一种星座卫星一体化高速数据交互网络架构的制作方法

1.本发明涉及卫星电子系统技术领域，具体涉及一种星座卫星一体化高速数据交互网络架构。


背景技术：

2.新型低轨卫星星座是指部署在低地球轨道，规模较大且能够实现轨道通信的卫星星座。低轨卫星星座具有传输时延低、传播损耗小和覆盖区域广等特点，是卫星遥感领域的热门研究方向之一。
3.未来星座卫星数量庞大，自主化运行程度和智能化水平高，星内与星间有海量的、不同类型的数据传输。如何构建支持星内电子系统和不同卫星之间高效通联的交互网络，实现星座内信息的快速共享，是星座完成韧性组网和在轨协同应用的基础。为满足星座内信息交互的需求，很多研究机构对星间路由技术进行了研究和验证，实现了星座内卫星组网和少量数据的交互；也有一些研究机构对基于传统低速总线的星内数据交互网络架构进行了研究。然而，多数星内数据交互网络是基于多种专用而分立的、直接依附的物理通信通道，如某种总线或端口的数据接口，功能和连接关系固定而单一，未能形成统一的高速交换网络，扩展性和灵活性较差，不能实现星内各设备的动态互联和信息共享。同时，星内交换网络也未能实现与星间路由网络的兼容，不利于星座内多源信息的有效共享。
4.因此，开展面向星座卫星应用的、支持星内-星间信息共享的一体化高速数据交互网络架构研究是亟需解决的一个问题。


技术实现要素：

5.为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种星座卫星一体化高速数据交互网络架构，其包括星间路由链路、星内单机设备、平台综合电子设备及srio交互网络系统，其中所述srio交互网络系统将星间路由链路、星内单机设备、平台综合电子设备内各功能模块、单模块的不同芯片连接；
6.srio交互网络系统通过设置一体化高速交互网络、路由分配策略和协议转换算法，实现星间路由链路、星内各单机设备、平台综合电子设备内各功能模块的互联、信息交互与共享。
7.优选的方案中，srio交互网络系统与星间路由链路的连接、交互基于cpu、fpga、对外数据接口、对内交换端口实现，其中cpu实现星间路由组网算法的实现，fpga用于数据接入、协议转换和数据转发，对外数据接口与卫星的星间路由链路终端连接；对内交换端口是srio端口，与星内数据交换单元的srio端口连接，用于星间路由单元与星内交换单元的互联，使星间网路由成为星内交换的一个交换节点。
8.优选的方案中，星间组网路由通过对外数据接口接收星间路由链路的星间遥感信息、测控信息、任务规划数据，接入到一体化高速交互网络中，经交换网络路由分配后传输到平台内各单机设备和平台综合电子单机内各模块中；
9.星内其他单机设备、平台综合电子设备的各类型数据也通过一体化高速交互网络传送到星间路由链路上，并经星间路由链路传输到其他卫星中。
10.优选的方案中，所述srio交互网络系统设置有星内数据交换srio端口，平台综合电子设备内部的平台处理模块、接口模块、存储模块利用fpga、cpu、dsp器件自带的srio、gtx接口通过设备内部底板srio总线连接到星内数据交换srio端口上，实现板卡-板卡级的互联。
11.其中，处理模块、接口模块、存储模块对外通过can、uart、模拟量采集接口与总线与平台组件和设备进行通信，获取低速数据，并通过模块内部的fpga高性能器件实现非srio总线-srio总线协议的转换，并连接到一体化srio交换的端口上，实现平台数据接入到一体化高速交互网络中。
12.优选的方案中，所述星内单机设备包括星内遥感载荷设备、载荷在轨处理单元、数传分系统设备，所述星内遥感载荷设备、载荷在轨处理单元、数传分系统设备通过高速总线接口接入到一体化高速交互网络。
13.优选的方案中，所述高带总线接口包括srio接口、2711接口、lvds接口，其中srio接口直接接入到一体化srio交换端口上，2711接口、lvds接口进行fpga的协议转化后，再接到一体化srio交换端口上，实现载荷原始数据、在轨处理后的情报信息数据的接入。
14.本发明所达到的有益效果为：
15.本发明构建的星座卫星一体化高速数据交互网络架构，利用高效路由调度策略及数据交换能力实现了星内信息网络与星群网络兼容，形成了支持星座卫星信息共享的交互通道，解决了星内星间网络不兼容、总线类型复杂的问题。使用同一套srio网络实现了星间路由、星内设备、平台综合电子功能模块的信息互联，支持了整星电子系统及星座卫星在“一张网”下的信息共享，从星内网络管理拓展到了星座网络管理，同时实现了星间数据路由与星内数据交换。
16.本发明基于srio高速总线搭建，软件开销低、支持硬件纠错重传、传输延时小、传输速率可配置。可同时支持3c连接：chip-chip(芯片-芯片级)互联、card-card(也称board-board，板卡-板卡级)互联、chassis-to-chassis(设备-设备级)互联，因此可以使用同一套srio网络实现星间路由设备、星内各平台设备、平台综合电子各功能模块、单模块的不同芯片连接起来，使芯片、模块、单机和星间路由均成为srio高速交互网络的节点。
17.本发明可多类型载荷设备以及星间链路设备接入，路由与交换模块提供srio、2711、lvds、can、uart等多种类型的总线接口，多类总线接口与数据通过协议转换为统一的srio数据，利用统一的srio交互网络进行数据交换。
18.本发明的一体化高速交互网络基于高速串行总线搭建，传输带宽和链路数据传输速率可按需配置，总带宽可达240gbps，比当前星载总线网络提高1个数量级以上，且网络传输路由可动态重构，解决了当前星载总线网络传输速度低、连接关系固定而单一、扩展性和灵活性较差的问题。
附图说明
19.图1为本发明涉及的星座卫星一体化高速数据交互网络架构示意图。
20.图2为本发明实施例1的网络架构示意图；
21.图3为本发明实施例2的网络架构示意图；
22.图4为本发明实施例3的遥控数据流示意图；
23.图5为本发明实施例4的遥测数据流示意图；
24.图6为本发明实施例5的星载载荷数据流示意图；
25.图7为本发明实施例6的卫星任务规划数据流示意图。
具体实施方式
26.为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合实施例及附图说明本发明的具体实施方式。
27.参照图1，本发明的一种星座卫星一体化高速数据交互网络架构，其包括星间路由链路、星内单机设备、平台综合电子设备及srio交互网络系统，其中：
28.所述srio交互网络系统将星间路由链路、星内单机设备、平台综合电子设备内各功能模块、单模块的不同芯片连接；
29.srio交互网络系统通过设置一体化高速交互网络、路由分配策略和协议转换算法，实现星间路由链路、星内各单机设备、平台综合电子设备内各功能模块的互联、信息交互与共享。
30.srio交互网络系统与星间路由链路的连接、交互基于cpu、fpga、对外数据接口、对内交换端口实现，cpu实现星间路由组网算法的实现，fpga用于数据接入、协议转换和数据转发，对外数据接口与卫星的星间路由链路终端连接；对内交换端口是srio端口，与星内数据交换单元的srio端口连接，用于星间路由单元与星内交换单元的互联，使星间组网路由成为星内交换的一个交换节点。星间组网路由通过对外数据接口接收星间路由链路的星间遥感信息、测控信息、任务规划数据，接入到一体化高速交互网络中，经交换网络路由分配后传输到平台内各单机设备和平台综合电子单机内各模块中；星内其他单机设备、平台综合电子设备的各类型数据也通过一体化高速交互网络传送到星间路由链路上，并经星间路由链路传输到其他卫星中。
31.所述srio交互网络系统设置有星内数据交换srio端口，平台综合电子设备内部的平台处理模块、接口模块、存储模块利用fpga、cpu、dsp器件自带的srio、gtx接口通过设备内部底板srio总线连接到星内数据交换srio端口上，实现板卡-板卡级的互联；
32.其中，处理模块、接口模块、存储模块对外通过can、uart、模拟量采集接口与总线与平台组件和设备进行通信，获取低速数据，并通过模块内部的fpga高性能器件实现非srio总线-srio总线协议的转换，并连接到一体化srio交换的端口上，实现平台数据接入到一体化高速交互网络中。
33.所述星内单机设备包括星内遥感载荷设备、载荷在轨处理单元、数传分系统设备，所述星内遥感载荷设备、载荷在轨处理单元、数传分系统设备通过高速总线接口接入到一体化高速交互网络。
34.所述高带总线接口包括srio接口、2711接口、lvds接口及其他常用高速接口，其中srio接口直接接入到一体化srio交换端口上，2711接口、lvds接口进行fpga的协议转化后，再接到一体化srio交换端口上，实现载荷原始数据、在轨处理后的情报信息数据的接入。
35.实施例1，
36.如图2所示，平台综合电子作为星内与星间信息交互的中枢，采用层次化的设计思想，按照高可靠与高性能的区别，将本发明网络架构划分为控制平面与数据平面，采用高低速混合分层的总线网络互联机制实现对星间网络路由与星内总线通信的统一管理。通过平台综合电子的交换与路由模块与设备内部的计算机模块、接口模块之间的设备内高速数据交换平面连接，与星内设备和星间链路之间的设备外高速数据交换平面连接，使路由与交换模块成为星内以及星间设备进行数据交互的桥梁，也成为平台综合电子对星内以及星座进行管控的数据传输通道。
37.交换与路由模块作为卫星组网数据包路由转发的核心模块，是星座传输网系统的核心单元，是空间网络协议栈及星座网络路由算法的物化存在，是空间网络的主要硬件基础设施，它的主要功能是：提供路由、数据转发与交换处理能力，支持激光终端、载荷管理单元、相机、星间通信终端、以及其它载荷的数据接入服务，同时提供轻量化网络安全管理功能。
38.实施例2，
39.为了提高路由处理效率以及网络重构能力，交换与路由模块实施方式如图3所示。
40.采用控制面与数据面分离架构设计技术，将星内交换和星间路由的交互路径控制和数据转发分离，分别形成控制平面、数据交换(转发)平面两大部分。星内交换和星间路由功能具体实现如下：
41.(1)星内交换功能实现
42.星内交换控制平面使用高性能fpga实现，主要完星内交换网络路径配置和数据接入与总线协议转化功能。星内遥感载荷设备、载荷在轨处理单元、数传分系统设备等通过srio、2711、lvds等高速总线接口接入到星内数据交换单元中，2711、lvds等接口进行fpga的协议转化后，再接到一体化srio交换端口上，实现载荷原始数据、在轨处理后的情报信息等数据的接入。
43.星内数据交换平面使用cps1848 srio交换芯片实现，集成了众多标准srio交换端口，提供了高性能、可配置的数据交换能力，完成各类高速数据的快速转发处理，并在硬件层面实现了错误管理、流量控制等机制。
44.(2)星间路由功能实现
45.星间路由控制平面实现链路状态感知、全网拓扑规划、网络路由规划、流量均衡控制等功能。星间路由控制平面模块将计算得到的转发表输出给星间数据转发平面模块，网络控制平面模块主要由高性能cpu实现。
46.星间路由数据转发平面的主要功能是接收各个端口的数据包，并根据转发表选择从某个端口快速转发输出。转发不仅可以实现对外端口的数据路由转发，还可以实现数据在星内端口与星间端口的转发。同时，信息传输分级保证机制也在数据转发平面模块完成。数据转发平面主要由fpga芯片实现。
47.平台综合电子系统集成多种功能模块，内部信息流众多，如何高效规划星间、星内信息数据传输路径，是实现平台综合电子系统好用、易用的基础。按照功能划分，平台综合电子内部的数据流可分为遥控数据流、遥测数据流、载荷数据流、任务规划数据流、资轨控数据流，以下对各个数据流进行具体说明。
48.实施例3，遥控数据流：
49.平台综合电子系统遥控数据流如图4所示，平台综合电子系统在系统设计时充分考虑了可扩展性，且支持多种卫星平台不同功能模块的组合需求，可将路由与交换模块、星地随遇测控模块、天地一体星地中继全景波束模块拆分为独立单机而不影响平台综合电子系统的遥控数据流。
50.对平台综合电子系统的遥控数据流详细说明如下：
51.a)星地随遇测控模块可通过星地测控通道进行低速与高速上行遥控数据的接收，也可通过随遇通道接收遥控数据，遥控数据接收完成后，可通过平台综合电子内总线发送至遥测遥控模块；
52.b)天地一体星地中继全景波束模块可通过星地测控通道进行低速与高速上行遥控数据的接收，也可通过中继和全景波束通道进行遥控数据的接收，遥控数据接收完成后，可通过平台综合电子内总线发送至遥测遥控模块；
53.c)路由与交换模块可通过星间链路接收遥控数据，接收完成后可通过平台综合电子内总线发送至遥测遥控模块；
54.d)遥测遥控模块接收到星地、中继、星间链路的遥控指令数据后，若为密态数据，首先进行解密，解密完成后对指令内容进行解析；
55.e)遥测遥控指令解析后，若为直接指令，则驱动相应电路输出直接指令；
56.f)遥测遥控指令解析后，若为其他指令，则通过内总线发送至中心机模块；
57.g)中心机模块接收遥控数据后进行解析，若为其他模块指令，则通过内部或外部星务can总线进行分发；
58.h)若遥测遥控模块接收到星务can总线分发的间接指令，则驱动相应电路输出间接指令。
59.实施例4，遥测数据流：
60.平台综合电子系统遥测数据流如图5所示，与遥控数据流一致，平台综合电子系统在系统设计时充分考虑了可扩展性，且支持多种卫星平台不同功能模块的组合需求。
61.a)整机遥测由中心机模块通过星务can总线向设备内部或外部各模块进行轮询采集；
62.b)中心机模块完成遥测数据采集后，进行组帧，并通过内部中低速总线发送至遥测遥控模块，由遥测遥控模块视情况对其进行加密；
63.c)遥测遥控模块可通过内总线将遥测数据发送至天地一体星地中继全景波束模块通过星地或中继接口下行；
64.d)遥测遥控模块可通过内总线将遥测数据发送至星地随遇测控模块，通过星地或随遇接口下行；
65.e)遥测遥控模块可通过内总线将遥测数据发送至路由与交换模块，通过星间链路接口发送至其他星。
66.实施例5，载荷数据流：
67.平台综合电子系统载荷流如图6所示，载荷数据以卫星内部的高速总线网络为传输路径，以路由与交换模块为管理核心，星间路由及星内交换采取一体化设计。同时平台综合电子系统在系统设计时充分考虑了可扩展性，且支持多种卫星平台不同功能模块的组合需求，路由与交换模块内部预留了载荷智能处理、固存高速通道，支持将这些模块纳入平台
综合电子单机内。
68.a)路由与交换模块可通过星间接口与星间链路通信，与其他卫星进行预警信息、侦测信息、邻域图像等载荷类数据交互；
69.b)路由与交换模块可通过载荷接口接收如光学相机、环扫雷达、sar、电侦、光学、雷达等载荷数据；
70.c)通过路由与交换模块，其他模块或设备均可与载荷智能处理单元/模块进行通信，将原始载荷数据、星间数据、固存数据等发送至载荷智能处理模块进行处理或由载荷智能处理模块将处理后的结果发送至数传、固存或战术分发等模块；
71.d)通过路由与交换模块，其他模块或设备均可与固存单元/模块进行通信，将原始载荷数据、星间数据、智能处理模块等发送至固存模块存储或由固存模块将存储的数据发送至数传、载荷智能处理或星间设备；
72.e)通过路由与交换模块，其他模块或设备均可与数传模块进行通信，载荷数据、星间数据、智能处理模块数据等均可发送至数传模块下传；
73.f)通过路由与交换模块，其他模块或设备均可与中心机模块进行通信，如其他星的状态信息可发送至中心机模块进行协同工作，中心机模块也可将本星的信息发送至其他卫星；
74.g)通过路由与交换模块，其他模块或设备均可与星地随遇测控模块进行通信，可将载荷智能处理计算完的舰船坐标等信息通过战术分发功能进行分发。
75.实施例6，任务规划数据流：
76.平台综合电子系统任务规划流如图7所示，与遥控数据流一致，平台综合电子系统在系统设计时充分考虑了可扩展性，且支持多种卫星平台不同功能模块的组合需求。
77.任务规划数据的来源主要包括星间接口、星地接口、中继接口及中心机自身计算的航迹信息等，由中心机进行任务规划计算，计算后的接口通过星间接口发送至其他卫星。
78.a)星地随遇测控模块可通过星地测控通道进行任务规划数据的接收，也可通过随遇通道接收任务规划数据，接收完成后可通过平台综合电子内总线发送至遥测遥控模块；
79.b)天地一体星地中继全景波束模块可通过星地测控通道进行任务规划数据的接收，也可通过中继和全景波束通道进行任务规划数据的接收，接收完成后可通过平台综合电子内总线发送至遥测遥控导航模块；
80.c)路由与交换模块可通过星间链路接收任务规划数据，接收完成后可通过平台综合电子内总线发送至遥测遥控模块；
81.d)遥测遥控模块接收到星地、中继、星间链路的任务规划数据后，若为密态数据，首先进行解密，解密后发送至中心机模块；
82.e)中心机模块根据任务规划数据计算后的任务规划结果发送至遥测遥控模块进行加密；
83.f)遥测遥控模块可通过中低速总线将遥测数据发送至路由与交换模块，通过星间链路接口发送至其他星。
84.以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。