中國航天器電子系統(tǒng)發(fā)展回顧與展望

高源 張曉明 戴萌 李鵬 田棟

摘? 要：本文首先回顧了我國航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展歷程。我國的航天器電子系統(tǒng)經(jīng)歷了獨(dú)立分系統(tǒng)、功能集成系統(tǒng)和綜合電子系統(tǒng)三個(gè)發(fā)展階段。然后介紹了航天器綜合電子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征。最后討論了航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)，提高模塊化、智能化、可重構(gòu)性、網(wǎng)絡(luò)化及有效集成水平是未來的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：航天器? 電子系統(tǒng)? 集中式? 分布式? 模塊化? 綜合電子系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：F426? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（b）-0014-03

Abstract： The development of spacecraft electrical system in China has been reviewed. The electronic system can be divided into stand-alone system， functional integration system， and avionics. Then， the electrical architectures and features of avionics have been introduced. Finally， the development trend of spacecraft electronic system has been discussed. The future trend includes the optimization of architecture， modularity， intelligence， reconfigurability， networking and effective integration.

Key Words： Spacecraft; Electrical system; Concentrated; Distributed; Modular; Integrated electronic system

近年來，空間任務(wù)變得越來越復(fù)雜多樣，對(duì)航天器的要求也越來越高，特別是其核心電子系統(tǒng)?，F(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、控制技術(shù)和信息工程的進(jìn)步大大促進(jìn)了航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展。集成度更高、運(yùn)行速度更快、功耗更低的先進(jìn)電子系統(tǒng)非常適合執(zhí)行太空任務(wù)。航天器電子系統(tǒng)相當(dāng)于航天器的大腦，能夠?qū)崿F(xiàn)航天器的數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)軌跡控制、導(dǎo)航、測(cè)控、熱控等功能，是航天器執(zhí)行所有任務(wù)的基礎(chǔ)[1]。航天器電子系統(tǒng)對(duì)航天器的設(shè)計(jì)、測(cè)試、軌道維護(hù)及空間應(yīng)用有非常大的影響。然而，航天器電子系統(tǒng)是一個(gè)非常寬泛的概念，并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和定義。通常，航天器電子系統(tǒng)是指與機(jī)械系統(tǒng)平行的所有執(zhí)行非機(jī)械功能（例如，控制、通信等）的電子設(shè)備（包括軟件）的總和。有效載荷雖然同樣主要由電子設(shè)備組成，但由于航天器的具體任務(wù)不同，存在巨大的差異，不在本文討論之列。

1? 我國航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展歷程

從第一顆人造地球衛(wèi)星到第一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室，中國航天從無到有，從小到大，從弱到強(qiáng)。作為航天器核心的電子系統(tǒng)主要經(jīng)歷了以下3個(gè)發(fā)展階段。

1.1 獨(dú)立分系統(tǒng)

早期的航天器電子系統(tǒng)將相互獨(dú)立的電氣和電子系統(tǒng)進(jìn)行整合，以完成復(fù)雜的空間任務(wù)。按照功能的不同，航天器被分為各自獨(dú)立的系統(tǒng)，每個(gè)功能模塊配備了傳感器、處理器、通信模塊等設(shè)備。所有設(shè)備之間相互獨(dú)立，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。所有的設(shè)備和數(shù)據(jù)只用于某個(gè)特定功能，并不能與其他功能共享。早期的這種方案被稱為獨(dú)立分系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于各個(gè)分系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，某個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障不會(huì)影響到另一個(gè)系統(tǒng)。但是，這種設(shè)計(jì)增加了設(shè)備之間信息交換的困難，降低了系統(tǒng)的靈活性。另外，設(shè)備之間大量的電纜帶來非常嚴(yán)重的電磁干擾，降低了系統(tǒng)的可靠性。1970年4月24日，我國發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號(hào)采用的便是獨(dú)立分系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.2 功能集成系統(tǒng)

獨(dú)立分系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在諸多弊端，不能滿足復(fù)雜的空間任務(wù)的要求。功能集成系統(tǒng)將航天器的每一項(xiàng)功能構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，采用集中式或總線式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、信號(hào)處理及控制硬、軟件資源合理分配，以完成復(fù)雜的空間任務(wù)。航天器的各個(gè)分系統(tǒng)通過數(shù)字總線相互連接，每個(gè)分系統(tǒng)都擁有自己的控制器、傳感器和執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)各種功能，這使得整個(gè)系統(tǒng)極其復(fù)雜，系統(tǒng)中存在許多重復(fù)設(shè)備。1999年10月14日，中巴地球資源衛(wèi)星（CBERS-01）發(fā)射成功，在軌運(yùn)行3年零10個(gè)月。CBERS-01借鑒了歐洲的星載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（OBDH， On Board Data Handling System）的架構(gòu)，第一次引入了星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（OBDM， On Board Data Management System）[2]。與獨(dú)立分系統(tǒng)相比，功能集成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)革命性的進(jìn)步。但是，各個(gè)分系統(tǒng)相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，不能充分利用航天器上的資源，使得系統(tǒng)的整體功耗高、體積大、重構(gòu)能力弱、功能密度低。

1.3 綜合電子系統(tǒng)

為了提高航天器的總體性能，增加航天器的功能密度，有必要采用一體化設(shè)計(jì)的理念，在航天器電子設(shè)備之間使用標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議規(guī)范，構(gòu)建具有以下特點(diǎn)的電子系統(tǒng)：信息共享和綜合利用、功能集成、資源優(yōu)化，簡(jiǎn)稱為綜合電子系統(tǒng)。綜合電子系統(tǒng)整合了遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)和軌道控制、電源管理及熱控制等功能。通過規(guī)范接口和協(xié)議，提高了硬件模塊的通用性。通過對(duì)信息流進(jìn)行整合，可以提高電子系統(tǒng)的功能密度和整體性能。2011年11月8日，螢火一號(hào)（YH-1）火星探測(cè)器搭乘俄羅斯的福布斯號(hào)采樣返回探測(cè)器一起發(fā)射。螢火一號(hào)采用了小型化、集中式的綜合電子分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，具有非常高的可靠性和自主性[2]。目前國外公開的綜合電子系統(tǒng)有美國的LM900、歐洲的Avionics4000等。采用一體化設(shè)計(jì)的綜合電子系統(tǒng)是航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

2? 航天器綜合電子系統(tǒng)

綜合電子系統(tǒng)（Avionics）是一個(gè)基于中央計(jì)算機(jī)管理的集成電子系統(tǒng)，基于分層的體系結(jié)構(gòu)。綜合電子系統(tǒng)對(duì)航天器的各個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理和控制，監(jiān)控航天器的整體狀態(tài)，協(xié)調(diào)航天器的工作，管理載荷，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的信息處理和共享。航天器綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的設(shè)備和分系統(tǒng)的界限。與以前的系統(tǒng)相比，綜合電子系統(tǒng)最大的區(qū)別在于強(qiáng)調(diào)將所有組件放置在完整合理的體系結(jié)構(gòu)中，采用自頂向下的系統(tǒng)工程方法完成系統(tǒng)開發(fā)。綜合電子系統(tǒng)建立了通用的體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)信息流動(dòng)將系統(tǒng)劃分為標(biāo)準(zhǔn)模塊，這些模塊將根據(jù)任務(wù)要求與設(shè)備結(jié)合使用，從而可以顯著提高系統(tǒng)的性能和功能密度。

綜合電子系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)各個(gè)功能模塊能夠充分協(xié)調(diào)，通常采用基于總線的模塊化架構(gòu)。如圖1所示，系統(tǒng)由星務(wù)管理單元和通過外部總線連接的功能模塊組成。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)模塊的通用性和接口的標(biāo)準(zhǔn)化。這種結(jié)構(gòu)具有很高的靈活性和可擴(kuò)展性，并且可以根據(jù)不同的任務(wù)要求靈活地配備功能模塊，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，并提高系統(tǒng)可靠性。目前常用的數(shù)據(jù)總線包括1553B、CAN、RS485等，此類總線僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度要求不高的一些控制和數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)傳輸速率有較高要求的數(shù)據(jù)，可采用歐洲航天局提出的SpaceWire總線[3-4]。

3? 航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，當(dāng)前的航天器電子系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理、傳輸和存儲(chǔ)、功能集成、標(biāo)準(zhǔn)化等方面都得到了顯著提高。但是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模塊化、智能化、 網(wǎng)絡(luò)化等方面仍有巨大的發(fā)展空間[5-7]。我們認(rèn)為未來航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面。

（1）體系結(jié)構(gòu)。前文所述為采用集中管理模式的綜合電子系統(tǒng)，這種體系結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的集成度。但是也存在一些弊端，如管理單元和各模塊存在大量數(shù)據(jù)交互，對(duì)管理單元的可靠性要求非常高等。各個(gè)航天大國現(xiàn)在重點(diǎn)研究的基于分布式的綜合電子系統(tǒng)既能按照統(tǒng)一的整體實(shí)現(xiàn)航天器的功能，也能按照獨(dú)立的個(gè)體實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的分工、數(shù)據(jù)和信息處理，能夠大大提升系統(tǒng)的可靠性。然而，其系統(tǒng)集成度略低。目前來看，集中式和分布式體系結(jié)構(gòu)都還存在一定的局限性，還有比較大的提升空間。

（2）模塊化。模塊化系統(tǒng)始終是航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。如何在系統(tǒng)的角度，根據(jù)現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有的電子技術(shù)更快、更好、更省的實(shí)現(xiàn)模塊劃分，提高模塊的通用性、系統(tǒng)的兼容性是航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)。

（3）智能化。智能管理和調(diào)度是實(shí)現(xiàn)自主航天器管理的關(guān)鍵技術(shù)之一。 航天器電子系統(tǒng)作為決策中心發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電子系統(tǒng)根據(jù)指定的飛行任務(wù)有效地調(diào)度所有的硬件和軟件資源，減少航天器對(duì)地面的依賴，并提高完成任務(wù)的能力。

（4）可重構(gòu)。利用可重構(gòu)技術(shù)可以大大提高航天器電子系統(tǒng)核心處理單元的處理能力和可靠性。根據(jù)航天器不同運(yùn)行階段的需求差異，利用可重構(gòu)技術(shù)可以大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度;另外，在部分模塊故障時(shí)，利用可重構(gòu)技術(shù)可以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性能，提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

（5）網(wǎng)絡(luò)化。單個(gè)航天器的功能過于單一，多個(gè)航天器相互協(xié)作，共同完成一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。單個(gè)航天器充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)交換信息，多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作完成某項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。這就要求航天器電子系統(tǒng)可以通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交換實(shí)時(shí)信息，完成信息共享、信息融合等任務(wù)，這與航天器的智能化密不可分。

（6）平臺(tái)和有效載荷的集成。航天器的平臺(tái)和有效載荷大多是單獨(dú)開發(fā)的，兩者只有少量數(shù)據(jù)交換。 隨著技術(shù)的發(fā)展，通用平臺(tái)和有效載荷的集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為重要的發(fā)展方向。航天器電子系統(tǒng)可以提供必要的計(jì)算、存儲(chǔ)、處理，通過加載不同的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)所需的功能。因此，載荷的設(shè)計(jì)者集中于性能的改進(jìn)和數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)現(xiàn)，而航天器電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者可以集中于高度可配置、高性能和通用平臺(tái)的開發(fā)。

4? 結(jié)語

本文主要介紹了我國航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展概況，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了非常大的進(jìn)步。從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單機(jī)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)到一體化設(shè)計(jì)。隨著空間應(yīng)用復(fù)雜度的不斷提高，對(duì)航天器電子系統(tǒng)提出了越來越高的要求。這些實(shí)際需求正加速推動(dòng)航天器電子技術(shù)的下一次變革，更加智能的、微型的、通用的航天器電子系統(tǒng)離我們?cè)絹碓浇?/p>

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