適用于行星巡視探測(cè)的集中式載荷控制方法*

王連國(guó)，朱 巖，馬 苗，饒家寧，梁耀明，王 蔚

(1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

圍繞行星科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行太陽系內(nèi)的地外天體探測(cè)活動(dòng)，尤其是通過巡視器(rover)開展行星表面巡視探測(cè)，具有重大科學(xué)意義，國(guó)際上的主要航天組織規(guī)劃了一系列行星巡視探測(cè)計(jì)劃[1]。

行星巡視探測(cè)器與地球軌道探測(cè)器有許多不同之處。首先是資源約束極其苛刻，重量、體積、能源、數(shù)據(jù)量都有嚴(yán)格要求。其次是探測(cè)器與地面的通信機(jī)會(huì)有限且時(shí)間間隔較長(zhǎng)，必須在長(zhǎng)時(shí)間沒有監(jiān)控的情況下運(yùn)行和進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。因此，除了需要自主導(dǎo)航，還應(yīng)對(duì)探測(cè)器的工作狀態(tài)進(jìn)行自主監(jiān)測(cè)，能夠在一定范圍內(nèi)自主決定要進(jìn)行的任務(wù)，并能對(duì)出現(xiàn)的一些故障進(jìn)行在軌自主定位、診斷和修復(fù)或重構(gòu)[2]。

對(duì)于有效載荷，一是要實(shí)現(xiàn)輕小型化，低功耗，提高有效數(shù)據(jù)比重，降低數(shù)據(jù)冗余；二是要具備一定的自主任務(wù)執(zhí)行能力，減少對(duì)地面控制的依賴，高效地完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)；三是要具有健康管理能力，對(duì)出現(xiàn)異常的設(shè)備，采取修復(fù)或隔離措施。

美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)和歐洲航天局(European Space Agency, ESA)的深空探測(cè)研究起步早，技術(shù)先進(jìn)，探測(cè)器可提供較多能源，具有高性能的計(jì)算能力[3-5]。在自主探測(cè)方面，進(jìn)行了深入的研究和應(yīng)用，具有自主任務(wù)規(guī)劃、智能目標(biāo)選取、科學(xué)現(xiàn)象在軌發(fā)現(xiàn)能力[6-8]。

國(guó)內(nèi)方面，受技術(shù)基礎(chǔ)和工程約束限制，探測(cè)器可提供的資源有限，故在“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器中，采用一種與NASA及ESA的有效載荷控制方式不同的方案，首次實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)管與多載荷電子學(xué)緊耦合輕小型一體化設(shè)計(jì)。“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器的有效載荷也是采用這種電子學(xué)一體化設(shè)計(jì)。僅使用一臺(tái)載荷數(shù)管設(shè)備(載荷電控箱)完成有效載荷的管理，最大限度地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)資源共享和信息綜合處理。存在的問題是：各電子學(xué)單元直接掛接到CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制線上，這種方式在載荷電控箱集成前，各載荷單獨(dú)調(diào)試和試驗(yàn)時(shí)，需要公用部分CPU的配合，需要的地檢資源多。同時(shí)由于所有有效載荷電子學(xué)共用CPU總線，也會(huì)產(chǎn)生相互影響和時(shí)序競(jìng)爭(zhēng)。另外，在載荷運(yùn)行控制方面，主要依靠地面上注立即指令和延時(shí)指令，自主能力較弱。

本文針對(duì)行星巡視探測(cè)需求和存在的問題，采取了新型有效載荷集中式控制方法。一是采用新型的載荷電子學(xué)和載荷數(shù)管集成一體化架構(gòu)，將集成在機(jī)箱內(nèi)的各電子學(xué)單元之間接口串行化，目的是在各電子學(xué)板功能集成的前提下，降低接口耦合度。二是采用立即指令、事件表和工作模式表等控制方式，可自主控制各載荷工作。三是采取基于預(yù)設(shè)規(guī)則的監(jiān)控措施和故障影響最小化的隔離方法，能夠依據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則監(jiān)控載荷的工作狀態(tài)，自主對(duì)故障載荷采取恢復(fù)和隔離措施而不影響整個(gè)有效載荷系統(tǒng)自主探測(cè)過程。

本文的集中式控制方法在我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中進(jìn)行了應(yīng)用，用于對(duì)火星車有效載荷進(jìn)行控制。本方法有以下優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了有效載荷功能和資源復(fù)用，既提高了系統(tǒng)功能密度，解決了系統(tǒng)重量、體積和功耗嚴(yán)重不足的問題，又優(yōu)化了各電子學(xué)間的接口；②具備較強(qiáng)的自主控制載荷進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的能力，能夠適應(yīng)深空探測(cè)通信延遲大、無實(shí)時(shí)測(cè)控的特點(diǎn)。

1 具體實(shí)現(xiàn)

1.1 集成一體化架構(gòu)

通過對(duì)行星巡視探測(cè)任務(wù)進(jìn)行需求分析，距離遙遠(yuǎn)的探測(cè)任務(wù)，并不需要高性能的處理能力，但對(duì)重量、功耗、數(shù)據(jù)量等約束苛刻。故本文提出了中等處理性能、低功耗、低成本的載荷電子學(xué)和載荷數(shù)管一體化集成化方案，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。公用部分，即載荷數(shù)管，是高度集成的計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理單元、電源單元。計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理單元的原理框圖見圖2，CPU采用AT697F，運(yùn)行頻率64 MHz，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)集成了1553B控制器、NAND FLASH存儲(chǔ)控制、科學(xué)數(shù)據(jù)處理、命令/狀態(tài)處理、OC指令發(fā)送、模擬量采集等功能。各載荷電子學(xué)完成各載荷探測(cè)儀器的控制，公用部分集中完成整個(gè)有效載荷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，包括轉(zhuǎn)發(fā)各載荷命令，組織各載荷遙測(cè)參數(shù)，采集各載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、組包、存儲(chǔ)等。

圖1 新型集成一體化載荷數(shù)管體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Novel integrated architecture of payload OBDH

公用部分與載荷電子學(xué)之間的控制接口使用雙向RS422方式，數(shù)據(jù)接口使用單向RS422方式，都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，采用標(biāo)準(zhǔn)通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)協(xié)議，控制接口比特率115 200 bit/s，數(shù)據(jù)接口比特率1 Mbit/s。通過分析目前和未來一些深空探測(cè)任務(wù)的需求，控制接口比特率115 200 bit/s可滿足需求，受對(duì)地通信限制，載荷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不能太大，故載荷的數(shù)據(jù)率不高，1 Mbit/s可滿足載荷數(shù)據(jù)傳輸需求。

該體系結(jié)構(gòu)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1)內(nèi)部控制接口和數(shù)據(jù)接口都使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串口。該接口方式簡(jiǎn)單，占用資源少，成本低，方便各電子學(xué)單元獨(dú)立調(diào)試和測(cè)試，容易進(jìn)行故障檢測(cè)、隔離。

2)設(shè)計(jì)了適合深空探測(cè)應(yīng)用的控制接口。該控制接口用于向載荷電子學(xué)發(fā)送串行數(shù)據(jù)指令，獲取載荷的工作狀態(tài)參數(shù)。采用RS422主從式半雙工接口方式，為減少接口信號(hào)數(shù)量，使用同一對(duì)差分線，分時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。采用主從式通信方式，公用部分為主機(jī)，各載荷電子學(xué)為從機(jī)，采用主動(dòng)應(yīng)答式的握手協(xié)議。為保證通信可靠性，制定了完備的通信協(xié)議，包括響應(yīng)時(shí)間、超時(shí)時(shí)間、字節(jié)間距、重傳機(jī)制、錯(cuò)誤狀態(tài)等。

針對(duì)深空探測(cè)對(duì)地通信能力弱和延遲大的特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)指令，縮短指令長(zhǎng)度，統(tǒng)一各載荷的指令格式，對(duì)指令應(yīng)答碼和應(yīng)答遙測(cè)數(shù)據(jù)格式也進(jìn)行了統(tǒng)一，如圖3所示。地面注入時(shí)，載荷單條指令的有效部分僅為4 B，即載荷編號(hào)、命令類型、命令參數(shù)高低字節(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是：便于在軌自主按工作模式表執(zhí)行指令，便于進(jìn)行在軌健康管理；大大減少數(shù)據(jù)注入指令長(zhǎng)度。

圖2 計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理單元原理框圖Fig.2 Functional block diagram of computer and data process unit

圖3 控制接口數(shù)據(jù)格式Fig.3 Data format of control interface

1.2 載荷控制方式

1.2.1 軟件控制模型

本文借鑒了ESA的Rosetta探測(cè)器軟件[9]和NASA的火星探測(cè)漫游者(Mars Exploration Rover，MER)軟件[10]，在面向?qū)ο竽Ｐ头治觥⒎謱哟巫灾鬟\(yùn)行、正常運(yùn)行任務(wù)與異常處理配合等方面的設(shè)計(jì)思想。軟件基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks設(shè)計(jì)，NASA的MER和火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory，MSL)任務(wù)也都使用VxWorks操作系統(tǒng)。

軟件的主要任務(wù)是進(jìn)行總線通信管理、載荷遙測(cè)遙控管理、載荷運(yùn)行管理、載荷健康管理、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)管理等。設(shè)計(jì)的軟件控制模型見圖4，由五個(gè)模塊組成：數(shù)據(jù)注入模塊、決策模塊、執(zhí)行模塊、在線監(jiān)控模塊、報(bào)告模塊。

數(shù)據(jù)注入模塊負(fù)責(zé)解析地面應(yīng)用系統(tǒng)上行的數(shù)據(jù)注入。數(shù)據(jù)注入分為三種，見圖5。第一種是沒有時(shí)間標(biāo)簽的立即指令，軟件收到后立即執(zhí)行；第二種是由帶有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽的指令組成的事件表，軟件根據(jù)各指令的時(shí)間標(biāo)簽執(zhí)行；第三種是由指令和等待時(shí)間組成的工作模式表，軟件執(zhí)行指令，并等待相應(yīng)的等待時(shí)間后再執(zhí)行下一條指令。工作模式表由立即指令或事件表中的指令啟動(dòng)。

決策模塊負(fù)責(zé)查詢事件表和立即指令表，判斷是否有事件需要執(zhí)行，對(duì)于需要執(zhí)行的事件交由執(zhí)行模塊來處理，并刪除異常事件和已執(zhí)行事件。對(duì)于立即指令，則立即執(zhí)行。

執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)具體的事件執(zhí)行任務(wù)，對(duì)于低級(jí)指令直接執(zhí)行，對(duì)于高級(jí)指令則依據(jù)工作模式表拆分為多個(gè)低級(jí)指令來執(zhí)行。

在線監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)視各載荷的運(yùn)行情況，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)采取一定的措施對(duì)載荷進(jìn)行控制。

報(bào)告模塊負(fù)責(zé)匯總整理有效載荷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

圖4 軟件控制模型Fig.4 Software control model

圖5 數(shù)據(jù)指令類型Fig.5 Data instruction type

1.2.2 基于事件表的控制方式

事件表由帶有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽的指令組成，每一條指令稱為一個(gè)事件。事件表用于使用絕對(duì)時(shí)間控制指令執(zhí)行的情況。軟件的決策模塊對(duì)事件表中的所有事件判斷是否執(zhí)行的依據(jù)為時(shí)間標(biāo)簽。

定義Ts為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間，Te為事件指定的執(zhí)行時(shí)間碼：若Te>Ts+2 s，表明時(shí)間未到達(dá)，不對(duì)該事件做任何操作，繼續(xù)保留在事件表中；若Ts-2 s≤Te≤Ts+2 s，表明到達(dá)事件的執(zhí)行時(shí)間，交由執(zhí)行模塊處理，并將其從事件表中刪除；若Te

傳統(tǒng)的做法是將事件表設(shè)計(jì)為一個(gè)無序的數(shù)組，即不按事件所指定的時(shí)間碼來排序，這樣經(jīng)過多次添加刪除事件后，數(shù)組中已使用的元素位置并不連續(xù)。

記數(shù)組容量為N，添加一個(gè)事件的時(shí)間復(fù)雜度為O(N)，刪除一個(gè)事件的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。由于數(shù)組中的事件無序，決策算法需要依次對(duì)所有事件進(jìn)行查詢判斷，查詢事件表的時(shí)間復(fù)雜度則為O(N)。

本文使用基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的堆排序(heap sort)，將事件表設(shè)計(jì)為最小堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最小堆是一棵完全二叉樹，特點(diǎn)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的值都小于它的子節(jié)點(diǎn)的值，因此根節(jié)點(diǎn)的值即為整個(gè)堆的最小值。由于嵌入式軟件內(nèi)存資源有限，不適合動(dòng)態(tài)分配空間，所以使用數(shù)組而非鏈表來實(shí)現(xiàn)最小堆結(jié)構(gòu)。為了保持最小堆的特性，插入任一節(jié)點(diǎn)、刪除根節(jié)點(diǎn)的時(shí)候都要對(duì)堆的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小堆來說，樹的高度為lgN，因此插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)、刪除根節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度為O(lgN)，獲取最小節(jié)點(diǎn)(即根節(jié)點(diǎn))的復(fù)雜度為O(1)。

決策算法只需獲取事件表中時(shí)間碼最小的事件(即根節(jié)點(diǎn))，因此，查詢事件表的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。對(duì)事件表的刪除操作都是刪除距當(dāng)前事件表中時(shí)間碼最近的事件，即最小堆的根節(jié)點(diǎn)，因此，刪除一個(gè)事件的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比如表1所示。

表1 兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性能比較

對(duì)本文設(shè)計(jì)的軟件，查詢最近事件的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于插入新事件以及刪除最近事件的頻率，因此采用最小堆算法效率更高。

1.2.3 基于工作模式表的控制方式

對(duì)于深空探測(cè)，通信能力有限，如地球與火星的環(huán)回通信時(shí)間約8～42 min，每天只有幾次通信機(jī)會(huì)，地面規(guī)劃人員需規(guī)劃下一個(gè)火星日的工作計(jì)劃并上注，探測(cè)器自主按工作計(jì)劃運(yùn)行，而無地面人員干預(yù)[5]。

本文的工作模式表即工作計(jì)劃，工作模式表中指令執(zhí)行時(shí)刻是相對(duì)時(shí)間的，如果工作計(jì)劃不變，可重復(fù)調(diào)用之前的工作模式表。

1)工作模式表設(shè)計(jì)

軟件支持10個(gè)模式表(模式表0，模式表1，…，模式表9)，每個(gè)模式表的容量為128個(gè)指令。將模式表設(shè)置為兩種優(yōu)先級(jí)，其中模式表0為高優(yōu)先級(jí)，模式表1～9為低優(yōu)先級(jí)，同一優(yōu)先級(jí)的模式表可同時(shí)執(zhí)行。

每個(gè)模式表中可以包含多個(gè)載荷的指令，也可以只包含單個(gè)載荷的指令。對(duì)于等待延時(shí)指令，其動(dòng)作內(nèi)容為3 B的等待時(shí)間，以100 ms為單位。

2)模式表控制過程

對(duì)模式表的控制作為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)，100 ms調(diào)度一次。圖6是模式表調(diào)度任務(wù)的控制流程，圖7是單個(gè)模式表的處理流程。

圖6 自主運(yùn)行任務(wù)控制流程Fig.6 Flowchart of autonomous control task

圖7 工作模式表運(yùn)行流程Fig.7 Flowchart of work modeTable

3)執(zhí)行時(shí)間分析

模式表任務(wù)每次調(diào)度最多執(zhí)行模式表中的一條動(dòng)作，在不考慮模式表1～9運(yùn)行過程中被模式表0打斷的情況下：

①若兩條指令之間沒有等待動(dòng)作，則它們之間的時(shí)間間隔為100 ms；

②若兩條指令間有1條等待動(dòng)作，則它們的時(shí)間間隔為該等待動(dòng)作所指定的時(shí)間；

③若兩條指令間有連續(xù)N條等待動(dòng)作，則它們之間的時(shí)間間隔為T1+T2+…+TN-0.1×(N-1) s，Ti為等待動(dòng)作指定的時(shí)間；

④模式表存儲(chǔ)。模式表存儲(chǔ)在NAND FLASH中的載荷工作模式表存儲(chǔ)區(qū)，每個(gè)模式表單獨(dú)占用FLASH中的1塊數(shù)據(jù)空間(約為2 MB)，每個(gè)模式表存儲(chǔ)三份。FLASH存儲(chǔ)器采用多種保護(hù)措施，包括使用(12，8)漢明碼進(jìn)行存儲(chǔ)器使用信息保護(hù)，使用RS(256，252)編譯碼對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)[11]。

系統(tǒng)上電時(shí)，從FLASH中讀取模式表，放入SRAM模式表運(yùn)行區(qū)。模式表在SRAM中也存儲(chǔ)三份，采取三取二冗余設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，首先校驗(yàn)SRAM模式表運(yùn)行區(qū)是否有效，若無效，則從FLASH中讀取該模式表；若有效，則不必再?gòu)腇LASH中讀取。

可通過數(shù)據(jù)注入指令修改在SRAM運(yùn)行的模式表區(qū)內(nèi)容。可以每個(gè)模式表單獨(dú)注入，也可以整個(gè)模式表一起修改，還可以修改模式表中的單個(gè)動(dòng)作。需要將更新的模式表存儲(chǔ)時(shí)，則存儲(chǔ)到FLASH中。

1.3 健康管理

健康管理的原則為：①監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)，而不是事件狀態(tài)，恢復(fù)的是系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)。②監(jiān)測(cè)點(diǎn)離故障點(diǎn)越近越好，即在軟件的最底層監(jiān)測(cè)并執(zhí)行動(dòng)作。這也是NASA的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory, MSL)探測(cè)器軟件采取的原則[12]。另外，對(duì)于所有監(jiān)控，啟動(dòng)一次異常處理之后，自動(dòng)禁止監(jiān)控。各項(xiàng)監(jiān)控可通過注入指令使能、禁止。監(jiān)控閾值可通過注入指令修改。采取的健康管理策略見表2。

表2(續(xù))

2 實(shí)現(xiàn)結(jié)果及分析

本文提出的集成一體化架構(gòu)，將載荷電子學(xué)和公用控制部分集成到一起，用高集成度、高性能的公用控制部分(載荷數(shù)管)實(shí)現(xiàn)載荷集中控制。各電路板為6U尺寸，公用部分的電源單元在一塊電路板上實(shí)現(xiàn)主備份冗余，計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理單元有2塊板，組成主備份冗余。通過采取輕小型化措施，公用部分僅重3 kg，功耗6 W。

控制軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)，軟件任務(wù)設(shè)計(jì)見表3。

表3 軟件任務(wù)設(shè)計(jì)

其中，1553B總線通信任務(wù)、RS422通信任務(wù)、自主運(yùn)行任務(wù)和主任務(wù)是周期性調(diào)度任務(wù)。使用操作系統(tǒng)的getUserTime()函數(shù)(獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間碼，時(shí)間碼分辨率為1 ms)記錄各個(gè)任務(wù)每次調(diào)度的時(shí)間，得到各個(gè)任務(wù)的實(shí)際調(diào)度周期。圖8給出了周期性任務(wù)的設(shè)計(jì)調(diào)度周期和實(shí)際調(diào)度周期最小、最大值。從圖中可以看出，優(yōu)先級(jí)高的1553B總線通信任務(wù)、RS422通信任務(wù)、自主運(yùn)行任務(wù)，實(shí)際調(diào)度周期和設(shè)計(jì)調(diào)度周期相差很小。圖中的任務(wù)實(shí)際調(diào)度周期是軟件多次運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，1553B總線通信任務(wù)調(diào)度23 670次，RS422通信任務(wù)調(diào)度47 349次，自主運(yùn)行任務(wù)調(diào)度9469次，主任務(wù)調(diào)度47 314次。

各任務(wù)運(yùn)行時(shí)間的測(cè)試方法是使用FPGA內(nèi)的時(shí)間碼標(biāo)簽寄存器，分辨率為20 μs。各任務(wù)執(zhí)行時(shí)間如圖9所示，除數(shù)據(jù)壓縮任務(wù)外，其他有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)運(yùn)行時(shí)間很短。FLASH管理任務(wù)與讀、寫、擦除動(dòng)作相關(guān)，運(yùn)行時(shí)間不一，此處未列出。

圖8 周期性任務(wù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況Fig.8 Periodic task design and running result

圖9 任務(wù)運(yùn)行時(shí)間Fig.9 Running time of task

使用getUserTime()函數(shù)記錄事件表和工作模式表中各指令的執(zhí)行時(shí)刻，得出各指令執(zhí)行時(shí)刻的抖動(dòng)情況。圖10為事件表中指令執(zhí)行時(shí)刻抖動(dòng)情況，該結(jié)果為由64條指令組成的事件表在不同負(fù)荷下運(yùn)行結(jié)果，最大偏差小于40 ms，優(yōu)于誤差2 s的指標(biāo)要求。圖11為工作模式表中指令執(zhí)行時(shí)刻抖動(dòng)情況，該結(jié)果為9個(gè)模式表(模式表1～9)并行運(yùn)行時(shí)的結(jié)果，最大偏差為3 ms，遠(yuǎn)優(yōu)于誤差2 s的指標(biāo)要求。

圖10 事件表指令執(zhí)行時(shí)刻抖動(dòng)情況Fig.10 Jitter of eventTable instruction executing time

圖11 工作模式表指令執(zhí)行時(shí)刻抖動(dòng)情況Fig.11 Jitter of work modeTable instruction executing time

3 應(yīng)用情況

我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)已進(jìn)入研制階段，火星車巡視探測(cè)科學(xué)任務(wù)著眼于火星局部地區(qū)，開展高精度科學(xué)探測(cè)。本文的集中式載荷控制方法在火星車有效載荷系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用。將各載荷專用的電子學(xué)和公用的載荷數(shù)管集成到載荷控制器機(jī)箱中，由公用部分統(tǒng)一提供二次電源，統(tǒng)一進(jìn)行各載荷的運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)獲取，統(tǒng)一提供與探測(cè)器平臺(tái)接口。

地面應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)家將規(guī)劃好的下一火星日工作計(jì)劃(即載荷工作模式表)上傳至火星探測(cè)器平臺(tái)，平臺(tái)數(shù)管將載荷工作模式表轉(zhuǎn)發(fā)給載荷數(shù)管。當(dāng)日探測(cè)時(shí)，載荷數(shù)管根據(jù)載荷工作模式表自主控制各載荷進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，并存儲(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。在探測(cè)工作結(jié)束后，將科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺(tái)數(shù)管存儲(chǔ)，平臺(tái)數(shù)管在通信弧段將數(shù)據(jù)下行地面。

該集中式載荷控制方法經(jīng)過了初樣階段有效載荷系統(tǒng)聯(lián)試和探測(cè)器整器測(cè)試，整個(gè)有效載荷系統(tǒng)運(yùn)行良好，驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法具有簡(jiǎn)捷、高效、可靠、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適合行星巡視探測(cè)類任務(wù)對(duì)載荷進(jìn)行管理。

4 結(jié)論

本文根據(jù)行星巡視探測(cè)任務(wù)對(duì)載荷輕小型化和自主探測(cè)能力的需求，提出一種集中式載荷控制方法。硬件平臺(tái)采用新型的載荷電子學(xué)與載荷數(shù)管集成一體化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)、功能集成的基礎(chǔ)上，盡可能降低接口的耦合度，以方便各單機(jī)調(diào)試和試驗(yàn)。軟件采用基于事件表和工作模式表的控制方式自主控制載荷工作，可在一個(gè)工作模式表中規(guī)劃多個(gè)載荷的探測(cè)動(dòng)作，也可在不同的模式表中分別規(guī)劃載荷的探測(cè)動(dòng)作，多個(gè)模式表可同時(shí)運(yùn)行，具有較高的靈活性。同時(shí)采取了一系列健康管理措施，能夠在長(zhǎng)時(shí)間無人干預(yù)的情況下，保證載荷設(shè)備安全，并隔離故障載荷或恢復(fù)故障載荷的工作流程。該方法經(jīng)過了實(shí)際工程驗(yàn)證，可滿足實(shí)際工程任務(wù)需要，具有很好的工程借鑒意義。