新一代箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)綜述

羅煜繽 李 洪 周廣銘 路 娟

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048)

1 引 言

為了精確地把握火箭整體狀況，在火箭飛行過(guò)程中，需要對(duì)火箭內(nèi)部的壓力、溫度、濕度、振動(dòng)等諸多參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，因此在火箭內(nèi)部按照需求布置了眾多功能各異的傳感器。在傳統(tǒng)的箭上測(cè)量系統(tǒng)中這些傳感器設(shè)備之間都通過(guò)電纜進(jìn)行連接。冗長(zhǎng)的電纜不僅為火箭帶來(lái)了多余的載荷，而且會(huì)給火箭內(nèi)部設(shè)備的布局和安裝造成影響，這就對(duì)箭上傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提出了新的要求。

隨著以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的新興通信技術(shù)的發(fā)展，具備自組織、可擴(kuò)展、高可靠特性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]技術(shù)進(jìn)入了人們的視野。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于對(duì)火箭艙段內(nèi)環(huán)境參數(shù)的無(wú)線測(cè)量，不但可以減少電纜布置時(shí)間、節(jié)約成本，還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的靈活布置、減輕重量，有效解決了研制階段中頻繁增添或改動(dòng)測(cè)點(diǎn)的需求，對(duì)提升工程進(jìn)度、減少人力消耗有著巨大的幫助。尤其在未來(lái)，隨著我國(guó)重型運(yùn)載火箭等新型號(hào)的發(fā)展，箭上布置的傳感器數(shù)量將以幾何倍數(shù)的形式遞增。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引進(jìn)，將對(duì)重型運(yùn)載設(shè)計(jì)難度的降低和運(yùn)載能力的提升起到至關(guān)重要的作用[2]。

目前，世界各國(guó)的箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研制工作仍處于初級(jí)階段，所使用的技術(shù)也各有不同，尚未形成一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?；诖嗽?，急需一個(gè)清晰的系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)引導(dǎo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形成。在總結(jié)各國(guó)現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了由能量(Energy)、協(xié)議(Protocol)、信號(hào)(Signal)、環(huán)境(Environment)和節(jié)點(diǎn)(Node)五個(gè)模塊構(gòu)成的EPSEN箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，針對(duì)未來(lái)新一代箭上無(wú)線傳感系統(tǒng)給出了設(shè)計(jì)建議和解決方案，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的模塊化設(shè)計(jì)，為工程人員開(kāi)展研制工作提供了技術(shù)保障。

2 現(xiàn)有系統(tǒng)

目前已搭載使用無(wú)線傳感器系統(tǒng)的火箭并不多，主要有日本的可重復(fù)使用飛行器實(shí)驗(yàn)(Reusable Vehicle Test,RVT)、歐洲的阿里安5號(hào)火箭、中國(guó)航天科技集團(tuán)的長(zhǎng)征3號(hào)乙火箭、中國(guó)零壹空間公司的OS-X0火箭及中國(guó)凌空天行公司的天行1號(hào)火箭。這五個(gè)火箭型號(hào)搭載的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有著不同的技術(shù)特點(diǎn)，下面將分別進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 RVT

日本宇航局近年來(lái)一直在嘗試將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布置在RVT中，并相繼提出了幾種設(shè)計(jì)方案。2014年在RVT上進(jìn)行了箭上健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)[3]，試驗(yàn)中設(shè)置了3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行壓力、溫度和氫氣的測(cè)量，工作人員通過(guò)PC控制基站向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信方面選擇920MHz作為發(fā)射頻段，使用ZigBee協(xié)議的物理層和時(shí)分復(fù)用的MAC層進(jìn)行組網(wǎng)通信，測(cè)量了不同情況下的接收信號(hào)強(qiáng)度和誤碼率，以此檢驗(yàn)通信的質(zhì)量。2015年做了第二次試驗(yàn)[4]，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目上升到了5個(gè)，仍進(jìn)行壓力、溫度和氫氣的測(cè)量。能量方面引入了微波傳能技術(shù)，通過(guò)在5.8GHz的頻段發(fā)送微波來(lái)進(jìn)行傳能。通信方面使用了2.4GHz頻段進(jìn)行射頻通信，通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行無(wú)沖突傳輸，測(cè)試時(shí)通過(guò)筆記本電腦與基站節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信獲取箭上數(shù)據(jù)。

2.2 阿里安5號(hào)火箭

為減少線纜負(fù)重，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在阿里安5號(hào)火箭儀器艙內(nèi)的遙感子系統(tǒng)中得到應(yīng)用[5]。遙感子系統(tǒng)利用紅外進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上集成了多種智能傳感設(shè)備，包括溫度傳感器、濕度傳感器、可見(jiàn)光強(qiáng)傳感器、紅外光強(qiáng)傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器和輸出精度為10bit的ADC。

遙感子系統(tǒng)的核心是通過(guò)一個(gè)微控制器來(lái)控制智能傳感器采集信息并進(jìn)行能量管理和數(shù)據(jù)通信。在通信方式的選取上，為了使火箭內(nèi)部所存在的電磁干擾最小化，采用紅外信號(hào)進(jìn)行通信，并利用儀器艙表面覆蓋的多層絕緣材料來(lái)反射信號(hào)，從而解決非直射通信的問(wèn)題。能源供給采用的是多功能太陽(yáng)能板，不僅可以通過(guò)它來(lái)為節(jié)點(diǎn)提供能量，而且可以通過(guò)它上面安裝的可見(jiàn)光通信設(shè)備來(lái)接收基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送的一些控制信息，比如節(jié)點(diǎn)喚醒等指令。由于紅外信號(hào)的類光特性，不像無(wú)線電波一樣可以向外發(fā)散，節(jié)點(diǎn)擺放的位置需要經(jīng)過(guò)預(yù)先計(jì)算，不利于在大規(guī)模無(wú)線傳感器系統(tǒng)中使用。目前阿里安5號(hào)火箭上只實(shí)現(xiàn)了單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與基站之間的通信，尚未完成多點(diǎn)組網(wǎng)。

2.3 長(zhǎng)征3號(hào)乙火箭

國(guó)內(nèi)最早搭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)征3號(hào)乙運(yùn)載火箭于2018年5月發(fā)射升空。此次發(fā)射中搭載了多種類型的傳感器，進(jìn)行溫度、濕度、壓力和高低頻振動(dòng)頻率的測(cè)量。測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送到發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)通過(guò)箭外的發(fā)射天線傳遞給地面接收站。

此系統(tǒng)主要針對(duì)以下四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究：環(huán)境適用性技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、能源控制技術(shù)和小型化要求[6]。環(huán)境適應(yīng)性方面主要考慮的是耐熱能力和電磁兼容性設(shè)計(jì)；無(wú)線通信方面，物理層采用了915MHz頻段ZigBee協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，MAC層利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)來(lái)避免傳輸沖突；能源控制方面采用了休眠機(jī)制，在無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布休眠指令進(jìn)行休眠，以便節(jié)省能量；小型化方面則是要求將電池、傳感器、嵌入式設(shè)備及射頻模塊封裝在一起時(shí)盡可能緊湊，以達(dá)到縮小節(jié)點(diǎn)體積的目的。

2.4 OS-X0火箭/天行1號(hào)火箭

OS-X0火箭和天行1號(hào)火箭的無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)自同一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，分別于2018年5月和2019年4月完成首飛，主要目的是解決使用電纜網(wǎng)造成的定制周期長(zhǎng)、負(fù)載重量大以及接插件引起的可靠性問(wèn)題。在OS-X0火箭中，信號(hào)體制方面率先采用了超寬帶(Ultra Wideband,UWB)通信技術(shù)[7]，并驗(yàn)證了其在艙內(nèi)傳輸?shù)目煽啃?；網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型主要是伺服系統(tǒng)的信令，對(duì)傳輸時(shí)延有很高的要求，為此研發(fā)團(tuán)隊(duì)定制了低時(shí)延保證的專有協(xié)議，相比傳統(tǒng)的ZigBee協(xié)議等更加輕量、可靠。

天行1號(hào)火箭在OS-X0箭上系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使專有協(xié)議適配了多種數(shù)據(jù)類型。在箭上實(shí)驗(yàn)中主要有伺服信令、視頻圖像和眾多傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，分別對(duì)應(yīng)低延遲、高吞吐和時(shí)間同步的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，定制的專有協(xié)議搭配上UWB技術(shù)取得了很好的傳輸效果。不過(guò)系統(tǒng)中仍存在一些需要改進(jìn)的地方，比如UWB的帶寬利用率太低，實(shí)驗(yàn)中在500M的帶寬內(nèi)只能傳輸6Mbps的數(shù)據(jù)。除此以外，箭上的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)仍使用電纜進(jìn)行供電，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性造成了一定限制。

2.5 技術(shù)比較

將上述五個(gè)系統(tǒng)按照能量供給方式、傳輸協(xié)議和信號(hào)體制三個(gè)方面進(jìn)行比較，其結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出，有些技術(shù)較為適應(yīng)未來(lái)箭上系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，比如RVT和阿里安5號(hào)的供能方式、OS-X0/天行1號(hào)的傳輸協(xié)議和信號(hào)體制；有些技術(shù)急需改進(jìn)，比如阿里安5號(hào)未曾進(jìn)行的組網(wǎng)設(shè)計(jì)、OS-X0/天行1號(hào)的有線供能。

表1 各類系統(tǒng)比較Tab.1 Comparison of various systems名稱能量協(xié)議信號(hào)RVT無(wú)線(5.8GHz微波傳能)時(shí)分復(fù)用2.4GHz 頻段射頻信號(hào)阿里安5號(hào)無(wú)線(光能)無(wú)紅外信號(hào)長(zhǎng)征3號(hào)乙無(wú)線(航天鋰電池)時(shí)分復(fù)用915Mhz頻段射頻信號(hào)OS-X0/天行1號(hào)有線專有協(xié)議UWB信號(hào)

綜上所述，從現(xiàn)有的系統(tǒng)中可以了解到?jīng)Q定系統(tǒng)性能的一些重要因素，比如能源供給方式、傳輸協(xié)議和信號(hào)體制等，但是由于沒(méi)有一個(gè)清晰的系統(tǒng)架構(gòu)的支撐，導(dǎo)致各個(gè)系統(tǒng)的整體表現(xiàn)都不盡如人意。因此，為了提升箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能，適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展需求，促進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形成，在下一章中提出了EPSEN系統(tǒng)架構(gòu)，并針對(duì)箭上不同的應(yīng)用場(chǎng)景和各類問(wèn)題給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議和解決方案。

3 EPSEN系統(tǒng)架構(gòu)

新一代箭上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)EPSEN由能量、協(xié)議、信號(hào)、環(huán)境和節(jié)點(diǎn)五個(gè)模塊組成，能量、協(xié)議、信號(hào)模塊是系統(tǒng)性能的決定因素，而環(huán)境、節(jié)點(diǎn)模塊是工程實(shí)用性的可靠保證。各個(gè)模塊之間相互影響，共同決定了整個(gè)箭載無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的性能。EPSEN的系統(tǒng)架構(gòu)及模塊之間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 EPSEN系統(tǒng)架構(gòu)及模塊間相互關(guān)系Fig.1 System architecture of EPSEN and module relationship

首先是能量模塊與其他模塊的相互關(guān)系：對(duì)能耗的不同需求將影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不同設(shè)計(jì)也將影響網(wǎng)絡(luò)的能耗；環(huán)境的惡劣與否會(huì)影響供能的可靠性需求；電池或供能設(shè)備的體積及形狀會(huì)影響節(jié)點(diǎn)整體的設(shè)計(jì)；不同的發(fā)射信號(hào)所帶來(lái)的能量消耗也不同。其次是信號(hào)模塊：不同的信號(hào)特性會(huì)影響協(xié)議的設(shè)計(jì)，比如紅外信號(hào)及光信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣播；環(huán)境對(duì)不同信號(hào)的衰減或干擾會(huì)影響信號(hào)的選擇；信號(hào)的收發(fā)裝置會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì)。然后是節(jié)點(diǎn)模塊：節(jié)點(diǎn)的損壞或能量耗盡會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響協(xié)議的設(shè)計(jì)；惡劣的箭上環(huán)境會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的可靠性和安全性提出要求。最后環(huán)境模塊會(huì)對(duì)協(xié)議的可靠性設(shè)計(jì)造成影響。下面將結(jié)合新一代箭上系統(tǒng)的特性，對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行介紹。

3.1 能量模塊

能量供給模塊是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的核心。傳統(tǒng)的箭上傳感網(wǎng)使用電纜進(jìn)行供電，對(duì)火箭的設(shè)計(jì)和性能造成了很大影響。新一代箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)能在不連接充電線纜的情況下完成供電，一般有自帶電池、光傳能、微波傳能、自供能四種形式。

3.1.1自帶電池

這是目前民用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最常用的做法，足夠簡(jiǎn)單可靠，配上低功耗芯片與合理的休眠機(jī)制，可以讓網(wǎng)絡(luò)工作很長(zhǎng)時(shí)間。箭上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以采用這個(gè)做法，但是由于箭上熱環(huán)境與震動(dòng)環(huán)境較為惡劣，對(duì)電池的可靠性與安全性提出了很高的要求。此外，由于不能充電，不適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用，比如未來(lái)將要開(kāi)展的火星、木星探測(cè)。

3.1.2光傳能

光傳能主要有兩種方法，一個(gè)是環(huán)境光傳能，一個(gè)是激光傳能。環(huán)境光傳能可以通過(guò)在箭內(nèi)布置一些固定的光源實(shí)現(xiàn)，激光傳能則需要在箭內(nèi)布置好節(jié)點(diǎn)之后再安裝激光發(fā)射器。環(huán)境光傳能的效率較低，激光傳能的效率較高，需根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

3.1.3微波傳能

微波傳能是近年無(wú)線傳能技術(shù)中研究的熱點(diǎn)，在日本的RVT實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到應(yīng)用。微波傳能的效率雖然不高，但是相比環(huán)境光傳能的效率提升了許多，并且由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的本身功率消耗很低，因此可以很好地滿足箭上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。

3.1.4自供能

所謂的自供能指的是利用無(wú)源傳感器的某種特性獲取自然或環(huán)境中的能量，從而維持自身正常工作[8]。箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是基于聲表面波的無(wú)源傳感器和基于能源材料的壓電無(wú)源傳感器，前者利用自身配備的叉指換能器將聲表面波的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為傳感器工作所需的電能，目前，NASA打算將其應(yīng)用于箭上健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[9]；后者利用壓電材料將火箭箭體產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，由于其產(chǎn)生的電壓較低，實(shí)用性還有待考證。

傳統(tǒng)的無(wú)線傳能技術(shù)中還有電磁耦合的方法，但是其傳輸距離過(guò)短，在箭上系統(tǒng)中尚未得到應(yīng)用。將上述四種供能方式進(jìn)行比較可以看出，微波傳能和自供能技術(shù)是新一代箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源技術(shù)的最佳選擇，具體在箭上應(yīng)用還需進(jìn)行深入的研究。

3.2 信號(hào)模塊

信號(hào)模塊是通信的基礎(chǔ)。主要的研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)信號(hào)體制，在物理層面保證傳輸?shù)乃俾始翱煽啃裕舷到y(tǒng)常用的主要有射頻、紅外或激光和UWB三種通信方式。

3.2.1射頻通信

射頻通信是無(wú)線通信中最常用的手段，也是目前市場(chǎng)中最成熟的技術(shù)。但是在火箭這類密閉艙體中使用射頻通信將會(huì)存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，并且信道特性類似梳狀濾波，給通信帶來(lái)了很大的難度，需要通過(guò)一些措施來(lái)減弱影響，比如減小碼速率、增加發(fā)射功率等。

3.2.2紅外或激光通信

紅外或激光方向性好，不易受電磁干擾，將其應(yīng)用于箭上固定場(chǎng)景的通信時(shí)具有極佳的性能。使用此技術(shù)將擺脫射頻通信存在的多徑效應(yīng)和梳狀濾波特性，但對(duì)于動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)的場(chǎng)景應(yīng)用受限，比如在對(duì)火箭進(jìn)行總裝測(cè)試時(shí)通常需要不停更換測(cè)點(diǎn)，每更換一次就需要對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)射器/接收器的角度進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3UWB通信

火箭密閉金屬艙不存在功率泄露，箭內(nèi)有著豐富的頻譜資源可供使用，具備了引入U(xiǎn)WB技術(shù)的條件。UWB通信是對(duì)射頻通信的拓展，它提出使用特別寬的頻帶來(lái)進(jìn)行通信，這將能很好地削弱信道梳狀濾波特性所帶來(lái)的影響。除此以外，通過(guò)犧牲頻帶利用率，增加冗余，來(lái)?yè)Q取通信的可靠性；通過(guò)高帶寬來(lái)?yè)Q取低時(shí)延；利用其功率擴(kuò)展特性來(lái)提升抗干擾的性能。但是采用UWB會(huì)帶來(lái)傳輸能耗的增加，因此需要搭配能量模塊共同進(jìn)行改進(jìn)。正是由于UWB的優(yōu)良性能，使其在箭上系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。

3.3 協(xié)議模塊

協(xié)議是通信質(zhì)量的保證。民用領(lǐng)域使用較多的WIFI和藍(lán)牙協(xié)議采用的CSMA/CA接入，具有強(qiáng)烈的時(shí)延抖動(dòng)，不利于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸；ZigBee協(xié)議傳輸速率較低，且激活、接入的時(shí)延較高。因此這幾類協(xié)議都不適合新一代箭載無(wú)線傳感網(wǎng)，需要專門為其進(jìn)行設(shè)計(jì)。協(xié)議模塊總共分為MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

3.3.1MAC層

由于隨機(jī)多址接入會(huì)帶來(lái)時(shí)延的不確定性，為保證接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使用固定多址接入。固定多址接入主要包括頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址等方法。頻分多址不適用于電磁環(huán)境較為復(fù)雜的箭上系統(tǒng)；碼分多址對(duì)箭上設(shè)備的計(jì)算能力和小型化提出了很高的要求；空分多址主要針對(duì)光通信和紅外通信這一類。綜上，箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)優(yōu)先考慮時(shí)分多址技術(shù)，這在目前已有的箭上系統(tǒng)中已經(jīng)得到驗(yàn)證。

3.3.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是箭上網(wǎng)絡(luò)中常常被忽視的一部分。目前箭上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍停留在小規(guī)模理論驗(yàn)證階段，匯聚節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)一跳覆蓋，因此網(wǎng)絡(luò)層直接使用的星型結(jié)構(gòu)。但隨著技術(shù)的發(fā)展和重型運(yùn)載火箭的研制，中規(guī)模、大規(guī)模箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到應(yīng)用，有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議進(jìn)行研究。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了不同的設(shè)計(jì)思路。

對(duì)于能量富裕的場(chǎng)景，路由協(xié)議所考慮的主要是對(duì)降低傳輸時(shí)延等QoS的保證。箭內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置發(fā)射前就已固定，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的位置將保持不變，因此可以在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)通過(guò)方位角、接收信號(hào)強(qiáng)度等方式構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，再根?jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃出符合QoS要求的路由。

對(duì)于能量受限的場(chǎng)景，路由協(xié)議所考慮的主要問(wèn)題應(yīng)該是節(jié)省能量，此時(shí)必須引入功率控制和睡眠調(diào)度機(jī)制等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂啤？梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小進(jìn)行分簇集群，在上層再引入多跳機(jī)制，以此達(dá)到節(jié)省能量的目的。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模大到一定程度的時(shí)候，單純分簇加多跳的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提升有限，此時(shí)可引入多匯聚節(jié)點(diǎn)[10]和多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)[11]的思想，在網(wǎng)絡(luò)中布置多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，并在其中加入一些計(jì)算能力和續(xù)航能力更強(qiáng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)[12]。雖然這使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但是網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間、傳輸時(shí)延等性能將得到極大的提升。

3.3.3傳輸層

傳輸層是目前箭上網(wǎng)絡(luò)中尚未進(jìn)行研究的一部分，因?yàn)閱翁W(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制可以直接通過(guò)分配重傳時(shí)隙來(lái)進(jìn)行重傳，而未來(lái)箭上的多跳網(wǎng)絡(luò)中則需要引入從源到宿的差錯(cuò)控制以保證傳輸?shù)目煽啃浴鹘y(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的TCP協(xié)議并不能直接應(yīng)用于箭上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槠湓诒ＷC傳輸可靠性的同時(shí)也帶來(lái)了巨大的通信開(kāi)銷。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制協(xié)議應(yīng)該盡可能地簡(jiǎn)單高效、公平可靠。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議主要分為兩類，一類是擁塞控制，另一類是可靠性保障，箭上網(wǎng)絡(luò)主要考慮的是第二類。具體協(xié)議應(yīng)該根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景下的鏈路質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3.4應(yīng)用層

應(yīng)用層協(xié)議是為了滿足應(yīng)用的特殊需求而專門設(shè)計(jì)的協(xié)議。比如為了保證箭上伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延盡可能小，則可以在協(xié)議中加入短報(bào)文敏捷傳輸技術(shù)和快速響應(yīng)技術(shù)；為了保證視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咄掏铝啃枨?，則可以為其設(shè)計(jì)輕量化壓縮包頭及分配較多的鏈路資源。箭上系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮任務(wù)的需求，并盡量使協(xié)議專有化和輕量化，從而達(dá)到更好的性能。

3.4 環(huán)境模塊

環(huán)境模塊并不是具體的軟硬件，而是為保障箭上系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行所必須考慮的針對(duì)環(huán)境因素的設(shè)計(jì)。環(huán)境模塊的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響到其余模塊的性能。關(guān)于環(huán)境模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮防熱、抗震和電磁兼容性兩個(gè)方面。

3.4.1防熱、抗震設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)分布在火箭的各部位，在火箭各級(jí)尾段的傳感器工作在極其惡劣的熱、力環(huán)境下，這就需要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的防熱、抗震設(shè)計(jì)，防止物理層面的損壞。

3.4.2電磁兼容性設(shè)計(jì)

火箭內(nèi)電子電氣設(shè)備相當(dāng)密集，使得整個(gè)箭內(nèi)的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，這就要求箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能與其余設(shè)備做到互不干擾。由于一般射頻信號(hào)的功率較低，因此主要考慮的是電磁環(huán)境對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的干擾。為了能夠合理地選擇通信頻帶，需要建立箭內(nèi)的無(wú)線信道傳播模型，常見(jiàn)的做法是先建立簡(jiǎn)化的信道模型，再根據(jù)實(shí)際測(cè)出來(lái)的頻率衰落特性對(duì)模型進(jìn)行修正。

3.5 節(jié)點(diǎn)模塊

節(jié)點(diǎn)模塊是針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)整體的設(shè)計(jì)要求。主要包括小型化設(shè)計(jì)、固定方式和安全性設(shè)計(jì)。

3.5.1小型化設(shè)計(jì)

隨著箭上測(cè)量需求的不斷增多，箭上傳感器的數(shù)目也日趨龐大。為了能在狹小的箭內(nèi)空間布置更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的體積應(yīng)盡可能小，這就要求對(duì)處理器設(shè)備、能源供應(yīng)設(shè)備和射頻設(shè)備分別進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，最后整體進(jìn)行小型化封裝。

3.5.2固定方式

為了能更加方便地布置和更換傳感器節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的打孔安裝方式在新一代箭上系統(tǒng)中不再適用，取而代之的是使用膠粘的形式。但使用膠粘存在節(jié)點(diǎn)異常脫落的風(fēng)險(xiǎn)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，粘貼膠的選取應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格把關(guān)，需對(duì)其物理性能、固化條件、機(jī)械性能、化學(xué)性能和電氣性能進(jìn)行深度測(cè)試。

3.5.3安全性設(shè)計(jì)

為保證箭上系統(tǒng)的可靠性，要求在有節(jié)點(diǎn)失效或故障時(shí)不能影響其余設(shè)備的正常工作，因此需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)。安全性設(shè)計(jì)主要是考慮節(jié)點(diǎn)在極端環(huán)境下的電池爆炸、漏電等影響，通過(guò)引入一定的保護(hù)措施使得風(fēng)險(xiǎn)最小化，保證箭上系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定地工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是新一代箭上測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的主要途徑，具有提升運(yùn)載能力、減少設(shè)計(jì)周期、測(cè)點(diǎn)布置靈活等優(yōu)勢(shì)。目前世界各國(guó)箭上系統(tǒng)的研究剛剛起步，針對(duì)箭上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)。于是在現(xiàn)有箭上系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新一代測(cè)量系統(tǒng)的需求，提出了新一代箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)EPSEN。不僅總結(jié)了現(xiàn)有系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，也針對(duì)未來(lái)運(yùn)載火箭的發(fā)展趨勢(shì)提出了新一代箭載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路。EPSEN所提出的設(shè)計(jì)思路是未來(lái)可期的，既能為現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)指明方向，又能為新一代箭上系統(tǒng)的研制提供理論依據(jù)。本文只給出了一些設(shè)計(jì)思路和解決方案，并沒(méi)有介紹具體的工程實(shí)現(xiàn)方法，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)真實(shí)的系統(tǒng)環(huán)境選擇相應(yīng)的技術(shù)手段，以完成箭上系統(tǒng)的研制工作。