面向载人运载火箭的2-3模复合冗余TTE通信网络拓扑结构的制作方法

本发明涉及面向载人运载火箭的2-3模复合冗余tte通信网络拓扑结构，属于载人运载火箭控制系统集成化。

背景技术：

1、系统总线用于实现运载火箭电气系统级内、级间，以及箭地间各设备间的信息互联。随着运载火箭对控制精度、故障重构能力、数据记录规模等功能、性能要求的提升，电气系统设备间需要进行交互的数据量规模明显增加。传统的低速总线互联的方案很难适应大数据量通信需求，高速率、低时延、低抖动成为总线能够满足运载火箭实时控制和大容量信息传输的基本要求。一种可行的互联模式是，将tte(time triggered ethernet)作为全箭电气系统互联总线。tte总线在传统的以太网通信基础上，扩展了时间触发通信能力，能够在全面继承既有以太网通信高带宽优点的基础上，实现电气系统要求的确定性、大容量实时通信行为，满足运载火箭系统互联需求。

2、可靠性是包括电气系统在内的运载火箭需要考虑的一项基本问题。由于外界环境影响或者产品自身缺陷，运载火箭电气系统在飞行过程中会发生各种故障。一般需要通过相同功能部分的冗余设计来保证故障情况下的飞行任务成功率。对于tte总线，一般采用双冗余或者三冗余链路拓扑，提升信息交互的可靠度水平。

3、现有技术1：织女座运载火箭采用tte总线用于实现箭上电气系统设备互联，具体拓扑结构图如下图1所示。全系统共配置两台冗余的交换机，遥测指令接收机、gnss接收机、箭载计算机、惯性导航设备、载荷(一般为卫星)、各级推力矢量控制器、各级测量采编器等火箭控制、测量关键设备均采用双网口配置，分别连接到两台冗余交换机上，以避免tte总线链路一度失效导致的系统通信故障。摄像机等非关键设备则采用单端口配置，连接到某一台交换机上。该方案可以满足总线一度故障后的电气系统关键设备可靠通信问题。但对于载人运载火箭，还需要遵循“一度故障可靠、二度故障安全”的设计理念，以最大程度保证航天员的生命安全。双冗余总线方案意味着部分二度故障情况下，如2台冗余的交换机均损坏时，设备间无法实现正常数据交互，不满足二度故障安全的设计需求，发生故障后易发生箭毁人亡的灾难性后果。

4、现有技术2：如图2，美俄欧日加联合研发“深空之门”月球轨道空间站，由能源与推进模块(ppe)、居住模块(hm)、补给模块(lr)、多用途模块(mpm)等组成，空间站采用三冗余tte总线作为电气系统标准接口，实现高可靠强实时通讯需求。

5、三冗余tte总线的应用，满足了载人航天对二度故障安全的高可靠性要求。但从电气系统角度考虑，设备本身也存在功能失效的情况。不参与飞行控制的部分设备可容忍这种功能失效现象，但诸如飞行控制计算机等核心控制设备必须通过三模冗余、三取二表决等方式识别和隔离一度故障。由于每个冗余功能模块需要各对应1个多端口的tte终端节点，对于1台核心控制设备，包含的tte终端节点数量为3。即单台设备设计3个冗余的功能模块，共对应3个终端节点、9组以太网链路，如图2所示。这种为保证通信可靠性设计的tte通信网络拓扑会导致全电气系统总线规模偏大，客观上对全箭电气系统减重、设备内部电缆连接和对外出线等结构、电路工程实现造成不利影响。

6、现有技术3：美国将tte网络作为猎户座(orion)载人飞船的骨干网络，在双冗余总线网络基础上，增加非对称式交换机结构，从而获得更为充裕的冗余链路。其中如图3所示的交换机6、7、8为非对称交换机。

7、该方案仅在局部解决了总线二度故障下的可靠通信问题。对于网络中对称冗余的交换机二度故障情况，如交换机31、32同时故障，仍然会导致通信链路的整体异常。因此，按方案不能完全实现二度安全的设计理念。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了面向载人运载火箭的2-3模复合冗余tte通信网络拓扑结构，通过设计2-3模复合冗余tte通信网络拓扑，能够在保证载人运载火箭电气系统关键设备可靠性指标满足“二度故障安全”前提下，将系统总线电缆规模压缩至上述方案的2/3，能够有效降低tte总线复杂度与联网设备设计难度，实现全箭电气系统减重目的。

2、本发明的技术解决方案是：面向载人运载火箭的2-3模复合冗余tte通信网络拓扑结构，包括多台上网设备和交换机设备；

3、上网设备为接入tte总线的设备；每台上网设备均包括功能模块和tte端节点，每个tte端节点均引出至少两路冗余tte接口；

4、每台交换机设备包括至少三个独立冗余的交换机模块，用于实现数据交互；

5、上网设备的tte端节点以非对称方式与交换机设备之间进行双tte接口-三星型交换机模块的互联拓扑结构连接，实现各上网设备的功能模块之间的信息交互。

6、进一步地，所述上网设备包括第一类上网设备、第二类上网设备和第三类上网设备；所述第一类上网设备、第二类上网设备和第三类上网设备的端节点配套个数分别为三、二、一。

7、进一步地，所述双tte接口-三星型交换机模块互联拓扑结构包括第一类上网设备与交换机设备间采用的互联拓扑结构；第一类上网设备与交换机设备间采用的互联拓扑结构为：每个tte端节点的两个端口均分别通过线缆与交换机设备的任两个交换机模块的分别一个端口连接，不同tte端节点的两个端口中仅允许有一个端口连接至同一个交换机模块。

8、进一步地，所述两tte接口-三星型交换机模块互联拓扑结构包括第二类上网设备与交换机设备间采用的互联拓扑结构；第二类上网设备与交换机设备间采用的互联拓扑结构为：每个tte端节点的两个端口均分别通过线缆与交换机设备的任两个交换机模块的分别一个端口连接，不同tte端节点的两个端口中仅允许有一个端口连接至同一个交换机模块。

9、进一步地，所述两tte接口-三星型交换机模块互联拓扑结构包括第三类上网设备与交换机设备间采用的互联拓扑结构；第三类上网设备与交换机设备间采用的互联拓扑结构包括：

10、当第三类上网设备与第二类上网设备共同占用一个交换机设备时，第三类上网设备的tte端节点的两个端口分别通过线缆连接第二类上网设备与交换机设备连接完成后剩下的端口，且第三类上网设备的tte端节点的两个端口连接不同的交换机模块；

11、当第三类上网设备不与第一类上网设备占用同一个交换机设备，或不与第二类上网设备占用同一个交换机设备时，第三类上网设备的tte端节点的两个端口通过线缆分别与交换机设备的任两个交换机模块的分别一个端口连接。

12、进一步地，当数据发送端的上网设备为第一类上网设备或者第二类上网设备时，多个tte端节点按时隙顺序发送内容相同的tt消息。

13、进一步地，所述交换机设备包含的3个冗余交换机模块根据与之连接的上网设备的tte端节点发送的tt消息时隙不同，分别设置不同的信息流调度表。

14、进一步地，当数据接收端的上网设备为第一类上网设备或者第二类上网设备时，多个tte端节点按时隙顺序接收内容相同的tt消息。

15、进一步地，若某一级内交换机设备数量不大于2台，或者在级间交换机设备间，则采用三组交换机模块一对一顺序连接方式实现信息交互。

16、进一步地，若某一级内交换机设备数量大于2台，则指定一台交换机设备为主交换机设备，主交换机设备与级内其他交换机、级间交换机设备三组交换机模块间采用一对一星型连接方式实现信息交互。

17、本发明与现有技术相比的优点在于：

18、(1)本发明交换机采用三冗余模式，tte端节点采用双冗余设置，端节点与交换机间冗余模式不对称；避免了全箭采用三模对称冗余导致网络规模偏大的问题。能够在基本不改变运载火箭控制系统通信部分可靠性指标的前提下，将系统总线电缆规模降低至既有方案的近2/3，有效实现系统减重。

19、(2)本发明针对控制系统上网设备关键等级不同，配置不同的tte终端节点数量；可以在基本不改变运载火箭控制系统通信部分可靠性指标的前提下，减少终端节点物理端口数量；有利于压缩用于实现tte通信的变压器、phy芯片等元器件规模，更利于控制系统设备的小型化设计和节约成本；

20、(3)本发明重要上网设备和一般上网设备可以接入同一交换机设备不同交换机模块的同一序号端口；可以在基本不改变运载火箭控制系统通信部分可靠性指标的前提下，降低三冗余交换机端口的空闲率，能够明显减少交换机配套数量，节约产品成本，减小全箭控制系统设备功耗。

21、(4)核心上网设备三个端节点以非对称方式接入到三冗余交换机中，避免了部分一度故障导致的可靠性问题；避免了全箭采用双模对称冗余导致部分设备通信可靠性不足的问题。够在基本不改变运载火箭控制系统通信部分可靠性指标的前提下，将系统总线电缆规模降低至既有方案的近2/3，有效实现系统减重。