國外航天電子系統(tǒng)模塊化架構發(fā)展概述

劉紅軍 方芳

（1 中國電子科技集團有限公司第十研究所 2 中國電子科技集團有限公司電子科學研究院）

近年來，多個國家曾提出通過促進商業(yè)航天來推動航天系統(tǒng)和應用的發(fā)展。盡管小衛(wèi)星系統(tǒng)等相對廉價的衛(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展和成熟在一定程度上可以作為推動商業(yè)航天發(fā)展的契機，但阻礙商業(yè)航天發(fā)展的根本問題還是在于航天系統(tǒng)的專用和定制特性。衛(wèi)星根據(jù)特定任務和需求專門設計和制造，衛(wèi)星平臺通常是定制的，且與載荷系統(tǒng)之間緊密耦合，系統(tǒng)集成商與元器件供應商緊密依存，無法形成真正的市場競爭環(huán)境下的航天系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈。有鑒于此，目前美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）分別提出了“航天通用模塊化架構”（SUMO）和“航天電子開放接口體系架構”（SAVOIR）計劃，以開發(fā)適用于航天系統(tǒng)領域的開放模塊化架構，通過標準化和模塊化設計，滿足航天任務對響應性、靈活性、可伸縮性和模塊化的迫切需求，促進國際航天市場的競爭，充分發(fā)揮全球航天產(chǎn)業(yè)的工業(yè)能力，使工業(yè)單位能夠以更低的成本向用戶提供更多的功能性。

1 美國SUMO計劃

美國政府部門2013年發(fā)起并主導SUMO研究計劃，旨在通過為航天系統(tǒng)建立模塊化的架構，在降低航天系統(tǒng)開發(fā)和研制成本的同時不降低甚至提高系統(tǒng)性能和系統(tǒng)可靠性，促進航天領域的國際市場競爭，形成更加合理和完善的航天系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈，促進創(chuàng)新。

SUMO計劃組織結(jié)構

SUMO計劃由美國國防部（DoD）和國家偵察主管辦公室（ODNI）、NASA、空軍航天和導彈系統(tǒng)中心（SMC）、國家偵察局（NRO）和空軍研究實驗室（AFRL）協(xié)同眾多工業(yè)單位開展，這些工業(yè)單位包括主承包商、分包商和元器件供應商等。該計劃試圖通過建立行業(yè)認可的標準實現(xiàn)降低航天系統(tǒng)開發(fā)成本、縮短研制周期的目標。美國政府成立了“綜合過渡團隊”（ITT）推動SUMO計劃的實施，并制定了相應的過渡計劃。ITT團隊由來自SMC、NASA和NRO的高級政府代表共同執(zhí)掌，他們代表政府為計劃的實施提供相應的支持。在其推動下，2014年6月成立了由工業(yè)單位主導的航天行業(yè)標準聯(lián)盟（CSIS），負責支持SUMO相關行業(yè)標準的制定。這些標準的制定是以工業(yè)單位為主導、政府參與并提供輸出。

建議的SUMO標準體系架構

SUMO計劃工作任務

SUMO計劃確定的概念體系架構包含硬件連接和邏輯接口，從功能性角度主要包含四層：組件、組件互連（數(shù)據(jù)和電氣）、軟件基礎結(jié)構/服務（連接組件與飛行軟件應用）和軟件應用。分配給上層的組件類使用下層的接口，以便使其行為與航天電子系統(tǒng)的其他硬軟件組件的特性去耦合。

SUMO架構分層概念

該體系架構的互操作性主要通過制定接口規(guī)范實現(xiàn)。目前，在CSIS的指導下，已確定了SUMO所需的標準體系，而SUMO計劃目前的主要任務就是支持這些標準的制定，即：①開發(fā)和實現(xiàn)模塊化、標準化的數(shù)據(jù)和電氣接口；②建立能夠涵蓋多種發(fā)射和任務環(huán)境的通用測試環(huán)境標準。

（1）數(shù)據(jù)接口標準

SUMO計劃借鑒“航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會”（CCSDS）以及其他現(xiàn)有標準，將主要定義電子數(shù)據(jù)表（EDS）、軟件參考架構和數(shù)據(jù)模型。

EDS—AFRL的“空間即插即用體系架構”（SPA）為各種組件設計的EDS目前已經(jīng)得到了CCSDS的“航天器載接口服務”（SOIS）工作的采納，而SUMO計劃也借鑒了相關的設計。EDS支持在衛(wèi)星數(shù)據(jù)總線上自動化地插入組件，加快集成過程，增強總線的可重配置能力。它是一個有關設備指標的機器可讀的表格，其標準化的數(shù)據(jù)支持任務自動化地實現(xiàn)，且可避免轉(zhuǎn)錄誤差。SUMO的EDS將基于電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的“傳感器電子數(shù)據(jù)表”（TEDS）和SPA的“基于可擴展標記語言的傳感器電子數(shù)據(jù)表”（xTEDS）實現(xiàn)，并確保能與CCSDS SOIS制定的相關標準兼容。

EDS航天任務應用

軟件參考架構—SUMO還會定義一個包含軟件抽象分層的通用軟件參考架構，它將采用標準化的接口以降低集成成本和引入新技術的難度。目前已有的軟件體系架構模型眾多，包括NASA的“核心飛行系統(tǒng)”（cFS）、美海軍“開放體系架構”（OA）、SOIS、“未來機載能力環(huán)境”（FACE）等，它們都采用分層結(jié)構，強調(diào)各層之間隔離，重點關注軟件組件之間的通信，并利用抽象層來實現(xiàn)組件重用。SUMO也借鑒這些經(jīng)驗設計了通用軟件參考架構，綜合考慮了地面和星上軟件。

數(shù)據(jù)模型—SUMO主要利用數(shù)據(jù)模型來確保數(shù)據(jù)定義的一致性，并因此提高軟件復用能力。目前在航空領域廣泛采用基于模型的開發(fā)，定義完善的數(shù)據(jù)模型也有助于在航天領域引入這種開發(fā)模式。

此外，在SUMO架構開發(fā)的過程中，還會考慮網(wǎng)絡安全/信息保證能力問題，確保制定的相應標準能夠滿足不同風險等級的需求，并明確組件或航天認證的主體。

（2）電氣與物理接口標準

電氣與物理接口標準主要考慮物理和信號標準，目前相關的成熟標準已經(jīng)很多，SUMO需要根據(jù)自身的需求選擇可用的接口標準，盡可能地利用少量標準滿足多種需求，例如廣泛使用“低電壓差分信號傳輸”（LVDS）和MIL-STD-1553電氣信號傳輸標準等。此外，NASA和DoD還在合作開發(fā)應用于航天電子系統(tǒng)背板的“下一代航天互聯(lián)標準”（NGSIS）。

（3）環(huán)境檢驗標準

對于航天電子系統(tǒng)組件而言，SUMO未來實現(xiàn)的主要轉(zhuǎn)變之一是使當前組件接口根據(jù)應用定義轉(zhuǎn)變?yōu)榻M件接口，根據(jù)行業(yè)認可標準定義，將原有的系統(tǒng)定制總線轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚_放接口的模塊化總線。而在此過程中，需要有官方機構來鑒定組件是否符合相應的標準，SUMO需要確定組件檢驗鑒定環(huán)境，包括根據(jù)不同應用需求如震動、散熱、輻射等確定相應的測試等級，建立標準化的測試環(huán)境等。

SUMO計劃相關研究基礎

美國SUMO計劃并非是要從頭開始開發(fā)開放模塊化的航天電子系統(tǒng)體系架構及相關標準和協(xié)議，而是以現(xiàn)有國際和美國已有相關組織及機構開發(fā)的架構、標準和協(xié)議為基礎開展相關研究，特別是美國已有相關研究成果，比較典型的是AFRL開發(fā)的“空間即插即用體系架構”（SPA）以及NASA、DoD和工業(yè)部門聯(lián)合開發(fā)的“下一代航天互聯(lián)標準”（NGSIS）。

（1）SPA

AFRL開發(fā)的航天即插即用架構示意圖

為了縮短航天器設計、制造、集成和測試周期，將衛(wèi)星的開發(fā)階段從幾個月甚至幾年縮短至幾天，AFRL于2004年開始開發(fā)航天領域適用的“即插即用”（PnP）技術，目前已完成了SPA的初步研究，并且SPA草稿已通過了美國航空與航天學會（AIAA）認證。2011年，AFRL對SPA概念進行了優(yōu)化并重新命名為“模塊化開放網(wǎng)絡體系架構”（MONA），簡化SPA技術的實現(xiàn)，并針對大型、高可靠性航天應用進行了優(yōu)化，不再過度強調(diào)快速開發(fā)。MONA繼承了SPA的技術基礎，它利用電子數(shù)據(jù)表把設備組件變成自描述和自組織網(wǎng)絡和硬件，進而實現(xiàn)模塊化衛(wèi)星零部件之間的互通，最終目標是在航天系統(tǒng)領域?qū)崿F(xiàn)類似個人電腦外設的即插即用能力。

SPA的核心支撐技術包括：

1）單點接口與協(xié)議。目前已開發(fā)的協(xié)議包括基于USB成熟的自發(fā)現(xiàn)和自動配置協(xié)議的SPA-U協(xié)議，基于SpaceWire網(wǎng)絡的SPA-S協(xié)議，以及基于針對低開銷應用的I2C通信標準的SPA-I協(xié)議等。

2）“應用傳感器接口模塊”（ASIM）。ASIM類似于USB的接口芯片，用于簡化即插即用設備的創(chuàng)建。ASIM內(nèi)加載的關鍵軟件包括：xTEDS—描述了硬軟件模塊可用數(shù)據(jù)產(chǎn)品；“SPA服務管理器”（SSM）—用于支持發(fā)現(xiàn)和訂閱/推送功能；“通用數(shù)據(jù)字典”（CDD）—為整個系統(tǒng)定義了相對穩(wěn)定的術語集合。

AFRL目前仍在進一步使SPA技術成熟化。相比SPA，SUMO主要目標是降低衛(wèi)星開發(fā)成本，對大幅縮短開發(fā)周期的要求不高，因而SUMO最終形成的標準并不要求使用SPA中最關鍵的即插即用單元—自配置和自組織組件。

（2）NGSIS

NGSIS是NASA、DoD和工業(yè)部門合作開展的項目，目標是定義一組航天電子系統(tǒng)組件互聯(lián)的標準，以降低未來航天系統(tǒng)研制的成本并提高開發(fā)效率。該項目初期的重點是開發(fā)電子背板級內(nèi)部互聯(lián)標準。

NGSIS團隊目前已經(jīng)選定VMEbus國際商業(yè)協(xié)會（VITA）的OpenVPX系列標準作為物理基線，并且還選定了RapidIO協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A協(xié)議。OpenVPX和RapidIO是NGSIS設想的航天電子系統(tǒng)模塊化架構的基礎框架。

NGSIS標準是要利用開放式和模塊化架構以及互聯(lián)標準為航天電子系統(tǒng)提供足夠的靈活性，使用戶可以實現(xiàn)各種系統(tǒng)配置的同時，滿足互操作性和可靠性要求。

SUMO過渡計劃

SUMO過渡計劃主要分三個階段。

第一階段：通用組件選定—選定符合寬泛性能和環(huán)境要求包絡的組件集合，確定相應的性能要求、“通用檢驗環(huán)境”（CQE）、測試方法以及相關的零部件/材料/過程。

第二階段：標準組件接口開發(fā)，它又分為四個子階段。

2a：確定SUMO標準體系，主要是標準接口定義，該階段工作將會參考CCSDS或其他相關標準體系。

2b：開發(fā)EDS，它是一種通用語言的、機器可讀的文檔接口，該階段工作將會借鑒AFRL和CCSDS已有的研究成果。

2c：實施組件認證，確保通用組件與SUMO的兼容性，即在通用組件中應用SUMO標準化的電氣和數(shù)據(jù)接口，同時作為過渡方案，還要考慮開發(fā)一種適配器設備，用于通過認證的組件與特殊總線間的轉(zhuǎn)換。

2d：SUMO演示驗證，對通過認證的組件進行演示驗證。

第三階段：標準航天器接口開發(fā)，它分為兩個子階段。

3a：啟動原型系統(tǒng)飛行試驗項目，在必要時可能會使用少量適配器。

3b：啟動正式采辦項目，開發(fā)符合SUMO要求的總線。

SUMO過渡計劃進度安排

SUMO計劃將會融合現(xiàn)有標準中精華部分以及最新的技術和方法，構建一個行業(yè)認同的標準化、模塊化體系架構，最終目標是向CCSDS推薦美國的體系架構方案，在CCSDS工作組達成一致并建立相應的國際標準，然后再向國際標準化組織（ISO）推薦。

2 歐洲SAVOIR計劃

在意識到航天電子系統(tǒng)領域需要提高標準化水平以提高效率、降低成本和縮短研制周期之后，歐洲航天工業(yè)界和航天機構于2007年成立SAVOIR咨詢小組，并啟動了SAVOIR計劃，整合歐洲航天領域的相關研究工作，開發(fā)通用SAVOIR。

SAVOIR計劃實施流程

SAVOIR從航天產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈的角度出發(fā)，讓航天電子系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)集成商、航天電子系統(tǒng)和技術供應商，以及相關標準化組織等，共同參與體系架構開發(fā)，使用戶方能夠?qū)崿F(xiàn)航天電子系統(tǒng)采辦流程流水線化，使系統(tǒng)集成商能夠促進航天電子系統(tǒng)的采辦和集成，使供應商可以為高效產(chǎn)品線規(guī)劃準備技術條件。

SAVOIR希望利用各方認可的參考體系架構改進航天系統(tǒng)交付的方式，降低風險，縮短研制周期，降低成本并促進行業(yè)競爭。其實施途徑是：確定各方一致認可的參考體系架構，基于該架構制定相應的功能規(guī)范，供應商基于這些功能規(guī)范開發(fā)產(chǎn)品。

SAVOIR實施流程

基于上述的流程，SAVOIR計劃確定了其輸出的主要成果將包括涵蓋軟硬件和通信的航天電子參考體系架構、硬件和通信功能體系架構、軟件體系架構、S/A功能接口，以及業(yè)務模型。

SAVOIR計劃組織架構

SAVOIR計劃由SAVOIR咨詢小組負責協(xié)調(diào)，該小組由來自政府機構[ESA、法國航天局（CNES）、德國航空航天局（DLR）]、大型衛(wèi)星集成商（空客防務與航天公司、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司和OHB公司），以及航天電子硬軟件供應商（RUAG、塞萊斯·伽利略和TERMA公司）的代表組成。在SAVOIR咨詢小組下面設立了8個工作組：

1）軟件工作組，負責開發(fā)軟件參考體系架構；

2）“綜合模塊化航天電子系統(tǒng)”（IMA）工作組，負責配置分區(qū)的時間和空間資源，該項工作目前已完成；

3）傳感器傳動裝置電氣接口工作組，負責確定傳感器/傳動裝置電氣接口，該項工作目前已完成；

4）傳感器傳動裝置功能接口工作組，負責確定傳感器/傳動裝置功能接口，該項工作目前已完成；

5）大容量存儲器工作組，負責開發(fā)大容量存儲訪問接口和服務；6）航天電子網(wǎng)絡工作組，負責開發(fā)功能鏈接；7）故障檢測、隔離、恢復工作組，負責開發(fā)相關的故障檢測、隔離、恢復機制；

8）自動化編碼生成工作組，負責研究自動化代碼生成技術。

SAVOIR計劃已開展多年，目前一些工作的任務已經(jīng)完成。

SAVOIR計劃航天電子參考體系架構

SAVOIR的主要產(chǎn)物之一是定義一個滿足多個任務領域需求的航天電子系統(tǒng)參考體系架構，該架構設計考慮了航天電子系統(tǒng)開發(fā)一系列相關需求，包括天地通信、星上通信、可靠性、故障管理、自主性需求、星上功能和性能、設計限制以及可操作性需求等。

該參考體系架構主要包括：

1）星上通信鏈路，是航天電子體系架構的基礎骨干，它將航天器的主要電子功能連接到一起，一般會分成多條串行鏈路以隔離數(shù)據(jù)流并支持不同數(shù)據(jù)率的通信鏈路；

2）遙測/遙控（TM/TC）功能，用于與地面之間進行雙向射頻通信，它通常包括遙測/遙控收發(fā)信機、天線和射頻導線，該功能還會考慮相關的安全能力；

3）大容量存儲器，主要用于存儲大容量的數(shù)據(jù)，即“遙測內(nèi)務處理數(shù)據(jù)”（HKTM）和科學數(shù)據(jù)；

4）星上計算機，包括處理器及其軟件，計算機軟件以及其他航天電子系統(tǒng)軟件從系統(tǒng)的角度可以劃分為基礎系統(tǒng)部分和應用部分；

5）遠程終端單元/遠程接口單元（RTU/RIU），用于連接非智能設備（如傳感器和傳動裝置）和主通信總線，收集來自航天器的離散數(shù)據(jù)（如熱敏電阻數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等）以及把離散指令發(fā)送給航天器；

6）“姿態(tài)與軌道控制子系統(tǒng)”（AOCS）傳感器和傳動裝置，其選擇是基于軌道特性、航天器尺寸、任務所需的指向精度/敏捷性以及可靠性要求確定；

7）載荷和儀表是作為外部功能，它們需要利用數(shù)據(jù)處理接口并要對資源進行處理以便管理。

SAVOIR計劃硬件和通信功能體系架構

根據(jù)上述航天電子參考體系架構，可以從硬件的角度劃分成幾個硬件設備群。通過將這些功能映射到實際物理設備上有助于設備供應商明確其產(chǎn)品線范圍，對于供應商來說，功能架構相對穩(wěn)定可靠，設備增減對其影響較小，然后可以將每個功能與其具有可變參數(shù)的通用規(guī)范相關聯(lián)。

目前的趨勢是利用少量的硬件實現(xiàn)多個功能，比較明顯的是越來越多的功能匯聚到兩個主要設備：星上計算機（OBC）和RTU/RIU。為此，SAVOIR目前正為這兩種設備制定相應的通用規(guī)范，在此過程中會借鑒現(xiàn)有或未來的接口標準，特別是航空電子系統(tǒng)總線協(xié)議，如MIL-STD-1553、SpaceWire、CAN總線以及適用航天標準化歐洲協(xié)調(diào)組織（ECSS）的串行鏈路等。

SAVOIR計劃星上軟件參考體系架構

該軟件參考體系架構是基于組件模型概念實現(xiàn)。其中，應用軟件實現(xiàn)使用的組件無需特別了解其執(zhí)行環(huán)境，組件通過執(zhí)行平臺提供的服務運行。組件在執(zhí)行平臺上的映射是通過執(zhí)行平臺最上面的交互層內(nèi)實現(xiàn)的設計規(guī)則集合完成，而該交互層可以利用所謂的軟件總線（自動化工具集合）自動生成。

應用軟件利用組件實現(xiàn)平臺功能鏈。該軟件體系架構將信息學問題（如通信、軟件機制等）與功能子系統(tǒng)需求（如AOCS、散熱、功率等）隔離開，使系統(tǒng)可以與底層軟件問題去耦合，提高了軟件壽命周期的靈活性和響應性。這種靈活性的典型例子是在執(zhí)行平臺上引入時空分割，只需增加分割內(nèi)核并將部分構建塊移到相應的分區(qū)就能實現(xiàn)。

SAVOIR計劃進展情況

SAVOIR主要分為三個階段：

第一階段：確定研發(fā)技術路線圖。SAVOIR在2009年和2010年就確定了一系列高優(yōu)先級航天電子構建塊，并成立了三個工作組，即軟件體系架構工作組、傳感器與傳動裝置電氣接口工作組和傳感器與傳動裝置功能接口工作組，這三個工作組已分別在2010年和2011年完成相關的研究工作。

第二階段：從概念到實現(xiàn)。根據(jù)第一階段確定的技術路線圖，明確了具有標準化接口的參考體系架構和構建塊的需求，并開始定義構建塊、參考體系架構和相關流程。

第三階段：從實現(xiàn)到部署。目前正在進行的第三階段主要工作是發(fā)布相關文檔，部署相關的具體工程。

3 結(jié)語

在商業(yè)航天戰(zhàn)略的推動下，以小衛(wèi)星為代表的低成本航天系統(tǒng)快速發(fā)展，近期涌現(xiàn)的以太空探索技術公司（SpaceX）等為代表的小衛(wèi)星星座計劃部署的衛(wèi)星數(shù)量多達上萬顆，衛(wèi)星也有了批量生產(chǎn)的需求，迫切需要發(fā)展標準化、模塊化的體系架構，并基于這類架構推動航天系統(tǒng)的標準化、模塊化開發(fā)和研制。在此背景下，NASA和ESA都啟動了相關研究工作，并已經(jīng)取得了相應的進展。

盡管近期美國提出要加強太空軍事力量，但是航天領域技術發(fā)展的基礎仍是民用航天，因而無論NASA還是ESA在開展開放化、模塊化航天電子系統(tǒng)架構研究時都大量參考了CCSDS的相關協(xié)議和標準，并將其研究成果得到CCSDS的確認和采納作為目標。就像移動通信領域的技術體制標準在3GPP組織的推廣下得到快速發(fā)展一樣，航天領域的這類模塊化體系架構也有望在CCSDS組織的推動下形成類似的全球航天產(chǎn)業(yè)，美歐都希望能夠搶占技術先發(fā)優(yōu)勢。