一種復雜載荷任務的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈設計

元勇 趙元清 李佳寧 董振輝 穆強

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈[1]是指以衛(wèi)星數(shù)據(jù)為中心,包含任務管控、信道收發(fā)、信息處理、分發(fā)傳輸、終端應用等環(huán)節(jié)的信息鏈路,衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈設計是衛(wèi)星總體設計[2]的關鍵部分。硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星以高時間分辨率、快速機動成像、多樣化姿態(tài)模式、有效載荷長期加電工作等特點對衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)設計提出了更高的要求。

按照數(shù)據(jù)信息的作用劃分,衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈傳輸?shù)膬热菀话惴譃?類:①用于維護衛(wèi)星工作狀態(tài),完成載荷任務的控制類信息,包括遙控指令、衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)等;②用于監(jiān)控衛(wèi)星健康狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù);③星上有效載荷設備產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù),包括科學數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。

對于不同的數(shù)據(jù)信息,其數(shù)據(jù)率、信息鏈傳遞路徑、對傳輸要求的實時性也各不相同,本文在分析硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息交互需求的基礎上,根據(jù)數(shù)據(jù)信源、信宿的特點,充分利用當前遙感衛(wèi)星平臺[3]資源,建立了以星上中央處理單元(CTU)為核心,適用于復雜載荷任務的數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)。數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)采用二級分布式拓撲接口,CTU和星上各總線終端通過一套雙冗余的串行數(shù)據(jù)總線(SDB)實現(xiàn)控制類信息和輔助數(shù)據(jù)傳遞,有效載荷觀測數(shù)據(jù)通過設備間的低壓差分信號接口(LVDS)電纜傳輸。CTU作為整個信息鏈系統(tǒng)的控制核心,根據(jù)衛(wèi)星觀測模式和載荷任務,采取相應的調度策略,實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實時、高效地運行。

1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息需求分析

1.1 衛(wèi)星特點

HXMT衛(wèi)星作為中國第一顆大型X射線天文衛(wèi)星,相比傳統(tǒng)對地傳輸遙感衛(wèi)星具有以下特點:

(1)通過載荷光軸對天指向來實現(xiàn)對眾多天體目標和現(xiàn)象高質量的科學觀測,衛(wèi)星對天慣性定向觀測,觀測目標遍布整個天球,衛(wèi)星在過境弧段無固定對地面。

(2)衛(wèi)星包括4種主要觀測模式,巡天觀測模式、小天區(qū)觀測模式、定點觀測模式和伽馬暴觀測模式,對衛(wèi)星姿態(tài)控制要求高,要求衛(wèi)星可隨時根據(jù)觀測目標的變化在4種主要觀測模式之間快速、準確地切換。

(3)衛(wèi)星自主安全管理要求高,除了常規(guī)入軌段程控、蓄電池放電管理、整星轉最小能源管理等,由于衛(wèi)星姿態(tài)的不確定性和有效載荷對工作環(huán)境要求的苛刻性,還需增加南大西洋異常區(qū)載荷安全保護、載荷溫度異常升高自主判定、數(shù)傳天線自主切換控制等功能,對衛(wèi)星時間實時性和同步性提出了更高的要求。

(4)衛(wèi)星有效載荷為長期加電工作模式,有效載荷每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為350 Gbit,對衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)長期、持續(xù)傳輸穩(wěn)定性要求高。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息需求

根據(jù)HXMT衛(wèi)星觀測模式和載荷任務需求,梳理出衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息需求,如表1所示。

表1 衛(wèi)星信息需求Table 1 Information flow requirements

(1)上行遙控數(shù)據(jù)。由地面產(chǎn)生,通過測控通道傳送至衛(wèi)星,經(jīng)測控應答機接收、解調后送衛(wèi)星CTU解析,CTU根據(jù)解析結果通過總線發(fā)送給各用戶終端。此類信息與衛(wèi)星任務甚至整星安全直接相關,對信息鏈的實時性要求很高。衛(wèi)星上行遙控數(shù)據(jù)率不超過2 kbit/s。

(2)下行遙測數(shù)據(jù)。星上CTU首先通過總線獲取整星遙測數(shù)據(jù),采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)高級在軌系統(tǒng)(Advanced Orbiting Systems,AOS)所規(guī)定的體制,形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流通過測控信道下傳。此類信息與衛(wèi)星健康狀態(tài)直接相關,對信息鏈路的可靠性、實時性要求高,衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)傳輸速率不超過4096 bit/s。

(3)衛(wèi)星時間數(shù)據(jù):包括CTU時間、GPS秒脈沖、秒脈沖整秒時刻、校時時差等。此類信息是實現(xiàn)衛(wèi)星時間系統(tǒng)同步、保證載荷任務順利實施的關鍵,設計過程中在保證信息傳遞鏈路高實時性和同步性的同時,還要考慮冗余、容錯設計。衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)傳輸速率不超過192 bit/s。

(4)衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)。包括GPS定位、定軌數(shù)據(jù)、GPS原始測量數(shù)據(jù)等。此類信息用于地面精密定軌、載荷數(shù)據(jù)高精度解析,設計過程中重點需要考慮數(shù)據(jù)傳輸、存儲的完整性。衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)傳輸速率不超過2608 bit/s。

(5)載荷觀測數(shù)據(jù)。包括高能、中能和低能望遠鏡科學數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)。其中科學數(shù)據(jù)傳輸速率高,需要采用大容量存儲設備和專用的傳輸通道,工程數(shù)據(jù)傳輸速率較低,重點需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴］d荷科學數(shù)據(jù)傳輸速率不超過20 Mbit/s,工程數(shù)據(jù)傳輸速率不超過3252 bit/s。

2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈設計

針對第1節(jié)的數(shù)據(jù)信息需求分析結果,在衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)設計中,充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星平臺的成熟技術,根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信息類型和傳輸速率,選擇合適的信息鏈路。衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)包括遙控遙測信息鏈、衛(wèi)星時間同步信息鏈和衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)鏈3部分,衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 HXMT衛(wèi)星信息鏈系統(tǒng)Fig.1 Information chain system of HXMT satellite

對于遙測遙控類和時間類數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)傳輸速率不高,對傳輸實時性和可靠性要求高,在設計時選用當前國內成熟的1553B總線作為信息傳輸鏈路,采用熱冗余的A、B雙總線;對于輔助類數(shù)據(jù)和載荷工程數(shù)據(jù),考慮到其信源設備與1553B總線有接口,同時數(shù)據(jù)率較低,為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?同樣采用1553B總線作為信息傳輸鏈路。

對于載荷科學數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)傳輸速率比較高,需要采用專用的傳輸通道。當前國內衛(wèi)星比較成熟的高速數(shù)據(jù)傳輸接口包括TLK2711高速串行接口和LVDS接口,其中TLK2711接口傳輸速率最高可達2 Gbit/s,LVDS接口在電纜長度不超過10 m時傳輸速率可達400 Mbit/s。綜合考慮載荷科學數(shù)據(jù)率不超過20 Mbit/s,同時信源由多臺載荷設備組成,選擇采用LVDS電纜作為科學數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

綜上,HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)采用二級分布式拓撲結構,形成設備和部件的分級處理模式,以降低數(shù)據(jù)信息傳遞接口的復雜度。主干結構基于1553B總線,以CTU為總線控制器,依據(jù)載荷任務,分時調度[4]、傳輸控制類信息;載荷設備在控制指令的操控和驅動下,通過LVDS接口傳輸載荷科學數(shù)據(jù)。通過1553B總線傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)率不超過200 kbit/s,相比總線傳輸?shù)臉朔Q速率1 Mbit/s,系統(tǒng)設計余量不低于80%。

2.1 遙控遙測信息鏈

衛(wèi)星遙控遙測信息鏈由星上測控分系統(tǒng)和數(shù)管分系統(tǒng)共同完成,測控USB應答機通過測控信道接收遙控射頻信號,解調后的信息送CTU進行解析、分發(fā)處理;CTU通過采集遙測信息,經(jīng)組幀處理后送測控USB應答機下傳地面。衛(wèi)星遙控遙測信息鏈如圖2所示。

圖2 HXMT衛(wèi)星上下行測控信息鏈Fig.2 HXMT satellite TT&C information chain

2.1.1 遙控信息鏈

測控USB接收機首先將解調后遙控上行信號送遙控單元(TCU),TCU通過串口把解調出的遙控數(shù)據(jù)送CTU,CTU根據(jù)數(shù)據(jù)類型和內容通過總線發(fā)至不同的用戶終端。

2.1.2 遙測信息鏈及信道調度機制

CTU通過總線采集遙測數(shù)據(jù),生成符合AOS標準的遙測幀,送測控USB發(fā)射機下傳地面。AOS遙測幀的組織調度與下傳,采用虛擬信道(VC)和包信道兩級調度機制,通過虛擬信道的動態(tài)調度機制[5],實現(xiàn)對同一物理信道的多路復用,具體說明如下:

1)一級調度機制

一級調度機制為VC調度方式,分為2個VC:

(1)VC為010101B,組織傳輸遙測。此VC將主要占據(jù)測控物理信道,僅在地面發(fā)送內存讀出指令的條件下,短期釋放其占用權,交與另一個VC,傳輸內存讀出數(shù)據(jù);

(2)VC為101010B,僅組織傳輸內存讀出數(shù)據(jù)。此VC的調度受控于地面指令,每次占用測控物理信道的時間≤3 s。

2)二級調度機制

二級調度機制為VC級別下的包信道調度方式,即源包調度。依據(jù)衛(wèi)星遙測模式分別對遙測源包(E-PDU)進行多路復用,生成多路協(xié)議數(shù)據(jù)單元(M-PDU),填充入虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)數(shù)據(jù)單元區(qū)中。

(1)遙測源包按照遙測模式下多路周期T由小到大,排列優(yōu)先級;

(2)特定模式下某遙測源包i首次填充入M-PDU數(shù)據(jù)區(qū)中,記錄此M-PDU的序列計數(shù)K,結合多路周期T,則能得出該遙測源包i會填充入哪些M-PDU數(shù)據(jù)區(qū)中(K＋n T),對于序列標識為K＋n T(n＝0,1…)的M-PDU,該遙測源包i必須予以填充;

(3)每生成一個M-PDU,對遙測源包優(yōu)先級重新進行排列,將下一個M-PDU按照多路周期必須填充的參數(shù)包按照優(yōu)先級進行排列,剩余遙測源包按照優(yōu)先級排列其后;

(4)根據(jù)M-PDU數(shù)據(jù)區(qū)長度,從遙測源包隊列中提取遙測源包,若數(shù)據(jù)區(qū)末尾的遙測源包E-PDU超出數(shù)據(jù)區(qū)長度,順序填入下一個M-PDU數(shù)據(jù)區(qū)中。

2.2 高精度時間同步信息鏈

HXMT衛(wèi)星有效載荷包括高能、中能和低能望遠鏡,高能望遠鏡實現(xiàn)20～250 ke V能區(qū)的硬X射線觀測,中能望遠鏡實現(xiàn)5～30 ke V能區(qū)的硬X射線觀測,低能望遠鏡實現(xiàn)1～15 ke V能區(qū)的硬X射線觀測。為達到上述目標,要求載荷系統(tǒng)處理一個光子事件的時間足夠短,以不致引起占用時間過長,經(jīng)分析,高能望遠鏡的時間分辨率要高于25μs,中能和低能望遠鏡的時間分辨率要高于1 ms。

為滿足載荷設備對高精度時間同步的需求,設計基于GPS秒脈沖和整秒時刻的高精度時間同步[6]信息鏈。以GPS接收機的硬件秒脈沖作為統(tǒng)一校對時間基準,輔以CTU通過總線實時接收并廣播CTU時間和整秒時刻,實現(xiàn)衛(wèi)星時間同步。衛(wèi)星時間同步信息鏈組成如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星時間同步信息鏈Fig.3 Time synchronization information chain

CTU通過總線每秒廣播GPS整秒時刻,有效載荷設備根據(jù)廣播的GPS整秒時刻生成本地星時整秒。高穩(wěn)定時間單元5 MHz時鐘用于驅動有效載荷設備產(chǎn)生高精度本地計時時鐘,GPS接收機在定位的情況下通過同軸電纜每秒輸出硬件秒脈沖,有效載荷設備根據(jù)硬件秒脈沖啟動本地時鐘計時,同時通過對相鄰2個秒脈沖的計時實現(xiàn)對時鐘頻率的標定。在考慮電纜傳輸時延的情況下,在GPS非定位的情況下,星上可保證在33 min時間內時間精度誤差不超過10μs。

高穩(wěn)定時間單元40 k Hz信號用于驅動CTU產(chǎn)生CTU時間,CTU通過總線每秒廣播CTU時間,當GPS秒脈沖和整秒時刻輸出異常時,有效載荷設備可以用CTU時間代替本地時間,作為時間同步的備份手段。根據(jù)高穩(wěn)定時間單元晶振穩(wěn)定度、總線廣播時延、CTU軟件處理時延等指標,計算可得CTU時間精度誤差不超過5 ms。

CTU在廣播星時的同時,也可以通過校時方式維護星時精度。校時方式包括地面集中校時、CTU均勻校時、GPS自主校時和GPS強制校時。校時一般過程為,CTU首先通過總線發(fā)送CTU時間,然后通過總線接收GPS返回的時間差,利用時間差修正自身的衛(wèi)星時間。

2.3 有效載荷數(shù)據(jù)信息鏈

當觀測目標為20Crab源時,有效載荷每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為350 Gbit,有效載荷科學數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)以源包形式傳遞。有效載荷數(shù)據(jù)源包[7]的傳遞路徑與數(shù)據(jù)傳輸模式有關,不同的數(shù)據(jù)傳輸模式下,有效載荷數(shù)據(jù)源包的傳遞路徑也不一樣。有效載荷數(shù)據(jù)傳輸模式包括記錄模式、直傳＋記錄模式、直傳＋回放＋記錄模式。不同的數(shù)據(jù)傳輸模式下,有效載荷數(shù)據(jù)源包傳遞路徑如表2所示。

表2 載荷數(shù)據(jù)源包傳遞路徑Table 2 Payload data source package transfer path

有效載荷數(shù)據(jù)信息鏈包括載荷設備與數(shù)據(jù)處理器之間的LVDS接口鏈路、數(shù)據(jù)處理器和固態(tài)存儲器之間的LVDS接口鏈路、載荷設備和數(shù)傳控制單元之間1553B總線鏈路。衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)如圖4所示。

數(shù)據(jù)處理器以LVDS接口接收高能、中能和低能望遠鏡載荷數(shù)據(jù),其中高能望遠鏡的高能電控箱包括3路LVDS接口,中能和低能望遠鏡的電控箱各包括1路LVDS接口,各路信號均為1 bit串行傳輸,最大傳輸速率不超過20 Mbit/s。數(shù)據(jù)處理器與固態(tài)存儲器接口包括記錄接口和回放接口兩類,記錄和回放各包括2路LVDS接口,記錄速率30 MHz×2 bit和60 MHz×2 bit兩檔可調,回放速率30 MHz×2 bit和60 MHz×2 bit兩檔可調。載荷工程數(shù)據(jù)在CTU的調度下,通過總線發(fā)送給數(shù)傳控制單元,與載荷科學數(shù)據(jù)合路后通過LVDS接口發(fā)送給固態(tài)存儲器。

圖4 有效載荷數(shù)據(jù)信息鏈Fig.4 Payload data information chain system

3 可靠性安全性設計

3.1 冗余設計

HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)設計過程中,針對數(shù)據(jù)信息鏈的關鍵環(huán)節(jié)采取了多種冗余設計,提高了信息傳遞的可靠性。

(1)地面上注的指令采用指令執(zhí)行單元主備份均發(fā)送的策略。

(2)衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)通過總線廣播時,采用A、B總線交替進行的策略,每秒廣播一次,A、B總線交替進行。

(3)為了更好地利用A、B總線的熱冗余功能,提高系統(tǒng)的可靠性,采取了總線消息重試設計。對于遙控指令、衛(wèi)星時間、衛(wèi)星重要數(shù)據(jù)等信息,當發(fā)送失敗時,進行消息重試,即使用冗余總線進行一次重試。

(4)數(shù)據(jù)處理器與有效載荷之間的LVDS接口采用交叉?zhèn)浞莘绞?交叉?zhèn)浞萦捎行лd荷實現(xiàn);數(shù)據(jù)處理器與固態(tài)存儲器間接口采用交叉?zhèn)浞莘绞?交叉?zhèn)浞萦晒虘B(tài)存儲器實現(xiàn)。

3.2 故障處理機制

針對數(shù)據(jù)信息傳遞過程中可能出現(xiàn)的總線通信故障、軟件故障和硬件故障,設計了衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息傳遞故障處理機制。

(1)CTU依據(jù)總線通信狀態(tài)與各總線終端(RT)進行通信,如果發(fā)生RT無響應、RT響應超時、總線消息錯誤的情況,則此次通訊失敗。若通訊失敗,CTU按照與RT約定的數(shù)值對數(shù)據(jù)進行填充。

(2)CTU每秒對各RT消息矢量字進行查詢,并記錄總線通信的狀態(tài),當連續(xù)10次所有終端都不通時,CTU切機。

4 試驗驗證

HXMT衛(wèi)星研制期間,經(jīng)多次迭代開展數(shù)據(jù)信息鏈設計工作,形成衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)。為保證衛(wèi)星信息鏈系統(tǒng)設計可行,在衛(wèi)星研制各階段開展了不同級別的測試驗證工作,除了分系統(tǒng)單機及分系統(tǒng)內部按照各通信協(xié)議規(guī)定的接口要求進行測試以外,在分系統(tǒng)間還開展了總線聯(lián)試、載荷數(shù)據(jù)接口聯(lián)試等測試項目,在整星層面開展了各種模式測試,覆蓋了衛(wèi)星正常及故障工況。同時開展了測試覆蓋性分析,確保信息鏈系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)信息傳遞的路徑均經(jīng)過測試驗證。

2017年6月16日－2017年6月24日,HXMT衛(wèi)星飛控期間,地面上注指令執(zhí)行正確,地面接收衛(wèi)星下傳遙測正常;期間共進行6次地面控制和15次星上自主控制的載荷科學數(shù)據(jù)下傳,載荷科學數(shù)據(jù)全部按預期下傳,下傳數(shù)據(jù)正確;期間衛(wèi)星使用GPS自主校時,校時時差精度在－500～＋475μs之間,優(yōu)于5 ms校時精度要求。

HXMT衛(wèi)星在軌運行結果表明,衛(wèi)星信息鏈系統(tǒng)工作正常,滿足衛(wèi)星需求。

5 結束語

HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)設計以信息交互的實時性和可靠性為目標,信息傳遞的關鍵環(huán)節(jié)均從傳輸通道、節(jié)點處理、時序控制等多方面進行設計保證。經(jīng)在軌驗證,衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)運行穩(wěn)定,滿足任務要求。HXMT衛(wèi)星采用的高實時性和可靠性數(shù)據(jù)信息鏈系統(tǒng)可供后續(xù)低軌遙感衛(wèi)星,尤其是空間科學試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息鏈的設計借鑒。

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