王报华，郝现伟，王 昕，郭世友，李大全

FC-AE-1553光纤总线技术在运载火箭测量系统的应用

王报华1,2，郝现伟1，王 昕1，郭世友1，李大全3

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 哈尔滨工业大学，哈尔滨，150006；3. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

运载火箭测量系统使用LVDS、RS422、1553B等总线接口，以混合应用方式构成了测量系统数据传输网络。随着运载火箭测量系统技术发展，高带宽传输、设备数据共享、电缆网轻质化等需求日益增长，测量系统亟需发展新型总线技术满足应用需求。FC-AE-1553光纤总线技术具有时间同步、高速传输、多冗余和多级网络级联等总线网络特点，能够应用于航空航天和船舶等高速高可靠应用领域。运载火箭测量系统采用FC-AE-1553光纤总线技术，在保证测量系统高可靠通信的同时，能够极大提升测量系统数据传输通信速率，实现测量系统高速信息传输。

测量系统；FC-AE-1553；高速传输；高可靠传输

0 引 言

运载火箭测量系统是执行运载火箭遥测、外测、安控任务的重要分系统，对于运载火箭状态监测和飞行评估具有重要意义。运载火箭测量系统设备种类繁多，数量庞大，设备遍布于多个舱段。传统测量系统采用LVDS、RS422、1553B等总线接口，形成了高、中、低3种通信速率传输能力，以混合应用方式构成了测量系统数据传输网络。当前，测量系统混合总线应用方式凸显出通信带宽不足、接口种类繁多和电缆网设计复杂等问题，亟需发展新一代高速高可靠总线进行一体化、统一化设计[1]。FC-AE-1553光纤总线具有吉比特数据通信能力，多冗余网络传输，轻质化、抗干扰的物理通信介质，以及高精度的时间同步能力，能够有效解决运载火箭测量系统应用需求[2]，实现运载火箭测量系统的升级换代。

1 FC-AE-1553光纤总线技术介绍

FC-AE-1553光纤总线采用了多种先进、可靠技术，保证了总线高速传输能力和高可靠性。主要包括：

a）采用多层体系结构，由FC-0（物理层）、FC-1（传输协议）、FC-2（信令协议）、FC-3（公共服务）和FC-4（高层协议映射）组成；

b）支持PON/仲裁环/交换型网络拓扑结构，支持双冗余网络拓扑结构设计；

c）定义NC、NT、NM端节点功能，NC完成对各NT节点的调度，NM负责监听网络数据和工作状态，支持多NC通信模式；

d）采用流量控制机制，为解决数据冲突及实现总线高吞吐率提供了保证；

e）支持10种交换模式，具备多种网络访问能力；

f）支持1.0625 Gb/s、2.125 Gb/s、4.25 Gb/s高速高带宽传输能力；

g）支持大规模节点入网能力，终端数量224-1，子地址数量232-1；

h）网络时间同步特性，同步精度优于100 ns。

FC-AE-1553光纤总线支持总线型、交换型、仲裁环型拓扑结构，拓扑结构如图1所示。PON总线型拓扑结构采用分光器、光反射器及端节点设备组成[3]，网络拓扑结构相对易于实现[4]，但是由于分光器分光比和光缆传输衰减等因素，网络可靠通信需要严格的光功率计算和特殊设计才能实现，不利于系统扩展升级。在特殊情况下，若某端节点设备出现故障，一直处于光发射状态，可能造成网络出现全局故障。仲裁环网络拓扑结构存在PON总线网络拓扑结构相同的全局故障模式。若环路中NT或NM端节点单点故障，则会导致环路通信中断。双冗余交换型网络采用交换机设备实现网络级联和设备扩展，能够更好支撑大规模网络建设。若有一台端节点设备发生故障，可对该故障节点设备进行屏蔽，不会出现PON总线、仲裁环网络拓扑结构的全局故障形式。

图1 FC-AE-1553光纤总线网络拓扑结构

2 运载火箭测量系统传统数据传输架构

运载火箭测量系统采用分布采集、逐级综合的数据传输方式，数据采编设备采集各舱段传感器数据、关键设备状态数据后，发送给数据综合设备进行综合编帧，遥测帧数据经遥测发射机调制放大后进行无线下传。运载火箭测量系统数据传输架构如图2所示。

图2 测量系统传统数据传输架构

测量系统传统数据传输架构中，数据综合设备与采编设备采用HDLC接口总线协议完成数据通信，HDLC接口总线协议物理层采用RS422器件，可支持10 Mb/s速率数据传输。HDLC接口总线按照“指令-响应”工作方式，数据综合设备发送命令信号及伴随时钟，采编设备返回数据信息及伴随时钟。由于HDLC接口总线是点对点传输，设备之间均需要独立的通信接口，造成了电缆网设计复杂及电缆网质量增加。同时，由于HDLC接口总线冗余代价较大，数据采编设备和数据综合设备之间不具备多冗余传输能力，若HDLC接口总线信号发生故障，相关数据采编设备数据将无法传输到数据综合设备，从而造成遥测数据部分丢失。在测量系统传统数据传输方式中，数据综合设备往往只有1台设备，数据综合设备的冗余能力需进一步提高。HDLC接口总线协议采用发送串行同步指令方式进行系统同步，数据综合设备向数据采编设备发送多比特串行指令，数据采编设备在接收到串行同步指令后，进行本地同步，与数据综合设备进行时间对齐。由于该系统同步机制未采用时间误差补偿，时间同步精度为1 us以上，系统时间同步性能较差。

3 测量系统FC-AE-1553光纤总线应用

3.1 基于光纤总线的测量系统架构

基于FC-AE-1553光纤总线的双冗余交换型网络具备A/B总线冗余通信能力，能够提高网络通信可靠性。交换机能够支持网络节点灵活接入[5]，是适用于测量系统高速高可靠应用的网络拓扑结构。测量系统FC-AE-1553光纤总线网络拓扑结构采用A/B总线完成下行指令及上行数据通信，A/B总线通道形成了2条完全独立的信息传输路径，避免单总线失效影响系统正常运行。测量系统FC-AE-1553光纤总线网络拓扑结构如图3所示。

成都工业学院[3]主要在教学内容上增加零部件测量、检测、机构调整、汽车配件质量的鉴别与检测、汽车再制造认识、再生燃料及新能源汽车认识等拓展内容，以引导学生不满足于现状、努力学习，达到强化实践操作技能、提升工作能力的目的。

图3 测量系统FC-AE-1553光纤总线网络

图3中，数据综合器为NC主控节点设备，采编器为NT端节点设备，测量系统采用A/B总线进行冗余通信，采用交换机实现网络级联和节点扩展。在多级火箭中，每级舱段均有网络交换机设备，采编设备可分别与A/B总线交换机连接，形成A/B总线冗余通信。数据综合器作为NC节点设备，承担总线任务调度功能。图3中，为提高测量系统可靠性，避免NC主控节点失效引起测量系统无法运行，FC-AE-1553光纤总线网络采用了双NC工作模式。主NC节点、备NC节点在FC-AE-1553起到双冗余主控节点作用。为避免主NC、备NC调度冲突，在主NC正常工作时，备NC以NM端节点功能存在，实时监听网络运行及主NC工作状态；主NC设备失效后，备NC设备由NM监听功能切换为NC主控功能，替代主NC设备执行FC-AE-1553光纤总线网络数据调度任务。

在基于FC-AE-1553光纤总线的测量系统中，主NC主控节点向遥测发射机发送遥测编帧数据，备NC主控节点作为NM存在时，实时监听过滤FC-AE-1553光纤总线数据，可以获取与主NC主控节点完全一致的遥测数据。备NC也把该遥测数据流发往下一级遥测发射机设备，从而使测量系统获取了双冗余遥测数据流数据传输能力。

3.2 时间触发及总线调度机制

FC-AE-1553光纤总线采用IEEE1588时间同步协议实现时间同步。IEEE1588时间同步协议主时钟、从时钟间前向路径采用发送Sync同步报文、Follow_up跟随报文，返向路径采用发送Delay_req延迟请求报文以及Delay_resp延时请求响应报文。可以精确计算出从时钟与主时钟之间的时间偏差offset和网络延时delay，从时钟根据时间偏差offset和网络延时delay参数修正本地时钟，从而实现与主时钟的精确时间同步，同步精度可优于100 ns。

基于高精度时间同步特性可建立测量系统网络通信时间触发机制，构建调度周期、时间原语信息的严格时间相关关系，在调度周期内实现多个任务调度时隙的划分，能够形成适用于运载火箭测量系统的高可靠无冲突总线调度机制。图4为总线调度周期及时隙划分。按照FC-AE-1553光纤总线时间触发机制，调度周期划分为个时隙，测量系统数据调度任务依次安排在时隙内，保证了调度周期内各节点的严格时间关系，避免了各任务调度时间碰撞，保证了测量系统任务调度的时间故障隔离能力。

图4 总线调度周期及时隙划分

3.3 箭地一体化通信应用

箭地一体化通信是箭上测量系统与地面测发控系统的技术发展趋势[6]。传统测量系统箭地通信网络协议繁多，接口不统一，难以实现箭地一体化通信[7]。箭上测量系统采用FC-AE-1553光纤总线网络，地面前端测发控系统也采用FC-AE-1553光纤总线接入到箭上测量系统FC-AE-1553光纤总线网络，能够实现箭地通信一体化通信应用。地面前端测发控系统增加FC-AE-1553光纤总线网络节点设备及交换机设备，接入到FC-AE-1553光纤总线网络后，能够实现箭上供配电控制、功率控制、参数注入和箭上数据采集监听等[8]。箭地一体化通信网络中，前端测发控系统采用NC功能访问箭上设备节点，箭地FC-AE-1553光纤总线网络将存在多个NC通信。为避免多NC通信冲突，可在时间触发机制的基础上，采用时间分割的方法解决可能发生的访问冲突，提升系统工作稳定性。对测量系统FC-AE-1553光纤总线网络调度周期进行分割，NC1、NC2、NC3…NC的占用时间分别为Δ1、Δ2、Δ3…Δt。Δ1、Δ2、Δ3…Δt在时间关系上互相隔离，互不冲突，这样系统不会发生时间碰撞问题，从而实现了多NC节点无碰撞通信，保证了箭地一体化通信可靠性。网络调度周期时间分割方法如图5所示。

图5 箭地通信多NC通信的时间分割方法

4 FC-AE-1553光纤总线应用测试

5 结束语

基于FC-AE-1553光纤总线应用，运载火箭测量系统实现了高速互联互通，大量复杂的物理连接关系将转换为通信时隙资源，简化了电缆网设计，同时测量系统设备数据访问获取将更为便捷，数据处理及应用将更加普遍。采用A/B总线冗余传输和数据综合冗余等冗余设计手段，增强了测量系统FC-AE-1553光纤总线应用可靠性，基于时间同步、时间触发总线和时间分割机制，测量系统设备同步能力优于100 ns，实现了各任务调度时间的无碰撞通信。FC-AE-1553光纤总线应用突破了传统测量系统技术瓶颈，实现了运载火箭测量系统数据传输领域的升级换代，在航天领域将具有很大的技术应用潜力。

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Application of FC-AE-1553 Optical Fiber Bus Technology in Launch Vehicle Measurement System

WANG Baohua1,2, HAO Xianwei1, WANG Xin1, GUO Shiyou1, LI Daquan3

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin, 150006;3. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The measurement system of launch vehicle uses bus interfaces such as LVDS, RS422 and 1553B buses to form the data transmission network of the measurement system in a hybrid application mode. With the development of launch vehicle measurement system technology, the requirements for high bandwidth transmission, equipment data sharing, and cable network lightweight are growing day by day. It is urgent to develop new bus interface technology for measurement system to meet the application requirements. FC-AE-1553 optical fiber bus technology has the characteristics of time synchronization, high-speed transmission, multi redundancy, multi-level network cascade and other bus networks, and can be applied to high-speed and high reliability applications such as aerospace, shipbuilding, etc. The carrier rocket measurement system adopts FC-AE-1553 optical fiber bus technology, which can greatly improve the data transmission communication rate of the measurement system while ensuring the high reliable communication of the measurement system, and realize high-speed information transmission of measurement systems.

measurement system; FC-AE-1553; high speed transmission; highly reliable transmission

2097-1974(2023)02-0137-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230227

V475.1

A

2022-12-02；

2023-01-04

王报华（1987-），男，高级工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

郝现伟（1985-），男，高级工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

王 昕（1983-），男，高级工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

郭世友（1974-），男，研究员，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

李大全（1975-），男，研究员，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。