国际空间站信息系统方案

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1、国际空间站信息系统方案周 林(中国空间技术研究院总体设计部 北京 100094)收稿日期: 2004206228 收修改稿日期: 2004210225文 摘 为了支持在轨系统和有效载荷的操作,由硬件和软件组成的空间站信息系统为处理器、 工作站、 大容量存储单元以及设备接口提供了一个高速、 宽带网络。 这种结构的关键点是:开放式的并且是非专用的,避免传统设计方法的浪费。结构化和标准化,支持组装、 增长性和技术性插入。采用标准的与用户隔离的硬件和软件接口组成,使用户避免了系统的复杂性,并且简化了集成,缩短了设计周期,压缩了研制和维护费用。 文中对国际空间站信息管理系统的结构、 初期设计、 接口和向

2、用户提供的服务做了概要性叙述。主题词 国际空间站 信息系统方案 计算机应用前 言国际空间站有如下特点:可操作的、 长寿命的测试;不断增加的轨道组装、 集成和检查;连续地操作;在轨维修;增长和扩展能力;对未来新技术的适应;支持自动化和机器人技术。 从组装方案看,国际空间站需要成员国多次发射,逐步将各舱段送上轨道,在空间完成组装任务。 首先将俄罗斯服务舱发射入轨,俄罗斯服务舱是组装阶段的控制中心,用于整个空间站的姿态控制和再推进。直到发射美国的实验舱,组合体的控制中心由俄罗斯服务舱转移到美国的实验舱。从这两个舱发挥的作用分析,这两个舱的电子系统最复杂多样,它们既是空间站自主运行的控制中 心,又是信

3、息系统的控制中心。因此,研究这两个舱的信息管理系统有代表意义。1 俄罗斯服务舱信息系统方案俄罗斯服务舱作为第一构件首先发射,在其轨道寿命初期需要自主运行,所以它需要配备一套完整的 信息系统,才能完成所有与本舱有关的控制任务,在空间完成节点舱、 功能货舱、 桁架等对接舱的空间组 装。1. 1 信息系统的任务俄罗斯服务舱信息系统的主要任务是:由地面和航天员进行飞行管理和监控;时间分配、 时间标识和同步;系统和分系统控制,尤其是制导、 导航和控制;站上系统和实验数据的采集和控制;和站 上其他部分交换数据和指令;航天员接口的控制空间站服务。1. 2 信息系统的组成 图1为俄罗斯服务舱信息系统的结构框图

4、。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。这三台计算机是核心设备,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)

5、,各组总线分工明确。05遥 测 遥 控2005年3月图1 俄罗斯服务舱信息系统结构 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RS2422、RS2485),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)为遥测总体,负责采集组合体环境数据,包括温度、 湿度、 压力和 空气质量、 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 接其它分系统主机,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

6、。 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,负责空间实验室轨道、 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。该总线是I2C、I2R工业总线的一种,称 为系统管理总线(简称SM总线),该总线可连接若干测量单元(MU)和太阳敏感器、 力矩陀螺、 全球定位 (GPS)接收单元等设备。 由于俄罗斯服务舱是空间站初期的组装中心,因

7、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实验室的工作,控制应用任务的运行状态,监控总线网络的运行,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。1. 3 信息系统的设计特点 该系统在设计上有如下三个特点。1. 3. 1 三台主机都进行了容错设计15第26卷第2期国际空间站信息系统方案每一台容错计算机(Fault tolerable computer简称FTC)都由四台相同的计算机(含硬件和软件)组 成,

8、每一台都有一个独立的外壳,称为标准数据处理器(Standard data processer简称SDP)。它们同步操 作、 执行相同的用户任务软件。将运算结果进行逻辑表决,从而保证了程序输出的正确性。四台FCR的交 叉连接示于图2。图2 FTC交叉连接依靠预先设计的容错策略,由四个标准数据处理器连接成一个容错计算机,可以屏蔽任意两个故 障。 这种设计的基础是拜占庭故障算法,按照这个理 论,如果满足下述条件,一台容错计算机就可以隔离F个任意故障。其容错策略是:计算机必须含3F+ 1个标准数据处理器;这些标准数据处理器必须通过2F+ 1个不相交的路径相连;数据必须在 标准数据处理器和按照拜占庭故障

9、算法设计的表决 器之间交换F+ 1次;标准数据处理器的同步必 须限制在一个有限的偏移范围内。 在容错计算机的硬件设计中,已经严格地、 一致地证明了这一理论的正确性。例如如果F= 1(具有 四个标准数据处理器结构时),该容错计算机可以处 理一个任意的故障。在检测某个故障时,如果这个故障具有暂时性的特点,即由一个单一事件的干扰产生 的,就将这个故障屏蔽起来,容错计算机继续运行。如果在100m s时间帧内,相同的故障发生n次(永久性 故障),就自动地隔离(或使之无效)有故障的标准数据处理器。容错计算机就在三个标准数据处理器结构 上继续运行。在这种结构中,通过多数表决确定故障。在这个意义上,这种策略能

10、够满足容忍两个故障的 要求。 容错计算机的主要指标是CPU基于抗辐射、SPARC兼容的ERC32基片,使用标准实时操作系统V xW orks,主频20M Hz。1. 3. 2 分层设计系统功能 在系统硬件设计中,采用两层网络结构形式。第一层网络利用三组总线将数据采集、 系统控制和轨道 姿态控制三种功能分开,每一组总线专门负责一类工作,分工明确。 第二层网络为各分系统、 遥测、GNC推 进器专用总线。负责具体的数据采集、 控制工作。两层网络的工作同时进行,不会互相干扰。 由于硬件的分层结构,使得每一层的任务都有一个明确的、 专业的主题,层次之间分工界面清楚。 整个软件由负责应用任务、 容错管理、

11、 系统管理的专业人员分别编制,实现了软件专业化、 模块化、 分层化设计。1. 3. 3 软件分层设计 在软件管理上,俄罗斯服务舱信息系统软件分成三个独立的功能层:宇航电子设备接口层、 故障管理 层、 应用层。有利于任务分工编制,各层的任务相对独立,都可以作为一个专题深入研究,独立编程。 由于层次之间界面清楚,就可以将运行周期分成三个时间块,分配每层一个给定的时间,在每个时间块结束前,进行多机表决。该方法既能屏蔽瞬时故障,又能定位永久故障,为隔离故障节点、 甚至隔离故障 的总线提供有利的判据。 通过在多个处理器上同时执行应用程序实现容错策略,对它们的输出进行比较(表决),就可以屏蔽故 障,保证程

12、序运行的正确性。2 美国实验舱信息系统方案2. 1 信息系统的任务 美国实验舱信息系统有三项主要功能:提供相应的软件和硬件计算资料,用于支持空间站核心系统 的指挥与控制,支持空间站上的有效载荷科研项目,并可为乘员和地面运作提供服务。可以提供空间站25遥 测 遥 控2005年3月内部的时间基准并提供给其它系统。支持各分系统完成各自的任务。这三项主要功能又可以细分成专 用功能和通用功能。2. 1. 1 专用功能 人机接口(Human Computer Interface简称HC I);大容量存储单元;警告和报警通知; 系统和有效载荷之间的在轨数据通信; 与地面、 国际组织的信息系统通信接口; 分系

13、统、 关键设备的容错、 冗余管理; 系统的初始化、 启动、 关闭。2. 1. 2 通用功能 处理资源; 命令与控制; 传感器和控制器的I?O服务; 时间分配;系统的容错、 冗余管理; 初始化、 启动、 关机。2. 2 信息系统的硬件结构 该信息系统的硬件资源包括应用处理器、 通信处理器、 大容量存储单元、 人机接口、 数据采集和分配设 备。信息系统核心的物理结构是一个三层网络结构。其结构框图示于图3。图3 实验舱信息系统硬件结构35第26卷第2期国际空间站信息系统方案第一层是核心光导纤维网络,用于整个空间站的控制,称为核心网络。关键设备是一条100 M bps的FDD I网络,通过该网络将多个

14、标准数据处理器、 多功能乘员工作站(M ultipurposeApplication Console简 称M PAC)、 海量存储单元以及与地面、 国际设备舱的接口互联,网络中所有设备都通过一环形集线器相 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,但又允许进行必要的协调和状态信息的交流。通过路由器与其它舱段(如俄罗斯服务舱、 欧空局挂接密封舱和日本JEM舱)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

15、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在FDD I和第二层1553B总线之间的接口功能,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,也可以采用其它工业总线(例如SM系统管理总线、CAN总线),称为应用 总线,用于传送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 三层总线。2. 3 信息系统的软件结构 该系统的软件分成操作系统和标准软件以及航空电子学应用软件和支持系

16、统两组。操作系统和标准 软件包括下列10种软件包。 操作系统和辅助运行时环境OS?A da RT(Operating system?A da runtime environment) 该软件 提供运行时环境、 其它辅助软件包,以及处理器操作系统功能。网络操作系统NOS(N etwork operating system) 该软件包提供在信息系统主网络上进行通信所 需要的基本软件。 标准服务STSV(Standard services) 该软件包提供多系统和设备通用的数据操作服务,包括数据 采集和分配服务、 警告和报警服务、 使得所有系统和设备交换数据和命令的DM S服务。 用户支持环境U SE(U ser support environment) 该软件包为空间站人机接口服务定义了开发工具和一个运行时环境,以方便地面和站上(包括有效载荷)相互配合应用。 数据存储和回放DSAR(Data storage and retrieval) 该软件包提供在线存储、 回放和管理文件和 数据的能力,以