基于在轨路由切换的自主故障处理方法和系统
阅读说明：本技术 基于在轨路由切换的自主故障处理方法和系统 (Autonomous fault handling method and system based on-orbit routing switching ) 是由 张海 邹亿 张旭光 王献忠 褚英志 查宏瑞 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于在轨路由切换的自主故障处理方法和系统,以综合电子计算机为核心,通过1553B、RS422总线通信,实现与测控、姿轨控、太阳翼、载荷等分系统单机或模块的互联互通,各分系统以单机或模块形式实现备份,备份形式有双热备份或一热一冷备份,当因空间环境辐射影响或自身故障原因,某单机或模块失效,需要及时从总线网络上隔离并切换备份单机,实现业务功能不中断。本发明可以在对实时性、安全性可靠性要求苛刻的环境下,如深空探测环境,通过在轨路由的自主切换,提升系统的故障容错性。(The invention provides an autonomous fault processing method and system based on-orbit route switching, which take a comprehensive electronic computer as a core, realize the interconnection and the intercommunication with a single machine or a module of a measurement and control, attitude and orbit control, a solar wing, a load and other sub-systems through 1553B, RS422 bus communication, realize the backup of each sub-system in a single machine or module form, and the backup form has double hot backup or one hot and one cold backup. The invention can improve the fault tolerance of the system by the autonomous switching of the on-track route in the environment with strict requirements on real-time performance, safety and reliability, such as a deep space exploration environment.)
技术领域
本发明涉及深空探测技术领域，具体地，涉及一种基于在轨路由切换的自主故障处理方法和系统。
背景技术
火星深空探测项目“日凌”期间测控链路中断，长时间无地面测控支持，地火转移阶段长达200天以上，单次通信时延最长超过45分钟，期间将实施多次“中途修正、深空机动”等关键动作，某些阶段的关键程控指令动作只有一次机会，无法通过传统飞控“星地遥测和指令大回路比对方法”来满足深空实时飞控需求。因此飞行器对故障诊断和自主处理的需求远远大于近地卫星的需求，能否实时诊断故障并自动切换不同冗余模块或单机，确保指令正常转发和执行，是确保任务成功的关键。
目前在航天领域，尚无采用通过两种不同类型网络的路由切换，来实现故障自动诊断与处理的先例。与路由切换的相关专利比较研究，一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法(CN105979557A)，该专利利用低轨卫星星座节点卫星为移动终端提供的服务信号强弱及点波束服务方位，采用序贯决策路由切换对低轨卫星星座进行最优化卫星切换。路由切换方法和系统以及路由设备(CN106856453A)，该专利通过采用入节点路由设备向下游发布误比特率测量消息，使入节点路由设备能够根据下游测量节点路由设备的测量情况确定传输路径，实现了根据流量的误比特率来进行路由的切换的效果。一种应用于路由中断的实时自动切换装置及方法(CN106209619A)，实现当主链路路由器发生断路时自动切换到备用路由器。这些路由切换相关的专利，不能应用于航天领域的专用电子系统架构，没有考虑应用于两种不同的异构网络中作切换，也没有考虑终端设备的冷热状态等。
专利文献CN109219105B(申请号：CN201710518731.9)公开了一种路由切换方法以及路由切换系统，涉及移动通信领域。其中的方法包括：在网络节点以及多个客户系统内分别设置路由心跳服务器；位于网络节点的路由心跳服务器通过心跳消息分别与位于多个客户系统的路由心跳服务器进行通信，并根据心跳消息的心跳响应消息确定故障业务路由；利用备用业务路由代替故障业务路由。然而该专利不能应用于航天领域的专用电子系统架构，没有考虑应用于两种不同的异构网络中作切换，也没有考虑终端设备的冷热状态等。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于在轨路由切换的自主故障处理方法和系统。
根据本发明提供的基于在轨路由切换的自主故障处理方法，包括：
步骤1：根据CCSDS指令包中的APID，查询1553B总线的RT地址或RS422串口的终端地址，并根据路由地址转发给相应1553B或RS422终端；若一终端同时挂载RS422和1553B总线上，优先从1553B总线发送指令或注数；
步骤2：启动1553B通信，查询各RT的遥测发送请求，根据RT地址向各RT发送1553B总线矢量字命令；
步骤3：向各RS422终端每0.5s发送RS422遥测采集命令；
步骤4：根据1553B总线各RT的矢量字请求，组织RT的遥测发送；
步骤5：读取各RS422端口的终端遥测；
步骤6：初始化1553B总线上RT序号，初始值i＝0，
步骤7：判断1553B总线第i个RT的遥测是否更新，若未更新，第i个RT的故障计数M_Err(i)＝M_Err(i)+1，否则判断下一个RT状态；
步骤8：若第i个RT的故障计数M_Err(i)>5，则判断该1553B总线RT是冷备份还是热备份，若是热备份，将第i的RT的地址换成热备份地址；若是冷备份，则发送第i个RT的冷备份开机指令，并将第i个RT的地址换成冷备份地址；若RT同时挂载在1553B总线和RS422总线，且1553B总线上的主备份接口均通信失效，则切换为从RS422通信；
步骤9：重复执行步骤7～步骤8，完成对1553B总线上所有RT的遥测状态监测与路由地址切换；
步骤10：若所有RT的遥测均未更新，则对综合电子BC端控制1553B芯片的FPGA复位，消除综合电子BC端的1553B通信自身故障：
步骤11：初始化RS422终端序号，初始值j＝0；
步骤12：判断RS422第j个端口的遥测是否更新，若未更新，则第j个RS422终端的故障计数R_Err(j)＝R_Err(j)+1，否则判断下一个RS422端口的状态；
步骤13：若第j个RS422串口终端的故障计数R_Err(j)>5，则判断该RS422串口终端是冷备份还是热备份，若是热备份，将第j个RS422终端切换为备份路由地址，若是冷备份，则发送第j个RS422终端的冷备份开机指令，将第j个RS422路由地址换成冷备份地址；
步骤14：重复执行步骤12～步骤13，完成对RS422串口上所有终端的遥测状态监测与路由地址切换；
步骤15：若所有串口终端的遥测均未更新，则对综合电子控制RS422芯片的FPGA复位，消除综合电子RS422通信自身故障；
步骤16：若所有1553B的RT和RS422端口的遥测均未更新，则综合电子计算机切备机；
步骤17：重复执行步骤1～步骤16，实现基于在轨路由切换的自主故障处理流程。
优选的，对1553B总线和RS422总线，以单机或模块形式实现备份，备份形式有包括双热备份和一热一冷备份；
当因空间环境辐射影响或自身故障原因，某单机或模块失效时，从总线网络上隔离并切换备份单机，实现业务功能不中断。
优选的，对1553B总线和RS422总线的路由地址统一定义，按照总线类型、分系统单机识别、模块识别，实现注数和指令的统一寻址。
优选的，对各终端的工作状态实时监测，遍历1553B总线和RS422总线网络中的所有终端；
对故障处理实施分级处理，在监测到终端发生故障时，首先对故障模块切换，其次对故障单机进行切换，若故障依然不能消除而且整个1553B总线或RS422总线全局发生故障，则对综合电子计算机的1553B或RS422控制FPGA进行硬件复位，若依然不能故障处理，则对综合电子计算机的处理器模块实现主备切换。
优选的，在单机、模块切换时，在冷备份方式下，增加发送开机指令以及等待时间；
在单机、模块发生切换时，对网络路由地址进行相应切换，为后续注数指令转发提供依据。
根据本发明提供的基于在轨路由切换的自主故障处理系统，包括：
模块M1：根据CCSDS指令包中的APID，查询1553B总线的RT地址或RS422串口的终端地址，并根据路由地址转发给相应1553B或RS422终端；若一终端同时挂载RS422和1553B总线上，优先从1553B总线发送指令或注数；
模块M2：启动1553B通信，查询各RT的遥测发送请求，根据RT地址向各RT发送1553B总线矢量字命令；
模块M3：向各RS422终端每0.5s发送RS422遥测采集命令；
模块M4：根据1553B总线各RT的矢量字请求，组织RT的遥测发送；
模块M5：读取各RS422端口的终端遥测；
模块M6：初始化1553B总线上RT序号，初始值i＝0，
模块M7：判断1553B总线第i个RT的遥测是否更新，若未更新，第i个RT的故障计数M_Err(i)＝M_Err(i)+1，否则判断下一个RT状态；
模块M8：若第i个RT的故障计数M_Err(i)>5，则判断该1553B总线RT是冷备份还是热备份，若是热备份，将第i的RT的地址换成热备份地址；若是冷备份，则发送第i个RT的冷备份开机指令，并将第i个RT的地址换成冷备份地址；若RT同时挂载在1553B总线和RS422总线，且1553B总线上的主备份接口均通信失效，则切换为从RS422通信；
模块M9：重复调用模块M7～模块M8，完成对1553B总线上所有RT的遥测状态监测与路由地址切换；
模块M10：若所有RT的遥测均未更新，则对综合电子BC端控制1553B芯片的FPGA复位，消除综合电子BC端的1553B通信自身故障：
模块M11：初始化RS422终端序号，初始值j＝0；
模块M12：判断RS422第j个端口的遥测是否更新，若未更新，则第j个RS422终端的故障计数R_Err(j)＝R_Err(j)+1，否则判断下一个RS422端口的状态；
模块M13：若第j个RS422串口终端的故障计数R_Err(j)>5，则判断该RS422串口终端是冷备份还是热备份，若是热备份，将第j个RS422终端切换为备份路由地址，若是冷备份，则发送第j个RS422终端的冷备份开机指令，将第j个RS422路由地址换成冷备份地址；
模块M14：重复调用模块M12～模块M13，完成对RS422串口上所有终端的遥测状态监测与路由地址切换；
模块M15：若所有串口终端的遥测均未更新，则对综合电子控制RS422芯片的FPGA复位，消除综合电子RS422通信自身故障；
模块M16：若所有1553B的RT和RS422端口的遥测均未更新，则综合电子计算机切备机；
模块M17：重复调用模块M1～模块M16，实现基于在轨路由切换的自主故障处理流程。
优选的，对1553B总线和RS422总线，以单机或模块形式实现备份，备份形式有包括双热备份和一热一冷备份；
当因空间环境辐射影响或自身故障原因，某单机或模块失效时，从总线网络上隔离并切换备份单机，实现业务功能不中断。
优选的，对1553B总线和RS422总线的路由地址统一定义，按照总线类型、分系统单机识别、模块识别，实现注数和指令的统一寻址。
优选的，对各终端的工作状态实时监测，遍历1553B总线和RS422总线网络中的所有终端；
对故障处理实施分级处理，在监测到终端发生故障时，首先对故障模块切换，其次对故障单机进行切换，若故障依然不能消除而且整个1553B总线或RS422总线全局发生故障，则对综合电子计算机的1553B或RS422控制FPGA进行硬件复位，若依然不能故障处理，则对综合电子计算机的处理器模块实现主备切换。
优选的，在单机、模块切换时，在冷备份方式下，增加发送开机指令以及等待时间；
在单机、模块发生切换时，对网络路由地址进行相应切换，为后续注数指令转发提供依据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可以在对实时性、安全性可靠性要求苛刻的环境下，如深空探测环境，通过在轨路由的自主切换，提升系统的故障容错性。
附图说明
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：
图1为深空探测基于在轨路由切换的自主故障处理系统组成框图；
图2为基于在轨路由切换的自主故障处理流程图；
图3为指令遥控包CCSDS格式图。
具体实施方式
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。
实施例：
典型深空探测器的数据管理系统设计是以综合电子计算机为核心，通过1553B、RS422总线通信，实现与测控、姿轨控、太阳翼、载荷等分系统单机或模块的互联互通，如图1。一般的为了实现容错和冗余，各分系统以单机或模块形式实现备份，备份形式有双热备份或一热一冷备份。当因空间环境辐射影响或自身故障原因，某单机或模块失效，需要及时从总线网络上隔离并切换备份单机，实现业务功能不中断。
本发明针对星上冗余设备冷热备份的网状通信架构，设计基于在轨路由切换的自主故障处理方法，来提升系统的故障容错性。具体来说，按照1553B或RS422总线类型、分系统单机识别、模块识别等，实现注数和指令的统一寻址；对各终端的工作状态实时监测，对故障处理实施分级处理，即在监测到终端发生故障时，首先对故障模块切换，其次对故障单机进行切换，若故障依然不能消除而且整个1553B总线或RS422总线全局发生故障，则对综合电子计算机的1553B或RS422控制FPGA进行硬件复位，若依然不能故障处理，则对综合电子计算机的处理器模块实现主备切换；在单机、模块切换时，考虑冷热备份方式，即在冷备份方式下，需要发送开机指令以及等待时间；在单机、模块发生切换时，相应的网络路由地址同样切换，为后续注数指令转发提供依据。通过以上自主故障处理方法，实现在轨设备发生故障时，能及时切换并确保指令或注数的正常转发和执行。
为进一步对本发明进行详细说明，以采用本发明设计的深空探测基于在轨路由切换的自主故障处理系统为例。该系统依赖于综合电子、GNC和载荷等分系统，主要由综合电子计算机、挂载在1553B总线上的各载荷，挂载在RS422总线上的测控、太阳翼、GNC等平台分系统的单机等组成。
综合电子处理器板正常采用双机热备份模式,A机为有权机,B机为无权机。若B机工作在冷机模式,只有在准自主开B机的状态下,硬件才会在A机故障的情况下自主发出管理单元开B机命令，恢复至双热机模式,此时B机内部没有地面上注的延时指令等数据。当A机发生故障时，由处于热备的B机进行自主切权,获取控制权的单机继续进行控制,禁止对外发送延时指令。
各类指令遥控包的标准数据格式如图3所示。
遥控包主导头总长为6字节，包括：
a)B0-B2：版本号，固定为“000”；
b)B3：类型，固定为“1”，表示遥控包；
c)B4：副导头标志，固定为“0”，表示没有副导头；
d)B5-B15：应用过程标识(APID)，见表2详细描述；
e)B16-B17：包序列标志
f)B18-B31：包名称或序列计数，对于独立包，表示包名称；
g)B32-B47：包长，为遥控包数据域长度减1；
遥控包数据域：偶数个字节，数据域的最后2字节为和校验码，表示数据域(不包含和校验码)按字异或结果。
各单机及模块APID路由地址分配约定如下：
基于在轨路由切换的自主故障处理流程见图2，具体步骤如下：
1)综合电子计算机查询待发注数指令队列，根据CCSDS指令包中的APID，查询1553B总线的RT地址或RS422串口的终端地址，并根据路由地址转发给相应1553B或RS422终端；若一终端同时挂载RS422或1553B总线上，优先从1553B总线发送指令或注数。
2)综合电子计算机启动1553B通信，查询各RT的遥测发送请求，主要是根据RT地址，向各RT发送1553B总线矢量字命令；
3)综合电子计算机向各RS422终端，每0.5s发送RS422遥测采集命令；
4)综合电子计算机根据1553B总线各RT的矢量字请求，组织RT的遥测发送；
5)综合电子计算机读取各RS422端口的终端遥测；
6)1553B总线上RT序号，初始值i＝0，
7)判断1553B总线第i个RT的遥测是否更新,若未更新，第i个RT的故障计数M_Err(i)＝M_Err(i)+1，否则判断下一个RT状态；
8)若第i个RT的故障计数M_Err(i)>5，则判断该1553B总线RT是冷备份还是热备份，若是热备份，将第i的RT的地址换成热备份地址，若是冷备份，发送第i个RT的冷备份开机指令，并将第i个RT的地址换成冷备份地址；若某RT同时挂载在1553B总线和RS422总线且1553B总线上主备份接口，均通信失效，则切换为从RS422通信。
9)重复(7)～(8)，完成对1553B总线上所有RT的遥测状态监测与路由地址切换；
10)若所有RT的遥测均未更新，则对综合电子BC端控制1553B芯片的FPGA复位，消除综合电子BC端的1553B通信自身故障。
11)RS422终端序号，初始值j＝0；
12)判断RS422第j个端口的遥测是否更新，若未更新，则第j个RS422终端的故障计数R_Err(j)＝R_Err(j)+1，否则判断下一个RS422端口的状态
13)若第j个RS422串口终端的故障计数R_Err(j)>5，则判断该RS422串口终端是冷备份还是热备份，若是热备份，将第j个RS422终端切换为备份路由地址，若是冷备份，发送第j个RS422终端的冷备份开机指令，将第j个RS422路由地址换成冷备份地址；
14)重复(12)～(13)，完成对RS422串口上所有终端的遥测状态监测与路由地址切换；
15)若所有串口终端的遥测均未更新，则对综合电子控制RS422芯片的FPGA复位，消除综合电子RS422通信自身故障。
16)若所有1553B的RT和RS422端口的遥测均未更新，则综合电子计算机切备机；
17)重复上述步骤实现基于在轨路由切换的自主故障处理流程。
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、装置及其各个模块以外，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、装置及其各个模块以逻辑门、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程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块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程序的模块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模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种信号传输方法、系统、设备及存储介质