集中管理并完成WEB發布。數據庫服務器應用Oracle數據庫對數據進行集中管理，在客戶端通過標準IE瀏覽器進行數據監測與瀏覽。射前監測軟件框架示意見圖4。

圖4　射前監測軟件框架示意圖Fig.4 Schematic diagram of the monitoring software in p re-launch phase

5.3網絡信息傳輸可靠性設計

5.3.1網絡熱冗余路由技術

信息傳輸網絡系統由四臺交換機組成核心網。實現了系統高可靠性設計要求，網絡設備熱冗余包括交換機冗余、交換機之間鏈路冗余、網卡和網線冗余，可消除交換機、光纜（光纖）、網卡、網線單點故障。在核心層交換機中通過RSTP和HSRP協議、千兆以太網信道協議實現當任意一臺交換機或者連接鏈路出現故障，根據收斂算法通過快速計算，尋找另外一條信息通道，實現信息通路的冗余。信息傳輸網絡熱冗余路由技術如圖5［4］。

正常情況下，交換機A和交換機C完成控制系統前后端的信息通信，當交換機C出現故障而宕機，RSTP中的收斂算法快速計算，尋找另外一條信息通道，即由交換機A→交換機B→交換機D，同時HSRP協議將備份路由器交換機D激活成為活動路由器，默認網關也隨之切換到交換機D上，實現信息通道的快速切換。經過試驗驗證，網絡收斂時間在1 s以內，滿足發射任務要求。

5.3.2重傳驗證傳輸方法

采用以太網通信技術實現遠距離測試和發射控制，要求網絡信息傳輸及時、準確、可控、可追溯。以太網常用的UDP和TCP通信協議，因固有特性無法滿足系統需求，因此創建了基于UDP協議重傳驗證傳輸方法，該方法保證了信息傳輸網絡信息傳輸的實時性、可靠性、可追溯性?；赨DP協議重傳驗證傳輸方法，包括信息報文發送步驟和信息報文接收步驟。在UDP協議的基礎上設計了關鍵信息報文傳輸方法，每發送一次信息報文都需要延時，保證發送端準確接收到接收端發送確認報文，降低了虛警概率，通過三次超時重發機制，保證數據在一定時間內傳輸的實時性和確定性，本發明的定時、定數的接收確認機制相比較現有技術而言，在犧牲部分通信效率的前提下解決了信息傳輸時間不確定性的問題，基于UDP協議重傳驗證傳輸方法見圖6。

圖5　信息傳輸網絡熱冗余路由技術示意圖Fig.5 Schematic diagram of heat redundant routing in the comm unication network

圖6　基于UDP協議重傳驗證傳輸方法示意圖Fig.6 Diagram of UDP protocol based retransm ission verification transm ission method

5.4網絡安全防御控制技術

5.4.1等級網絡隔離防護技術

根據載人火箭測試和發控信息交換要求與特點，采用等級網絡隔離防護技術，使各系統參與測控的設備在核心網上進行數據傳輸，后端不參與測試的設備在信息網上進行信息交換，信息傳輸網絡采取分級進行網絡設計，各系統參與測控的前后端設備直接連接到交換機A、交換機B、交換機C、交換機D上，實現遠距離信息交換，由此構成核心網絡層，訪問控制為“最高級”。后端不直接參與測控的設備連入交換機E形成信息網絡，并通過防火墻與核心網絡隔離，設置訪問控制實現兩層間的信息交換，此為“次高級”。通過防火墻連接外系統，并將其設置為“最低級”，起到完全隔離的作用，這樣形成多層次分級管理的網絡系統，同時防火墻將基地C3I系統隔離，等級網絡隔離防護技術見圖7。

圖7　等級網絡隔離防護技術示意圖Fig.7 Schematic diagram of isolation protection technology in hierarchical network

5.4.2基于端口鏡像網絡監測技術

對各系統前后端關鍵設備采用基于物理芯片端口鏡像技術進行網絡監測，實現網絡事件分析和對關鍵信息事后分析與排故。端口鏡像技術是將源端口或特定的VLAN的流量映射到一個目的端口，實現網絡端口數據的分析。端口鏡像不會影響源端口的網絡流量交換，將不再轉發除端口鏡像流量外的任何流量，并只由端口鏡像程序使用［5］。

根據連接到信息傳輸網絡各系統設備特點，在前后端各配置一臺網絡監測微機，對關鍵節點進行端口鏡像網絡監測，采用專用分析軟件對鏡像數據進行抓包和分析，實現網絡數據監測和分析，網絡監測和分析軟件運行界面見圖8。

圖8　基于端口鏡像網絡監測示意圖Fig.8 Schematic diagram of portm irroring based network monitoring

6　結論

通過對載人火箭信息傳輸網絡系統設計及關鍵技術研究，實現了安全、可靠的地面信息交換平臺，滿足可靠信息傳輸、網絡安全、快速收斂等需求，系統已成功完成天宮一號發射任務、神舟八號交會對接任務、神舟九號/神舟十號載人交會對接任務，取得飛行試驗的圓滿成功，為載人航天工程任務的順利實施奠定了基礎。本技術成功應用優化了信息傳輸網絡設計模式，提供了標準網絡系統體系構建，對后續運載火箭信息傳輸網絡系統的研制具有重要借鑒意義。

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Study on Architecture Design and Key Technology of Communication Network in M anned Launch Vehicle

ZHANG Chenguang1，SUN Yikun2，LIU Qiaozhen1，PENG Yue1，LIJing1
（1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China；2.Beijing Special Engineering Design Institute，Beijing 100028，China）

The communication network in Manned Launch Vehicle was developed for long-range testing，launch and control of launch vehicle，in which hot-standby route and retransmission validation protocol were used to build the information interchange platform with high efficiency and high reliability.On the basis of the system frame design and reliability analysis，applying key technology of the faultdiagnosis in waiting-for-lift-off phase and the rocket launch process command，a highly reliable communication network system was implemented.The system was successfully applied to the manned space program.The technology was successfully applied to the optimization of the rocket’s information transmission and application mode.A standard system framework was provided.It can be applied to the system design of future rocket and spacecraft information transmission and application.

manned launch vehicle；information transmission；communication network

V556

A

1674-5825（2015）02-0153-05

2014-10-23；

2015-02-10

張晨光（1973-），男，碩士，高級工程師，研究方向為運載火箭電氣系統總體設計。E-mail：zcg2073@sina.com