一種高性能星載綜合電子系統(tǒng)設(shè)計

崔陽 趙笙罡 周文妹 劉彬 王文川 梁廣

摘 ?要： 針對傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)間接口關(guān)系復(fù)雜、通用能力較弱的問題，文中將傳統(tǒng)分系統(tǒng)、單機(jī)產(chǎn)品替換為標(biāo)準(zhǔn)模塊，從而組成了星載綜合電子系統(tǒng)。通過VPX模塊化設(shè)計，各個模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化，提高了系統(tǒng)適用性和可擴(kuò)展性;通過高低速雙總線設(shè)計，極大地提高了星上數(shù)據(jù)傳輸效率;高速總線設(shè)計為時間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE），極大地提高了星上數(shù)據(jù)傳輸速率和實時性。實驗結(jié)果表明，采用文中設(shè)計方案的綜合電子具有接口簡單、通信速度快、可靠性高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)已在某衛(wèi)星綜合電子中成功應(yīng)用，效果良好，對星載綜合電子設(shè)計具有重要的指導(dǎo)和參考意義。

關(guān)鍵詞： 星載綜合電子系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計; 雙總線設(shè)計; 數(shù)據(jù)傳輸; 實時通信; 實驗驗證

中圖分類號： TN98?34; TP368.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0119?03

Abstract： In allusion to the complex indirect port relationship and weak general capacity of the traditional satellite system， the traditional subsystem and single machine products are replaced with standard modules to form a satellite?based integrated electronic system. The applicability and extensibility of the system are improved by means of the modular design of VPX and the standardized interface of each module; the transmission efficiency of the satellite?based data is increased vastly by means of the high and low speed dual bus design. In the high speed bus design， the Ethernet is triggered with the time， which can increase the transmission efficiency and the real?time capability of the satellite?based data. The experimental results show that the integrated electronic system in this designed scheme has the characteristics of simple interface， fast communication speed and high reliability. The system has been successfully applied in a satellite integrated electronic system with good effect， which has important guidance and reference significance for the design of satellite integrated electronic system.

Keywords： satellite?based integrated electronic system; system design; dual bus design; data transmission; real?time communication; experimental verification

0 ?引 ?言

一般來說，傳統(tǒng)航天器多按功能劃分為若干分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計，如姿態(tài)及推進(jìn)控制、各種跟蹤伺服控制、加熱器控制、數(shù)據(jù)傳輸控制等，星務(wù)計算機(jī)僅負(fù)責(zé)完成遙控、遙測、程控和時間管理等任務(wù)，此類航天器設(shè)計方案的特點(diǎn)是系統(tǒng)間接口關(guān)系復(fù)雜、通用能力較弱。

綜合電子技術(shù)是指采用一體化設(shè)計，以資源共享和合理分配為手段，將傳統(tǒng)意義上各分系統(tǒng)的任務(wù)集中處理，旨在提高系統(tǒng)工作效率，減少資源浪費(fèi)，實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)微小型化的一種技術(shù)。它已成為航天器特別是微小型航天器研究領(lǐng)域的重要課題。另外，隨著芯片設(shè)計與制造工藝的快速發(fā)展，單個處理器的能力已經(jīng)能夠滿足衛(wèi)星復(fù)雜項任務(wù)的需求，這使得采用較高性能的處理器實現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)成為可能。

1 ?系統(tǒng)架構(gòu)方案

綜合電子總線網(wǎng)絡(luò)是綜合電子系統(tǒng)的信息傳輸中樞，通過數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，完成指令輸出和控制，從而提高系統(tǒng)處理的效率。

本綜合電子系統(tǒng)設(shè)計了高速、低速兩級網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有層次分明、系統(tǒng)架構(gòu)簡明的特點(diǎn)。綜合電子設(shè)備通過高速總線與星內(nèi)設(shè)備連接、空間高速路由、載荷等高速數(shù)據(jù)傳輸，通過低速總線實現(xiàn)各分系統(tǒng)遙測量采集處理、總線遙控等數(shù)據(jù)的傳輸;綜合電子設(shè)備內(nèi)部模塊之間同時連接高速和低速總線，以實現(xiàn)綜合電子內(nèi)部、外部各分系統(tǒng)和模塊之間的通信，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)主要設(shè)計如下所述：

1） 綜合電子系統(tǒng)整體基于VPX架構(gòu)設(shè)計，各個功能模塊按照模塊化思路，設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)VPX板卡（6U）。綜合電子按照功能劃分，主要模塊有GNSS模塊（可同時接收GPS和北斗導(dǎo)航信號）、測控模塊、計算機(jī)模塊（星務(wù)計算機(jī)，具備TTE總線）、電源模塊和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模塊（TTE交換機(jī)）等。作為標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)設(shè)計，VPX機(jī)箱內(nèi)還可根據(jù)任務(wù)需求增加其他模塊化產(chǎn)品。

2） 設(shè)計專用VPX背板，用于各個模塊供電和內(nèi)部通信互聯(lián)。VPX板卡與各個功能模塊之間通過VPX專用連接器連接。

3） VPX機(jī)箱內(nèi)采用統(tǒng)一供電模式。電源模塊將星上一次電源轉(zhuǎn)換為二次電源（如+12 V等）后提供各個模塊，各個模塊內(nèi)部根據(jù)各自需求轉(zhuǎn)換為所需的各種低電壓電源。

4） 綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部高速總線采用時間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE），低速總線為標(biāo)準(zhǔn)CAN總線（分為內(nèi)CAN和外CAN）。其中高速總線主要用于傳輸衛(wèi)星平臺和各類載荷數(shù)據(jù)率較大的數(shù)據(jù)，低速總線用于傳輸各類模塊和單機(jī)的遙測、指令等數(shù)據(jù)。

5） 為了盡可能將星上設(shè)備的接口簡化，設(shè)計專用智能節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品，主要用于將星上其他產(chǎn)品接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，如將同步、異步串行等接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線（智能節(jié)點(diǎn)還可對星上各種模擬信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換），可極大地簡化星務(wù)計算機(jī)的接口種類，同時也有利于星上電纜的布局和簡化設(shè)計。

2 ?信息流設(shè)計

一般而言，衛(wèi)星通過測控模塊接收來自地面的各種注入指令數(shù)據(jù);同時，通過測控模塊向地面發(fā)送星上各種遙測數(shù)據(jù)。

星載綜合電子以星務(wù)計算機(jī)為核心和“大腦”進(jìn)行各類數(shù)據(jù)、指令的接收和發(fā)送，以及內(nèi)部各個模塊之間的信息交換。

星載綜合電子系統(tǒng)信息流如圖2所示。

綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊通過內(nèi)部CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和分發(fā)。其中地面上行數(shù)據(jù)通過測控模塊傳輸至計算機(jī)模塊，再由計算機(jī)模塊處理并通過內(nèi)CAN總線分發(fā)至其他模塊和單機(jī);各個單機(jī)、模塊的遙測數(shù)據(jù)通過外部/內(nèi)部CAN總線傳輸至計算機(jī)模塊，經(jīng)計算機(jī)模塊處理后再發(fā)送至測模塊下行傳輸;星上各類單機(jī)產(chǎn)生的高速數(shù)據(jù)通過計算機(jī)模塊傳輸至TTE交換機(jī)，通過高速路由通道進(jìn)行下行和傳輸。

TTE交換機(jī)模塊預(yù)留有專用通道（插槽接口），主要以備用于數(shù)據(jù)量較大的各種星上單機(jī)、載荷連接和高速數(shù)據(jù)傳輸，可以根據(jù)具體任務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展。

3 ?總線設(shè)計

3.1 ?高速總線設(shè)計

隨著對飛行數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實時性要求的提高，衛(wèi)星等飛行器對通信總線的性能要求也越來越高。目前國內(nèi)在航天器上采用的總線主要是CAN總線和1553B總線，但隨著綜合電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的總線已經(jīng)不能滿足綜合電子系統(tǒng)通信的需求，其主要存在以下問題：

1） 目前星上存在一級、二級總線等多種總線并存的情況，總線間通信協(xié)議不統(tǒng)一且互不兼容，帶來系統(tǒng)復(fù)雜度增加和資源浪費(fèi)等問題;

2） 隨著集成度的增加和總線掛接設(shè)備的增多，傳統(tǒng)總線1 Mb/s的傳輸速率很難滿足未來大容量通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星的通信需要;

3） 目前星上采用的總線多基于事件觸發(fā)，而且是基于優(yōu)先級調(diào)度的總線搶占模式，事件觸發(fā)和優(yōu)先級搶占雖然增強(qiáng)了總線訪問的靈活性，但同時存在著信息傳遞延遲的不確定性問題。

相對而言，TTE網(wǎng)絡(luò)總線具有高的通信速率（可達(dá)1 Gb/s）、嚴(yán)格的實時性（可達(dá)10 ns）等優(yōu)點(diǎn)，可滿足衛(wèi)星在軌高速率、高可靠、高實時性的通信需求。

TTE（Time Trigger Ethernet）是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種基于時間觸發(fā)協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)，同時具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和時間觸發(fā)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域（通信實時性要求高）。由于該總線技術(shù)基于時間觸發(fā)技術(shù)，兼容了時間觸發(fā)協(xié)議和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，能夠在同一個網(wǎng)絡(luò)平臺上兼容以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流、AFDX數(shù)據(jù)流和時間觸發(fā)數(shù)據(jù)流。

目前，TTE網(wǎng)絡(luò)總線在美國龍飛船、戰(zhàn)機(jī)上等已經(jīng)成功應(yīng)用。隨著TTE芯片化的成功和應(yīng)用，TTE總線的應(yīng)用和推廣會越來越廣泛。

星載綜合電子系統(tǒng)高速總線選用TTE總線，網(wǎng)絡(luò)通信速率達(dá)到1 Gb/s。根據(jù)TTE總線架構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部設(shè)計TTE交換機(jī)模塊和TTE端節(jié)點(diǎn)模塊，其中交換機(jī)模塊作為整個TTE網(wǎng)絡(luò)的路由和交換，端節(jié)點(diǎn)模塊作為標(biāo)準(zhǔn)接口與星務(wù)計算機(jī)模塊通信。

由于目前國內(nèi)TTE芯片尚未推廣應(yīng)用，因此本綜合電子系統(tǒng)中TTE協(xié)議主要通過FPGA實現(xiàn)，由此如果將TTE接口與計算機(jī)融合，則系統(tǒng)設(shè)計較為冗余。為了簡化系統(tǒng)，將TTE端節(jié)點(diǎn)分離單獨(dú)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)插卡結(jié)構(gòu)，其與計算機(jī)模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)高速總線連接（高速總線數(shù)據(jù)傳輸速率與TTE速率相當(dāng)，如PCI總線等）。本綜合電子方案中計算機(jī)與TTE端節(jié)點(diǎn)之間采用32 bit PCI總線（33 MHz，1 Gb）。

后續(xù)待國內(nèi)TTE芯片推廣應(yīng)用時可將TTE端節(jié)點(diǎn)與計算機(jī)模塊設(shè)計合并，以降低系統(tǒng)資源需求。

為了實現(xiàn)高的通信實時性，TTE網(wǎng)絡(luò)同步精度設(shè)計為不高于1 μs。

3.2 ?低速總線設(shè)計

綜合電子系統(tǒng)低速總線主要用于各種模塊和單機(jī)之間指令、遙測等數(shù)據(jù)的傳輸，目前可選總線主要有RS 422，CAN，1553B等，其中CAN總線具有可靠性高、開發(fā)成本低等優(yōu)勢。

CAN 總線廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。由于具有較高的通信性能和可靠性，同時相對具有開發(fā)成本較低的特點(diǎn)，CAN總線也被應(yīng)用于航天系統(tǒng)。

針對綜合電子任務(wù)特點(diǎn)，選用CAN總線作為綜合電子系統(tǒng)低速總線。同時，為了便于任務(wù)調(diào)度和協(xié)調(diào)，簡化系統(tǒng)設(shè)計和軟硬件接口，設(shè)計內(nèi)CAN總線和外CAN總線。內(nèi)CAN總線用于連接綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊，其中計算機(jī)模塊作為CAN總線主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行模塊之間的指令和遙測等數(shù)據(jù)的傳輸;外部CAN總線用于綜合電子系統(tǒng)與星上其他設(shè)備之間的通信，星務(wù)計算機(jī)也作為主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行綜合電子和星上其他設(shè)備（如熱控單機(jī)、姿軌控單機(jī)等）之間的指令和數(shù)據(jù)通信。

內(nèi)、外CAN總線設(shè)計可極大地簡化星務(wù)計算機(jī)接口和軟件設(shè)計，提升系統(tǒng)的集成度和可擴(kuò)展性（可隨著衛(wèi)星任務(wù)的不同而進(jìn)行內(nèi)部模塊和外部單機(jī)產(chǎn)品的刪減）。內(nèi)、外CAN總線通信速率均設(shè)置為1 Mb/s。

4 ?測試及驗證結(jié)果

綜合電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線實測結(jié)果見表1?？梢钥闯觯咚倬W(wǎng)絡(luò)總線TTE實測指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。

5 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計的高性能綜合電子系統(tǒng)，通過采用標(biāo)準(zhǔn)VPX架構(gòu)設(shè)計，極大地提高了綜合電子系統(tǒng)的適用性和可擴(kuò)展性?？筛鶕?jù)衛(wèi)星任務(wù)的不同，在不改變系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上對內(nèi)部模塊進(jìn)行刪減;通過高低速雙總線設(shè)計，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率和實時性;通過采用高速TTE網(wǎng)絡(luò)總線，可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的高速（通信速率1 Gb/s）、實時傳輸（實時性優(yōu)于1 μs）;通過內(nèi)外CAN總線設(shè)計，極大地簡化了星務(wù)計算機(jī)的接口和軟件設(shè)計，提升了系統(tǒng)的可重用性和可維護(hù)性。

后續(xù)待國內(nèi)TTE芯片推廣應(yīng)用，本星載綜合電子系統(tǒng)將進(jìn)一步簡化設(shè)計和性能提升。

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