基于內部總線的控制系統(tǒng)體系結構

姚 寧，朱 琦，曹榮向，周劍敏

（北京控制工程研究所，北京 100190）

技術交流

基于內部總線的控制系統(tǒng)體系結構

姚 寧，朱 琦，曹榮向，周劍敏

（北京控制工程研究所，北京 100190）

控制系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺的關鍵分系統(tǒng).由于各衛(wèi)星總體任務的不同，各衛(wèi)星對控制系統(tǒng)的要求也不斷變化，使得控制系統(tǒng)的配置隨著任務的不同而發(fā)生較大變化，對控制系統(tǒng)的體系結構產生較大的影響.對目前控制系統(tǒng)體系結構的特點進行分析，提出基于內部總線的控制系統(tǒng)體系結構以適應不斷變化的配置需求，并進行可行性分析.分析結果表明這種體系結構有利于系統(tǒng)的配置變化和帶寬的提高，能滿足不同平臺任務的需要.

控制系統(tǒng)；體系結構；內部總線

國內衛(wèi)星控制系統(tǒng)經過數十年的發(fā)展，已經完成了帆板驅動機構、動量輪、紅外地球敏感器、星敏感器等部件的國產化，普遍采用基于串口和集中供電的體系結構.

當前國內的衛(wèi)星發(fā)展很快，逐步形成了不同的平臺要求，如測繪衛(wèi)星平臺對控制穩(wěn)定度提出了更高要求，敏捷平臺對機動能力提出了新的要求，主要體現在以下幾個方面：1）由于圖像處理和定位精度要求的提高，對控制系統(tǒng)（AOCS）內部的時鐘精度要求更高，同時要求控制分系統(tǒng)能夠提供更高頻率的星敏感器和陀螺數據.因此AOCS需要采用GPS或者數管提供的秒脈沖信號對系統(tǒng)內部進行校時，陀螺數據和星敏感器數據的采集也采用硬同步機制，AOCC數據采集的時序更為復雜.2）敏捷平臺衛(wèi)星對敏捷能力提出更高要求，在滾動方向和俯仰方向均提出快速姿態(tài)機動要求.考慮整星的質量特性，動量輪已不能實現衛(wèi)星的姿態(tài)機動要求，需要采用控制力矩陀螺.3）衛(wèi)星平臺對自主數據管理、自主任務規(guī)劃提出了新的要求，因此在后續(xù)任務中可能要求控制系統(tǒng)自主計算控制中繼天線和數傳天線，甚至計算相機的積分時間.因此在控制系統(tǒng)的設計中需要充分考慮與外系統(tǒng)的接口.

由于不同類型的衛(wèi)星對控制系統(tǒng)的要求不斷變化，隨著任務的不同控制系統(tǒng)的配置發(fā)生較大變化，這就對控制系統(tǒng)的體系結構產生較大影響.目前，國內各衛(wèi)星的控制系統(tǒng)普遍采用基于串口和集中供電的體系結構，隨著選用的敏感器和執(zhí)行機構的不同，控制系統(tǒng)的控制器的技術狀態(tài)需要隨著任務的不同而改變.國外的控制系統(tǒng)一般采用總線和串口相結合的方式.本文提出一種基于內部總線的控制系統(tǒng)體系結構，并完成可行性分析.采用這種體系結構，針對不同的任務需求和配置，控制器的技術狀態(tài)可以實現統(tǒng)一，并且可以提高系統(tǒng)的帶寬.

1 基于串口和集中供電的控制系統(tǒng)體系結構

目前國內各衛(wèi)星普遍采用的基于串口和集中供電的控制系統(tǒng)體系結構的基本概況為：1）控制系統(tǒng)采用以控制計算機為中心、各線路組成局部終端單元（LTU）形成的星形拓撲結構.各敏感器和執(zhí)行機構均有獨立的線路作為LTU.控制計算機與各LTU之間采用串口點對點通信.控制計算機通過與各LTU的通信采集各敏感器的信息，通過D/A輸出、串口和并口輸出控制執(zhí)行機構，包括動量輪、磁力矩器、帆板驅動線路和推進子系統(tǒng).2）控制系統(tǒng)采用集中供電，由電源分系統(tǒng)給控制系統(tǒng)提供一次電源、一次電源地、各種二次電源和二次電源地.一般而言，控制系統(tǒng)需要的電源類型包括電子線路使用的+5V、±12V，功率線路使用的±20V、+27V、+35V等電源類型.當采用集中供電時，所有的機電和電子部件均共用電源.控制系統(tǒng)內采用電源分配器（SDC），完成各部件電源切換管理功能.3）各部件的模擬量遙測匯集到SDC，SDC輸出給數管分系統(tǒng)采集.

基于串口和集中供電的控制系統(tǒng)體系結構規(guī)范了控制計算機、電源分配器和其他部件的接口關系，具有一定的靈活性.其特點為：1）采用控制計算機（AOCC）與各LTU的星形連接方式，規(guī)范了通信協議，有利于部件接口設計和AOCC接口設計的規(guī)范化.系統(tǒng)的信息流清楚，時序控制由AOCC完成，便于系統(tǒng)聯試.2）具有一定的開放性，在設計時考慮串口以及其他接口的余量，在系統(tǒng)發(fā)生變化時可以不改變基本的體系結構.3）采用集中供電方式，各組電源采用熱備份電源或者冷備份電源.部件直接使用二次電源，部件設計簡單.

隨著任務的不斷細分，各衛(wèi)星的配置各不相同，基于串口和集中供電的控制系統(tǒng)體系結構也存在一定的局限性，主要體現在：1）基于串口的數據交換方式.AOCC與各LTU之間為星形連接，在LTU數量發(fā)生較大改變時，AOCC的接口設計需更改.2）采用集中供電方式.整星采用的電源模塊分為熱備份和冷備份兩種方式.若采用熱備份電源，電源切換時可以平滑過渡，不影響負載工作，但熱備份的工作狀態(tài)需要靠壓差設計才能可觀，其次在電源的輸入、輸出處存在單點故障.若采用冷備份電源，具有自主切換和遙控切換的功能，但會造成電源電壓工作不連續(xù).機電部件使用此種電源時，存在部件斷電又加電的模式，需對部件的安全性進行充分的分析.若出現一個負載過流，可能使該組二次電源保護，從而影響系統(tǒng)的工作.3）SDC匯集各部件的模擬量，輸出給數管分系統(tǒng)采集.若部件配置發(fā)生變化，將影響SDC的設計.同時采用這種方式，SDC內部電纜和整星電纜的設計均較為復雜.

2 國外控制系統(tǒng)體系介紹

國外控制系統(tǒng)體系結構有如下特點：1）通過綜合電子的設計思想，有效地實現了平臺減重；一方面在電子產品設計中大量采用FPGA和ASIC等元器件，通過提高集成度減輕了電子設備本身的質量；2）采用標準化總線的應用，有效地減少了電纜網的質量；3）衛(wèi)星平臺按通用化的思想進行設計，使平臺具有良好的擴展性，不需要進行較大的改動就能適應不同飛行任務的要求，其成熟度和可靠性可以得到了大量衛(wèi)星在軌飛行的驗證.以下給出兩個具體用例.

2.1 洛克希德-馬丁空間系統(tǒng)公司的LM900平臺

洛克希德-馬丁空間系統(tǒng)公司的LM900平臺［1］采用統(tǒng)一的星載計算機，完成衛(wèi)星的姿態(tài)軌道控制和數據管理，實現對有效載荷、熱控、能源的管理和遙控遙測功能，其體系結構基于 MIL-1553B和RS422總線.綜合電子系統(tǒng)的核心是平臺控制器（BCE），其中包括兩臺霍尼維爾603e星載計算機，運行飛行軟件實施整星管理.BCE還包括支持整星安全模式的應急硬件電路，在故障情況下維持衛(wèi)星的命令和控制功能.BCE與各部件的連接使用了MIL-1553B和RS-422兩種總線.姿態(tài)傳感器通過各自的接口連接到BCE.

圖1 LM900平臺的綜合電子系統(tǒng)Fig.1 Integrated electronics for LM900 platform

2.2 NASA哥達得研究中心的“月球勘測軌道器”（LRO）

探測器的核心為高性能的RAD750空間計算機，其體系結構基于1553B總線和Spacewrie高速總線，其中1553B實現控制（星敏、動量輪）、推進、電源管理和部分有效載荷與RAD750空間計算機的數據交換；Spacewrie高速總線實現遙測遙控、星務和部分有效載荷與RAD750空間計算機的數據交換［2-3］.

3 基于內部總線形式的控制系統(tǒng)體系結構

為了提高系統(tǒng)的可擴展性，適應各衛(wèi)星不同部件配置的需求，控制系統(tǒng)可采用內部總線的結構形式，以達到系統(tǒng)配置變化控制器接口不變的目的.控制系統(tǒng)的體系結構如圖2所示.控制計算機和各部件之間需要傳送的信息包括：控制指令、數據和同步信號.其中控制指令和數據通過總線或其他標準接口進行信息的傳輸.同時提高電子線路的集成度，自行采集各部件的遙測信息，通過外部總線將數據傳給數管分系統(tǒng).

同時為了提高系統(tǒng)電源的可靠性，將集中供電改為分散供電.

3.1 內部總線的選擇

內部總線的選擇主要取決于總線上信息量的大小以及傳輸速率要求，同時考慮總線的可靠性和成熟度.

姿態(tài)軌道控制分系統(tǒng)總線上傳輸的信息量包括兩個部分，第一部分為控制器采集的各部件信息，主要有：紅外地球敏感器信息、數字太陽敏感器信息、模擬太陽敏感器信息、0-1太陽敏感器信息、陀螺信息、加速度計信息、星敏感器信息、磁強計信息、動量輪信息、控制力矩陀螺信息、帆板驅動機構信息和天線驅動機構信息；第二部分為控制器發(fā)出的控制指令，主要有：各部件的加斷電控制指令、動量輪控制指令、控制力矩陀螺控制指令、帆板驅動機構控制指令、推力器控制指令、自鎖閥控制指令、數傳天線控制指令和中繼天線控制指令.

通過分析可知，姿態(tài)軌道控制分系統(tǒng)在一個控制周期內的交換的信息不超過600字節(jié).由此可知系統(tǒng)內采用一個中速的總線即可，1553B總線和CAN總線均可滿足要求［4］.

CAN總線作為低成本的現場總線，具有較高的總線利用率，具有可靠的錯誤處理和檢錯機制，可根據報文的ID決定接收或者屏蔽該報文，在發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)，并且節(jié)點在嚴重錯誤的情況下具有自動退出總線的功能.

1553B總線為指令/響應型，分時復用總線，適合于集中分布式的采集系統(tǒng)，它實時性好，可靠性高，結構簡單，終端擴展方便.通過采用備份控制器、雙冗余的數據總線，有效提高可靠性，同時它還利用反饋重發(fā)方法控制出錯，抗干擾能力強.

兩種總線各具特點，均具有作為系統(tǒng)內部總線的條件.相比而言，1553B總線在以下幾點更具有優(yōu)勢［5］：1）可靠性更高.1553B各節(jié)點具有高水平的電器保障性能，采用電氣屏蔽和總線耦合方式，每個節(jié)點都能夠安全地與網絡隔離；同時為了保證網絡的正常運轉，1553B網絡中采用激活和備份兩個總線控制器，通過硬件雙冗余結構，充分保證了系統(tǒng)可靠性；再有1553B傳輸協議中每個傳輸字中均有獨立的奇偶校驗位，從軟件協議層面進一步提高的系統(tǒng)的可靠性.因此，1553B總線總體可靠性更高.2）速度更快，實時性好.1553B總線與CAN總線最高傳輸速率相當均為1Mbps，但在實際應用時1553B總線使用速率能夠達到1Mbps，CAN總線使用速率一般為500Kbps（307.2Kbps），1553B總線的實際速率為CAN總線的2～3倍；同時1553B總線傳輸一個固定的消息所需的時間要短，即系統(tǒng)整體實時性更好，適合高帶寬系統(tǒng)快速采集的功能需求.3）內部具有大容量數據緩沖區(qū)，系統(tǒng)時序設計更為簡便.目前CAN總線接口常規(guī)使用SJ1000+82C250的形式，SJ1000中僅有64字節(jié)的接收數據緩沖區(qū)；而1553B總線使用的 BU-61570（61580）具有 4K× 16bit的內部RAM.因此1553B總線使用時不用過度考慮通訊時序、傳輸數據長度限制、中斷打斷等因素，使用更為簡便.

綜合考慮，控制系統(tǒng)內部總線可以選擇1553B總線.

圖2 控制系統(tǒng)體系結構簡圖Fig.2 AOCS configuration sketch

圖3 控制系統(tǒng)電源拓撲圖Fig.3 AOCS power distribution topology

3.2 基于內部總線的控制系統(tǒng)體系的時序分析

基于串口的控制系統(tǒng)由于采用的是 RS422總線形式，在各部件共用一個串口時AOCC采用多路開關進行串口的切換控制，系統(tǒng)在數據采集上耗時較多.一般而言，采用115.2Kbps的串口速率，數據采集時間為50ms，整個計算時間和控制指令發(fā)出時間僅為30ms.目前采用RS422串口形式的計算機，通常使用FPGA設計有一定字節(jié)數的FIFO作為串口芯片，以縮短系統(tǒng)數據采集的時間.但若所有部件信息均用帶FIFO的串口采集，對控制器需要較多的FPGA資源，尤其是處理如星敏感器等數據較多的部件.而且由于各衛(wèi)星控制系統(tǒng)的配置的部件不同，因此需要的串口數目不同，不利于FPGA設計的統(tǒng)一.

若采用1553B總線連接各部件，1553B總線的速率為1Mbps，時序的控制由總線控制器（BC）即控制計算機實施，各部件作為遠程單元（RT）以查詢或者中斷的方式響應BC的命令.而且1553B芯片與CPU有4K×16bit的共享RAM，1553B芯片可自主完成消息的讀寫操作、消息重試，不占用控制器CPU的時間.對于控制系統(tǒng)而言，整個控制周期內總線上數據傳輸時間約為6ms（以600字節(jié)為例）.因此系統(tǒng)的時間主要是部件數據準備時間、程序算法運行時間.對于單個部件而言，在接收到同步信號到數據準備好時間均小于10ms.從分析可知在采用了1553B總線后，整個系統(tǒng)的控制周期可以縮短，有利于整個系統(tǒng)的帶寬提高.

3.3 AOCC和應急線路對內部總線的管理方式

在正常情況下，AOCC工作，應急線路不加電，AOCC作為內總線的BC，其他部件作為RT.AOCC通過內總線告知RT需要準備的數據，在每個控制周期的開始或者根據系統(tǒng)內同步信號的設置在以一定的時序通過內總線獲得各部件的信息.作為執(zhí)行機構的RT以中斷方式響應BC的指令.

在應急模式下，應急線路加電.AOCC通過硬件信號在得知應急線路加電后，封鎖內部總線，應急線路作為內總線的BC，應急線路作為BC時系統(tǒng)的運行方式與AOCC作為BC時類似.

3.4 基于內部總線的控制器的接口設計

采用內部總線形式后，控制器的接口簡化，主要接口包括：內部1553B總線接口、外部總線接口、同步信號輸出接口、部件電源切換接口.

各部件完成本部件的數據處理和模擬量的采集，通過內部1553B總線傳輸給控制器.控制器將大量的遙測量通過外部總線傳輸給數管分系統(tǒng).控制器設計多種頻率的同步信號以滿足不同部件的時序要求.若同步信號接口采用 RS422差分接口方式，可以根據各部件不同的時序要求，將時序要求相同的部件共用一個同步信號，有利于系統(tǒng)的擴展.同時1553B總線指令也可以作為同步信號的冗余備份措施.因此在控制器的設計中主要考慮同步信號和部件電源切換的余量設計.

4 基于內部總線的控制體系和基于串口和集中供電的控制體系的對比

上面介紹了控制系統(tǒng)的兩種體系結構，下面對兩者進行比較.1）采用總線結構，控制器的接口設計簡單，不受控制系統(tǒng)部件配置不同的影響.若采用串口的方式，控制器的接口設計隨系統(tǒng)配置的變化而變化，不利于技術狀態(tài)的統(tǒng)一；2）總線的傳輸速率一般較串口高，若采用智能的總線芯片，可較大提高數據采集速度.若采用串口的方式，數據采集耗時較多，或者需要較多資源的FPGA來實現；3）基于內部總線的控制體系采用分散供電的方式，較集中供電的可靠性高.

5 結 論

隨著各個衛(wèi)星平臺功能指標的進一步細化，不同衛(wèi)星平臺的控制系統(tǒng)要實現不同的功能，有的需要提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，有的要求敏捷機動，因此不同衛(wèi)星平臺控制系統(tǒng)的配置將相差較大，為了保證控制器的技術狀態(tài)不受系統(tǒng)配置的影響，可采用內部總線的方式以適應不同的配置需求，從分析可知采用內部總線的控制系統(tǒng)結構技術上可行，且有利于系統(tǒng)帶寬的提高.

［1］ Rudiger C，Malin M，Martin F.Application of existing satellites to space and earth sciencemissions［C］.IEEE Lockheed Martin Missiles&Space Aerospace Conference，Sunnyvale，CA，USA，1997

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［3］ 鄧湘金，張熇，彭兢.解讀月球勘察軌道器（LRO）［C］.中國空間科學學會空間探測專業(yè)委員會第19次學術會議，寧波，2006 Deng X J，Zhang H，Peng J.Explanation on the lunar reconnaissance orbiter（LRO）［C］.The 19thConference of Space Exploration Committee，Ningbo，China，2006

［4］ 數字式時分制指令響應型多路傳輸數據總線［S］. GJB289A-97 Digital time division command/response multip lex data bus［S］.GJB289A-97

［5］ 廉保旺，李勇，張怡.CAN總線與1553B總線性能分析比較［J］.測控技術，2000，19（6）：47-49 Lian B W，Li Y，Zhang Y.Performance analysis and comparison on CAN bus and 1553B bus［J］.Measurement&Control Technology，2000，19（6）：47-49

Internal Bus-Based AOCS Configuration

YAO Ning，ZHU Qi，CAO Rongxiang，ZHOU Jianmin
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

The attitude and orbit control system（AOCS）is the critical subsystem of the satellite.According to different requirements for satellites，AOCSs have different configurations because of various sensors and actuators to be chosen.The characteristics of AOCS configurations being used are described in this paper，then a new internal-bus based AOCS configuration is discussed which can be adapt to different requirements and be benefit to improve the system bandwidth.

control system；configuration；internal bus

V448

A

1674-1579（2012）02-0030-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.02.006

姚 寧（1972—），女，研究員，研究方向為先進控制理論和控制技術；朱 琦（1979—），男，工程師，研究方向為航天器控制系統(tǒng)設計與測試；曹榮向（1979—），男，工程師，研究方向為航天器制導、導航與控制；周劍敏（1982—），男，工程師，研究方向為航天器制導、導航與控制.

2011-12-20