一種分布式航天器綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉偉偉 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

一種分布式航天器綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉偉偉 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

以綜合電子系統(tǒng)層次模型為基礎(chǔ)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種分布式航天器綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案以標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊、ASIC芯片、分層總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)和空間通信協(xié)議體系作為基本的技術(shù)支撐，采用分布式的協(xié)同和并行處理，既可以提升信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力和信息計(jì)算處理能力，也可以實(shí)現(xiàn)硬件模塊和資源的共享及任務(wù)遷移和系統(tǒng)重構(gòu)。在航天器上的應(yīng)用表明：此方案可有效提升綜合電子系統(tǒng)的運(yùn)行效率及任務(wù)處理能力，增強(qiáng)綜合電子系統(tǒng)對(duì)故障的容忍和處理能力，也能夠顯著提高綜合電子系統(tǒng)的研制效率和產(chǎn)品化程度，使綜合電子系統(tǒng)為構(gòu)建高可靠、智能化的航天器提供所需的技術(shù)保障。

航天器綜合電子系統(tǒng)；硬件模塊；分布式管理；分布式存儲(chǔ)；任務(wù)遷移；系統(tǒng)重構(gòu)

1 引言

隨著電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，航天器綜合電子系統(tǒng)的功能和性能也不斷提升，涵蓋了航天器遙測(cè)遙控管理、能源管理、熱控管理、健康管理、載荷信息處理及任務(wù)管理等多種功能的控制和管理，在實(shí)現(xiàn)信息共享和綜合利用、功能集成、資源重組優(yōu)化，以及信息處理和傳輸方面起著核心作用[1]，是航天器實(shí)施自主管理和控制的智能化基礎(chǔ)，也是航天器與地面及航天器之間通信管理的橋梁[2]。

傳統(tǒng)的航天器電子系統(tǒng)采用類(lèi)似金字塔的分層集中管理控制模式，不僅需要在管理單元和接口單元之間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互，也需要管理單元對(duì)大量底層數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使管理單元不堪重負(fù)，嚴(yán)重限制了電子系統(tǒng)對(duì)高層任務(wù)的處理和支持。而且管理單元處于集中式管理的“金字塔”頂端，對(duì)其可靠性要求較高，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)電子系統(tǒng)失效。由此可見(jiàn)，集中式管理方式已經(jīng)不再適應(yīng)航天器發(fā)展的需求。目前，國(guó)外航天器電子系統(tǒng)集中式的管理方式已經(jīng)逐漸被分布式網(wǎng)絡(luò)化的電子系統(tǒng)取代，如日本的“非熱能源探測(cè)望遠(yuǎn)鏡”(Non-thermal Energy eXploration Telescope，NeXT)及ESA的“生物火星”(ExoMars)探測(cè)器等，均采用網(wǎng)絡(luò)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)資源共享和系統(tǒng)重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電子系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)[3]。為此，本文以標(biāo)準(zhǔn)通用的硬件模塊、ASIC芯片、分層總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)和空間通信協(xié)議體系作為基本的技術(shù)支撐，根據(jù)航天器在任務(wù)遷移與并行處理、系統(tǒng)重構(gòu)與資源共享的應(yīng)用需求，提出一種分布式綜合電子系統(tǒng)，可打破管理單元和接口單元之間的層次界線(xiàn)，有效提升綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制能力、飛行保障能力和在軌維護(hù)能力。

2 分布式綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在分布式綜合電子系統(tǒng)中，從系統(tǒng)角度來(lái)看，所有設(shè)備既能按照有機(jī)整體為航天器提供統(tǒng)一的通信、處理、存儲(chǔ)能力，為用戶(hù)提供一致的訪問(wèn)接口，提升系統(tǒng)的易用性和好用性；同時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)部也能按照獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行任務(wù)的分工，以及數(shù)據(jù)和信息的處理，并在必要時(shí)提供任務(wù)的遷移和重構(gòu)能力，提升系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性。因此，要求分布式綜合電子系統(tǒng)中的所有設(shè)備具有統(tǒng)一的底層硬件支撐、總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)及信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)機(jī)制。

2.1 分布式綜合電子系統(tǒng)層次模型

綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循模塊化開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行規(guī)劃分析和抽象綜合[4]，形成9種標(biāo)準(zhǔn)通用的硬件模塊及一系列對(duì)應(yīng)的軟件構(gòu)件，它們作為綜合電子系統(tǒng)的基本底層支撐，在綜合電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)框架下，將各硬件模塊通過(guò)內(nèi)總線(xiàn)進(jìn)行拼裝和組合，形成具有特定功能的綜合電子系統(tǒng)設(shè)備，各設(shè)備在外總線(xiàn)通信和連接的基礎(chǔ)上形成一個(gè)完整的綜合電子系統(tǒng)[5]，具體如圖1所示。其中，9種標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊能夠涵蓋不同航天器大部分的功能需求，對(duì)于特殊的功能需求，通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展模塊可與標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊一樣，遵循統(tǒng)一的硬件模塊設(shè)計(jì)框架，通過(guò)設(shè)備內(nèi)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊的通信。

注：w為管理單元數(shù)。圖1 綜合電子系統(tǒng)層次模型Fig.1 Avionics system hierarchy model

綜合電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊具備獨(dú)立設(shè)計(jì)、測(cè)試及現(xiàn)貨供應(yīng)能力，選擇相應(yīng)功能的硬件模塊即可組裝成具有所需功能的綜合電子設(shè)備，使各綜合電子設(shè)備提供的功能和接口一致，因此綜合電子設(shè)備之間不存在等級(jí)和層次之分，可實(shí)現(xiàn)分布式的并行工作，并具備在各設(shè)備之間進(jìn)行任務(wù)遷移、系統(tǒng)重構(gòu)和協(xié)調(diào)配合的能力。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊按照通用化框架設(shè)計(jì)，均由專(zhuān)用功能組件、測(cè)試維護(hù)及容錯(cuò)組件、電源組件、通用物理層及鏈路層接口組件及可選的網(wǎng)絡(luò)層接口組件組成。其中：專(zhuān)用功能組件決定了硬件模塊的種類(lèi)及所能實(shí)現(xiàn)的具體功能；其他功能組件作為通用的支持單元，將具有特定功能的硬件模塊融入到整個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)硬件模塊之間的信息交互及系統(tǒng)交互。圖2為通用硬件模塊框架。

注：HOST為主機(jī)，用于控制對(duì)BIUx及BIUy的讀寫(xiě)訪問(wèn)；BIU為總線(xiàn)接口單元，x和y分別代表一路獨(dú)立的總線(xiàn)接口單元。圖2 通用硬件模塊框架Fig.2 Framework of general hardware module

在標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊中，通用物理層及鏈路層接口組件采用美國(guó)航空無(wú)線(xiàn)電公司(ARINC)制定的標(biāo)準(zhǔn)背板ARINC659總線(xiàn)接口電路實(shí)現(xiàn)。ARINC659是一個(gè)線(xiàn)型多點(diǎn)連接的串行通信數(shù)據(jù)總線(xiàn)，基于時(shí)間觸發(fā)模式，具有高度的故障容錯(cuò)能力，同時(shí)兼具標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[6]，非常適用于對(duì)可靠性和容錯(cuò)性要求較高的場(chǎng)合。另外，標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊中專(zhuān)用功能組件所實(shí)現(xiàn)的功能通常不是單一的，而是包含了多種接口形式及多種功能電路，為此設(shè)計(jì)了一種HOST接口控制器(ASIC)作為網(wǎng)絡(luò)層接口，并且在ASIC設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了航天器中采用的各種接口形式和通信機(jī)制，能夠適用對(duì)所有硬件模塊專(zhuān)用功能組件的控制和數(shù)據(jù)交互，并作為ARINC659總線(xiàn)接口組件與專(zhuān)用功能組件之間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)路由的橋梁，將多種專(zhuān)用電路的控制、通信、數(shù)據(jù)格式等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通用接口和通信格式，使硬件模塊具備標(biāo)準(zhǔn)接入與即插即用的能力。

2.3 綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，便于通過(guò)硬件模塊的組裝形成特定功能的電子設(shè)備，建立了綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。在此過(guò)程中，綜合考慮了系統(tǒng)功能、通信速率、容錯(cuò)和重構(gòu)能力對(duì)總線(xiàn)的需求，形成了以CPU前端總線(xiàn)、局部總線(xiàn)、I/O總線(xiàn)、外總線(xiàn)組成的4級(jí)總線(xiàn)分層結(jié)構(gòu)[7]。其中：CPU前端總線(xiàn)用于實(shí)現(xiàn)CPU與外圍電路之間的數(shù)據(jù)通信；局部總線(xiàn)和I/O總線(xiàn)可作為設(shè)備內(nèi)總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部硬件模塊之間的相互通信，局部總線(xiàn)主要用于支持高速數(shù)據(jù)的傳輸，而I/O總線(xiàn)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)高容錯(cuò)、可擴(kuò)展方面的良好支持，實(shí)現(xiàn)硬件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以及快速系統(tǒng)接入和擴(kuò)展的目的。

借助于綜合電子系統(tǒng)統(tǒng)一的總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)的硬件模塊物理層接口，可以方便地將各硬件模塊進(jìn)行組裝和拼接，形成一個(gè)具有特定功能的單機(jī)設(shè)備，各設(shè)備之間進(jìn)而通過(guò)外總線(xiàn)或交換網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成完整的綜合電子系統(tǒng)。

綜合電子系統(tǒng)中各設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)或外總線(xiàn)進(jìn)行互聯(lián)，能夠并行、獨(dú)立自主地工作，僅通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸各管理單元處理后的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，因而降低了設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷及性能要求，提升了綜合電子系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)。

各設(shè)備之間除通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)或外總線(xiàn)進(jìn)行互聯(lián)外，還可通過(guò)虛擬背板I/O總線(xiàn)進(jìn)行互聯(lián)，此時(shí)可將互聯(lián)設(shè)備看作分布在不同機(jī)箱中的同一臺(tái)設(shè)備，這些設(shè)備中的硬件模塊按照ARINC659總線(xiàn)統(tǒng)一的時(shí)間窗口進(jìn)行規(guī)劃。另外，為了保證ARINC659總線(xiàn)的信號(hào)完整性，虛擬背板I/O總線(xiàn)以低壓差分信號(hào)(LVDS)實(shí)現(xiàn)不同管理單元中ARINC659總線(xiàn)的橋接(見(jiàn)圖4)，LVDS作為不同設(shè)備間的互聯(lián)信號(hào)，在設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)LVDS信號(hào)與ARINC659總線(xiàn)信號(hào)之間的雙向轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多段ARINC659總線(xiàn)之間的互聯(lián)和通信。

注：SoC(System on Chip)為片上系統(tǒng)；CPCI(Compact Peripheral Component Interface)為堅(jiān)實(shí)外設(shè)接口；AMBA(Advanced Micro-controller Bus Architecture)為高級(jí)微控制器總線(xiàn)架構(gòu)；i,j,k表示模塊數(shù)。模塊1、模塊i、模塊j、模塊k分別代表一種典型的綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)連接實(shí)現(xiàn)方式。圖3 綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of avionics system data bus

注：n和m為模塊數(shù)，p為管理單元數(shù)。圖4 ARINC659總線(xiàn)橋接示意Fig.4 Implementation of ARINC659 bus bridging

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

分布式綜合電子系統(tǒng)在總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及多任務(wù)通用性設(shè)計(jì)，而智能化、網(wǎng)絡(luò)化也是分布式綜合電子系統(tǒng)發(fā)展的重要方向和目標(biāo)，因此分布式綜合電子系統(tǒng)必須要突破在通信、計(jì)算、存儲(chǔ)方面存在的瓶頸，建立統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)機(jī)制和信息處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自主任務(wù)管理、多星協(xié)同工作、多任務(wù)通用的支持。

3.1 統(tǒng)一信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)機(jī)制

分布式綜合電子系統(tǒng)相關(guān)的信息產(chǎn)生、處理、接收、發(fā)布、維護(hù)，不僅涉及到航天器內(nèi)部設(shè)備，也涉及到器地和器間，構(gòu)成典型的信息網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)除為綜合電子系統(tǒng)自身服務(wù)之外，還要為其他信息終端提供信息處理服務(wù)，因此綜合電子系統(tǒng)以空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(CCSDS)制定的航天器接口業(yè)務(wù)(SOIS)標(biāo)準(zhǔn)為核心，將協(xié)議及業(yè)務(wù)體系劃分為應(yīng)用支持層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、子網(wǎng)層4層，建立了統(tǒng)一的空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)[4](見(jiàn)圖5)。

圖5 空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)Fig.5 Architecture of space communication protocols

依據(jù)空間通信協(xié)議體系，在應(yīng)用支持層實(shí)現(xiàn)了命令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)、時(shí)間訪問(wèn)業(yè)務(wù)、消息傳輸業(yè)務(wù)及歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)制定的PUS業(yè)務(wù)，在傳輸層實(shí)現(xiàn)了空間包協(xié)議，在子網(wǎng)層實(shí)現(xiàn)了空間鏈路的遙控(TC)、通信操作規(guī)程-1(COP-1)、AOS等數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，以及星載鏈路的包業(yè)務(wù)、存儲(chǔ)訪問(wèn)業(yè)務(wù)、同步業(yè)務(wù)，可在1553B總線(xiàn)、Arinc659總線(xiàn)、SpaceWire網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)器加載接口(ML)、數(shù)據(jù)串行接口(DS)、通用異步收發(fā)傳輸(UART)接口等鏈路上實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)。

3.1.1 全局命名與尋址機(jī)制

為了在航天器平臺(tái)及有效載荷各類(lèi)子網(wǎng)中提供統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)尋址路由服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在航天器和地面組成的全網(wǎng)范圍內(nèi)端到端的透明信息交換，在空間通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，形成全局命名與尋址機(jī)制，支持綜合電子系統(tǒng)在器內(nèi)、器地及器間分布式網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信息處理。

全局命名與尋址機(jī)制借助航天器標(biāo)識(shí)(SCID)、虛擬信道標(biāo)識(shí)(VCID)、應(yīng)用過(guò)程標(biāo)識(shí)(APID)、對(duì)象標(biāo)識(shí)(OJID)組成全局的命名和尋址標(biāo)識(shí)[8]。其中：SCID用于確定一個(gè)航天器；VCID用于確定空間鏈路中的一個(gè)虛擬信道[9]；APID用于確定一個(gè)具體的功能體，可以是軟件、硬件或固件；OJID用于確定對(duì)某一功能體的屬性及操作方法。通過(guò)不同ID的組合、SOIS中網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層的路由機(jī)制，就可唯一地實(shí)現(xiàn)對(duì)某項(xiàng)具體功能(或某個(gè)硬件模塊)及具體通道的訪問(wèn)和控制。全局命名與尋址機(jī)制在單個(gè)航天器中最多能夠服務(wù)2048個(gè)用戶(hù)，滿(mǎn)足分布式綜合電子系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)處理需求。

依賴(lài)于全局命名與尋址機(jī)制，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)硬件模塊的分布式控制與訪問(wèn)。任意一個(gè)管理單元中的通用處理器模塊，除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一設(shè)備中硬件模塊的訪問(wèn)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他所有管理單元中硬件模塊的訪問(wèn)，并且訪問(wèn)方式與本設(shè)備內(nèi)硬件模塊的訪問(wèn)方式相同，由SOIS的網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)尋址地址自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的路由，并通過(guò)相應(yīng)的子網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在某一管理單元內(nèi)部通用處理器模塊故障時(shí)，其他管理單元仍能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障管理單元中其他硬件模塊的有效利用，同樣地，也可在某些管理單元內(nèi)部不配置通用處理器模塊以節(jié)省成本，該管理單元內(nèi)部的硬件模塊直接由其他管理單元控制。

3.1.2 異步消息業(yè)務(wù)(AMS)機(jī)制

傳統(tǒng)航天器各設(shè)備之間的信息交互，必須對(duì)數(shù)據(jù)的格式、長(zhǎng)度、通信硬件通道等進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，因此，在設(shè)備故障或者功能任務(wù)調(diào)整后，原有的連接或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很難再實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能任務(wù)的支持[10]，或者需要地面進(jìn)行復(fù)雜的維護(hù)操作后才能實(shí)現(xiàn)功能或任務(wù)的恢復(fù)，從而大大降低了對(duì)任務(wù)遷移及系統(tǒng)重構(gòu)的支持能力。

在分布式綜合電子系統(tǒng)中，依據(jù)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套AMS機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)注數(shù)據(jù)的接收，以及自身關(guān)鍵數(shù)據(jù)的發(fā)布，完成信息共享功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有模塊在任意時(shí)刻加入系統(tǒng)和在任意時(shí)刻從系統(tǒng)退出，從而完成網(wǎng)絡(luò)的自組織、任務(wù)遷移和重構(gòu)功能[11]。

AMS中，整個(gè)通信系統(tǒng)被劃分為節(jié)點(diǎn)、注冊(cè)員、配置服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)完善的系統(tǒng)注冊(cè)管理機(jī)制。其中：節(jié)點(diǎn)為收發(fā)消息的通信實(shí)體，注冊(cè)員用于各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的管理，不同的節(jié)點(diǎn)和注冊(cè)員可以組成不同的消息空間，而配置服務(wù)器就是用于對(duì)不同消息空間的配置數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，包括各個(gè)注冊(cè)員的位置信息等。此外，所實(shí)現(xiàn)的AMS可支持邀約-傳送、邀約-群發(fā)、訂閱-發(fā)布3種消息傳輸機(jī)制，分別實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)向發(fā)出邀約的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，向發(fā)出邀約的所有節(jié)點(diǎn)群發(fā)信息，任何產(chǎn)生了訂閱消息的節(jié)點(diǎn)都將消息傳遞給所有已經(jīng)訂閱了該主題的節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)AMS，可以方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)及健康管理，根據(jù)AMS的注冊(cè)過(guò)程信息監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，檢查系統(tǒng)的完備性，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)退出或故障(丟失心跳消息)時(shí)檢查其原因并采取補(bǔ)救措施。依賴(lài)AMS的心跳消息監(jiān)控機(jī)制，故障監(jiān)測(cè)的粒度可以細(xì)化到進(jìn)程(即進(jìn)程作為AMS節(jié)點(diǎn))。當(dāng)某個(gè)任務(wù)處理進(jìn)程故障時(shí)，可在其他管理單元中新增任務(wù)執(zhí)行進(jìn)程，并向?qū)?yīng)通信空間的注冊(cè)員進(jìn)行注冊(cè)，在注冊(cè)成為通信節(jié)點(diǎn)后，任務(wù)處理可完全按照原有的策略進(jìn)行邀約，或者進(jìn)行訂閱消息的發(fā)布和接收。

3.2 并行計(jì)算及任務(wù)遷移

隨著航天器任務(wù)量的不斷增加，僅依賴(lài)單個(gè)管理單元的數(shù)據(jù)及信息處理能力，在任務(wù)高峰時(shí)段完全有可能出現(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足任務(wù)處理需求情況，同樣，在進(jìn)行任務(wù)遷移或系統(tǒng)重構(gòu)后，也會(huì)造成原有管理單元任務(wù)量的增加，為此，分布式綜合電子系統(tǒng)采用了并行計(jì)算和處理的方式，以緩解任務(wù)量增大帶來(lái)的處理能力不足的緊張局面。

依賴(lài)ARINC659總線(xiàn)的時(shí)間規(guī)劃特性及統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)機(jī)制，并行計(jì)算擁有2種不同的實(shí)現(xiàn)方式：①在單個(gè)管理單元中配置多塊通用處理器模塊，任務(wù)低峰階段只有一塊處理器模塊工作，而在并行計(jì)算階段，多塊處理器模塊將同時(shí)工作，依靠全局命名與尋址機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)所有硬件模塊的訪問(wèn)和信息獲取，從而支持不同處理器模塊的計(jì)算任務(wù)。②在不同的管理單元之間實(shí)現(xiàn)，依靠AMS實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算及處理后數(shù)據(jù)的傳輸和信息交互。

在分布式綜合電子系統(tǒng)中，所有管理單元及多個(gè)通用處理器模塊均可同時(shí)接收上行注入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)上行注入任務(wù)的并行處理。各管理單元根據(jù)相互間的工作狀態(tài)、軟件參數(shù)及信息尋址地址，確定是否要接收上行遙控?cái)?shù)據(jù)，以及是否要對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣不僅能提升上行注入任務(wù)的處理性能，也能為實(shí)現(xiàn)任務(wù)動(dòng)態(tài)遷移和故障時(shí)的系統(tǒng)重構(gòu)提供基礎(chǔ)。圖6為綜合電子系統(tǒng)上行鏈路連接原理。

注：a和b為單個(gè)管理單元內(nèi)部通用處理器模塊數(shù)，c為管理單元設(shè)備數(shù)。圖6 綜合電子系統(tǒng)上行鏈路連接原理Fig.6 Connection principle of avionics system upload link

3.3 數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)

在分布式綜合電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊實(shí)現(xiàn)。為了充分利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊的資源，將其分別置于不同的管理單元中，并由SpaceWire網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，通過(guò)SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)路由功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同模塊中的存儲(chǔ)，以及對(duì)不同模塊中數(shù)據(jù)的讀取，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在整個(gè)綜合電子系統(tǒng)中的分布式存儲(chǔ)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)備內(nèi)部通過(guò)ARINC659總線(xiàn)能夠直接實(shí)現(xiàn)處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊之間的通信，但是為了實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊作為共享的存儲(chǔ)資源，以SpaceWire節(jié)點(diǎn)的形式連接在SpaceWire網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)處理器訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊首先將從ARINC659總線(xiàn)上接收的信息轉(zhuǎn)發(fā)到SpaceWire網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步路由，實(shí)現(xiàn)對(duì)SpaceWire網(wǎng)絡(luò)中任意數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊的訪問(wèn)，同樣SpaceWire網(wǎng)絡(luò)中的任意其他節(jié)點(diǎn)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與復(fù)接模塊的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.4 通用化和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)

通用化要求分布式綜合電子系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同航天器任務(wù)需求，產(chǎn)品化要求分布式綜合電子系統(tǒng)具備現(xiàn)貨產(chǎn)品供應(yīng)能力。

為了實(shí)現(xiàn)通用化和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，分布式綜合電子系統(tǒng)從組成系統(tǒng)的基本電路單元及通信鏈路出發(fā)，形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)、通用的硬件模塊、集成電路，并借助標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)通信總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)各模塊之間的通信和組裝，形成具有特定功能的設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)的通用化和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)綜合電子系統(tǒng)功能的詳細(xì)分析、抽象和綜合，梳理出9種基本的標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊，并建立了硬件模塊設(shè)計(jì)規(guī)范及統(tǒng)一的設(shè)計(jì)框架(如圖2所示)，將硬件模塊的設(shè)計(jì)劃分為標(biāo)準(zhǔn)通用功能組件和特定功能組件，特定功能組件在通用功能組件的支持下完成模塊所具備的各項(xiàng)功能和接口的管理。借助標(biāo)準(zhǔn)的硬件模塊設(shè)計(jì)框架，保證硬件模塊設(shè)計(jì)的一致性，也為實(shí)現(xiàn)硬件模塊的產(chǎn)品化及獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立測(cè)試、獨(dú)立供貨提供了基礎(chǔ)。

根據(jù)梳理出的9種通用硬件模塊，進(jìn)一步對(duì)硬件電路功能進(jìn)行綜合和集成，形成了ARINC659總線(xiàn)協(xié)議、ARINC659總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)、信道關(guān)口、分包遙控指令譯碼、HOST接口控制、遙測(cè)采集SIP、功率驅(qū)動(dòng)SIP共7類(lèi)8種涵蓋遙控、遙測(cè)、指令、總線(xiàn)、接口控制、功率控制在內(nèi)的ASIC集成電路。這些ASIC芯片的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)接口、功能進(jìn)行了充分的分析和歸納，采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方式，為實(shí)現(xiàn)硬件模塊的功能和接口的通用性提供了重要的技術(shù)支撐。

4 分布式綜合電子系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

本文提出的分布式綜合電子系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了綜合電子工程樣機(jī)的測(cè)試和驗(yàn)證，達(dá)到了在航天器任務(wù)中工程應(yīng)用的水平，同時(shí)也驗(yàn)證了分布式綜合電子系統(tǒng)在容錯(cuò)性，以及分布、并行、共享計(jì)算資源、通信資源、存儲(chǔ)資源等方面的優(yōu)勢(shì)，具體分析如下。

(1)增強(qiáng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化及可重用性：分布式綜合電子系統(tǒng)的基本產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊，硬件模塊的設(shè)計(jì)建立在對(duì)航天器功能高度綜合和歸納的基礎(chǔ)上，將硬件模塊組裝形成具有特定功能的設(shè)備，保證設(shè)備之間功能和接口的一致性，使分布式綜合電子系統(tǒng)能夠應(yīng)用于不同領(lǐng)域的航天器，顯著提升系統(tǒng)可重用能力。

(2)增強(qiáng)系統(tǒng)產(chǎn)品化能力：分布式綜合電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊遵循統(tǒng)一的設(shè)計(jì)框架，具備獨(dú)立設(shè)計(jì)、測(cè)試和投產(chǎn)能力；同時(shí)，分布式綜合電子系統(tǒng)ASIC集成電路的設(shè)計(jì)和功能既與標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊相輔相成，又遵循標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和接口規(guī)范，可廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的不同系統(tǒng)，具有獨(dú)立供貨和應(yīng)用能力，能顯著提升綜合電子系統(tǒng)的產(chǎn)品化能力。

(3)增強(qiáng)系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力：分布式綜合電子系統(tǒng)以CCSDS和ECSS相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ)，建立了統(tǒng)一的空間通信協(xié)議體系，不僅可為應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的通信服務(wù)，也使應(yīng)用不必關(guān)心底層子網(wǎng)協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了用戶(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)，在航天器和地面系統(tǒng)組成的全網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)端到端的透明信息交換，能明顯提升信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

(4)增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及信息處理能力：依賴(lài)標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊組裝設(shè)備的功能和接口一致性，可實(shí)現(xiàn)航天器任務(wù)，以及數(shù)據(jù)和信息的分布式處理，同時(shí)借助ARINC659總線(xiàn)對(duì)硬件模塊的良好性擴(kuò)展支持，可在背板I/O總線(xiàn)和虛擬背板I/O總線(xiàn)上擴(kuò)展多個(gè)處理器模塊，提升系統(tǒng)對(duì)大量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息的處理能力。

(5)增強(qiáng)系統(tǒng)智能化支持能力：借助分布式綜合電子系統(tǒng)建立的空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，可使應(yīng)用程序不再關(guān)注底層的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，而專(zhuān)注于頂層的任務(wù)實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)自主任務(wù)管理、多航天器協(xié)同任務(wù)處理等相關(guān)的復(fù)雜智能任務(wù)提供有力的技術(shù)支撐和支持。

(6)增強(qiáng)系統(tǒng)容錯(cuò)及重構(gòu)能力：分布式綜合電子系統(tǒng)中的設(shè)備具有一致的功能和接口，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的遷移和重構(gòu)提供了基本的技術(shù)保障。借助高冗余容錯(cuò)的ARINC659總線(xiàn)，使系統(tǒng)的容錯(cuò)顆粒度由單機(jī)縮小為硬件模塊；同時(shí)，借助ARNC659總線(xiàn)的故障屏蔽和虛擬背板I/O總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障單機(jī)中仍正常工作的硬件模塊的接管，從而提升資源利用率和容錯(cuò)能力。此外，系統(tǒng)中任意通用處理器模塊均可實(shí)現(xiàn)上行遙控?cái)?shù)據(jù)的接收，在任何一個(gè)通用處理器模塊出現(xiàn)故障后，其他通用處理器模塊仍可繼續(xù)進(jìn)行上行遙控任務(wù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)上行注入任務(wù)的動(dòng)態(tài)切換和重構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所建立的綜合電子系統(tǒng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)，以及9種通用的硬件模塊和對(duì)應(yīng)的軟件構(gòu)件，已在多個(gè)航天器中推廣應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，分布式綜合電子系統(tǒng)可以明顯增強(qiáng)設(shè)備的產(chǎn)品化和冗余容錯(cuò)能力、信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力、智能任務(wù)支持能力，同時(shí)顯著提升了系統(tǒng)的集成化能力和輕小型化程度，為實(shí)現(xiàn)航天器的產(chǎn)業(yè)化能力奠定了基礎(chǔ)。但是，在網(wǎng)絡(luò)化方面，目前綜合電子系統(tǒng)僅面向器內(nèi)進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，后續(xù)將針對(duì)器間和天地間建立一體化的信息網(wǎng)絡(luò)及信息交換與共享機(jī)制開(kāi)展深入研究，為滿(mǎn)足未來(lái)航天器對(duì)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的需求提供技術(shù)支撐。

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(編輯：夏光)

Design of Distributed Spacecraft Avionics System

LIU Weiwei CHENG Bowen WANG Luyuan YU Minfang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

According to the model of avionics system hierarchy， this paper proposes and implementes a distributed spacecraft avionics system design scheme. This scheme applies distributed collaboration and parallel processing based on standard general hardware modules and ASIC chip,as well as hierarchical bus architecture and space communication protocol architecture,which can not only promote information network service and processing ability,but also realize sharing of hardware modules and resources， and task migration and system reconfiguration. Through the application in spacecraft,this scheme can effectively enhance the operational efficiency and task processing capabilities， improve the fault tolerance and processing capabilities of avionics,and can also significantly increase development efficiency and products degree of avionics system,so that the avionics system can provide the necessary technical support for the construction of high reliability and intelligent spacecraft.

spacecraft avionics system；hardware module；distributed management；distributed storage；task migration；system reconstruction

2016-04-05；

2016-11-02

國(guó)家重大航天工程

劉偉偉，男，工程師，研究方向?yàn)楹教炱鲾?shù)據(jù)管理技術(shù)和綜合電子系統(tǒng)。Email：akinglw@163.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.014