衛(wèi)星高功能密度綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

詹盼盼,*，曹雅婷2，張翠濤，藺祥宇，顧明

1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094 2. 北京神舟航天軟件技術(shù)有限公司，北京 100094

小衛(wèi)星具有功能密度高、技術(shù)發(fā)展快、研制周期短、開發(fā)成本低、部署應(yīng)用靈活等特點(diǎn)[1]?，F(xiàn)代微小衛(wèi)星更強(qiáng)調(diào)功能密度與功能集成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上打破傳統(tǒng)大衛(wèi)星的分系統(tǒng)界限，降低接口復(fù)雜性，采用全新設(shè)計(jì)理念，采用各種新技術(shù)，包括機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)、微電子技術(shù)和軟件定義技術(shù)等，推動了小衛(wèi)星的發(fā)展，使得小衛(wèi)星在原有基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)與技術(shù)革新，提高功能密度，實(shí)現(xiàn)平臺與載荷質(zhì)量、體積減小的同時(shí)其功能更強(qiáng)大，應(yīng)用更靈活。

微小衛(wèi)星高功能密度綜合電子系統(tǒng)通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、可重構(gòu)、可軟件定義[2]的設(shè)計(jì)，將衛(wèi)星平臺功能集成于微小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件中，外加載荷系統(tǒng)，可以滿足快速組裝、測試和發(fā)射等要求。遇到緊急事件時(shí)可形成數(shù)十顆甚至幾十顆衛(wèi)星，在較短時(shí)間內(nèi)形成戰(zhàn)斗力，對局部作戰(zhàn)、自然災(zāi)害等應(yīng)急事件提供專用支持，彌補(bǔ)大衛(wèi)星平臺的實(shí)效性不足，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)急突發(fā)事件的戰(zhàn)術(shù)性快速響應(yīng)。

國外新一代微小衛(wèi)星大多采用綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。其代表有美國研制的用于深空探測的“空間技術(shù)-5”(ST-5)小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)[3]，其電子系統(tǒng)僅由兩塊硬件板組成，總質(zhì)量1.5 kg。其中一塊板為電源板，另一塊板為綜合電子系統(tǒng)板。綜合電子系統(tǒng)板集成了通信、遙控、遙測、姿軌控、探測數(shù)據(jù)處理等所有平臺及載荷的任務(wù)功能。

法國國家空間研究中心(CNES)研制的MYRIADE系列微小衛(wèi)星，截止目前已發(fā)射12顆衛(wèi)星，共承擔(dān)5項(xiàng)空間在軌任務(wù)。其綜合電子系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，以大量COTS器件為基礎(chǔ)，總質(zhì)量不超過3 kg，峰值功耗不超過5 W。該系統(tǒng)由電源模塊、微處理器模塊、I/O接口擴(kuò)展模塊及遙測遙控模塊組成。MYRIADE系列微小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了高速率的遙測遙控處理、星地與星上時(shí)統(tǒng)、星上電源管理、星上數(shù)據(jù)采集與自檢糾錯(cuò)等功能[4-5]。

空客防務(wù)與宇航(ADS)公司在其為一網(wǎng)公司(OneWeb[6])制造的低軌衛(wèi)星星座上首次應(yīng)用低成本高可靠性的微小型綜合電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有緊湊、輕型、低功耗的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使用汽車業(yè)/商業(yè)質(zhì)量等級的器件，所有器件已經(jīng)過充分抗輻照測試，滿足10年低軌環(huán)境壽命，并且已經(jīng)有了星座飛行經(jīng)歷。其設(shè)備核心組成就是一臺綜合電子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了綜合電子的大部分功能，功能包括遙測遙控管理、姿態(tài)和軌道控制、GPS導(dǎo)航、電源管理、總線管理、時(shí)間管理等。

通過對國外星載綜合電子系統(tǒng)的分析，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)大多都采用了綜合電子系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能的綜合，其綜合的范圍一般包含遙測遙控管理、姿軌計(jì)算與控制、熱控管理、電源管理、總線網(wǎng)絡(luò)管理、星時(shí)管理等功能。

2)綜合電子系統(tǒng)的設(shè)備均采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可較好地實(shí)現(xiàn)功能裁減與擴(kuò)充；多種功能集中在一臺設(shè)備中的情況比較普遍，使得整星電子設(shè)備數(shù)量減少,質(zhì)量減小，有效減少了電纜網(wǎng)的數(shù)量。

3)在體系結(jié)構(gòu)方面，微小衛(wèi)星的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傾向于集中式，由多個(gè)模塊通過總線互連，在一個(gè)機(jī)箱中集成。

4)采用軟件定義的設(shè)計(jì)思路，將傳統(tǒng)由分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通信、載荷等功能以軟件方式實(shí)現(xiàn)，將各類設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過軟件連接為一個(gè)整體，最終實(shí)現(xiàn)大部分衛(wèi)星功能的軟件化。

微小衛(wèi)星高功能密度綜合電子系統(tǒng)通過軟件定義衛(wèi)星系統(tǒng)功能，由一個(gè)模塊化、通用化、可重構(gòu)的硬件平臺和各種可加載的任務(wù)軟件組成，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的一星多用，一星多能，而且還可以通過軟件更新和升級來提升衛(wèi)星的戰(zhàn)術(shù)性能，使其不斷緊跟技術(shù)進(jìn)步，滿足不斷變化的應(yīng)用需求。

1 高功能密度綜合電子系統(tǒng)內(nèi)涵

微小衛(wèi)星高功能密度綜合電子系統(tǒng)的核心是一種在采用商用貨架式產(chǎn)品的高度集成化的硬件平臺基礎(chǔ)上通過軟件定義的方式實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星大部分功能的服務(wù)平臺，為微小衛(wèi)星及其有效載荷提供全方位的服務(wù)。其內(nèi)涵主要體現(xiàn)在：

(1)功能綜合

將星務(wù)管理(主要包括遙測遙控管理、總線網(wǎng)絡(luò)管理、星時(shí)管理、熱控管理功能)、姿軌計(jì)算、測控通信等功能集成一體并協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，甚至衛(wèi)星平臺與有效載荷在任務(wù)中都要成為一個(gè)共同運(yùn)行的有機(jī)整體。因此必須通過對系統(tǒng)功能的整合、軟硬件資源的合理配置和綜合利用，提高微小衛(wèi)星的綜合服務(wù)能力[7]。

(2)信息共享

單個(gè)微小衛(wèi)星完成的任務(wù)是有限的，而將多個(gè)微小衛(wèi)星組網(wǎng)的衛(wèi)星星座的服務(wù)能力大大提升。微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)需要具備信息通信與共享能力[8]，支持星內(nèi)、星地、星間的一體化網(wǎng)絡(luò)通信。

(3)硬件高度集成

通過對系統(tǒng)硬件的整合和微小型化，將系統(tǒng)大部分功能均集成在一臺高性能星載計(jì)算機(jī)中，通過商用貨架式硬件產(chǎn)品提高系統(tǒng)的性能，增加系統(tǒng)硬件的集成化程度和通用性，并降低成本。

(4)軟件定義可重構(gòu)

將各種應(yīng)用軟件納入統(tǒng)一的軟件管理平臺，通過多個(gè)“軟件定義”的可組裝模塊靈活地滿足各種應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)軟件構(gòu)件的高度重用，系統(tǒng)可重構(gòu)能力顯著增強(qiáng)。

2 綜合電子系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)總體要求

綜合電子系統(tǒng)集成了微小衛(wèi)星大部分功能，綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接體現(xiàn)了衛(wèi)星的功能和性能水平。綜合電子系統(tǒng)采用分層模塊化開放式體系結(jié)構(gòu)，硬件模塊按照航天器設(shè)備的接口類型設(shè)置，軟硬件接口采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，功能由軟件定義?；谕痪C合電子平臺，不同的微小衛(wèi)星可根據(jù)需求通過配置不同的軟件模塊得以實(shí)現(xiàn)[9]。

高功能密度綜合電子系統(tǒng)一體化體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。整合星務(wù)管理、姿軌計(jì)算、測控通信等電子系統(tǒng)的硬件與軟件功能于一臺綜合電子計(jì)算機(jī)中，基于軟件定義組件實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能，達(dá)到輕小型化、低功耗的要求。

圖1 綜合電子一體化體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated architecture of avionics system

硬件采用高度集成的模塊化設(shè)計(jì)，以可重構(gòu)計(jì)算機(jī)為核心，通過SpaceWire[10]標(biāo)準(zhǔn)化高速總線進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)和有效載荷數(shù)據(jù)之間的高速傳輸。可重構(gòu)計(jì)算機(jī)以CPU+FPGA為核心，通過CPU軟件在軌更改和應(yīng)用軟件動態(tài)加載機(jī)制可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能動態(tài)重構(gòu)，通過FPGA動態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟件無線電功能重構(gòu)。該設(shè)計(jì)減少了體積、質(zhì)量、功耗等開銷，提高系統(tǒng)的集成度，實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的衛(wèi)星電子系統(tǒng)靈活配置和動態(tài)重構(gòu)。

軟件采用分層體系結(jié)構(gòu)和組件化設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)頂層業(yè)務(wù)自頂向下逐步分解，形成多層次的“軟件定義”組件，分別有應(yīng)用軟件、中間件和操作系統(tǒng)軟件。各層之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，便于層間的信息交換，便于“軟件定義”組件的移植和重用，便于系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和擴(kuò)充。軟件組件對上實(shí)現(xiàn)功能封裝和隔離，對下通過調(diào)用下層構(gòu)件組裝其功能。軟件通過構(gòu)件的形式封裝成相對獨(dú)立的功能，采用不同的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)[9]。在軟件構(gòu)件的基礎(chǔ)上，開發(fā)高可信度的軟件中間件，對不同的應(yīng)用軟件提供通用的服務(wù)，在不同硬件平臺和操作系統(tǒng)軟件上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互支持。該軟件體系架構(gòu)可運(yùn)行在不同的硬件平臺，能夠支持現(xiàn)有主流微小衛(wèi)星硬件平臺，滿足功能性能要求。

一體化體系結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)衛(wèi)星分系統(tǒng)的功能界限，不再把衛(wèi)星的各種功能分解至各個(gè)分系統(tǒng)，并由相應(yīng)單機(jī)實(shí)現(xiàn)，而是將衛(wèi)星作為整體從系統(tǒng)層面進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和資源規(guī)劃權(quán)衡。通過一體化綜合設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高功能密度，大幅度地降低成本，縮短研制周期。

3 綜合電子系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方案概要

3.1 軟件體系架構(gòu)

高功能密度綜合電子系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)主要基于如下原則設(shè)計(jì)：

1)業(yè)務(wù)功能均可“軟件定義”并形成標(biāo)準(zhǔn)化“軟件定義”組件。建立一個(gè)分層的體系結(jié)構(gòu)，各層的業(yè)務(wù)以及業(yè)務(wù)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，一方面屏蔽底層硬件接口和協(xié)議變化帶來的影響，使得單層的變化不影響其他層，并支持技術(shù)的升級換代。另一方面將一些通用的功能采用標(biāo)準(zhǔn)的軟件業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，以提高軟件的可重用性。

2)建立一套統(tǒng)一的信息傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)星地、星內(nèi)、星間通信一體化設(shè)計(jì)，支持協(xié)議的變更和升級，支持上層應(yīng)用的靈活信息傳輸。

3)定義標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件以及構(gòu)件接口，將標(biāo)準(zhǔn)的“軟件定義”業(yè)務(wù)采用軟件構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，使得新任務(wù)軟件的開發(fā)可以通過組裝標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件以及任務(wù)特殊需求構(gòu)件，達(dá)到軟件快速開發(fā)的目的，從而縮短軟件研制周期。

高功能密度綜合電子系統(tǒng)軟件體系架構(gòu)包括操作系統(tǒng)層、中間件層和應(yīng)用層，如圖2所示。操作系統(tǒng)層為底層的支持平臺，通過驅(qū)動程序框架以及操作系統(tǒng)接口屏蔽了底層硬件以及操作系統(tǒng)的差異。中間件層作為整個(gè)軟件架構(gòu)的核心，通過基礎(chǔ)的“軟件定義”組件，為上層星載應(yīng)用提供基礎(chǔ)功能，包含空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS[11]) 制定的航天器接口(SOIS[12])業(yè)務(wù)、空間通信協(xié)議、歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)化組織(ECSS)定義的遙控和遙測包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS[13])業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)及協(xié)議形成的軟件構(gòu)件。在操作系統(tǒng)層以及中間件層的支撐下，系統(tǒng)應(yīng)用層的大部分功能都可由底層的通用業(yè)務(wù)構(gòu)件組合實(shí)現(xiàn)，形成獨(dú)立的“軟件定義”功能分區(qū)，并且可動態(tài)擴(kuò)展APP實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能擴(kuò)展。因此，在上述架構(gòu)的支撐下，用戶僅需對各層構(gòu)件進(jìn)行選取以及參數(shù)配置，并開發(fā)滿足應(yīng)用特殊需求的軟件與之組裝即可，從而達(dá)到軟件快速開發(fā)的目的。

3.2 APP動態(tài)加載技術(shù)

目前，星載應(yīng)用軟件難以擴(kuò)展和更改，每個(gè)應(yīng)用軟件獨(dú)占一臺星載計(jì)算機(jī)，不利于資源綜合。研究APP動態(tài)加載技術(shù)，使星載操作系統(tǒng)能夠像手機(jī)系統(tǒng)一樣，靈活加載各類APP程序，能夠?qū)崿F(xiàn)星載應(yīng)用重構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星應(yīng)用的定制化和功能擴(kuò)展。

如圖3所示，APP動態(tài)加載技術(shù)首先將應(yīng)用程序編譯鏈接成動態(tài)加載可執(zhí)行文件，文件中包含所有需要重定位數(shù)據(jù)的地址(虛擬地址)。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要加載某APP時(shí)，由運(yùn)行在操作系統(tǒng)內(nèi)核上的加載器分配與文件大小相同的內(nèi)存空間，并將該APP文件裝入到分配的內(nèi)存中。然后執(zhí)行動態(tài)加載程序，分析重定位的數(shù)據(jù)，獲取重定位數(shù)據(jù)所在的位置(源地址)，計(jì)算APP程序的目標(biāo)地址，等于源地址-虛擬內(nèi)存地址+上述分配的內(nèi)存地址，將該地址作為APP程序的運(yùn)行地址，從而完成APP動態(tài)加載。

圖3 APP動態(tài)加載過程Fig.3 Dynamic loading process of APP

該項(xiàng)技術(shù)通過APP動態(tài)加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件動態(tài)注入、加載、更新和運(yùn)行的功能，解決衛(wèi)星功能的擴(kuò)展問題，實(shí)現(xiàn)星務(wù)管理、姿軌控制、測控通信和有效載荷管理等功能的綜合與更新，集多個(gè)分系統(tǒng)的軟件于一體，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能提供統(tǒng)一的軟件平臺。

3.3 軟件無線電技術(shù)

軟件無線電系統(tǒng)采用通用的硬件平臺，用戶可根據(jù)任務(wù)需求，通過軟件來定義測控、數(shù)傳等通信相關(guān)的功能，實(shí)現(xiàn)功能的軟件定義和在軌重構(gòu)。未來在軌通過軟件升級即可實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)、新算法的在軌更新，大大提升了衛(wèi)星系統(tǒng)的靈活性、可靠性、和可擴(kuò)展性。

軟件無線電系統(tǒng)功能重構(gòu)是研究和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，系統(tǒng)的可重構(gòu)包括如下幾個(gè)實(shí)現(xiàn)方式：

1)通過修改參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)功能性能的重配置。

2)對整個(gè)單機(jī)軟件或某軟件配置項(xiàng)進(jìn)行軟件重構(gòu)，重構(gòu)過程通過單機(jī)或模塊的主備份切換，對主備份分別進(jìn)行重構(gòu)。

可重構(gòu)主要體現(xiàn)在功能重構(gòu)和工作參數(shù)的重構(gòu)。參數(shù)重配置和功能重構(gòu)可能會同時(shí)用到，工作參數(shù)的重構(gòu)比較簡單，這里描述功能重構(gòu)。功能重構(gòu)主要通過通用處理平臺中數(shù)字信號處理軟件的更新、高速可編程器件FPGA的加載更新來實(shí)現(xiàn)的。這些軟件(算法、參數(shù))既可以是存儲于存儲器中的，通過調(diào)用來實(shí)現(xiàn)；也可以是新的軟件(算法、參數(shù))由地面通過無線鏈路上注到系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)。

4 空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)

對于微小衛(wèi)星而言，即使是具有較高的功能密度，但單顆衛(wèi)星的作用還是有限的，只是極大地降低了衛(wèi)星成本，要想發(fā)揮微小衛(wèi)星更大的作用，只有對微小衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，通過星座組網(wǎng)飛行獲得更高的性能，更好地完成任務(wù)[14]。衛(wèi)星星座組網(wǎng)運(yùn)行較單顆衛(wèi)星具有更大的優(yōu)勢，構(gòu)成星座后相比于單顆衛(wèi)星覆蓋范圍更大，時(shí)間分辨率更高，重訪周期更短。

綜合電子系統(tǒng)在現(xiàn)有相關(guān)國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，以CCSDS制定的航天器接口業(yè)務(wù)(SOIS)標(biāo)準(zhǔn)為核心，整合和規(guī)范空間子網(wǎng)和星載子網(wǎng)的通信協(xié)議體系，建立統(tǒng)一的空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

空間網(wǎng)絡(luò)通信功能在軟件體系架構(gòu)中間件層實(shí)現(xiàn)，空間子網(wǎng)構(gòu)件和星內(nèi)子網(wǎng)構(gòu)件分別實(shí)現(xiàn)了星間通信功能和星內(nèi)通信功能。SOIS業(yè)務(wù)構(gòu)件對星內(nèi)通信機(jī)制進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，遙控空間鏈路協(xié)議以及高級在軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了星地、星間鏈路層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，PUS業(yè)務(wù)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)星地應(yīng)用層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層的空間包協(xié)議構(gòu)件以及應(yīng)用支持層的消息傳輸協(xié)議構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)星地、星內(nèi)、星間通信一體化設(shè)計(jì)。

圖4 空間通信協(xié)議組成Fig.4 Architecture of space communication protocols

5 結(jié)束語

目前中國微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)尚未出現(xiàn)統(tǒng)一的平臺，系統(tǒng)多種多樣，集成度和標(biāo)準(zhǔn)化方面不足，給軟件開發(fā)帶來挑戰(zhàn)，不利于綜合電子系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。本文設(shè)計(jì)了一種高功能密度綜合電子系統(tǒng)協(xié)議及業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)，基于商用貨架式產(chǎn)品形成標(biāo)準(zhǔn)化通用的硬件平臺，采用分層架構(gòu)體系協(xié)議，將綜合電子系統(tǒng)功能進(jìn)行分層，采用軟件定義的方式實(shí)現(xiàn)各層功能和業(yè)務(wù)，為衛(wèi)星任務(wù)提供高性能的計(jì)算平臺，支持星內(nèi)、星地、星間通信。除傳統(tǒng)的星務(wù)管理、姿軌控制、測控?cái)?shù)傳功能外，還可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信與處理、載荷處理、自主管理等其他功能，綜合電子系統(tǒng)的集成度和功能密度大幅提升。