本發(fā)明涉及一種星載一體化網(wǎng)絡設(shè)計，具體涉及一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子技術(shù)和組網(wǎng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，采用高集成、高性價比的小衛(wèi)星組成低軌星座進行全球通信、對地觀測等已成為航天領(lǐng)域的熱點。這種趨勢對星載信息系統(tǒng)提出了更高要求，不僅要求在保證可靠性的前提下具備更高的集成度，還要求降低成本和縮短研制周期，以滿足一箭多星發(fā)射等新型航天任務的需求。

2、低軌星座要求自主化運行程度高，衛(wèi)星間、衛(wèi)星內(nèi)有著海量的、不同類型的信息數(shù)據(jù)傳輸，如何高效的規(guī)劃星間、星內(nèi)信息數(shù)據(jù)傳輸路徑、實現(xiàn)星座信息的共享，是完成星座韌性組網(wǎng)、信息靈活通聯(lián)、在軌協(xié)同應用的基礎(chǔ)，因此需要構(gòu)建面向星座信息共享的一體化數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡。

3、為了實現(xiàn)對星載高速通信網(wǎng)絡的一體化管理，同時提升總線互聯(lián)網(wǎng)絡對高性能、高可靠設(shè)計的支持，在軌信息智能系統(tǒng)按照以下原則進行通信網(wǎng)絡設(shè)計：

4、①通用化：只有通用化的總線互聯(lián)體制才能使得在多功能集成體制下的軟硬件系統(tǒng)標準化接口成為可能，從而為系統(tǒng)的開放性以及靈活擴展能力和系統(tǒng)重構(gòu)能力提供所需的基本底層支持；

5、②高可靠：總線互聯(lián)本身具有差錯控制能力，能夠支持系統(tǒng)級在故障情況下的重組恢復；

6、③高效合理：滿足未來統(tǒng)一信息網(wǎng)絡服務的需要，支持功能模塊資源的動態(tài)分配以及不同類型數(shù)據(jù)的動態(tài)路由，滿足對大容量以及低延時的數(shù)據(jù)的傳輸服務。

7、傳統(tǒng)上，星載信息系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)主要依賴1553b、can等低速總線以保證實時可靠響應，而載荷數(shù)據(jù)則通過2711、srio等高速總線進行傳輸。然而，這種方案存在顯著的問題：2711、lvds并非標準總線，協(xié)議需自定義導致兼容性差，srio等網(wǎng)絡是基于專有標準的，供應商少、開發(fā)周期長且成本高；控制和載荷數(shù)據(jù)的接口和協(xié)議不統(tǒng)一，導致星內(nèi)需要配備兩套總線系統(tǒng)，設(shè)備內(nèi)部還需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。此外，星內(nèi)和星間無法實現(xiàn)統(tǒng)一網(wǎng)絡傳輸，進一步加劇了系統(tǒng)復雜性和研制難度。

8、針對以上問題，部分產(chǎn)品嘗試使用tte進行控制和載荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸，tte在國外已有航天應用經(jīng)歷，但其屬于歐美壟斷的封閉標準，公開部分也受到知識產(chǎn)權(quán)的制約，在自主可控方面存在劣勢，同時由于tte僅定義了時間同步等核心標準，導致各個廠商的實現(xiàn)有所差異，無法實現(xiàn)互聯(lián)互通。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，其目的在于適應星座衛(wèi)星對高集成、標準化、高性價比星載信息系統(tǒng)的要求，解決低速控制總線和高速載荷數(shù)據(jù)相互獨立造成系統(tǒng)復雜且代價大的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)，包括：

4、多個功能節(jié)點，根據(jù)各自的數(shù)據(jù)通信速率需求分別連接至不同速率級別的網(wǎng)絡；

5、至少一個中心交換節(jié)點，用于實現(xiàn)10/100/1000/10000m多級速率網(wǎng)絡互聯(lián)互通，該交換節(jié)點裝載有tsn輕量化敏捷交換算法，并采用抗輻照fpga進行硬件實現(xiàn)；

6、星內(nèi)與星間網(wǎng)絡的一體化自適應設(shè)計，使得控制數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)能夠在同一物理接口和協(xié)議下傳輸，同時保障了控制信號的實時性和高帶寬數(shù)據(jù)的高效傳輸。

7、進一步的，所述多個功能節(jié)點包括：

8、高速數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，如載荷、高速星間鏈路、智能處理、數(shù)傳和固存模塊，這些節(jié)點的數(shù)據(jù)通信速率達10000mbps；

9、中速數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，數(shù)據(jù)通信速率為500mbps至2000?mbps；

10、低速數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，數(shù)據(jù)通信速率為10mbps至100mbps。

11、進一步的，所述中心交換節(jié)點通過主備雙冗余總線交換架構(gòu)來提升系統(tǒng)的可靠性，所有節(jié)點均與主份和備份路由交互相連，確保任意節(jié)點失效時可通過切換備份繼續(xù)工作，不影響其他節(jié)點的正常運行。

12、進一步的，對于需要1000/10000m速率交換的高速節(jié)點，采用抗輻照sram型fpga，而對于僅需10/100m速率交換的中低速節(jié)點，則采用抗輻照的反熔絲型或flash型fpga，以優(yōu)化成本和功耗。

13、進一步的，為了提高抗輻照能力和在軌工作的穩(wěn)定性，采取了以下措施：

14、選用具備相應質(zhì)量等級和抗輻照指標且滿足性能與散熱需求的fpga，不同節(jié)點因速率需求不同，選型也相應調(diào)整；

15、對于sram型fpga，采用三模冗余加定時刷新技術(shù)進行防護，并使用看門狗進行監(jiān)視；

16、在通信協(xié)議中設(shè)置容錯機制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

17、系統(tǒng)整體采用雙交換備份方式，消除單點故障，保證系統(tǒng)在個別節(jié)點失效時仍能正常運作；

18、星間數(shù)據(jù)及測控數(shù)據(jù)設(shè)置身份認證措施確保數(shù)據(jù)安全性。

19、進一步的，tsn網(wǎng)絡實現(xiàn)了低速控制指令與高速載荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸，簡化了以往多條總線、多種協(xié)議的復雜系統(tǒng)，大幅降低了系統(tǒng)的復雜度和研制成本。

20、進一步的，所述tsn網(wǎng)絡屬于確定性以太網(wǎng)，可以按規(guī)定的延遲時間精確地交換數(shù)據(jù)，規(guī)避了普通以太網(wǎng)延時大易丟包的風險，同時向下兼容以太網(wǎng)，標準更加開放，開發(fā)成本更低，應用范圍更廣，最高通信速率可達10gbps。

21、一種構(gòu)建基于tsn的星載網(wǎng)絡架構(gòu)的方法，包括以下步驟：

22、統(tǒng)計各類節(jié)點對通信速率的需求，選擇合適的總線或網(wǎng)絡；

23、開展適宜的架構(gòu)設(shè)計，采用混合速率交互模式，滿足不同速率需求的節(jié)點之間的高效通信；

24、進行器件選型，根據(jù)各節(jié)點的速率需求選擇適當?shù)目馆椪說pga類型；

25、實施可靠性設(shè)計，從元器件選用、軟硬件協(xié)同設(shè)計、系統(tǒng)冗余備份等多個維度提升系統(tǒng)的可靠性和抗輻照能力。

26、進一步的，該方法包括利用tsn的時間敏感特性，確保多類數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡下的高質(zhì)量傳輸，同時提供確定性的數(shù)據(jù)傳輸服務，以滿足航天應用對實時性和可靠性的嚴格要求。

27、本發(fā)明所達到的有益效果為：

28、本發(fā)明一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，通過采用tsn的時間確定性和高帶寬特性，實現(xiàn)了低速控制指令與高速載荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸，將以往多條總線、多種協(xié)議的復雜系統(tǒng)簡化為統(tǒng)一的物理接口和協(xié)議。這不僅大幅降低了系統(tǒng)的復雜度，還減少了不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換需求，從而有效降低了研制成本，并實現(xiàn)了衛(wèi)星遙測、遙控、姿態(tài)、任務規(guī)劃等控制數(shù)據(jù)以及高、中、低速載荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸，接口、協(xié)議標準化設(shè)計。

29、本發(fā)明一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，與普通以太網(wǎng)相比，tsn屬于確定性以太網(wǎng)，能夠按照規(guī)定的延遲時間精確地交換數(shù)據(jù)，規(guī)避了普通以太網(wǎng)延時大易丟包的風險。此外，tsn向下兼容以太網(wǎng)，標準更加開放，開發(fā)成本比現(xiàn)有的srio等專有標準更低，應用范圍更廣。最高通信速率可達10gbps，遠超現(xiàn)有星載系統(tǒng)的通信速率，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院图皶r性。系統(tǒng)采用了主備雙冗余總線交換架構(gòu)，進一步提升了系統(tǒng)的可靠性，確保即使在個別節(jié)點失效的情況下，整個系統(tǒng)仍能正常運作，不影響其他節(jié)點的工作。

30、本發(fā)明一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，針對不同功能節(jié)點的數(shù)據(jù)通信速率需求，設(shè)計了多速率混合應用網(wǎng)絡。對于不需要高數(shù)據(jù)傳輸要求的模塊，如遙測、指令、熱控等采集與控制模塊，采用了成本低、功耗小的flash型或反熔絲fpga裝載10m或100m網(wǎng)絡。這種設(shè)計避免了所有模塊統(tǒng)一到萬兆或千兆網(wǎng)絡帶來的無謂功耗增加，尤其是在星載真空條件下，有助于解決整機散熱難題。

31、本發(fā)明一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，由于目前國內(nèi)沒有抗輻照的tsn路由芯片，本方案采用抗輻照fpga加軟核的方式實現(xiàn)tsn交換機，并從器件選用、軟硬件協(xié)同設(shè)計、系統(tǒng)冗余備份等多個維度采取了針對性措施，以滿足星載應用對抗輻照能力、低功耗等嚴格要求。特別是對于sram型fpga，采用了三模冗余加動態(tài)刷新技術(shù)進行防護，并使用看門狗進行監(jiān)視，確保在軌工作的穩(wěn)定性和可靠性。

32、本發(fā)明一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，tsn作為一種全球性的技術(shù)標準，具有開放、統(tǒng)一的標準規(guī)范，能夠保障多類數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡下的高質(zhì)量傳輸。這不僅促進了星內(nèi)與星間網(wǎng)絡的一體化自適應設(shè)計，還為星座分布式計算與協(xié)同構(gòu)建提供了高速通道，大大提升了衛(wèi)星效能和標準化程度，有利于未來航天項目的擴展和升級。

33、本發(fā)明一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，通過采用標準化的物理接口和協(xié)議，以及靈活的多速率設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可配置性和可擴展性，縮短了研發(fā)周期，使得新功能的集成和測試變得更加簡便，進而提升了整體的研發(fā)效率。

34、本發(fā)明一種tsn時間敏感網(wǎng)絡星載網(wǎng)絡架構(gòu)、構(gòu)建方法和通信方法，通過一體化網(wǎng)絡便捷實現(xiàn)了星間、測控、中繼等多通道互為備份，進一步提升了衛(wèi)星的遙測遙控的系統(tǒng)可靠性與便捷性。