国际空间站信息系统架构综述

陈志国 张 强

（中国科学院空间科学与应用总体部）

1 引言

正在建设和使用中的国际空间站（International Space Station，ISS）集成了16个国家的空间技术力量，主要由俄罗斯的“曙光”号多功能货舱、“星辰”号服务舱、美国的“团结”号节点舱、“命运”号实验舱和加拿大“机械臂”、日本“希望”号实验舱、欧洲航天局“哥伦布”舱等组成。

整个国际空间站的管理主要由美国实验舱负责，姿态轨道控制以及能源供给由美国实验舱和俄罗斯服务舱共同负责，因此各舱间要进行频繁的通信。信息系统不但传送各种命令信息，还要传输各种实验数据，因此要具备良好的可靠性、实时性和传输性，它是国际空间站上既关键又复杂的一个系统。

2 国际空间站信息系统概况

下面以俄罗斯服务舱、美国实验舱、欧洲航天局“哥伦布”舱为例，介绍国际空间站信息系统的概况[1]。

2.1 俄罗斯服务舱

俄罗斯服务舱内部信息系统结构如图1示。该系统主要由控制计算机、控制台计算机、终端计算机和一个两层总线网络组成。控制计算机是数据管理主机，负责组合体控制和系统管理。控制台计算机是航天员的操作台，而终端计算机则是制导、导航与控制（GNC）主机，负责组合体的轨道、姿态控制。三者都进行了冗余设计，利用拜占庭（Byzantine）故障算法，用四台相同的计算机（含硬件和软件）同步操作、执行相同的用户任务软件，将运算结果进行逻辑表决，作为这台计算机的最后输出，从而保证了程序输出的正确性。

第一层网络以六条1553B总线为核心，负责空间站的整体管理；所有主机设备都挂在该网络上。六条总线分成三组（两个一组），各组总线分工明确。第二层网络为各分系统内部的总线网络，负责完成本分系统的任务，根据任务需要可以采用各种总线结构，既可以选择1553B总线，也可以选用串行通信线（如RS-422、RS-485）,或工业标准总线（如 SM系统管理总线、CAN总线）。

在第一层网络中，第一组（总线5、6）为遥测总线，负责采集组合体环境数据，包括温度、湿度、压力和气体质量、电源和供配电、乘员和环控生保分系统的有关参数以及各分系统的工作状态。在遥测总线上挂接其他分系统主机，在控制计算机的第二层网络中连接若干远置单元，组成一个分布式遥测遥控系统。

第二组（总线3、4）为系统指令总线，负责发送系统命令，包括整个空间实验室控制中心根据飞行任务需要发出的各种指令，转达地面指控中心的命令，例如：交会对接、出舱活动、故障的屏蔽和切换等指令。各分系统主机都挂在该总线上。

第三组（总线1、2）为GNC推进器专用总线，负责空间站轨道、姿态控制。控制计算机和终端计算机连在该总线上。由终端计算机控制的第二层网络采用SM总线，是I2C、I2R工业总线的一种，称为系统管理总线（简称SM总线）。GPS可连接若干测量单元（MU）和太阳敏感器、GPS等设备。由于俄罗斯服务舱是空间站初期的组装中心，因此该舱具有轨道、姿态机动功能。

每一组中的两条总线互为备份，其中一条（含总线A、B）工作时，另一条（含总线A、B）处于备援状态。

控制计算机负责管理整个空间站的工作，控制应用任务运行，监控总线网络。当发现网上某一设备故障时，控制计算机发出屏蔽故障设备的指令；同理，当发现某一条总线故障时，就将传输工作切换到备援总线上。

图1 俄罗斯服务舱内部信息系统结构

2.2 美国实验舱

图2 为美国实验舱的信息系统结构图，该系统具有三层网络结构。第一层是核心光导纤维网络（FDDI），用于整个空间站的控制，称为核心网络。通过该网络将多个标准数据处理器、多功能乘员工作站、海量存储单元以及与国际设备舱的接口互联。网络中所有设备都通过一个环形集线器相连。

信息系统设计了两个独立的光导纤维网络，一个为空间站核心系统服务，另一个专用于有效载荷，两个光导纤维网络都采用了冗余结构。这两个网络通过一个网桥互连，在正常情况下，网桥将空间站的内务处理工作和有效载荷操作隔离开，但又允许必要的信息交互。核心光纤网络通过路由器与其他舱段进行信息交流。

第二层是一组1553B总线网络，称为本地网络，是各分系统的内部主网，负责传送、处理本地的系统应用任务。标准数据处理器作为分系统的主机提供了FDDI和第二层1553B总线间的接口功能，连接标准数据处理器的这条1553B总线称为第二层总线网络。

第三层是一组1553B总线，也可以采用其他工业总线（例如SM、CAN总线），称为应用总线，用于本地数据采集和控制，各分系统根据需要进行设计。例如GNC主机与其下属的许多轨道机动单元（ORU）之间，遥测分系统与和其下属遥测采编单元、多路选择器和多路分配器之间，可以设置第三层网络。

图2 美国实验舱信息系统结构

2.3 欧洲航天局“哥伦布”舱

“哥伦布”舱内部信息系统结构图如图3所示[2]。该系统硬件由两个独立的网络IEEE P1196和通用处理资源组成分布式结构。其中一个网络负责核心平台系统，另一个网络专门负责有效载荷系统，两个局域网均基于IEEE802.4令牌协议总线,独立工作在不同的域中，通过一个网桥实现互连,网桥允许有限的、必要的数据传送。通用处理资源主要包括多个标准处理器、标准数据采集和分配设备、通用海量存储器等设备。

路由器用于与空间站核心网络（位于美国实验舱）保持通信。两个网络、遥测和时间分配单元（Telemetry and Time distribution Unit，TTU）都提供访问地面、空间站的接口。

3 系统特点和趋势分析

3.1 网络分层管理

美国实验舱、“哥伦布”舱均设计了两个相互独立的网络，一个为核心平台系统服务，另一个为有效载荷系统服务。这两个网络通过一个网桥互连，可以进行必要的数据通信。平台网络与有效载荷网络相互独立，是为了避免因实验设备的更换而影响到平台的正常工作。

网络的分层管理可以与空间站任务分层相适应。核心网络对应整个空间站的运行管理层；本地网络对应各分系统内部的信息交互。由于各层的分工明确，层与层之间关系为数据交换，只要将信息接口规定明确，各层之间就不会互相影响，因此各层网络可以相对独立地运行。表1为三个舱段网络特点汇总。

图3 哥伦布舱信息系统结构

表1 国际空间站三舱网络特点汇总表

3.2 基于CCSDS的天地一体化网络

国际空间站在数据体制上采用了高级在轨业务（AOS）标准，使用了四种业务，即路径业务、位流业务、包装业务和合路业务。遥测数据、高速有效载荷数据、视频数据采用路径业务传送；话音数据、部分高速有效载荷数据的传送采用位流业务[3]。

由于国际空间站对通信业务提出了新的需求，CCSDS对常规系统的协议进行了延伸，提供了灵活性更强、更多样化的数据处理业务，即高级在轨业务（AOS）[4]。AOS包含8种服务，如路径业务、包装业务、多路复用业务、位流业务、虚拟信道访问业务、虚拟信道数据单元业务、插入业务等。利用AOS标准，可以把多种信源（应用过程）产生的不同速率、不同容量、不同字长、不同传输精度、不同许可延时的数据合并成一条统一的数据流来传送。这种传送方式可以大大提高天地通信的效率[5]。

为了适应航天员长期在轨生活作业的特殊性要求，空间站网络与地面因特网通过空间链路构建一体化的航天互联网[6]。在新的空天数据传输体系中，实现了核心平台测控数据流与有效载荷业务数据流的合并统一；实现了为航天员提供收发传递电子邮件、文件传输、远程终端访问、高速视频流等服务；天地间信息传输模式由封闭的点对点模式转变为开放的网络模式，实现了航天员与公众在线交互能力的提高，公众对航天事业的关注度和参与度的提高。

3.3 模块化设计

欧洲航天局“哥伦布”舱发射时间较晚，因此采用了更多的先进技术。为达到至少30年在轨服务的设计要求，对于信息系统来说，可维修性和可替换性至关重要，即信息系统应支持在役载荷的维修和升级换代，并支持科学实验项目的更换。

硬件层面上，“哥伦布”舱的最显著特点是有效载荷管理按照项目划分，采用国际标准机柜，形成可互换有效载荷的机柜方案，实现了硬件的模块化。根据尺寸划分，每个机柜可以安装3个小型有效载荷，而大型有效载荷则需要2个机柜组合使用。信息系统可向安装在机柜中的有效载荷提供不同类型的数据服务。每个机柜上都装配一个网络连接器、一条串行通信线以及来自一个标准数据采集单元的输入输出端口，每个标准数据采集单元可以采集一个或几个有效载荷项目。

软件层面上，“哥伦布”舱信息系统的系统管理、分系统管理、有效载荷管理等均设计成高度可替换的模块，允许更换和升级。为了处理故障设备，信息系统提供故障诊断、隔离和恢复服务。“模块化”软件进一步加强了软件的可替换性，规定了各软件模块的适用范围与相互关系，允许增加、移除软件模块，而不影响其他软件模块工作。

3.4 COTS技术和开放式系统

COTS（Commercial On The Shelf）是商用货架产品，包括COTS标准、COTS产品以及在军用产品上的应用。开放式系统标准不仅可使用被认可的工业组织开发的标准，也可以使用事实标准、国际标准和已有的军事标准。开放式系统结构（Open System Architecture,OSA）是采用开放式系统标准的系统结构[7][8]。

国际空间站上采用了大量的开放式系统标准和COTS技术，比如VME底板总线、FDDI网络、CAN工业总线和商用VxWorks操作系统等。最典型的应用还是ESA为国际空间站研制的标准化有效载荷计算机（SPLC）[9][10]。ESA为SPLC设计了一种可由有效载荷开发者扩充的开放式系统标准，提供了标准COTS采购清单，可由有效载荷开发者订购。SPLC尽可能回避特殊设计，在任何可能之处都采用公开的标准和COTS产品，比如采用工业标准的VME背板总线，商用的VxWorks内核等。由于只需付出一次开发鉴定费用即可为所有有效载荷都提供一台计算机，再加上多次采购、十年寿命期内硬件的更换、软件的维护等，大大降低了有效载荷开发的成本[11]。

COTS技术与开放式系统技术并非同义词，但COTS技术在很大程度上为开放式系统技术的实现提供了坚实的基础。COTS技术用于开放式系统结构有着明显的好处：有成熟的标准；在产品开发早期易于得到所需的产品，以进行快速原型设计，验证原理和确认需求；可得到所需的开发工具和开发环境，且仅需有限的专门培训；工具和测试设备既可用于生产，也可供用户使用；批量生产的COTS产品降低了系统的成本。

4 结束语

国际空间站的建造大大促进了参与国的航天技术水平和空间实验水平的提高。国际空间站的信息系统采用了标准的CCSDS-AOS数据体制，向天地一体化网络发展；网络分层管理，且平台网络与有效载荷网络相互独立；采用了模块化设计，尝试了COTS技术。

［1］周林.国际空间站信息系统方案.遥测遥控，2005.3：50-56

［2］Palous J.Columbus data management system.AIAA/NASA Second International Symposium on Space Information Systems，1990

［3］谭维炽.空间数据系统[M].中国科学技术出版社，北京.2004.2

［4］陈洪，李勇文.基于CCSDS标准的载人航天通信.测控与通信，2003.3：57-59

［5］CCSDS 701.0-B-1.Recommendation for space data system standards.Advanced Orbiting Systems.CCSDS Recommendation，Blue Book.1989

［6］沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想.中国工程科学，2006.10:19-30

［7］谢文涛.开放式航空电子系统和COTS技术.航空电子技术，2000.3:18-25

［8］沈远海，徐世均.美国COTS技术的发展和对策分析.2002.2:47-5015101038996

［9］Lamport.The Byzantine General’s Problem.1982.7:382-401

［10］周林.国际空间站上使用的两种计算机.遥测遥控，2004.7:36-40

［11］C.Taylor等，郭树玲译.用于国际空间站有效载荷的标准化计算机.控制工程，1998.4:33-39