深空探测两器多时序约束的串行通信系统、方法及介质与流程

1.本发明涉及深空探测飞行器电子设备技术领域，具体地，涉及一种深空探测两器多时序约束的串行通信系统、方法及介质。


背景技术：

2.深空探测飞行阶段多，如火星探测有地球逃逸、绕日巡航、火星捕获、环火飞行等多个阶段，每个阶段有大量器上指令传输执行，有些关键指令只有一次执行机会，一旦传输执行失败造成的风险大。
3.一般深空项目探测器包括着陆巡视器和环绕器，在两器分离之前，着陆巡视器与环绕器通过rs422进行双向通信，采用标准rs422协议。在该rs422总线上有多种类型消息，有的需要应答式反馈来实现同步的，如环绕器的取数指令和着陆巡视器的工程遥测返回，有的消息成对发送的，而且有严格的时间间隔的，如预授时指令和授时指令，还有的是地面突发的上注指令，需要环绕器转发给巡视器，并且不能与其他指令执行发生冲突。
4.目前在航天领域，对于rs422总线串行通信一般只约定异步还是同步的，在异步传输中又规定高低字节传输顺序，传输速率，奇偶校验等；在同步传输中，又规定三线制还是两线制，数据高低位传输顺序，发送方式是在时钟上升沿还是下降沿置数等，而对于上层消息的传输时序没有约定。
5.专利文献cn109101453a公开了一种异步串行通信采样系统和方法，该专利为了解决现有技术在提高异步串行通信速率时，存在的信号可靠性低、出现畸形信号等技术问题。专利文献cn207817688u公开了一种兼容不同协议的串行通信总线接口电路，该专利增大了总线接口的应用范围，但也减少了硬件设计的接口数量。专利文献cn106851854a公开了一种串行通信帧结构及多节点随机接入方法，根据数据长度信息判断数据字段是否结束，若帧同步成功，即所述节点接入成功。这些嵌入式领域的串行通信系统或方法，一方面停留在异步或同步的串行通信信号层面来提高消息传输的可靠性，没有在上层消息传输层面解决消息间的时序冲突问题，另一方面为了做兼容不同协议，来降低硬件设计成本，减少开发时间，而不是专注于航天领域的高可靠性。
6.专利文献cn101819710a(申请号：cn201010135920.6)公开了一种基于双向串行通信协议的消防报警系统用通信方法，其消防报警系统包括控制器、与控制器相配接的多个回路卡或与控制器相接的通讯电路和多个消防通信终端，控制器与多个消防通信终端间所收发信息的通信帧从前至后依次由1位类型位数据、8个地址位数据、多个控制位数据、1个奇/偶校验位数据、多个pw脉冲组成的回送信息和一个同步信号组成。其通信方法包括以下步骤：信息发送、信息传递、信息接收及分析判断和信息回复。然而该专利没有在上层消息传输层面解决消息间的时序冲突问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测两器多时序约束的串
行通信系统、方法及介质。
8.根据本发明提供的深空探测两器多时序约束的串行通信系统，包括：环绕器和着陆巡视器，组成深空探测器，并实现多时序约束的串行通信；
9.所述环绕器到着陆巡视器的通信内容包括授时指令、取数指令和转发指令；
10.所述着陆巡视器到环绕器的通信内容包括工程遥测；
11.所述授时指令包括地面遥控突发的授时指令和环绕器周期性自主发送的授时指令，采用原子操作依次发送授时指令，授时指令间隔中不插入其他指令；
12.所述环绕器根据预设间隔时间发送取数指令，着陆巡视器在接收后返回工程遥测；
13.所述转发指令由地面遥测突发给环绕器，再由环绕器代传给着陆巡视器。
14.优选的，所述环绕器和着陆巡视器的通信周期为500ms，将周期分为5个时间片，每个时间片100ms，进行不同内容的通信。
15.优选的，通过通信状态机的转换，避免指令冲突。
16.优选的，深空探测器上时间码为48位0.1ms计数，采用ccsds格式进行指令和遥测通信。
17.根据本发明提供的深空探测两器多时序约束的串行通信方法，执行：
18.步骤1：在环绕器端，在每个周期的第0个时间片内进行取数，若通信状态为预授时状态，则在该时间片内发送预授时指令，且将通信状态置为授时状态；
19.步骤2：在环绕器端，在每个周期的第1个时间片，若通信状态为授时状态，则在该时间片内发送授时指令，且将通信状态置为其他状态；
20.步骤3：在环绕器端，在每个周期的第2，3，4个时间片，若通信状态为其他状态且有着陆巡视器转发指令，则安排发送转发指令给着陆巡视器；
21.步骤4：在环绕器端，在每个周期的第2，3，4个时间片，若通信状态为其他状态且有地面遥控授时，则将通信状态置为预授时状态，清空遥控授时标志，为环绕器发送给着陆巡视器预授时指令作准备；
22.步骤5：在环绕器端，在每个周期的第2，3，4个时间片，若通信状态为其他状态且到自主授时周期，则将通信状态置为预授时状态，为环绕器发送预授时指令给着陆巡视器作准备；
23.步骤6：在环绕器端，每100ms时间片计数加1；
24.步骤7：重复执行步骤1～步骤6，实现周期性执行环绕器与着陆巡视器的多种类型消息串行通信。
25.优选的，在每个周期的第0个时间片内，判断接收着陆巡视器的工程遥测缓存数据大小，若不小于226字节，则读取硬件缓存数据并同时清空；若小于226字节，则直接清空；之后立刻向着陆巡视器发送取数指令；
26.在着陆巡视器端收到取数指令后，在200ms
±
20ms内完成工程遥测帧的发送。
27.优选的，若环绕器自主对着陆巡视器授时过程中，地面对环绕器也遥控授时，则等环绕器完成对着陆巡视器的自主授时后，再执行一次自主授时流程，包括预授时和授时；
28.若环绕器正在执行地面遥控授时所触发的对着陆巡视器授时过程中，又到达器上自主授时的周期，则取消本次自主授时。
29.优选的，若地面对环绕器发送着陆巡视器代传指令，则采取存储转发方式，采用状态机避免与环绕器的授时指令发生冲突。
30.优选的，在环绕器端，采取应答式方式对巡视器进行周期性遥测获取，包括取数指令和遥测返回。
31.根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
32.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
33.本发明可以实现在深空探测两器协同工作环境下，通过器间多时序约束的串行通信方法，确保多类型消息共享总线，无冲突发生，且满足实时性要求，提升了深空探测的器上通信安全性可靠性。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1为深空探测两器间多时序约束的串行通信组成框图；
36.图2为多时序约束的串行通信时间片划分图；
37.图3为多时序约束的串行通信流程图。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
39.实施例：
40.根据本发明提供的深空探测两器多时序约束的串行通信系统，该系统依赖于环绕器、着陆巡视器以及多种时序约定的消息类型，见图1。
41.系统包括：环绕器和着陆巡视器，组成深空探测器，并实现多时序约束的串行通信；所述环绕器到着陆巡视器的通信内容包括授时指令、取数指令和转发指令；所述着陆巡视器到环绕器的通信内容包括工程遥测；所述授时指令包括地面遥控突发的授时指令和环绕器周期性自主发送的授时指令，采用原子操作依次发送授时指令，授时指令间隔中不插入其他指令；所述环绕器根据预设间隔时间发送取数指令，着陆巡视器在接收后返回工程遥测；所述转发指令由地面遥测突发给环绕器，再由环绕器代传给着陆巡视器。所述环绕器和着陆巡视器的通信周期为500ms，将周期分为5个时间片，每个时间片100ms，进行不同内容的通信。通过通信状态机的转换，避免指令冲突。深空探测器上时间码为48位0.1ms计数，采用ccsds格式进行指令和遥测通信。
42.环绕器与着陆巡视器之间的串行通信采用标准rs
‑
422协议，格式为起始位1位，数据位8位，奇校验位1位，停止位1位；通信波特率115.2kbps。rs
‑
422信息格式见下表。其中多字节数据传输时，先传送最高字节，然后传送次高字节，最后传送最低字节。每个字节传输时，先传输字节的最低位(即lsb)，然后次高位，最后传输字节的最高位(即msb)。信息格式
如表1。
43.表1rs
‑
422信息格式表
44.起始位数据位数据位数据位
……
数据位数据位校验位停止位 lsb
ꢀꢀꢀꢀ
msb
ꢀꢀ
45.环绕器转发的地面指令，即到即转，若当前时刻正在发送取数指令，应在取数指令发送完成后执行。环绕器转发的对着陆巡视器的地面指令格式如下表2。
46.表2环绕器转发指令格式
47.同步头(2字节)控制字(1字节)指令数据校验和(1字节)0xeb900x11 指令数据各字节的累加和
48.环绕器周期性(周期为30min)发送授时指令给着陆巡视器，为保证授时精度和误差可控，授时前，环绕器首先发送预授时指令，同时停止rs422总线上的其他通信，300ms左右现取器上时加上环绕器的发送处理时延，发送带时间码的32字节授时指令。预授时和授时的指令格式如表3和表4。
49.表3预授时指令格式
50.同步头(2字节)控制字(1字节)填充0xeb900x2200
51.表4环绕器授时指令格式
[0052][0053]
其中时间码格式如表5。
[0054]
表5着陆巡视器时间码格式
[0055]
b0
…………………
b15b16
…………………
b47细时间码段(ms)l－h粗时间码段(s)l－h
[0056]
时钟特性中细时间码段：16bit，毫秒部，lsb分辨率为1ms；粗时间码段：32bit，秒部，lsb分辨率为1s；时间零点：北京时间2016年01月01日00时00分00秒00毫秒。l表示低字节，h表示高字节。
[0057]
着陆巡视器在授时中断进程中进行处理，取本地时间并计算与环绕器时间的差值。出中断进程后，进行本地时间修正，同时修正32字节授时信息在总线上的传输固定时延和接收信息处理时延，同时将与环绕器的时间差值作为遥测下传，供地面判断校时效果和两器时差。
[0058]
着陆巡视器在收到取数指令(其格式为：0x eb 90aa 00，共计4字节)后，在10ms内开始发送工程遥测参数，其格式见下表6。
[0059]
表6rs
‑
422遥测格式
[0060]
同步头(2字节)遥测参数0xeb90 [0061]
其中遥测参数为着陆巡视器的不编码遥测帧，遥测帧长为224字节，格式如下表7
所示。
[0062]
表7着陆巡视器遥测帧格式
[0063][0064]
深空探测多时序约束的串行通信的流程见图2和图3，具体步骤如下：
[0065]
(1)在环绕器端，每500ms的第0个时间片内，环绕器取数使能后，判断接收着陆巡视器的工程遥测缓存数据大小，若不小于226字节，读取硬件缓存数据并同时清空；若小于226字节，则清空；之后立刻向着陆巡视器发送取数指令。
[0066]
(2)在着陆巡视器端，收到取数指令后，须在(200ms
±
20ms)内完成工程遥测帧的发送。
[0067]
(3)在环绕器端，每500ms的第1个时间片，若通信状态为“预授时状态”，则在该时间片内发送预授时指令，且将通信状态置为“授时状态”。
[0068]
(4)在环绕器端，每500ms的第4个时间片，若通信状态为“授时状态”，则在该时间片内，发送授时指令，且将通信状态置为“其他状态”。
[0069]
(5)在环绕器端，每500ms的第2，3，4个时间片，若通信状态为“其他状态”且有“着陆巡视器转发指令”，则安排发送转发指令给着陆巡视器。
[0070]
(6)在环绕器端，每500ms的第2，3，4个时间片，若通信状态为“其他状态”且有地面遥控授时，则将通信状态置于“预授时状态”，清遥控授时标志，为环绕器发送给着陆巡视器预授时指令作准备。
[0071]
(7)在环绕器端，每500ms的第2，3，4个时间片，若通信状态为“其他状态”且到自主授时周期，则将通信状态置于“预授时状态”，为环绕器发送预授时指令给着陆巡视器作准备。
[0072]
(8)在环绕器端，每100ms时间片计数加1。
[0073]
(9)重复上述步骤实现周期性执行环绕器与着陆巡视器多种类型消息串行通信。
[0074]
上述步骤通过一个用例简述了采用本方法的具体过程，可以分别对环绕器和着陆巡视器两端对“取数指令、授时指令、转发指令、工程遥测”等多时序消息进行闭环验证。
[0075]
优选的，在每个周期的第0个时间片内，判断接收着陆巡视器的工程遥测缓存数据大小，若不小于226字节，则读取硬件缓存数据并同时清空；若小于226字节，则直接清空；之后立刻向着陆巡视器发送取数指令；
[0076]
在着陆巡视器端收到取数指令后，在200ms
±
20ms内完成工程遥测帧的发送。
[0077]
若环绕器自主对着陆巡视器授时过程中，地面对环绕器也遥控授时，则等环绕器完成对着陆巡视器的自主授时后，再执行一次自主授时流程，包括预授时和授时；若环绕器正在执行地面遥控授时所触发的对着陆巡视器授时过程中，又到达器上自主授时的周期，则取消本次自主授时。若地面对环绕器发送着陆巡视器代传指令，则采取存储转发方式，采用状态机避免与环绕器的授时指令发生冲突。在环绕器端，采取应答式方式对巡视器进行周期性遥测获取，包括取数指令和遥测返回。
[0078]
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
[0079]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0080]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。