微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)綜述①

陳世淼，倪淑燕，廖育榮

(1.航天工程大學(xué)研究生院，北京 101407；2.航天工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系，北京 101407)

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星正在逐漸往小型化、集成化和模塊化的方向發(fā)展，具有體積小、重量輕、性能高特點(diǎn)的微小衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生[1,2]。未來(lái)的微小衛(wèi)星平臺(tái)將會(huì)是一個(gè)把任務(wù)、功能、資源統(tǒng)一調(diào)度管理的綜合電子系統(tǒng)，在通信、遙感、科研和軍事等方面都有著廣泛的用途[3,4]。

微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)總線組成控制網(wǎng)絡(luò),配以有限的通信節(jié)點(diǎn),構(gòu)成功能密集、配置靈活的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有集中管理、分散控制、集同設(shè)計(jì)、分散研制的特點(diǎn)[5]。隨著航天任務(wù)復(fù)雜度的增加和人們對(duì)微小衛(wèi)星性能要求的提高，微小衛(wèi)星的軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也在逐漸增加，星載綜合電子系統(tǒng)作為微小衛(wèi)星系統(tǒng)的核心，對(duì)微小衛(wèi)星的性能有著重大的影響。

國(guó)外航天器綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單機(jī)、分系統(tǒng)到全航天器統(tǒng)一設(shè)計(jì)的過(guò)程。航天器綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展可以分為四個(gè)階段，第一階段是1975年以前，主要研發(fā)高性能電氣器件來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的功能。第二階段是1975-1990年，通過(guò)開(kāi)發(fā)相互獨(dú)立的系統(tǒng)來(lái)完成比較復(fù)雜的功能，且各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立。第三階段是1990-2005年，研究的重點(diǎn)是系統(tǒng)功能的定義和功能集成，將每一項(xiàng)大的功能構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，分別由不同的供應(yīng)商提供。2005年以來(lái)是第四個(gè)階段，國(guó)外的航天器綜合電子系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)統(tǒng)一的電子工程環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)化接口的時(shí)代，主要趨勢(shì)是由專用接口定義向標(biāo)準(zhǔn)化接口定義發(fā)展；由電子設(shè)備簡(jiǎn)單融合，向系統(tǒng)頂層優(yōu)化、系統(tǒng)集成發(fā)展；由分散設(shè)計(jì)向自定而下的一體化設(shè)計(jì)發(fā)展[6]。

目前國(guó)內(nèi)微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)功能密度低、衛(wèi)星電子系統(tǒng)總體技術(shù)水平和平臺(tái)性能不高，在總體方案設(shè)計(jì)、信息傳輸協(xié)議的制定、機(jī)械接口和電氣接口標(biāo)準(zhǔn)化的制定、接口電路的模塊化設(shè)計(jì)、星載標(biāo)準(zhǔn)總線接口芯片等方面，還需要做大量的工作。所以對(duì)微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)展開(kāi)研究對(duì)國(guó)內(nèi)航天事業(yè)的發(fā)展有著重要意義[7-8]。

1 微小衛(wèi)星系統(tǒng)組成

微小衛(wèi)星由微小衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷兩部分組成。除了星載綜合電子系統(tǒng)外，微小衛(wèi)星平臺(tái)還包括結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、電源分系統(tǒng)、姿態(tài)控制分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)及熱控分系統(tǒng)等[9]。星載計(jì)算機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口與星上平臺(tái)設(shè)備及有效載荷設(shè)備共同組成星上電子系統(tǒng)。有效載荷主要包括偵察載荷、通信載荷、導(dǎo)航載荷等。微小衛(wèi)星的組成如圖1所示，下面對(duì)微小衛(wèi)星平臺(tái)的各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

圖1 微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖

星載綜合電子系統(tǒng)主要由星載計(jì)算機(jī)及星務(wù)管理軟件組成。微小衛(wèi)星體積小、集成度高的，其功能和性能的多樣性和復(fù)雜性決定了微小衛(wèi)星的綜合電子系統(tǒng)具有很高的技術(shù)含量。同時(shí)為滿足微小衛(wèi)星可批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)微小衛(wèi)星的綜合電子系統(tǒng)時(shí)十分注重部件功能的實(shí)現(xiàn)以及接口的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化,以減少重復(fù)的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證工作。

微小衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)一般采用立方體衛(wèi)星，常見(jiàn)的有1U、2U、3U、6U等。立方體衛(wèi)星易于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，并且可根據(jù)自身需求由工廠生產(chǎn)。

電源分系統(tǒng)包括電源控制板、電池組和太陽(yáng)能電池板，電源控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的管理、電源分配控制和電壓、電流檢測(cè)功能。目前微小衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板采用三結(jié)輕型太陽(yáng)電池片，電池組采用鋰電池，極大地提高了微小衛(wèi)星的電源分系統(tǒng)性能。

姿態(tài)控制分系統(tǒng)包括磁強(qiáng)計(jì)、GNSS、IMU等敏感器，飛輪、磁力矩器等執(zhí)行器。通過(guò)敏感器獲取衛(wèi)星當(dāng)前的姿態(tài)信息，利用飛輪和磁力矩器改變衛(wèi)星當(dāng)前的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地、對(duì)日定向及衛(wèi)星載荷執(zhí)行任務(wù)所需的姿態(tài)變化。微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，目前主要采用主動(dòng)三軸姿態(tài)控制，且指向精度可達(dá)到0.1°-0.05°[10]。

測(cè)控分系統(tǒng)一般由星載通信板、數(shù)傳和天線組成。微小衛(wèi)星通過(guò)星載通信板向地面?zhèn)魉托l(wèi)星遙測(cè)量、載荷數(shù)據(jù)，同時(shí)接收地面站的測(cè)控指令。數(shù)傳系統(tǒng)由數(shù)傳發(fā)射機(jī)、固態(tài)存儲(chǔ)和數(shù)傳天線3部分組成。數(shù)傳發(fā)射機(jī)安裝于星內(nèi)，數(shù)傳天線安裝在星外，兩者由高頻電纜連接，固態(tài)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)用載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和存儲(chǔ)記錄，同時(shí)能夠根據(jù)指令將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照協(xié)議組幀回放。天線要求體積小、重量輕，雙頻段設(shè)計(jì)，高度集成化。

熱控分系統(tǒng)利用被動(dòng)元件和主動(dòng)溫控兩種方式，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的熱平衡，保證星內(nèi)電子系統(tǒng)處在能夠正常工作的溫度范圍內(nèi)。被動(dòng)元件有多層隔熱層，熱控涂層和恒溫絕熱層。通過(guò)電加熱器對(duì)需要主動(dòng)加熱的組部件進(jìn)行加熱。

2 星載綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 星載處理器

星載綜合電子系統(tǒng)的核心是星載計(jì)算機(jī)，星載計(jì)算機(jī)的CPU直接決定了計(jì)算機(jī)的性能。選擇CPU時(shí)要考慮以下幾個(gè)方面：一是性能、功耗等技術(shù)指標(biāo)，二是太空環(huán)境下的穩(wěn)定性，三是片上集成的I/O接口類型和數(shù)量，四是操作系統(tǒng)的支持情況。

Intel 80X86系列處理器在衛(wèi)星平臺(tái)上有著廣泛的應(yīng)用，其處理性能相對(duì)較差，雖然仍然能滿足現(xiàn)在的星務(wù)管理系統(tǒng)需求，但是性能將會(huì)限制其在未來(lái)星務(wù)管理系統(tǒng)的發(fā)展。

MIL-STD-1750A是一款十六位的非精簡(jiǎn)指令集CPU，有著較高的可靠性和抗輻射能力，在國(guó)外的航天任務(wù)中有著較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，我國(guó)的風(fēng)云系列衛(wèi)星也是采用的該架構(gòu)的處理器。隨著衛(wèi)星功能密度的增加，1750A的數(shù)據(jù)處理速率逐漸難以滿足航天任務(wù)的需求了。

ARM處理器具有低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，其外圍接口豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)。由于ARM處理器質(zhì)量等級(jí)低，所以應(yīng)用在星務(wù)管理系統(tǒng)需要進(jìn)行一定的篩選。近幾年研制出的ARM和FPGA相結(jié)合的商用器件在微小衛(wèi)星上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的處理器由IBM和Motorola公司共同研制，具有很高性能、低功耗的特點(diǎn)，相關(guān)的軟硬件資源也比較豐富。該體系架構(gòu)在民用嵌入市場(chǎng)中取得了巨大的成功，并且NASA采用的處理器架構(gòu)多為PowerPC，在軍用、航天領(lǐng)域都有著成熟的應(yīng)用。

SPARC架構(gòu)采用的是精簡(jiǎn)指令集的CPU指令集架構(gòu)，該系列處理器有著很高的質(zhì)量等級(jí)，運(yùn)算能力較高，功耗適中[11]。目前歐航局多采用SPARK架構(gòu)的處理器，但是在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用范圍較小。

表1為幾種典型的處理器的參數(shù)對(duì)比。為滿足微小衛(wèi)星低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，本文推薦采用ARM處理器作為微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的處理器。ARM處理器成本低、功耗低、性能較高，適用于微小衛(wèi)星的工作特點(diǎn)，但對(duì)處理器進(jìn)行篩選時(shí)要選擇質(zhì)量等級(jí)較高。

表1 處理器參數(shù)對(duì)比

2.2 星載總線技術(shù)

星載綜合電子系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以星載計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)低速控制總線來(lái)進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)的交換，將各個(gè)模塊有機(jī)的組合在一起，同時(shí)通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)載荷部分?jǐn)?shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)傳輸。星載綜合電子系統(tǒng)中總線的可靠性、功率損耗、傳輸速率和通用程度都是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，目前應(yīng)用比較多的總線主要有RS-422/485(串行通信總線)、ARINC659總線、CAN(串行多主站控制器局域網(wǎng)總線)、MIL-STD-1553B(時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線)、IEEE 1394、SpaceWire(空間高速串行數(shù)據(jù)總線)等，下面對(duì)各個(gè)總線進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹和分析。

RS-485總線是一種高速通用串行多節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)距離通信的總線。RS-485總線采用差分方式傳輸信號(hào)，數(shù)據(jù)率可達(dá)到10Mbps，總線結(jié)構(gòu)為主/從結(jié)構(gòu)，在同一數(shù)據(jù)線上最多允許32個(gè)設(shè)備間的通信。RS-485總線價(jià)格低廉，在控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但因?yàn)槠浞€(wěn)定性相對(duì)較差，所以在航天領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較少。

ARINC659總線是美國(guó)航空無(wú)線電公司在1993年制定的標(biāo)準(zhǔn)背板數(shù)據(jù)總線規(guī)范，成功應(yīng)用在波音系列飛機(jī)的航天系統(tǒng)上[12]。ARINC659總線是一種標(biāo)準(zhǔn)的多點(diǎn)串行通信總線，具有完備的數(shù)據(jù)確定性和容錯(cuò)性的特點(diǎn)。在航天器上應(yīng)用ARINC659總線將很好地提高航天器的穩(wěn)定性和可靠性。

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司在20世紀(jì)80年代提出的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。CAN總線以其強(qiáng)抗干擾性、高傳輸速率和低成本，從二十一世紀(jì)初便被廣泛應(yīng)用在航天領(lǐng)域，技術(shù)相對(duì)比較成熟，但是航天領(lǐng)域中CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行深入的研究[13]。

1553B總線最早與1973年由美國(guó)軍方和政府提出，并一直沿用至今。我國(guó)從二十世紀(jì)末開(kāi)始使用該標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行修訂和擴(kuò)充，目前在我國(guó)的航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一個(gè)1553B總線通信系統(tǒng)由總線控制器(BC)，遠(yuǎn)程終端(RT)和總線監(jiān)控器(BM)三種節(jié)點(diǎn)終端組成。其中，BC負(fù)責(zé)總線上數(shù)據(jù)信息的傳輸，BM負(fù)責(zé)接收和記錄總線上傳輸?shù)男畔?，RT為子功能系統(tǒng)終端，RT的最大數(shù)量為31個(gè)，并且1553B采用雙冗余結(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[14]?？傮w來(lái)說(shuō)，1553B具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、靈活、擴(kuò)充和維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

IEEE 1394總線開(kāi)始是一種商業(yè)串行接口標(biāo)準(zhǔn)，起源于Apple公司在上世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的FireWire。IEEE 1394的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到400Mbps，支持即插即用、熱插拔、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和異步數(shù)據(jù)傳輸[15]。IEEE 1394沒(méi)有內(nèi)部容錯(cuò)措施，可以通過(guò)冗余設(shè)計(jì)和使用抗輻射加固芯片來(lái)提高可靠性。

SpaceWire總線是由歐洲空間局(ESA)、美國(guó)宇航局(NASA)等多個(gè)宇航機(jī)構(gòu)以及學(xué)術(shù)組織共同制定的一種高速、可升級(jí)、低功耗、低成本的串行總線。Space Wire總線網(wǎng)絡(luò)由鏈路、節(jié)點(diǎn)和路由器組成，需要根據(jù)工程應(yīng)用的需求來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16-17]。與國(guó)外的Space Wire總線研究相比，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，應(yīng)用范圍和技術(shù)水平均有一定差距。開(kāi)展航天器上Space Wire總線研究將縮短我國(guó)與國(guó)外航天水平的差距。

表2 總線參數(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比上述幾種總線性能可以看出RS-485總線價(jià)格低廉，可靠性較低，IEEE 1394、1553B總線成本高、功耗高，ARINC659總線，SpaceWire總線在微小衛(wèi)星上應(yīng)用很少，CAN總線價(jià)格低廉、可靠性高、應(yīng)用廣泛，本文推薦使用CAN總線作為微小衛(wèi)星的總線。

2.3 星載操作系統(tǒng)

隨著星載綜合電子系統(tǒng)的功能和性能的大幅提升，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢(shì)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不僅與星載綜合電子系統(tǒng)的硬件資源存在密切關(guān)系，并且對(duì)軟件的資源的管理和調(diào)度起著重要作用。

目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了很多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，比如軍事和航天領(lǐng)域應(yīng)用比較多的VxWorks 系統(tǒng)，μC/OS-II 系統(tǒng)等，發(fā)展迅速并具有大量使用者的FreeRTOS系統(tǒng)，國(guó)產(chǎn)新興的大型實(shí)時(shí)SylixOS系統(tǒng)[18]。下面對(duì)各個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明：

VxWorks是美國(guó)風(fēng)河公司的產(chǎn)品，是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)用很廣泛，市場(chǎng)占有率比較高的嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由400多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、短小精悍的目標(biāo)模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)哪K來(lái)裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間同步與通信、中斷處理、定時(shí)器和內(nèi)存管理等功能，內(nèi)建符合POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)規(guī)范的內(nèi)存管理，以及多處理器控制程序；并且具有簡(jiǎn)明易懂的用戶接口，在核心方面甚至可以微縮到8 KB。所以，它被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域[19]。

μC/OS-II是在μC-OS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse用C語(yǔ)言編寫的一個(gè)結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。μC/OS-II能管理64個(gè)任務(wù)，并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。μC/OS-II是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完備和實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合開(kāi)發(fā)那些對(duì)系統(tǒng)要求不是很苛刻，且RAM和ROM有限的各種小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)備。目前已經(jīng)推出了μC/OS-III，其在性能上有很大提升，但是在穩(wěn)定性并不如μC/OS-II。

FreeRTOS是近幾年發(fā)展非常迅速的一款同時(shí)具有實(shí)時(shí)性，開(kāi)源性，可靠性，易用性，多平臺(tái)支持等特點(diǎn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。與其他系統(tǒng)相比，F(xiàn)reeRTOS具有可移植性非常好的C語(yǔ)言源代碼結(jié)構(gòu)，并且不受限制的實(shí)時(shí)任務(wù)數(shù)量和實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，其設(shè)計(jì)小巧，簡(jiǎn)單易用，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。FreeRTOS目前有著大量的用戶基數(shù)，在學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)上有著更加豐富的參考資料，這也提高了該系統(tǒng)的使用穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的SafeRTOS便是基于FreeRTOS開(kāi)發(fā)而來(lái)，所以對(duì)FreeRTOS的安全性也有了更多的保障。

SylixOS是一款開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，從2006年研發(fā)以來(lái)便一直發(fā)展進(jìn)步，到現(xiàn)在已經(jīng)是一款比較成熟的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)了。SylixOS作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的后來(lái)者，使用了更先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，使其安全性、可靠性達(dá)到甚至超過(guò)了眾多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，成為國(guó)內(nèi)自主嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引領(lǐng)者。目前SylixOS 已成功應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化與通信、武器裝備及國(guó)防安全、新能源應(yīng)用等國(guó)家基礎(chǔ)領(lǐng)域中。但是由于其發(fā)展歷程較短，SylixOS的通用性相對(duì)其他操作系統(tǒng)較差。

VxWorks操作系統(tǒng)在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，性能好，穩(wěn)定性高，但該系統(tǒng)不開(kāi)源，需要針對(duì)芯片開(kāi)發(fā)BSP。SylixOS操作系統(tǒng)是一款國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)，性能和穩(wěn)定性都很高，但是應(yīng)用較少。μC/OS-II和FreeRTOS是目前應(yīng)用在微小衛(wèi)星上最多的兩款操作系統(tǒng)，有著很高的實(shí)時(shí)性和可靠性，并且其性能能滿足微小衛(wèi)星的任務(wù)需求。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星數(shù)目的不斷增加，衛(wèi)星在自主任務(wù)規(guī)劃調(diào)度、自主健康管理等方面有了更多的需求[20]。自主運(yùn)行控制是利用人工智能等現(xiàn)代控制技術(shù)，改革傳統(tǒng)的任務(wù)運(yùn)行和健康管理方式，使衛(wèi)星能夠自我管理并能完成任務(wù)，同時(shí)提高衛(wèi)星系統(tǒng)性能，并減少運(yùn)行成本。

(1)自主規(guī)劃調(diào)度

規(guī)劃與調(diào)度是衛(wèi)星自主運(yùn)行技術(shù)中最能體現(xiàn)其自主性和智能性的關(guān)鍵技術(shù)。規(guī)劃是從某個(gè)特定問(wèn)題狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)一系列動(dòng)作來(lái)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的過(guò)程。調(diào)度則是在規(guī)劃完成后，為規(guī)劃中的動(dòng)作分配資源和時(shí)間。在衛(wèi)星的自主運(yùn)行控制過(guò)程中，資源和動(dòng)作時(shí)間都會(huì)受到限制，所以要將規(guī)劃與調(diào)度結(jié)合起來(lái)，充分考慮衛(wèi)星的現(xiàn)有資源狀態(tài)，選擇最優(yōu)動(dòng)作來(lái)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。

(2)自主健康管理

自主健康管理包括故障檢測(cè)、故障定位和故障恢復(fù)等技術(shù)，是自主運(yùn)行的重要組成部分。當(dāng)星載綜合電子系統(tǒng)偏離了正常狀態(tài)時(shí)，則稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)確定出故障出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)和故障級(jí)別。故障恢復(fù)模塊通過(guò)相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。如果故障無(wú)法修復(fù)，則通過(guò)切換冗余備份的方式來(lái)使衛(wèi)星恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

故障檢測(cè)的主要是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，方法主要有極限檢查和基于模型的檢測(cè)。極限檢查是指跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，將檢測(cè)到的參數(shù)與正常工作時(shí)的參數(shù)作對(duì)比來(lái)判斷其是否處于正常工作狀態(tài)。基于模型的檢測(cè)是指對(duì)系統(tǒng)建立模型，并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)按照系統(tǒng)的執(zhí)行指令對(duì)模型進(jìn)行推理運(yùn)行,同時(shí)將系統(tǒng)當(dāng)前的真實(shí)狀態(tài)同模型中對(duì)應(yīng)部分由推理得到的狀態(tài)進(jìn)行比較,如果當(dāng)前狀態(tài)偏離模型的預(yù)期,則認(rèn)為系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

(3)有效載荷自主處理

有效載荷自主處理是對(duì)衛(wèi)星載荷得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從中提取出有價(jià)值的信息，從而指導(dǎo)航天器的后續(xù)工作或?qū)⒂袃r(jià)值的信息傳給地面，這是衛(wèi)星自主運(yùn)行的高層次要求。例如遙感衛(wèi)星對(duì)地球進(jìn)行圖像監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)對(duì)獲取的圖像進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、水災(zāi)和地震等現(xiàn)象并進(jìn)行高分辨率的成像，從而使地面獲取更有價(jià)值的數(shù)據(jù)和資料。

4 結(jié)束語(yǔ)

星載綜合電子系統(tǒng)作為微小衛(wèi)星平臺(tái)的重要組成部分，通過(guò)實(shí)現(xiàn)星載綜合電子系統(tǒng)的硬件模塊化、軟件構(gòu)建化、接口規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)提高系統(tǒng)可靠性、縮短產(chǎn)品研制周期、節(jié)約研制成本。為了推動(dòng)國(guó)家航天事業(yè)的發(fā)展，構(gòu)建高性能、高可靠、多功能、智能化、小型化、產(chǎn)品化特性的微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)是滿足未來(lái)任務(wù)需要的必然之路。