背景
空間站是一個遠離地球獨立、長期在太空中服務的多功能體，一般由多個功能模組或功能艙構成的，航天員要在上面工作和生活，要進行艙外活動等，要對各個功能艙的狀態進行監視，要在各個功能艙間進行信息互動，要完成各種試驗，要與地面建立信息交控鏈路。空間站信息系統就是為了支持空間站在軌運行和有效載荷的操作，為各種信息的處理和傳輸提供一個高速、寬頻綜合的區域網路。
空間站信息系統的發展趨勢是將各個獨立發展的若干系統集成為一個統一的系統，構成一個寬頻綜合業務網路，這將簡化空間站系統的複雜度，提高系統的可靠性。統一的空間站信息系統是空間站電子技術的發展方向。
發展現狀
國外發展現狀
國際空間站的網路體系框圖目前國際空間站代表了國際上空間站發展的技術水平。國際空間站是全面採用CCSDS-AOS 體制的複雜星載信息系統，它是由四個區域網路通過網關互聯而構成信息系統的，數據經過虛擬信道鏈路控制器和合分路器後，進入兩個射頻信道與地面站進行通信，國際空間站的網路體系結構如圖1 所示。其中俄羅斯的服務艙和美國的實驗艙的電子系統最複雜，它們既是空間站自主運行的控制中心，又是信息系統的控制中心。
國內發展現狀
制器和合分路器後，進入兩個射頻信道與地面站進行通信，國際空間站的網路體系結構如圖1 所示。其中俄羅斯的服務艙和美國的實驗艙的電子系統最複雜，它們既是空間站自主運行的控制中心，又是信息備間的通信介質，匯流排分為兩級，第一級為整船級，即數管系統的1553B 匯流排，它將全船各分系統的設備連線在一起，實現全船的信息共享；第二級為各分系統的1553B 匯流排，如有效載荷的1553B 匯流排，該匯流排將分系統內部的設備連線在一起，完成分系統內部的數據交換，其匯流排控制器又掛在數管系統的1553B 匯流排上，能實現與飛船和地球站的數據傳輸。
我國空間站信息系統的構成方案設計
空間站信息系統的結構選擇原則空間站信息系統的結構選擇原則，重點考慮可靠性、通信性能、可擴展性、複雜度、體積功耗等問題。
首先是可靠性，因為信息系統是全站信息交換的命脈，所以對可靠性的要求是極高的。一般認為，空間站信息系統通信的可靠性應該在設計壽命期不低於0.99。其次，通信性能一般以通信鏈路的頻帶或最大數據率（byte/s）來描述。此外，空間站信息系統的結構選擇還要考慮系統軟硬體本身的複雜性，以及系統所需的功耗、重量、體積等。空間站信息系統的結構選擇應特別注重系統的可擴展性，即改變系統容量時引起軟硬體改變的程度。
要同時在上述指標都達到最優是很困難的，我們只能從系統最佳化原則出發，選擇較好的結構。常見的區域網路的結構有：匯流排形，星形，樹形，環形和網狀網路等五種。
從可靠性上來講星形和樹形結構存在單點失效，最不可取。環形的可靠性雖然可以用雙向通信來彌補，但容錯能力不高，而且通信時延長。匯流排型尤其是1553B 匯流排廣泛套用於航空和航天領域，它的模組化程度較高，使其可維修性和可擴展性好。但是它有兩個致命的短處：其一是存在可靠性瓶頸，匯流排上有較多的單點失效部位，使之長壽命高可靠難以實現，同時它的功耗很大，系統複雜；其二，匯流排上是主從回響式分時通信，效率較差，每個結點機可用的通信容量太少，尤其在需要任意兩結點之間進行通信時，必須要有防止匯流排衝突的仲裁策略，對提高通信速率是不利的。因此，匯流排型的方案不太適合作為空間站信息系統的核心網路。
相對於其他拓撲結構，網狀拓撲具有一些優點。首先，網狀拓撲具有很高的可靠性和極強的健壯性。當一條鏈路不可用時，並不會使整個網路癱瘓。第二，使用專用鏈路使得設備之間的數據負載由專門的連線承擔，避免了共享鏈路中的通信量問題。最後，點到點鏈路使故障識別和故障隔離十分容易。網路流量可以選擇路由，避開有問題的鏈路。這種便利使網路管理員能精確定位故障，並幫助找出故障原因和解決方案。
網狀拓撲的主要缺點在於所需要的電纜和設備上輸入輸出連線埠的數量過於巨大。因此，網狀拓撲通常只在有限的方式下使用，作為主幹來連線主機。而相對於空間站信息系統的核心網路來講，由於節點數量有限一般不大於四個，節點連線埠數和連線電纜數都是工程上可接受的。因此網狀拓撲的網路結構作為優選結構套用於空間站信息系統。
我國空間站信息系統的體系結構選擇
按照上述設計準則，並根據我國的實際情況，根據空間站的發展階段、規模及任務要求，進行規劃和設計，提高網路的可靠性和通信效率。
空間站信息系統的體系結構的選取要折衷考慮設計的複雜程度、設計約束，是否可靠、易於裁剪和擴展。對匯流排網路和網狀網路進行折衷，採用多級網路是我國空間站信息系統的體系結構的優選結構。
我國空間站信息系統的構成方案構想
根據目前的技術和技術的發展，空間站信息系統可有兩種實現方案。
1. 我國空間站信息系統的拓撲方案1
該方案按照業務功能的不同，核心網路採用若干相對獨立的網路構成。根據業務需求的不同，各核心網路可以採用不同的網路層次，採用不同的網路結構、協定和標準。不同的核心網路之間採用網關進行連線，實現核心網路之間必要的通信聯繫。圖2 為該方案的拓撲結構圖。
我國空間站信息系統拓撲方案1按照空間站功能艙的布置，或按信息功能的不同分為若干個相對獨立的核心網路，按照每個艙段或功能的複雜程度選擇相應的網路協定，這些網路之間通過網關實現必要的通信。按功能艙還是按信息功能劃分網路，需根據空間站的規模和任務來確定。同時，同一核心網路是採用一級網路還是多級網路，也應按該核心網路的規模和複雜程度來確定。
方案1信息系統核心網路按功能可以分為工程管理網、通信網、航天員的操作控制網、載荷試驗網等。對於工程管理網、航天員的操作控制網可以採用較為成熟的網路和協定，甚至採用COS協定。載荷試驗網由於數據量大通信速率高，因此需要採用高速網路和協定。該方案信息系統的核心網路示意圖如圖3 所示。每個功能網路根據本網路的功能可以採用分層的網路結構，下層網路根據套用的不同可以採用不同的網路，如1553B 匯流排網路。
從上述方案中可以看出，該核心網路由多個網路構成，每個網路按適應本功能的要求來構造，針對性強，同時帶來信息系統網路複雜、擴展性差，網路之間需要增加網關來實現互通。該方案適合近期空間站的套用和建設。
我國空間站信息系統的拓撲方案2
我國空間站信息系統的拓撲方案2結構圖該方案的核心網路採用一個寬頻綜合業務網路構成，採用統一網路協定和標準，根據業務需求的不同，可以採用不同的網路層次，不同的低層網路可以採用不同的網路協定和標準。該方案的拓撲結構圖參見圖4。
方案2信息系統核心網路該方案信息系統的核心網路示意圖如圖5 所示，信息系統根據空間站的實際規模和功能艙的數量，確定節點數量，每個節點以交換機為核心構成，通過交換機的連線埠利用光纖和相鄰的節點相連，組成了一個網狀的拓撲結構，實現了多路由。
下層網路根據套用的不同可以採用不同的網路，這些子網通過與交換機相連實現不同接口不同協定之間的互通。
從上述方案中可以看出，該核心網路由單一網路構成，擴展性好，不存在信息互通的問題，同時對底層數據單元提出了更高的要求，要求數據單元按照協定產生數據，或是在中間增加協定轉換設備，增加了網路的實現難度。本方案是空間站信息系統發展的方向。
網路體制選擇
為了能採用統一的方式對現有各種不同速率的業務和將來可能出現的業務在網路中進行傳輸和交換，空間站信息系統考慮採用分組交換的體制。分組交換體制包括定長分組和不定長分組兩類。
定長分組交換技術的代表主要有ATM 技術和類ATM 技術。ATM 是被國際電聯選定的B-ISDN體制，是面向連線的傳輸模式，融合了電路交換和分組交換的優點，即面向連線、保證服務質量和統計復用技術，高速率、低時延的多路復用交換技術。定長的信元結構便於用純硬體來實現高速交換，因為僅需要地址域中的比特來選擇要轉送的通道，理論上交換速率只受硬體的晶片性能影響。ATM 具有相當完善的流量控制功能和擁塞控制功能，具有完備的服務質量保障機制，所以，ATM 被廣泛的用於骨幹交換網。缺點是：由於任何形式的信息輸入ATM 網路就會轉換為信元，即信息通過適配層分割/組裝成固定長度的信元，使得設備實現複雜、功耗高、價格貴、實現成本高。
不定長分組交換體制的主要代表技術是IP 交換。伴隨著Internet 的高速發展，IP 成為當前計算機網路套用中的當然標準和開放式系統平台。它是一種端到端的無連線通信技術，其特點是“盡力傳送”，在全網採用統一IP 地址，通過IP 數據報和IP 地址禁止網路底層的差異，便於互連各種網路，廣泛套用於數據型套用的骨幹網上。
在空間通信中直接套用IP，目前存在一些套用的限制，特別是同步軌道衛星通信系統，存在時延長、誤碼率高和頻寬不對稱等問題，嚴重影響了TCP/IP的性能，而在空間站內部則不存在這些限制。空間站內的環境與地面環境很相似，可以類比為一個辦公大樓或相鄰的幾個辦公大樓。空間站的物理空間很有限，導致空間站內的信息傳輸時延很小，同時在空間站內採用光纖等有線傳輸介質，可以保證很好的傳輸質量，因此在空間站內直接套用IP 是不存在技術限制的。而空間站與地面或其他星際網路通信時存在長時延、誤碼率高等影響IP 高效工作限制，需要考慮改進措施。
基於上述分析，同時考慮空間站的網路構成，空間站信息系統的技術體制可以統一到IP 上。
我國空間站信息系統研究中的關鍵技術
由於空間站信息系統與傳統的測控系統相比，從概念到實現方法和手段上都有顯著差別，無論從系統的物理結構還是數據傳輸協定方面都需要解決很多技術問題，主要包括如下研究內容：
（1）網路體制研究
空間站的特殊套用環境和要求決定了空間站信息系統要從整體層面和系統層面上進行空間站信息系統網路體制研究。它是空間站信息系統的核心，對它有高性能、高可靠性的要求，因此開發適用的網路是實現新型空間站信息系統的基礎。
（2）CCSDS 標準的研究
CCSDS 緊緊跟隨空間任務需求，不斷開發空間數據與信息傳輸新標準，我們可以從它的網站上了解其最新動態。CCSDS 提出的研究方向，大部分也是我們中長期需要開展研究的方向，是空間數據系統的技術發展前沿。通過研究CCSDS，並根據我國的實際情況，建立與CCSDS 相兼容的標準。
（3）網路匯流排及接口標準的研究
空間站信息系統構成一個區域網路，同時又採用子網式的分層結構，而又有不同的匯流排標準，如FD-DI、1553B、IEE E802.3、IEEE802.4、ATM、SDH 等標準。對於子層網路又有多種匯流排及標準，如1553B 匯流排、串列通信線（RS-422、RS-485）、工業標準匯流排（SM 系統管理匯流排、CAN 匯流排、TM 測試管理匯流排等）。這就需要根據空間站的實際套用環境和要求，研究適合空間站的網路匯流排及相應的標準。
（4）信息系統軟體技術與結構研究
高可靠的網路需要高可靠軟體系統支持。這樣，嵌入式實時作業系統，開發、仿真、測試一體化平台將成為實現空間站數據系統的支柱，要求在軟體開發中保證軟體工程化管理，開發容錯軟體。研究軟體的構造技術，軟體的模組化技術，研究軟體的容錯技術、可靠性技術。研究和實現空間站的自主運行技術。
（5）數據安全技術的研究
數據安全技術是一切網路系統的關鍵技術，同樣也是空間站信息系統的關鍵，但是由於運行環境不同，所採用的加密技術也有較大的差異。
（6）可靠性、安全性和容錯性技術研究
空間站的高可靠性和安全性對空間站信息系統提出了更高的要求，需要研究提高空間站信息系統可靠性、安全性的措施，研究空間站信息系統的容錯措施、冗餘措施，包括計算機系統的容錯冗餘措施、匯流排的容錯冗餘措施。需要研究故障檢測、故障隔離技術，需要研究空間站設備的空間環境適應性技術。
