智能化航天器綜合電子系統(tǒng)需求分析及其體系架構探討

何熊文 李楠 徐勇 郭堅

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 海裝天津局，北京 100073)

隨著我國綜合國力的增強和航天技術的進步，軍用和民用方面都對航天器的智能化、網(wǎng)絡化提出了迫切的需求，要求航天器“好用、易用、管用”。軍用方面要求航天器具備在軌目標識別和情報生成、自主任務規(guī)劃、信息實時傳送、打擊評估等能力。民用方面要求航天器提升操控性和自主管理能力，減少地面運行維護的負擔。航天器綜合電子系統(tǒng)作為航天器的大腦和神經(jīng)中樞，是支撐上述能力實現(xiàn)的核心。

國外有代表性的航天器綜合電子系統(tǒng)包括阿斯特留姆(Astrium)公司的通信衛(wèi)星平臺“阿爾法”(Alphabus)[1]、美國“獵戶座”飛船電子系統(tǒng)[2]、ESA正在研發(fā)的空間綜合電子開放接口體系架構(SAVOIR)[3]等。其主要技術發(fā)展趨勢為：在體系結構方面，向分布式綜合方向發(fā)展；在功能方面，向提升自主管理能力、網(wǎng)絡管理能力方向發(fā)展；在信息方面，向協(xié)議、總線和接口標準化方向發(fā)展；在硬件方面，向模塊化、標準化、集成化、輕小型化方向發(fā)展；在軟件方面，向分層軟件體系結構及構件化設計方向發(fā)展。

國內(nèi)航天器綜合電子系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在技術上取得了實質性的進步，為航天器智能化、網(wǎng)絡化構建了所必需的通信能力、計算能力、存儲能力[4]，并在遙感、導航、深空、通信等領域應用上獲得了明顯的成果。但與用戶需求相比，已有的綜合電子系統(tǒng)在計算機處理能力、總線及信息傳輸能力、網(wǎng)絡通信能力等方面仍然存在差距。本文針對上述差距，結合國內(nèi)外綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對國內(nèi)智能化航天器綜合電子系統(tǒng)需求進行分析，提出了一種體系架構，并對其中應用的主要技術進行闡述，可為未來智能化航天器綜合電子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提供參考。

1 智能化航天器綜合電子系統(tǒng)需求分析

綜合電子系統(tǒng)作為智能化航天器的電子信息基礎支撐平臺，其需求主要體現(xiàn)在服務用戶使用、支撐平臺及載荷設備兩個維度。

1.1 服務用戶使用的智能化需求

智能化航天器綜合電子系統(tǒng)除具備傳統(tǒng)遙測、遙控、內(nèi)務管理、時間管理、熱控管理、能源管理、解鎖與轉動機構管理等常規(guī)需求[5]外，圍繞用戶“好用、易用、管用”需求，一般還應具備如下智能化及網(wǎng)絡化相關需求。

(1)支持航天器自主任務規(guī)劃。用戶僅注入要觀測的目標地名或目標區(qū)域位置數(shù)據(jù)，航天器就能根據(jù)當前軌道、姿態(tài)、能源、熱控、數(shù)傳、存儲等約束條件，自動規(guī)劃機動路徑、相機拍照、數(shù)據(jù)下行等動作，自主產(chǎn)生對應的指令并調度各分系統(tǒng)執(zhí)行，不需要地面干預，從而使地面操作大為簡化，提升航天器的易用性。

(2)支持航天器自主健康管理。綜合電子系統(tǒng)對各分系統(tǒng)產(chǎn)生的大量原始數(shù)據(jù)進行處理，平時只下傳航天器健康與否的狀態(tài)，以及極少量的關鍵參數(shù)；具備一定的故障預報能力，在有故障前預警，自主對相關參數(shù)進行快速采集并下傳至地面；在發(fā)生故障時，可以快速下傳事件報告，并定位故障和進行自主重構和恢復，能大幅減輕地面運行維護的負擔。

(3)支持天地一體化網(wǎng)絡。用戶可以實時獲取所需要的信息，多個航天器間可以進行協(xié)同工作。例如：高軌普查衛(wèi)星可以通過星間網(wǎng)絡為低軌詳查衛(wèi)星提供目標指引，實現(xiàn)協(xié)同；兩者都可以通過網(wǎng)絡將信息實時下傳至地面，為用戶提供更好的服務，提升衛(wèi)星的好用性。

(4)支持航天器信息實時處理。航天器可以對目標進行識別，對多種信息進行融合，形成情報下傳至地面用戶。

(5)支持軟件定義航天器。航天器上提供基礎平臺，隨著技術的更新，用戶可以方便地更新航天器上的算法及軟件，也可以上注不同的APP，實現(xiàn)軟件定義航天器，提高用戶使用的靈活性。

1.2 支撐平臺及載荷設備的多樣化需求

智能化航天器綜合電子系統(tǒng)一般應在以下幾個方面對平臺及載荷設備提供支撐。

(1)提供統(tǒng)一的接口和協(xié)議，支撐各設備傳輸不同速率、不同種類、不同傳輸服務質量要求的數(shù)據(jù)，支持設備靈活添加和移除，而不用改變現(xiàn)有平臺軟件或硬件。

(2)提供靈活的信息共享機制，支持信息訂閱/發(fā)布模式，設備可以很方便地從平臺獲取所需要的信息，而不用關注信息的發(fā)布者，發(fā)布信息時也不用關注信息的接收者。

(3)提供高性能的計算和處理平臺，根據(jù)設備所具備的能力，提供設備信息的包裝、壓縮、存儲、目標信息提取、信息融合等多級別的處理功能。

2 智能化航天器綜合電子系統(tǒng)總體架構設計

針對智能化航天器綜合電子系統(tǒng)的需求，國內(nèi)現(xiàn)有綜合電子系統(tǒng)的差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)器載計算機處理能力難以適應智能化處理需求。為支撐新的應用需求，現(xiàn)有地面應用的任務規(guī)劃、目標識別、網(wǎng)絡管理等算法未來將由航天器執(zhí)行，對器載計算機的處理能力提出了新的要求。目前，器載處理器受制于處理能力的限制，如目前廣泛使用的國產(chǎn)宇航BM3803處理器，按照最大的100 MHz主頻配置處理能力，也只有86百萬條指令每秒(MIPS)，與支持智能化、網(wǎng)絡化的應用算法需要的計算能力相比，仍存在較大差距。

(2)現(xiàn)有總線及信息傳輸能力難以滿足智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展需求。未來，智能化處理需要載荷與多個計算節(jié)點間進行高速信息交換，其速率高達幾吉比特每秒，甚至幾十吉比特每秒，要求圖像獲取設備與信息處理設備之間有高速的信息傳輸通道?，F(xiàn)有高速接口大多為點對點，無法滿足網(wǎng)絡化的信息交換需求，已經(jīng)應用的支持網(wǎng)絡的總線(如SpaceWire)速率最大只有200 Mbit/s，也難以滿足需求。

(3)天地一體化網(wǎng)絡通信能力不足。為了支持信息的實時下傳及多個航天器智能化協(xié)同工作，航天器需要具備器間聯(lián)網(wǎng)能力，并需要配套的天地一體化網(wǎng)絡通信協(xié)議、硬件、軟件支持。在協(xié)議層面，國內(nèi)大多數(shù)航天器中應用的空間通信協(xié)議主要采用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)空間鏈路業(yè)務領域的協(xié)議，在網(wǎng)絡層及以上層支持不足，無法滿足組網(wǎng)通信需求。在硬件層面，現(xiàn)有的航天器大多缺乏器間網(wǎng)絡互聯(lián)的設備，或者即使有，其速率也難以滿足要求。在軟件層面，也缺乏對網(wǎng)絡協(xié)議的支持。

針對上述差距，智能化航天器綜合電子系統(tǒng)在現(xiàn)有綜合電子系統(tǒng)的基礎上，主要通過升級處理器、增加高速信息處理及器間網(wǎng)絡路由等新的硬件模塊、增加網(wǎng)絡協(xié)議、增加配套軟件構件等手段進行改進。設計完成的智能化航天器綜合電子系統(tǒng)總體架構設計如圖1所示。

注：PUS為遙控和遙測包應用標準；TTE為時間觸發(fā)以太網(wǎng)；DTN為容延遲網(wǎng)絡；BSP為板級支持包；SRIO為串行RapidIO總線；TCP為傳輸控制協(xié)議；IP為因特網(wǎng)協(xié)議。圖1 智能化航天器綜合電子系統(tǒng)總體架構Fig.1 Intelligent spacecraft avionics system architecture

總體架構以14種標準硬件模塊為基礎，可根據(jù)不同航天器的需求，通過標準硬件模塊組裝形成單機，進而構成系統(tǒng)。標準硬件模塊中的通用計算機模塊是整個智能化航天器綜合電子系統(tǒng)的管理核心，可通過多個通用計算機模塊構成支持重構和任務遷移的分布式計算系統(tǒng)，為各類智能化應用提供硬件運行平臺。智能化航天器綜合電子系統(tǒng)的軟件運行于通用計算機模塊中，采用分層的體系架構，每一層包含若干個軟件構件，不同航天器可根據(jù)需求對軟件構件進行組裝。智能化航天器綜合電子系統(tǒng)各模塊之間、系統(tǒng)與外部設備之間，采用標準的接口和協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)。

下面從3個方面對總體架構設計進行分析。

2.1 硬件模塊化設計

硬件模塊化設計重點針對未來在軌智能信息處理和網(wǎng)絡互連，其設計思想體現(xiàn)在：①統(tǒng)一。對多領域航天器綜合電子系統(tǒng)進行功能模塊的統(tǒng)一設計。②優(yōu)化。通過頂層規(guī)劃實現(xiàn)成本、復雜度、性能、可靠性的結構最優(yōu)化設計。③標準。在構架、協(xié)議、接口等方面采用統(tǒng)一標準，實現(xiàn)產(chǎn)品、服務的標準化。④靈活。軟件定義功能、模塊組合定義設備、交換互聯(lián)定義拓撲設計，提高系統(tǒng)的靈活性，支持靈活裁剪或功能擴展，支持在軌的軟件定義和拓撲重構。⑤高速。以高性能的多核處理器、高速網(wǎng)絡提供智能化應用計算平臺。模塊化設計需要解決總線選型和標準模塊劃分兩個關鍵問題。

1)總線選型

國內(nèi)常用的內(nèi)總線有自定義并行總線及ARINC659總線，國外則以緊湊型外設組件互聯(lián)(CPCI)總線為主，都滿足不了1～100 Gbit/s的高速載荷互聯(lián)需求。SRIO[6]具有拓撲結構靈活、節(jié)點數(shù)量可擴展、傳輸延遲小、協(xié)議開銷小、碼率低、支持服務質量(QoS)等多種特性，且其3.0版本最高傳輸速率達到10.312 5 Gbit/s(單路)，能通過多路組成通道獲得80 Gbit/s及160 Gbit/s的速率，可以滿足100 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此可選用SRIO作為設備內(nèi)高速載荷信息處理模塊之間的互聯(lián)總線。此外，為保證可靠性，可同時繼承原有的ARINC659總線作為控制總線。

外總線選型方面，1553B總線1 Mbit/s的速率無法滿足航天器智能化數(shù)據(jù)交換的需求，SpaceWire總線速率雖然達到200 Mbit/s，卻無法提供時間確定的傳輸特性。而TTE[7]可達到同時兼容1553B、SpaceWire、1394B等多種總線的應用效果，且被美國確定為統(tǒng)一平臺及載荷信息的高速總線，于2015年在美國“獵戶座”飛船上應用。因此，在外總線上可以選用TTE總線作為1 Gbit/s以下速率的高可靠總線。同時，為滿足1～100 Gbit/s傳輸需求，可繼續(xù)選用SRIO進行局部網(wǎng)絡高速載荷數(shù)據(jù)互聯(lián)。

2)標準模塊劃分

結合航天器智能化、網(wǎng)絡化的新需求，相比我國現(xiàn)有的綜合電子系統(tǒng)9種標準模塊[4]，重點提升通用計算機模塊的處理能力，用于實現(xiàn)自主任務規(guī)劃、自主健康管理、載荷管理、航天器間網(wǎng)絡管理等新功能，解決前面提到的計算機處理能力不足的問題。增加高速信息處理模塊，用于實現(xiàn)目標識別、信息融合等航天器上信息實時處理功能。升級總線與時間同步模塊，支持更高速的總線，解決現(xiàn)有總線及信息傳輸能力不足的問題。增加器間網(wǎng)絡路由模塊和器內(nèi)高速交換模塊，用于實現(xiàn)航天器間路由及航天器內(nèi)高速數(shù)據(jù)交換，支持天地一體化網(wǎng)絡，解決天地一體化網(wǎng)絡通信能力不足的問題。最終，形成(9+5)種標準化功能模塊，從類型上又可分為計算與存儲類、網(wǎng)絡類、接口(IO)類，詳見表1。

表1 智能化航天器綜合電子系統(tǒng)的標準化功能模塊

各類航天器可以根據(jù)需求，應用上述模塊進行組裝，形成所需要的綜合電子系統(tǒng)。面向智能化遙感衛(wèi)星的一種綜合電子系統(tǒng)硬件組成示意見圖2，各設備內(nèi)的通用計算機可組成分布式的計算平臺，結合智能信息處理單元內(nèi)部的高速信息處理模塊，共同提供各種智能化的算法處理。通過星間路由器實現(xiàn)多個航天器聯(lián)網(wǎng)，通過TTE交換機實現(xiàn)星內(nèi)設備聯(lián)網(wǎng)。

2.2 業(yè)務和協(xié)議標準化設計

業(yè)務和協(xié)議方面，通過應用CCSDS空間鏈路業(yè)務(SLS)、航天器接口業(yè)務(SOIS)[8]、空間網(wǎng)絡互聯(lián)業(yè)務(SIS)及歐洲航天標準化組織(ECSS)的PUS[9]等多種標準協(xié)議，實現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間、航天器內(nèi)部綜合電子系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)之間、本航天器與其他航天器之間的標準化通信，支持天地一體化網(wǎng)絡互聯(lián)、信息靈活共享及設備即插即用。在現(xiàn)有的綜合電子系統(tǒng)業(yè)務及協(xié)議體系架構[5]的基礎上，重點圍繞航天器在智能化、網(wǎng)絡化的需求對業(yè)務及協(xié)議進行擴展。

(1)在應用層增加自主任務規(guī)劃、載荷管理、器間網(wǎng)絡管理等智能化應用，提升航天器的好用性和易用性。

(2)在傳遞層(包含傳輸層和網(wǎng)絡層)考慮天地一體化的應用需求，增加改進TCP/用戶數(shù)據(jù)報(UDP)/IP、開放式最短路徑優(yōu)先(OSPF)路由協(xié)議、動態(tài)接入?yún)f(xié)議等的支持，經(jīng)由IP通過CCSDS(IP over CCSDS，IPoC)協(xié)議支持IP在空間鏈路的傳輸，同時器內(nèi)網(wǎng)絡也采用IP協(xié)議傳輸，在網(wǎng)絡層實現(xiàn)器內(nèi)、器間的統(tǒng)一，達到器內(nèi)、器間一體化聯(lián)網(wǎng)的目的?？紤]到深空高延遲、高動態(tài)、鏈路頻繁中斷的特點，增加DTN協(xié)議簇中利克萊德傳輸協(xié)議(LTP)的支持。

(3)在亞網(wǎng)層(包含數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)器載鏈路增加對TTE、SRIO等高速總線的支持，以形成低速、實時、高可靠、高確定性的平臺信息與高速、非實時、突發(fā)的載荷信息統(tǒng)一傳輸。

圖3為業(yè)務及協(xié)議體系架構。其中：AMS為異步消息業(yè)務；BP為束協(xié)議；AOS為高級在軌系統(tǒng)；TC為遙控；TM為遙測；DS為串行數(shù)字量；ML為存儲器加載。以圖2中智能化遙感衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)硬件組成為例，地面站與衛(wèi)星各設備之間的信息交互示例如圖4所示。

2.3 軟件分層及構件化設計

在現(xiàn)有綜合電子系統(tǒng)軟件體系架構的基礎上，融入第2.2節(jié)業(yè)務及協(xié)議體系架構中新的功能、業(yè)務及協(xié)議構件，形成如圖1中通用計算機模塊中包含的綜合電子系統(tǒng)軟件體系架構(由操作系統(tǒng)層、中間件層、應用層組成)。操作系統(tǒng)層重點實現(xiàn)時間、空間的分區(qū)隔離機制，中間件層內(nèi)部分為應用支持層、傳遞層、亞網(wǎng)層，將CCSDS、ECSS等多種標準業(yè)務和協(xié)議通過軟件構件予以實現(xiàn)。構件采用統(tǒng)一的接口，包含初始化接口、對外提供的接口、使用的接口、配置接口等，支持通過軟件構件組裝和按需配置快速形成應用軟件，提高軟件的開發(fā)效率。另外，通過中間件中提供的通用業(yè)務和協(xié)議，應用層的各類系統(tǒng)功能應用軟件及用戶APP可以調用中間件的接口，實現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)獲取與分發(fā)、時間訪問、網(wǎng)絡訪問等功能，而開發(fā)人員無需關注其如何實現(xiàn)，從而將其主要精力集中在與智能化相關的算法開發(fā)上，提高軟件的開發(fā)效率。

3 可行性和優(yōu)勢分析

3.1 可行性分析

本文設計的智能化航天器綜合電子系統(tǒng)體系架構中的大部分硬件模塊、軟件構件，都已通過前期的研發(fā)及工程任務進行了原理實現(xiàn)，協(xié)議體系中的協(xié)議均采用國際標準，后續(xù)可在此基礎上將新的硬件模塊、軟件構件、協(xié)議等予以實現(xiàn)和集成，即可構成智能化航天器綜合電子系統(tǒng)，因而具備工程實施的可行性。智能化航天器綜合電子系統(tǒng)將在硬件、軟件兩方面滿足前面提到的服務用戶使用、支撐平臺及載荷設備兩個維度的需求，用戶需求對照詳見表2。

表2 用戶需求與智能化航天器綜合電子系統(tǒng)硬件、軟件對照

3.2 優(yōu)勢分析

本文提出的智能化航天器綜合電子系統(tǒng)體系架構，相比現(xiàn)有的綜合電子系統(tǒng)體系架構，其主要優(yōu)勢如下。

(1)硬件模塊中增加了5類通用模塊，可實現(xiàn)目標識別、器間高速路由、星內(nèi)高速交換等新的功能；

(2)操作系統(tǒng)中增加了分時分區(qū)的新功能，可實現(xiàn)按需動態(tài)加載APP；

(3)中間件中增加了TTE驅動、改進TCP、UDP、IP、DTN等新的軟件構件，在可靠傳輸、網(wǎng)絡路由、容延遲容中斷傳輸?shù)确矫嫣峁┬碌墓δ埽?/p>

(4)應用層軟件中增加了自主任務規(guī)劃、器間網(wǎng)絡管理等新的功能，可提升航天器的智能化、網(wǎng)絡化能力；

(5)協(xié)議體系支持CCSDS空間網(wǎng)絡協(xié)議、器內(nèi)網(wǎng)絡協(xié)議及地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議融合，為天地一體化網(wǎng)絡通信提供支撐。

4 結束語

本文提出的智能化航天器綜合電子系統(tǒng)，能從服務用戶和支持平臺及載荷的角度提供更強的功能和性能，提供高性能的計算和處理平臺，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，支持器內(nèi)、器間一體化聯(lián)網(wǎng)，支持載荷信息融合等智能化處理，支持自主任務規(guī)劃、自主健康管理等各類智能化應用的加載，將有力提升航天器的智能化、網(wǎng)絡化能力，提升航天器的好用性和易用性。本文體系架構中提到的TTE總線、RapidIO總線綜合應用，還需要進一步驗證，另外，與智能自主管理相關的各類算法等還有待進一步研究。在該體系架構的基礎上，后續(xù)還可以通過應用人工智能芯片提升單個航天器內(nèi)部通用計算機模塊的計算能力，通過將人工智能算法與自主任務規(guī)劃、自主健康管理等需求相結合，提升航天器在智能規(guī)劃、決策、故障預測與處置方面的能力，通過群體智能等技術實現(xiàn)多個航天器的智能組網(wǎng)協(xié)同，提升系統(tǒng)的整體應用效能。