航天器一体化双平面网络系统的制作方法

1.本发明涉及星载电子设备的技术领域，具体地，涉及航天器一体化双平面网络系统。


背景技术：

2.星载电子设备之间的信息传递通过专门的互连技术实现。传统的离散信号接口、点对点通信，需要耗费大量的资源，现场总线技术的引入在一定程度上缓解了互连代价，建立了适用于空间环境的物理层和链路层传输体系。但是，面对卫星智能化、联网化需求，异构现场总线带来的传输壁垒阻碍了星内数据共享迈向更高级的阶段，星内、星间、星地链路的复杂化引起协议转换开销急剧增加，成为当前卫星网络亟需解决的问题。部分卫星采用spacewire、以太网、无线传输等技术构建高低速混合网络，局部解决了标准化互连互通问题，但在整星层面以及体系架构层面，连接关系、类型、数量依然繁杂多样，链路漫长、时延不一、带宽各异、容错性差、故障蔓延、协议壁垒等问题严重，星载网络的物理基础和信息基础非常薄弱。
3.在公开号为cn112333071a的专利文献中公开了一种基于多个总线网络架构的通信方法及系统，多个总线网络架构包括：多个控制端、交换网桥和网络从端；其中，各个控制端内的网络控制器nc节点将命令帧发送至本控制端内的网络终端nt节点，nt节点接收命令帧并判断命令帧是否属于本节点，若是，则根据命令帧进行相应操作，否则将命令帧通过光网络单元onu端口发送至交换网桥；交换网桥将命令帧通过光线路终端olt端口转发至网络从端内与命令帧对应的nt节点。
4.在公开号为cn108768754a的专利文献中公开了一种基于总线网络的高可靠容错系统，容错系统包括模拟io控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字io控制模块、路由器模块及其对应的双冗余同构模块，此6个模块与对应的双冗余同构模块组成4个网络连接，实现双冗余热备份，利用spacewire互联总线架构，以双圆环拓扑结构实现对双余度系统容错能力的提升。
5.在公开号为cn106411571a的专利文献中公开了一种可重构星载电子系统。本发明以交换式网络代替原共享式总线网络或点对点连接，以网络和信息为核心，并通过冗余设计提升系统的可靠性。本发明的可重构星载电子系统中，各设备通过星载网络交换机进行数据交互；所述星载网络交换机由载荷交换机和平台交换机组成，平台交换机通过载荷网络接口与载荷交换机连接；其中，星载电子系统中载荷相关的设备与载荷交换机连接，星载电子系统中平台设备与平台交换机连接。
6.在公开号为cn101977133a的专利文献中公开了一种适用于航天器系统的1553b总线网络仿真系统,属于航空航天、计算机仿真领域,包括1553b总线、以太网、总线网络测试仪、总线终端测试仪、数字荧光示波器、总线分离开关、仿真终端、总线系统性能评估计算机和总线接口控制文件配置计算,用于仿真分析实际航天器总线系统的信息传输及系统运行,本发明采用1553b总线网络代替传统电缆连接,通过具备标准数字接口的设备,并结合
以太网通信,实现网络系统信息的数字化传输和综合利用,提高系统的可靠性及电磁兼容能力。
7.其他公开文献中也提出了一些基于mil-std-1553b、can、spacewire、时间触发以太网、afdx等技术构建的航天器总线网络。上述系统设计方案在减少信息交互壁垒、降低设备间连接关系复杂度、提高信息共享能力和容错能力等方面有一定的帮助，但是普遍存在以下问题：
8.1、通常针对航天器网络某一特性进行优化，比如通过提高冗余度或者交叉冗余提高可靠性，通过设计多个子网提高数据传输效率；
9.2、通常针对航天器某一类型数据传输进行设计，比如针对高速载荷数据进行网络设计，但是无法很好的兼容实时性和确定性要求更高的低速控制数据传输；
10.3、没有根本性的减少航天器连接方式。当前航天器信息交互数量、类型和频率急剧增加的情况下，需要打通星内各类设备信息交互的壁垒，构建扁平化的连接关系，最大化降低互连壁垒带来的成本。
11.因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。


技术实现要素：

12.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天器一体化双平面网络系统。
13.根据本发明提供的一种航天器一体化双平面网络系统，包括控制平面交换设备、数据平面交换设备、控制平面网络节点端、数据平面网络节点端、双平面网络节点端及主机功能端，所述控制平面交换设备、数据平面交换设备、控制平面网络节点端、数据平面网络节点端、双平面网络节点端及主机功能端组成控制平面网络系统和数据平面网络系统；
14.所述控制平面交换设备包括独立单机形态的控制平面交换机、非独立单机形态的插板式控制平面交换模块；所述数据平面交换设备包括独立单机形态的数据平面交换机、非独立单机形态的插板式数据平面交换模块；
15.所述控制平面网络节点端通过物理链路与控制平面交换设备连接进行数据收发；所述数据平面网络节点端通过物理链路与数据平面交换设备连接进行数据收发；所述双平面网络节点端分别通过物理链路与控制平面交换设备、数据平面交换设备连接进行数据收发。
16.优选地，所述主机功能端是实现航天器特定功能的电子单机或模块的抽象描述；所述主机功能端与控制平面网络节点端组合形成航天器各类终端单机或者模块，主机功能端通过控制平面网络节点端接入控制平面网络系统；所述主机功能端与数据平面网络节点端组合形成航天器各类终端单机或者模块，主机功能端通过数据平面网络节点端接入数据平面网络系统；所述主机功能端与双平面网络节点端组合形成航天器各类终端单机或者模块，主机功能端通过双平面网络节点端分别接入控制平面网络系统和数据平面网络系统；
17.所述控制平面交换设备配置数据平面网络节点端，通过数据平面网络节点端接入数据平面网络系统；所述数据平面交换设备配置控制平面网络节点端，通过控制平面网络节点端接入控制平面网络系统；所述主机功能端若配置双平面网络节点端，并具备收发、处理控制平面和数据平面的数据的功能，则在主机功能端完成控制平面和数据平面的双向协
议桥接。
18.优选地，所述控制平面网络系统和数据平面网络系统采用星型、交换式、全双工网络架构。
19.优选地，所述控制平面网络系统和数据平面网络系统的控制平面交换设备、数据平面交换设备、控制平面网络节点端、数据平面网络节点端及双平面网络节点端支持单冗余、双冗余、三冗余对称式网络架构。
20.优选地，所述控制平面网络系统和数据平面网络系统的控制平面交换设备、数据平面交换设备支持多跳传输。
21.优选地，所述控制平面网络系统进行航天器内各类主机功能端之间的工作状态、健康状态、遥测业务、遥控业务、任务操控业务及低速载荷遥感数据的传输。
22.优选地，所述数据平面网络系进行现航天器内各类主机功能端之间的高速载荷遥感数据的传输。
23.优选地，所述控制平面网络系统或数据平面网络系统若为单冗余网络架构，则控制平面交换设备与其他控制平面交换设备连接，数据平面交换设备与其他数据平面交换设备连接。
24.优选地，所述控制平面网络系统或数据平面网络系统若为双冗余网络架构，则每一台控制平面交换设备或数据平面交换设备均有独立的两份互相备份；所有控制平面交换设备的第一份按照拓扑连接，所有控制平面交换设备的第二份按照相同的拓扑关系连接；所有数据平面交换设备的第一份按照拓扑连接，所有数据平面交换设备的第二份按照相同的拓扑关系连接。
25.优选地，所述控制平面网络系统或数据平面网络系统若为三冗余网络架构，则每一台控制平面交换设备或数据平面交换设备均有独立的三份互相备份；所有控制平面交换设备的第一份按照拓扑连接，所有控制平面交换设备的第二份、第三份按照相同的拓扑关系连接；所有数据平面交换设备的第一份按照拓扑连接，所有数据平面交换设备的第二份、第三份按照相同的拓扑关系连接。
26.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
27.1、本发明提出控制平面网络和数据平面网络，在同一物理链路满足星载各类型数据传输需求，相比传统点对点、总线式连接方式，减少连接类型、数量，减少数据传输资源开销；
28.2、本发明从网络技术跨域发展角度，实现星载网络和设备网络一体化融合设计，通过交换模块实现对设备模块级的直接访问，减少数据传输过程中协议转换开销，提高数据传输实时性和可靠性，实现“内外统一、一网到底”的扁平化网络互连；
29.3、本发明提出控制平面网络和数据平面网络之间的双向协议桥接，实现不同网络之间数据互连互通，网络故障时可以通过跨平面降级备份传输，进一步提高网络可靠性；
30.4、本发明提出的控制平面网络和数据平面网络适应单冗余、双冗余、三冗余网络架构，适应多跳传输，拓扑关系连接方式灵活，可以满足不同网络传输可靠性和网络规模要求。
附图说明
31.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：
32.图1为本发明航天器一体化双平面网络系统功能框图；
33.图2a为本发明控制平面网络系统单冗余连接示意图；
34.图2b为本发明控制平面网络系统双冗余连接示意图；
35.图2c为本发明控制平面网络系统三冗余连接示意图；
36.图3a为本发明数据平面网络系统单冗余连接示意图；
37.图3b为本发明数据平面网络系统双冗余连接示意图；
38.图3c为本发明数据平面网络系统三冗余连接示意图；
39.图4为本发明航天器一体化双平面网络系统的一种实现方式图。
具体实施方式
40.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。
41.针对卫星智能化、联网化发展对星载数据传输高可靠、高带宽、高实时的要求，本发明从网络技术跨域发展角度，分析了星载电子设备内部连接与设备间连接设计的统一性，提出了“内外统一、一网到底”的设计思路，构建扁平化连接关系，实现数据跨域无缝共享，形成一体化网络互连系统。
42.本发明的目的在于提供一种航天器一体化双平面网络系统，提出了星载网络和设备网络融合设计，外部网络通过交换模块实现对设备模块级的直接访问，将网络链路连接形式归一化，减少连接类型，实现一体化、扁平化的网络互连。
43.为进一步对本发明进行详细说明，以采用本发明设计的航天器一体化双平面网络系统为例，系统功能框图如图1所示。
44.由控制平面交换设备、数据平面交换设备、控制平面网络节点端、数据平面网络节点端、双平面网络节点端、主机功能端等类型产品组成控制平面网络系统和数据平面网络系统，共同组成航天器一体化双平面网络系统。
45.控制平面交换设备包括独立单机形态的控制平面交换机、非独立单机形态的插板式控制平面交换模块；数据平面交换设备包括独立单机形态的数据平面交换机、非独立单机形态的插板式数据平面交换模块。
46.控制平面网络节点端通过物理链路与控制平面交换设备连接进行数据收发；数据平面网络节点端通过物理链路与数据平面交换设备连接进行数据收发；双平面网络节点端分别通过物理链路与控制平面交换设备、数据平面交换设备连接进行数据收发。
47.主机功能端是实现航天器特定功能的电子单机或模块的抽象描述；主机功能端与控制平面网络节点端可以组合形成航天器各类终端单机或者模块，主机功能端通过控制平面网络节点端接入控制平面网络系统，实现航天器特定功能；主机功能端也可以与数据平面网络节点端组合形成航天器各类终端单机或者模块，主机功能端通过数据平面网络节点
端接入数据平面网络系统，实现航天器特定功能；主机功能端也可以与双平面网络节点端组合形成航天器各类终端单机或者模块，主机功能端通过双平面网络节点端分别接入控制平面网络系统和数据平面网络系统，实现航天器特定功能。
48.为了实现控制平面网络系统与数据平面网络系统之间的消息传输，有两种实现方式，一是在交换设备进行协议桥接，二是在节点端进行协议桥接。控制平面交换设备可以配置数据平面网络节点端，通过数据平面网络节点端接入数据平面网络系统；数据平面交换设备也可以配置控制平面网络节点端，通过控制平面网络节点端接入控制平面网络系统。主机功能端若配置双平面网络节点端，并具备收发、处理控制平面和数据平面的数据的功能，则在主机功能端完成控制平面和数据平面的双向协议桥接。
49.控制平面网络系统和数据平面网络系统采用星型、交换式、全双工网络架构。控制平面网络系统实现航天器内各类主机功能端之间的工作状态、健康状态、遥测业务、遥控业务、任务操控业务、低速载荷遥感数据等消息的传输。数据平面网络系统实现航天器内各类主机功能端之间的高速载荷遥感数据等大数据量消息的传输。
50.控制平面网络系统和数据平面网络系统的控制平面交换设备、数据平面交换设备、控制平面网络节点端、数据平面网络节点端、双平面网络节点端，支持单冗余、双冗余、三冗余对称式网络架构，支持多跳传输。控制平面网络系统或数据平面网络系统若为单冗余网络架构，则控制平面交换设备与其他控制平面交换设备连接，如图2(a)所示，控制平面交换设备1和控制平面交换设备2连接；数据平面交换设备与其他数据平面交换设备连接，如图3(a)所示，数据平面交换设备1和数据平面交换设备2连接。
51.控制平面网络系统或数据平面网络系统若为双冗余网络架构，则每一台控制平面交换设备或数据平面交换设备均有独立的两份互相备份；如图2(b)所示，控制平面交换设备1-a和控制平面交换设备1-b互相备份，控制平面交换设备2-a和控制平面交换设备2-b互相备份，控制平面交换设备1-a和控制平面交换设备2-a连接，控制平面交换设备1-b和控制平面交换设备2-b连接；如图3(b)所示，数据平面交换设备1-a和数据平面交换设备1-b互相备份，数据平面交换设备2-a和数据平面交换设备2-b互相备份，数据平面交换设备1-a和数据平面交换设备2-a连接，数据平面交换设备1-b和数据平面交换设备2-b连接。
52.控制平面网络系统或数据平面网络系统若为三冗余网络架构，则每一台控制平面交换设备或数据平面交换设备均有独立的三份互相备份；如图2(c)所示，控制平面交换设备1-a、控制平面交换设备1-b和控制平面交换设备1-c互相备份，控制平面交换设备2-a、控制平面交换设备2-b和控制平面交换设备2-c互相备份，控制平面交换设备1-a和控制平面交换设备2-a连接，控制平面交换设备1-b和控制平面交换设备2-b连接，控制平面交换设备1-c和控制平面交换设备2-c连接；如图3(c)所示，数据平面交换设备1-a、数据平面交换设备1-b和数据平面交换设备1-c互相备份，数据平面交换设备2-a、数据平面交换设备2-b和数据平面交换设备2-c互相备份，数据平面交换设备1-a和数据平面交换设备2-a连接，数据平面交换设备1-b和数据平面交换设备2-b连接，数据平面交换设备1-c和数据平面交换设备2-c连接。
53.本例中，控制平面网络系统采用时间触发以太网，数据平面网络系统采用rapidio，如图4所示。时间触发以太网交换机a、时间触发以太网交换机b为独立单机形态的控制平面交换机，两台交换机互为备份的双冗余网络架构。rapidio交换机a、rapidio交换
机b为独立单机形态的数据平面交换机，两台交换机互为备份的双冗余网络架构。综合管理单元、数据存储单元、数据处理单元a、数据处理单元b中的交换模块，为非独立单机形态的插板式控制平面交换模块。综合管理单元为整机内a、b主备，交换模块a和交换模块b互为备份，数据处理单元a和数据处理单元b为整机间a、b主备，单机内的交换模块互为备份。数据存储单元为无备份。因此，本例控制平面为3跳，数据平面为1跳。
54.应答机1、应答机2、导航接收机、星间终端、星敏1、星敏2、飞轮、陀螺是主机功能端与控制平面网络节点端组合形成的各类终端单机产品。综合管理单元、数据存储单元、数据处理单元a、数据处理单元b中的功能模块是主机功能端与控制平面网络节点端组合形成的各类模块产品。数据压缩单元1、数据预处理单元1、载荷系统1、数据压缩单元2、数据预处理单元2、载荷系统2是主机功能端与数据平面网络节点端组合形成的各类终端单机产品。数传发射机、中继发射机是主机功能端与双平面网络节点端组合形成的各类终端单机产品。
55.本发明提出了星载网络和设备网络融合设计，外部网络通过交换模块实现对设备模块级的直接访问，将网络链路连接形式归一化，减少连接类型，实现一体化、扁平化的网络互连；从网络技术跨域发展角度，分析了星载电子设备内部连接与设备间连接设计的统一性，提出了“内外统一、一网到底”的设计思路，构建扁平化连接关系，实现数据跨域无缝共享，形成一体化网络互连系统。
56.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及其各个装置、模块、单元以外，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及其各个装置、模块、单元以逻辑门、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功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元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功能的装置、模块、单元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装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
57.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。