基于時間觸發以太網的遙測通信技術

王報華，徐林豐，張金剛，張宏德

（1.北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2.哈爾濱工業大學，哈爾濱，150006）

0 引 言

遙測系統是執行飛行器遙測任務的重要電子系統，對于飛行器狀態監測具有重要意義。傳統遙測系統采用LVDS、RS422、1553B 等總線接口，形成了高、中、低通信速率傳輸能力，遙測系統根據不同設備接口的數據傳輸需求，選擇傳輸方式，實現了遙測數據傳輸［1］。當前，遙測系統凸顯出一些遙測數據傳輸應用問題，主要表現在通信帶寬不足、接口種類繁多、電纜網設計復雜等。

時間觸發以太網（Time-triggered Ethernet，TTE）具有吉比特數據通信能力，統一化的總線通信標準協議，輕質化、抗干擾的物理通信介質等多項優點，能夠有效解決傳統遙測系統面臨的諸多應用問題，具有很大的技術應用潛力。

1 時間觸發以太網介紹

時間觸發以太網是在ⅠEEE802.3 標準以太網技術的基礎上，融入時間同步、時間觸發、速率受限通信及保證傳輸等機制，實現了以太網技術在航空航天、汽車等高速高可靠需求領域的技術應用。如NASA獵戶座載人飛船、洛克希德·馬丁F16 戰斗機、空客A380、波音787等，均將TTE總線作為重要電子系統的數據傳輸總線，確保關鍵傳感器和設備數據傳輸安全可靠。

時間觸發以太網具有以下通信技術特點：

a）時間同步特性。時間觸發以太網采用了透明時鐘傳輸機制來實現時鐘同步。TTE 網絡同步設備分為3 種類型：同步主（Synchronization Master，SM）、同步客戶端（Synchronization Client，SC）和壓縮主（Compression Master，CM）［2］。同步主是時間同步的發起者和參與者，能夠在網絡的初始化同步和重啟動同步過程中主動開啟冷啟動過程實現網絡同步。同步客戶端僅接收、轉發網絡全局同步信息。壓縮主根據網絡同步壓縮算法對所有同步主設備的協議控制幀（Protocol Control Frames，PCF）進行壓縮、綜合，并將同步時間結果發送給同步主設備進行時間修正，從而實現網絡的全局時鐘同步。

b）時間觸發通信機制。時間觸發以太網采用時分復用的方式按照時間周期對以太網數據劃分固定時隙，一種類型的數據僅在其專屬固定時間片進行傳輸，各類型數據之間相互獨立、互不影響，從而保證了傳輸數據到達的確定性。由于采用了固定時間片進行傳輸，各類型數據的傳輸時延不再是隨機的，而是可估計、可測量的精細時間范圍，通過對時間片間隔進行裕度設計，各時間片將有條不紊地完成數據傳輸任務，不會發生數據沖突，提高了TTE總線的通信時間故障隔離能力。

c）支持TT幀、RC幀、BE幀通信。TTE 網絡支持TT 數據流和ET 數據流。TT 數據流是實時確定性傳輸的數據流，ET 數據流又包括盡力服務（Best Effort，BE）數據和速率受限（Rate Constrained，RC）數據。TT 數據在整個系統傳輸中具有最高優先級，TTE網絡中TT數據采用搶占機制來完成通信。BE數據是傳統以太網的標準數據，利用網絡剩余的帶寬進行傳輸，它的優先級也低于TT數據和RC數據，其時延、可靠性等不能保證［3-4］。對于關鍵數據，采用TT幀方式進行傳輸，對于非關鍵數據，可采用RC或BE幀方式進行傳輸，采用普通以太網接入的方式即可完成數據接入。

d）冗余通信能力。時間觸發以太網采用“端設備-交換機”星型拓撲結構，各個端系統與冗余交換機互聯，當一個交換機失效后，冗余交換機繼續執行功能，保證系統正常運行。

2 傳統遙測通信技術

2.1 傳統遙測系統信息傳輸架構

遙測系統以獲取飛行器各系統的飛行狀態監測參數為目標，由供配電、傳感器、數據采編設備、數據綜合設備、FM 調頻遙測發射機等組成。傳統遙測系統信息傳輸架構一般采用主從網絡系統架構，按照分布采集、逐級綜合方式完成遙測數據傳輸，傳輸總線可為LVDS、RS422、1553B總線等，如圖1所示。其中，數據綜合設備為遙測系統主設備，向各數據采編設備發送取數命令，各數據采編設備接收到命令后，將數據發送給數據綜合設備進行綜合編幀。數據采編設備分布于飛行器不同位置，負責就近采集傳感器數據及其他設備的狀態數據，然后對采集數據進行數據編幀，在數據綜合設備的調度下將數據發送給數據綜合設備。遙測系統按照ⅠRⅠG-106國際遙測標準進行數據綜合編幀，形成固定遙測碼率的PCM 數據流，發送給遙測發射機進行信道編碼、調前濾波、FM 調制及遙測功率放大。

遙測數據經遙測發射機無線下傳到地面后，地面解調設備經信號放大、鎖頻鎖相、信號檢測等信號處理，恢復出遙測比特信息流，然后根據遙測幀結構對遙測比特信息流進行檢測判斷，根據幀同步碼檢測結果恢復出遙測數據幀，最終提取得到有效遙測數據信息。

2.2 傳統遙測系統同步

遙測系統具有系統準同步能力，數據綜合設備向遙測系統其他設備廣播發送遙測幀同步信號［5］，遙測系統各設備被動接收遙測幀同步信號后進行系統同步。廣播發送方式可以是脈沖信號，也可以是串行指令協議。脈沖信號采用硬線連接方式，具有較低的指令傳輸延時，傳輸延時與電纜傳輸距離有關系，一般為 100 ns 以內。串行指令協議采用串行數據傳輸方式，需要接收多比特數據進行指令匹配才能響應系統同步信號，系統同步的傳輸延時較大，而且與串行指令協議傳輸級數有關，單級傳輸延時一般在1 ms 以內，在進行多級傳輸時，傳輸延時會更高。系統時間同步能力關系遙測系統的同步采集性能，傳統遙測系統由數據綜合設備廣播發送遙測幀同步信號，遙測系統其他設備被動接收該同步信號，遙測系統同步沒有進行時間補償，傳統遙測系統同步采集能力有待進一步優化提升。

2.3 傳統遙測系統混合網絡應用缺點

傳統遙測系統架構中，數據綜合設備與數據采編設備通信網絡采用LVDS、RS422、1553B 等接口形式，能夠適應1～100 Mbit/s 及以上遙測傳輸通信速率需求。其中，LVDS 總線接口可用于圖像、視頻等高帶寬數據傳輸應用，RS422 可用于傳輸振動、沖擊、設備狀態參數等中帶寬數據傳輸應用，1553B具有抗干擾、雙冗余、數據重傳等可靠傳輸特點，用于系統關鍵信息的采集傳輸。通過綜合應用LVDS、RS422、1553B 等接口，能夠搭建起較為可靠的遙測電子系統。但是，該組合式總線接口應用也存在很多缺點，主要表現在：

a）系統電纜網設計復雜、電纜網質量大、接口協議不統一；

b）LVDS、RS422、1553B 等混合接口應用模式使設備之間難以實現遙測數據互聯互通和共享，制約了遙測數據應用和發展；

c）數據綜合功能難以實現系統級冗余，存在可能發生的單點故障。

3 基于時間觸發以太網的遙測通信技術

3.1 基于時間觸發以太網的遙測系統信息傳輸架構

基于時間觸發以太網的遙測系統采用“端設備-交換機”星型拓撲結構，融合了時間觸發以太網和傳統遙測系統的功能和特點。時間觸發以太網用于構成遙測系統通信傳輸的主干網絡，數據綜合設備、數據采編設備為TTE 網絡的端節點設備，交換機用于實現TTE 網絡多級網絡級聯和節點擴展?；赥TE時間觸發以太網的遙測通信設計如圖2所示。

圖2 基于時間觸發以太網的遙測通信設計Fig.2 Design of telemetry communication based on TTE

與傳統遙測系統主從方式進行數據調度方式不同，基于時間觸發以太網的遙測系統依靠時間驅動數據流方式進行數據傳輸通信。在TTE 網絡調度周期內，劃分為多個時隙單元，為每個時隙單元安排固定的數據信息流任務。其中，數據綜合設備向數據采編設備發送下行數據信息流，數據采編設備向數據綜合設備、數據采編設備發送上行數據信息流，發送方式可以是單播、組播、廣播。數據綜合設備接收到各數據采編設備的數據后，進行數據綜合編幀，形成遙測數據流發送給遙測發射機設備?；跁r間觸發以太網的遙測系統在實現雙冗余遙測傳輸方面具有優勢，圖2中，主數據綜合設備、備數據綜合設備均能夠獲取遙測系統的所有數據，各自進行數據綜合編幀，形成遙測PCM 數據流發送給遙測發射機，遙測系統獲得了雙冗余遙測數據傳輸能力，相比傳統遙測系統存在的單點傳輸具有明顯改進。

3.2 基于時間觸發以太網的系統時間同步

基于時間觸發以太網的遙測系統，具有高精度網絡時間同步能力，時間同步精度可優于100 ns。時間觸發以太網的時間為內同步，系統內多個同步主（SM）發送時間同步協議控制幀（PCF），壓縮主站進行固化、壓縮，迅速迭代收斂形成了高精度時間同步能力。多個同步主為TTE網絡提供了冗余能力，當某個同步主發生故障時，其他同步主仍然能夠完成時間同步計算。

由于TTE網絡的系統同步信號是由多個同步主進行同步時間計算產生的，并將該系統同步信號作為TTE網絡中數據綜合設備、數據采編設備的系統同步信號，TTE網絡的系統同步信號與傳統遙測系統中系統同步信號由數據綜合設備發送給遙測系統各個設備的主從工作方式存在很大不同。由于時間觸發以太網的系統具有同步信號特點，數據綜合編幀需要采取遙測數據同步處理的方法才能完成遙測數據下傳。

3.3 基于時間觸發以太網的遙測綜合編幀

傳統遙測系統由數據綜合設備遙測幀同步信號作為遙測系統同步信號，該遙測幀同步信號與遙測碼率是嚴格時鐘同步的。對于遙測系統無線傳輸來說，遙測幀周期、遙測幀同步信號、遙測碼率是嚴格時鐘同步的，決定了遙測幀數據結構的完整性?；跁r間觸發以太網的遙測系統采用的是由多個同步主計算產生的系統同步信號，該系統同步信號具有一定的時間精度誤差，若使用該系統同步信號完成數據綜合，會造成遙測幀結構部分比特數據丟失，地面解調遙測數據時也容易產生失鎖。TTE網絡系統同步信號給遙測系統數據綜合帶來了遙測幀結構數據完整性問題，該問題可通過使用“兩級綜合編幀”方法進行解決。第1級數據綜合編幀采用TTE網絡產生的系統同步信號作為遙測系統的系統同步信號使用，系統同步信號周期即第1級數據綜合編幀的遙測幀周期。但是由于TTE網絡系統同步信號的精度誤差問題，TTE網絡系統同步信號存在時間抖動，造成第1級數據綜合編幀的幀同步碼是不穩定的，造成比特信息丟失或多發。因此，第1級數據綜合編幀的結果是不能直接發送給遙測發射機的。第2 級數據綜合是將第1 級數據綜合結果進行異步傳輸、插入到新的遙測幀的數據綜合方式。由于采用與傳統遙測系統完全一致的遙測傳輸體制，第2 級數據綜合能夠與傳統遙測系統完全兼容，可以完全避免由于采用TTE網絡帶來的第1級數據綜合無法遙測下傳的問題。第1級數據綜合以準同步方式實現了基于時間觸發以太網的遙測系統數據調度和實現，第2級數據綜合實現了傳統遙測系統的綜合編幀、無線下傳功能，既利用了TTE網絡總線技術的特點，又保證了與傳統遙測系統體制、設備的兼容性。雖然采用了異步傳輸方式，但“兩級綜合編幀”帶寬利用率可達99%，幾乎與傳統遙測系統帶寬利用率相當。另外，“兩級數據綜合”方法也帶來了新的應用問題。由于采用了兩級綜合編幀，第2級遙測數據是異步的，需要地面解調軟件剔除填充的無效數據，恢復出第1級數據綜合遙測數據。經過處理后，可實現遙測參數數據內容和位置與傳統遙測系統一致的目標。

3.4 基于時間觸發以太網的遙測通信設計驗證

圖3為基于TTE總線的遙測系統通信及數據處理流程?；跁r間觸發以太網的遙測系統采用“兩級數據綜合”方法進行數據傳輸和數據綜合。第1級數據綜合獲取基于時間觸發以太網遙測通信系統的所有測量數據，并按照200×60 遙測幀結構完成綜合編幀，然后將綜合編幀數據通過乒乓緩存方式異步插入到第2級240×60 遙測幀完成數據綜合，從而形成相位穩定的遙測碼率數據流，然后發送給遙測發射機進行FM調制和功率放大。地面接收到遙測數據后，恢復出第2 級數據綜合遙測數據，然后進行數據處理，剔除填充的無效數據，然后恢復得到第1級數據綜合遙測數據。第1級數據綜合遙測數據即基于TTE時間觸發以太網的遙測系統的所有測量數據，從而實現了遙測系統功能。

圖3 基于TTE總線的遙測系統通信及數據處理流程Fig.3 Telemetry system communication and data processing flow based on TTE bus

4 結束語

基于TTE時間觸發以太網的遙測系統既具有TTE網絡時間同步、時間觸發、高速傳輸、雙冗余的特點，又與傳統遙測體制相兼容。TTE網絡的內同步特點，又使得基于TTE時間觸發以太網的遙測系統與傳統遙測系統有所不同，采用兩級數據綜合方法實現了基于TTE時間觸發以太網遙測系統的數據綜合編幀，解決了遙測系統應用TTE時間觸發以太網可能遇到的遙測幀數據不完整、地面解調失鎖等問題。兩級數據綜合方式能夠實現高達99%遙測帶寬利用率，與傳統遙測系統有效遙測帶寬相當?；赥TE時間觸發以太網的遙測系統既利用了TTE時間觸發以太網的技術優勢，又實現了與傳統遙測系統的兼容，具有很大的發展潛力。