北京三號(hào)A/B衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)信息處理技術(shù)

田帥虎 李超 趙麗 閆國(guó)瑞 羅文 高宇純

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2 山東航天電子技術(shù)研究所,山東煙臺(tái) 264670)(3 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星是2顆均采用三超(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)平臺(tái)的高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星,其星務(wù)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星的在軌運(yùn)行調(diào)度、自主任務(wù)規(guī)劃和綜合信息處理工作。它對(duì)星上各任務(wù)模塊的運(yùn)行進(jìn)行高效可靠的管理和控制,監(jiān)視整星狀態(tài),協(xié)調(diào)整星的工作,配合有效載荷實(shí)現(xiàn)各種在軌控制和參數(shù)重新設(shè)置,以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能和任務(wù)要求。同時(shí),監(jiān)測(cè)在軌異常狀態(tài),配合地面對(duì)星上進(jìn)行遙控操作,實(shí)現(xiàn)在軌重構(gòu)。星上網(wǎng)絡(luò)采用2條CAN總線作為整星實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線,將星上分散的各功能模塊連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)星上信息交換和共享,實(shí)時(shí)地完成星上任務(wù)運(yùn)行管理和控制。

本文主要從高精度控溫技術(shù)、任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、高精度時(shí)間系統(tǒng)3個(gè)方面詳細(xì)介紹北京三號(hào)A/B衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)信息處理技術(shù)創(chuàng)新性,同時(shí)也簡(jiǎn)要分析了綜合電子技術(shù)、軟件構(gòu)件庫(kù)和數(shù)字衛(wèi)星技術(shù)等支撐技術(shù)。

1 分系統(tǒng)簡(jiǎn)介

星務(wù)分系統(tǒng)由平臺(tái)綜合電子設(shè)備和遙控單元組成。其中,平臺(tái)綜合電子設(shè)備包括星務(wù)中心計(jì)算機(jī)模塊、多功能模塊、接口擴(kuò)展模塊、協(xié)處理器模塊(星上任務(wù)規(guī)劃專(zhuān)用處理器)、電源模塊,見(jiàn)圖1。星務(wù)分系統(tǒng)以星務(wù)中心計(jì)算機(jī)模塊為核心,采用標(biāo)準(zhǔn)通信接口協(xié)議和數(shù)據(jù)通信格式的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)模塊、單機(jī)連接起來(lái),形成星上統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)整星信息的統(tǒng)一化管理,從而提高衛(wèi)星整體的自治能力。

圖1 平臺(tái)綜合電子設(shè)備

星務(wù)分系統(tǒng)除保證基本任務(wù)(上行注入數(shù)據(jù)的接收、處理、分發(fā)和執(zhí)行,遙測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理,總線網(wǎng)絡(luò)通信的管理,整星安全模式管理)外,還具備特有的功能和任務(wù),即:①采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對(duì)星敏感器和三超平臺(tái)機(jī)構(gòu)等溫度敏感部件實(shí)現(xiàn)高精度控溫,保證溫度長(zhǎng)期穩(wěn)定在目標(biāo)值±0.3℃;②研發(fā)星上任務(wù)規(guī)劃專(zhuān)用處理器,構(gòu)建星上任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)完全星上自主任務(wù)規(guī)劃功能;③秒脈沖和時(shí)間廣播相結(jié)合,構(gòu)建星上高精度時(shí)間管理系統(tǒng),在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)定位和不定位期間時(shí)間同步精度均優(yōu)于0.1ms。

2 高精度控溫技術(shù)

衛(wèi)星最經(jīng)典最常用的熱設(shè)計(jì)方法是采用被動(dòng)熱控為主、主動(dòng)熱控為輔的方案,單獨(dú)的被動(dòng)熱控不能很好地解決問(wèn)題,于是主動(dòng)熱控就成為一種有益的補(bǔ)充,能達(dá)到一定的控制精度[1-3]。傳統(tǒng)控溫算法采用開(kāi)關(guān)型控制算法,即當(dāng)控溫點(diǎn)溫度測(cè)量值小于下限且該回路為關(guān)閉狀態(tài)時(shí),該回路開(kāi)啟加熱;當(dāng)控溫點(diǎn)溫度測(cè)量值大于上限且該回路為開(kāi)狀態(tài)時(shí),該回路關(guān)閉加熱。它能實(shí)現(xiàn)的艙內(nèi)設(shè)備控溫范圍一般為2.0℃,例如蓄電池補(bǔ)償加熱回路門(mén)限為[21.0℃,23.0℃]。

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星姿態(tài)的測(cè)量依賴(lài)安裝在艙外的星敏感器及安裝支架結(jié)構(gòu)組合體,其光學(xué)系統(tǒng)性能對(duì)溫度較為敏感,指向隔振機(jī)構(gòu)是核心控制部件,需要工作在溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中。為確保星敏感器的測(cè)量精度和指向隔振機(jī)構(gòu)工作性能,回路控溫范圍設(shè)定為0.6℃,即星敏感器控溫回路門(mén)限為[19.7℃,20.3℃],指向隔振機(jī)構(gòu)控溫回路門(mén)限為[19.2℃,19.8℃]。為了滿足控溫精度要求,星務(wù)分系統(tǒng)采用帶比例-積分-微分(PID)主動(dòng)加熱控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)上述核心部件的高精度控溫功能。

2.1 主動(dòng)控溫回路設(shè)計(jì)

PID控制算法就是依據(jù)溫度偏差信號(hào)的比例、積分、微分計(jì)算出回路的加熱時(shí)長(zhǎng)來(lái)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[4]。與開(kāi)關(guān)型控制算法相比,PID控制算法針對(duì)熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)反應(yīng)滯后、過(guò)程非線性及溫度傳感器反應(yīng)速度慢等現(xiàn)狀具有較穩(wěn)定的控制效果。衛(wèi)星主動(dòng)控溫功能由星務(wù)分系統(tǒng)平臺(tái)綜合電子實(shí)現(xiàn),平臺(tái)綜合電子集成化程度較高,在設(shè)計(jì)控溫功能時(shí)具有如下特點(diǎn)。

(1)將測(cè)溫點(diǎn)位置及關(guān)聯(lián)性、熱控回路功耗及控溫周期作為設(shè)計(jì)依據(jù),提出測(cè)溫點(diǎn)和控溫回路的分配方案。

(2)對(duì)每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)多次采集,剔除野值后取平均值,并作為有效溫度值輸入,每個(gè)控溫回路支持指定值、最小值和平均值控溫。

(3)采用智能識(shí)別測(cè)溫點(diǎn)健康狀態(tài)的算法,在軌可自動(dòng)剔除故障測(cè)溫點(diǎn)或增加健康測(cè)溫點(diǎn),無(wú)需地面干預(yù),大大提升了在軌故障處理的效率。

(4)去除了控溫點(diǎn)在軌不可更改的限制條件,使得每個(gè)控溫回路可以任意增加或減少整星任意測(cè)溫點(diǎn)。

(5)在繼承傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)后歸一化PID算法進(jìn)行主動(dòng)控溫,控溫門(mén)限內(nèi)采用PID控制,門(mén)限外采用開(kāi)關(guān)型控制。

(6)加熱回路的輸出時(shí)長(zhǎng)采用12bit量化,當(dāng)量達(dá)到毫秒級(jí)。

2.2 仿真和在軌應(yīng)用情況

為了在地面試驗(yàn)階段充分驗(yàn)證高精度控溫功能的正確性,搭建了主動(dòng)控溫回路的仿真測(cè)試床,測(cè)試床硬件平臺(tái)由1套專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備組成,為星上設(shè)備提供一次電源、溫控電源、集電極開(kāi)路(OC)指令、模擬量、電阻量、溫控回路檢測(cè),以及遙控上行和遙測(cè)下行等接口功能。測(cè)試設(shè)備利用電子負(fù)載模擬控溫回路熱響應(yīng),通過(guò)修改控溫回路等效溫度系數(shù)和被控目標(biāo)熱熔系數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬不同的加熱回路功能。仿真測(cè)試回路門(mén)限為[19.7℃,20.3℃],仿真控溫效果見(jiàn)圖2,驗(yàn)證了星務(wù)分系統(tǒng)的高精度控溫功能。

圖2 仿真測(cè)試效果

衛(wèi)星入軌后,平臺(tái)及有效載荷長(zhǎng)期加電設(shè)備溫度逐漸趨于穩(wěn)定,指向隔振機(jī)構(gòu)與相機(jī)接口處溫度穩(wěn)定在19.5～20.5℃,高精度控溫點(diǎn)溫度穩(wěn)定在19.2～19.8℃(見(jiàn)圖3),滿足溫度指標(biāo)要求。

圖3 指向隔振機(jī)構(gòu)溫度曲線

星敏感器溫度所有部位(含光學(xué)鏡頭前段、中部、后段、法蘭、精測(cè)鏡)控制在19.7～20.3℃,且每軌溫度波動(dòng)小于0.3℃,滿足溫度指標(biāo)要求。圖4和圖5給出了星敏感器溫度和控溫回路加熱占空比。

圖4 星敏感器溫度曲線

圖5 星敏感器加熱回路占空比

外熱流引起指向隔振機(jī)構(gòu)和星敏感器溫度發(fā)生變化時(shí),高精度控溫加熱回路能在很快的時(shí)間內(nèi)將目標(biāo)溫度控制回來(lái),證明了星務(wù)分系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高精度控溫,功能性能均滿足要求。

3 任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

星上自主任務(wù)規(guī)劃能夠充分發(fā)揮衛(wèi)星在軌使用效能,提高衛(wèi)星緊急任務(wù)響應(yīng)能力,同時(shí)也可大幅減少對(duì)地面測(cè)控的依賴(lài),可支持多星自主協(xié)同配合執(zhí)行對(duì)地觀測(cè)任務(wù),成為未來(lái)智能化衛(wèi)星和星座的一項(xiàng)標(biāo)配技術(shù)[5-6]。北京三號(hào)A/B衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了單斜條帶、多斜條帶拼接、斜條帶拼幅等多種主動(dòng)推掃成像模式,是具備沿任意航跡成像能力的遙感衛(wèi)星。北京三號(hào)A/B衛(wèi)星的自主任務(wù)規(guī)劃支持成像任務(wù)和數(shù)傳任務(wù)的一體化規(guī)劃,用戶僅需要上注期望拍攝任務(wù)的地理位置和可用數(shù)傳窗口,星上即可在短短數(shù)分鐘內(nèi)完成全天的任務(wù)規(guī)劃。

3.1 自主任務(wù)規(guī)劃功能

基于星上自主任務(wù)規(guī)劃,用戶操控衛(wèi)星時(shí)可不涉及任何衛(wèi)星指令層的操作,只需要專(zhuān)注于在地圖上挑選期望觀測(cè)的目標(biāo)[7-8]。在一次任務(wù)規(guī)劃周期內(nèi),地面測(cè)控站將待觀測(cè)目標(biāo)的位置(經(jīng)度、緯度、高度)和可用數(shù)傳窗口等原始任務(wù)信息上注到星上自主任務(wù)規(guī)劃模塊,自主任務(wù)規(guī)劃軟件可根據(jù)上注信息一次性完成所有觀測(cè)任務(wù)和數(shù)傳任務(wù)的優(yōu)化編排。自主任務(wù)規(guī)劃模塊將生成的元任務(wù)指令塊序列發(fā)送給星務(wù)中心計(jì)算機(jī);星務(wù)中心計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件根據(jù)元任務(wù)指令塊中指定的發(fā)送時(shí)間和標(biāo)志,將元任務(wù)指令塊拆分為分系統(tǒng)程控塊,并分發(fā)給控制、相機(jī)和數(shù)傳等分系統(tǒng)執(zhí)行。圖6為自主任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)交互示意。

圖6 自主任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)交互

在整個(gè)過(guò)程中,星務(wù)分系統(tǒng)通過(guò)遙測(cè)不斷向地面滾動(dòng)播報(bào)星上安排的觀測(cè)計(jì)劃和數(shù)傳計(jì)劃。當(dāng)?shù)孛嫘枰才啪o急任務(wù)時(shí),可先通知星務(wù)中心計(jì)算機(jī)刪除與重規(guī)劃時(shí)間區(qū)間交疊的舊任務(wù)指令塊;隨后只需要上注緊急原始任務(wù)信息,由星上自主完成任務(wù)的重規(guī)劃,再輸出重規(guī)劃生成的新元任務(wù)指令塊至星務(wù)中心計(jì)算機(jī)。

3.2 原始任務(wù)信息

根據(jù)自主任務(wù)規(guī)劃的功能需求,設(shè)計(jì)6種地面上注的原始任務(wù)信息數(shù)據(jù)塊,分別是規(guī)劃窗口數(shù)據(jù)塊、觀測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)塊、數(shù)傳窗口數(shù)據(jù)塊、按時(shí)間回放數(shù)據(jù)塊、文件重傳數(shù)據(jù)塊和文件擦除數(shù)據(jù)塊。其中:觀測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)塊按目標(biāo)類(lèi)型和屬性差異又分為點(diǎn)目標(biāo)、線目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)和智能處理目標(biāo)4種數(shù)據(jù)塊。數(shù)傳窗口數(shù)控塊也可細(xì)分為窗口注入和窗口刪除數(shù)據(jù)塊,窗口刪除數(shù)據(jù)塊僅用于緊急重規(guī)劃時(shí)刪除原有普通規(guī)劃上注的數(shù)傳窗口。各種數(shù)據(jù)塊包含的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 原始任務(wù)信息

3.3 元任務(wù)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星不再使用傳統(tǒng)整星層級(jí)的指令模板,星務(wù)、控制、相機(jī)和數(shù)傳4個(gè)分系統(tǒng)都各自管理和維護(hù)著分系統(tǒng)層級(jí)的指令模板,星務(wù)只分發(fā)自主任務(wù)規(guī)劃輸出的元任務(wù)塊中包含的分系統(tǒng)的程控?cái)?shù)據(jù)塊。元任務(wù)的組成見(jiàn)表2。執(zhí)行元任務(wù)塊時(shí),星務(wù)首先根據(jù)分系統(tǒng)程控塊有效性標(biāo)志拆解出有效的分系統(tǒng)程控塊,然后將它們?cè)谥付ǖ脑蝿?wù)塊發(fā)送時(shí)間一起分發(fā)給對(duì)應(yīng)的分系統(tǒng),各分系統(tǒng)再解析程控塊中的動(dòng)作類(lèi)型、動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間和動(dòng)作參數(shù)等信息,使用指令模板生成分系統(tǒng)的指令序列并執(zhí)行。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于:各分系統(tǒng)動(dòng)作可以獨(dú)立并行執(zhí)行,不僅提高了衛(wèi)星的工作效率,還降低了各分系統(tǒng)指令間的非必要耦合和星務(wù)指令管理的壓力。

表2 元任務(wù)組成

3.4 在軌上注數(shù)據(jù)量比較

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星支持傳統(tǒng)地面規(guī)劃與星上自主任務(wù)規(guī)劃2種工作方式,這2種方式相對(duì)獨(dú)立。根據(jù)北京三號(hào)A/B衛(wèi)星1天支持不同觀測(cè)任務(wù)類(lèi)型的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,假設(shè)1天的數(shù)傳元任務(wù)統(tǒng)一按10個(gè)計(jì)算,每個(gè)數(shù)傳元任務(wù)的地面上注用時(shí)按4s計(jì)算,2種規(guī)劃模式數(shù)據(jù)上注需求如表3所示。由表3可知,星上規(guī)劃上注數(shù)據(jù)量和上注用時(shí)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于地面規(guī)劃。

4 高精度時(shí)間系統(tǒng)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星不使用傳統(tǒng)整星層級(jí)的指令模板,分系統(tǒng)都各自管理和維護(hù)著各自層級(jí)的指令模板,整星時(shí)間同步性決定了指令執(zhí)行的精度。衛(wèi)星總體要求中提出,衛(wèi)星各分系統(tǒng)時(shí)間同步精度要優(yōu)于0.1ms。

4.1 總體設(shè)計(jì)

星上時(shí)間的產(chǎn)生基準(zhǔn)有內(nèi)時(shí)鐘和外時(shí)鐘2種。2種時(shí)鐘以不同晶振產(chǎn)生的周期中斷為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn),其中,外時(shí)鐘的準(zhǔn)確度更高。地面可以通過(guò)發(fā)送指令對(duì)內(nèi)、外時(shí)鐘進(jìn)行切換。衛(wèi)星發(fā)射前及主動(dòng)段使用內(nèi)時(shí)鐘,長(zhǎng)期在軌工作期間一般使用外時(shí)鐘。

需要同時(shí)使用高精度秒脈沖及星務(wù)時(shí)間基準(zhǔn)廣播作為工作時(shí)間基準(zhǔn)的分系統(tǒng),包括控制分系統(tǒng)、載荷分系統(tǒng)和數(shù)傳分系統(tǒng)。高精度時(shí)間信息包括秒脈沖信號(hào)以及與秒脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)的星務(wù)時(shí)間基準(zhǔn)廣播[9],見(jiàn)圖7。控制、載荷和數(shù)傳設(shè)備接收到以上時(shí)間信息后,與自身的時(shí)間進(jìn)行修正,從而完成星上時(shí)間的校時(shí)。通過(guò)這種設(shè)計(jì),完成各分系統(tǒng)的對(duì)時(shí)、守時(shí)及用時(shí)功能,避免由于總線傳輸造成的時(shí)間精度誤差。

除圖7所示的高精度時(shí)間系統(tǒng)外,北京三號(hào)A/B衛(wèi)星的星務(wù)分系統(tǒng)同時(shí)兼容了以往衛(wèi)星的毫秒級(jí)時(shí)間系統(tǒng),使之能夠適應(yīng)不同平臺(tái)、不同時(shí)間精度的業(yè)務(wù)需求。時(shí)間校正有基于GNSS時(shí)間的主動(dòng)校時(shí)、無(wú)GNSS條件下的自主校時(shí)和地面校時(shí)3種手段。在軌時(shí),主要使用基于GNSS時(shí)間主動(dòng)校時(shí)方式;當(dāng)GNSS不定位或不工作時(shí),切換到自主均勻校時(shí)方式;地面校時(shí)手段由地面用戶根據(jù)需要靈活使用,可以作為衛(wèi)星時(shí)間管理的應(yīng)急手段。

4.2 校時(shí)系統(tǒng)

星務(wù)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)有基于秒脈沖信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)校準(zhǔn)功能。

(1)秒脈沖生成電路設(shè)計(jì)。FPGA內(nèi)部設(shè)有指令選擇功能,可選擇內(nèi)時(shí)鐘或外時(shí)鐘信號(hào)作為秒脈沖的時(shí)鐘源。

(2)秒脈沖校時(shí)電路。秒脈沖校時(shí)電路根據(jù)軟件發(fā)出的脈沖調(diào)整指令,改變脈沖序列中的脈沖相位,達(dá)到調(diào)快或減慢時(shí)鐘信號(hào)的目的,從而保持與基準(zhǔn)脈沖的同步性。

(3)誤差獲取電路。誤差獲取電路采用計(jì)數(shù)器對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)和星務(wù)時(shí)鐘之間的誤差進(jìn)行累計(jì)。計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的精度決定了誤差的獲取精度。此誤差值作為軟件內(nèi)部時(shí)間管理功能的輸入信號(hào),對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行閉環(huán)控制,閉環(huán)信號(hào)驅(qū)動(dòng)校時(shí)電路的輸出,以此保證誤差信號(hào)處于設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。圖8給出了計(jì)數(shù)器時(shí)序關(guān)系。

圖8 100kHz時(shí)鐘沿和計(jì)數(shù)的關(guān)系

星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件校準(zhǔn)時(shí)間的基本邏輯如下。主機(jī)軟件讀取時(shí)鐘誤差值,判斷當(dāng)前誤差值與設(shè)定閾值之間的偏差,綜合考慮用戶對(duì)時(shí)間精度、調(diào)整速度的要求,以及晶振穩(wěn)定度等因素,選擇合理的控制算法,進(jìn)一步輸出時(shí)鐘誤差的調(diào)整值,然后傳送給校時(shí)驅(qū)動(dòng)電路。例如,當(dāng)誤差值表明星務(wù)中心計(jì)算機(jī)秒脈沖滯后于GNSS接收機(jī)秒脈沖,就需要對(duì)星務(wù)中心計(jì)算機(jī)秒脈沖進(jìn)行超前校時(shí)操作;當(dāng)誤差值表明星務(wù)中心計(jì)算機(jī)秒脈沖超前于GNSS接收機(jī)秒脈沖,就需要對(duì)星務(wù)中心計(jì)算機(jī)秒脈沖進(jìn)行滯后校時(shí)操作。為消除隨機(jī)誤差,需要在出現(xiàn)穩(wěn)定超時(shí)的誤差時(shí)才對(duì)星務(wù)中心計(jì)算機(jī)秒脈沖進(jìn)行調(diào)整。同時(shí),主機(jī)軟件還能夠?qū)r(shí)鐘偏差的變化情況不斷進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)分析,并將分析結(jié)果以數(shù)據(jù)集的形式下傳到地面,供用戶詳細(xì)掌握時(shí)間系統(tǒng)的整體工作情況。同時(shí),主機(jī)軟件也支持地面用戶注入新的時(shí)間精度控制算法進(jìn)行功能改善或者算法驗(yàn)證。

4.3 時(shí)間鏈精度

為了保證各分系統(tǒng)的時(shí)間都能與UTC時(shí)間靠齊,星務(wù)中心計(jì)算機(jī)在每個(gè)UTC整秒時(shí)刻向星上時(shí)間用戶輸出秒脈沖信號(hào),見(jiàn)圖9。

圖9 秒脈沖輸出過(guò)程

星務(wù)中心計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)有開(kāi)關(guān)選擇輸出2種互為熱冗余備份的秒脈沖信號(hào)。主機(jī)軟件自主判斷選擇輸出秒脈沖的原則為:當(dāng)GNSS定位時(shí),轉(zhuǎn)發(fā)GNSS輸入的秒脈沖;當(dāng)GNSS不定位或者不工作時(shí),選擇輸出星務(wù)中心計(jì)算機(jī)的秒脈沖。同時(shí),地面用戶也可以通過(guò)指令設(shè)定選擇,指令設(shè)定權(quán)的優(yōu)先級(jí)高于主機(jī)軟件自主選擇權(quán)。

整個(gè)時(shí)間系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保證了衛(wèi)星各分系統(tǒng)時(shí)間同步精度優(yōu)于0.1ms,滿足總體需求。同時(shí),整套時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全自主閉環(huán)運(yùn)行模式,不需要地面用戶干預(yù)。

5 分系統(tǒng)其他技術(shù)

5.1 面向智能化需求的綜合電子架構(gòu)技術(shù)

星載電子技術(shù)逐漸向高性能、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化的方向發(fā)展。小衛(wèi)星發(fā)展的總體趨勢(shì)是輕量化、敏捷化、智能化、組網(wǎng)化、批量化、快速集成和測(cè)試、高可靠和高自主等方向,這些都對(duì)星上綜合電子系統(tǒng)提出了新的需求[10]。綜合電子系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)遵從通用性和可擴(kuò)展性特征的理念,采取合理的功能模塊劃分,在實(shí)現(xiàn)中融入標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)平臺(tái)綜合電子通過(guò)合理的系統(tǒng)構(gòu)架、信息處理流程、協(xié)議和軟硬件接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性、高可靠性、高功能密度和高效率,1臺(tái)綜合電子設(shè)備集成了星務(wù)中心計(jì)算機(jī)、有效載荷管理單元、熱控下位機(jī)和時(shí)鐘單元4臺(tái)單機(jī)的功能,與傳統(tǒng)的星務(wù)分系統(tǒng)相比,質(zhì)量減少60%,功耗減少20%。

5.2 面向星座批產(chǎn)需求的軟件構(gòu)件庫(kù)開(kāi)發(fā)模式

目前,航天領(lǐng)域絕大多數(shù)軟件使用“沿用”的開(kāi)發(fā)模式,衛(wèi)星任務(wù)的增多,將導(dǎo)致“沿用樹(shù)”分支增多,需要投入的人力增多,維護(hù)、測(cè)試成本高。在星務(wù)分系統(tǒng)中心計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)階段梳理了共性功能需求和特殊功能需求,針對(duì)星務(wù)中心計(jì)算機(jī)軟件共性功能,在基線產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上建立星務(wù)通用構(gòu)件,通用構(gòu)件庫(kù)包括遙測(cè)構(gòu)件、遙控構(gòu)件、程控?cái)?shù)據(jù)塊構(gòu)件、指令序列構(gòu)件、安全模式構(gòu)件、總線抽象層構(gòu)件、CAN總線構(gòu)件、時(shí)間管理構(gòu)件、自主任務(wù)恢復(fù)構(gòu)件。星務(wù)分系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)師根據(jù)北京三號(hào)A/B衛(wèi)星的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)并完善了專(zhuān)用構(gòu)件(Space Wire總線構(gòu)件、任務(wù)規(guī)劃構(gòu)件、高精度控溫構(gòu)件)。構(gòu)件提供了標(biāo)準(zhǔn)遙測(cè)輸出接口、遙控輸入接口,標(biāo)準(zhǔn)上下文依賴(lài)接口,通過(guò)配置參數(shù)、配置表的設(shè)計(jì)可覆蓋多種類(lèi)型衛(wèi)星的基本需求。軟件構(gòu)件能夠被獨(dú)立部署及組織,實(shí)現(xiàn)功能級(jí)復(fù)用。構(gòu)件庫(kù)存放在配置管理系統(tǒng)中,衛(wèi)星使用時(shí)從配置管理系統(tǒng)出庫(kù),完成參數(shù)配置及適應(yīng)性修改后按衛(wèi)星進(jìn)行工程化管理。構(gòu)件庫(kù)提高了星載軟件復(fù)用水平和開(kāi)發(fā)效率,降低了軟件分支,探索了一種星座批產(chǎn)時(shí)星載軟件的開(kāi)發(fā)模式。

5.3 基于數(shù)字衛(wèi)星技術(shù)的平行系統(tǒng)研制

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星的數(shù)字衛(wèi)星是在地面建立的面向快速設(shè)計(jì)驗(yàn)證和工程研制的數(shù)字衛(wèi)星平臺(tái),包括姿態(tài)控制、電源、星務(wù)分系統(tǒng)真實(shí)的數(shù)字模型和其他分系統(tǒng)簡(jiǎn)化數(shù)字模型,通過(guò)模型互聯(lián)實(shí)現(xiàn)多學(xué)科集成仿真。星務(wù)分系統(tǒng)模型能夠支持在仿真前通過(guò)參數(shù)配置接口進(jìn)行模型參數(shù)修改,即系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)不需要修改模型,僅需要通過(guò)模型配置接口進(jìn)行參數(shù)配置即可。分系統(tǒng)對(duì)可能需要修改的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)梳理,然后在仿真模型中定義參數(shù)配置接口,該接口與地面軟件連接,可通過(guò)地面軟件注入?yún)?shù)的形式配置和定義分系統(tǒng)模型。數(shù)字衛(wèi)星通過(guò)構(gòu)建圖形化的模型來(lái)支持系統(tǒng)的需求捕獲、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等全生命周期活動(dòng),提供清晰的工作流程,對(duì)方案設(shè)計(jì)的正確性及相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行快速仿真驗(yàn)證。

6 結(jié)束語(yǔ)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)是整星電子系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星的在軌運(yùn)行調(diào)度和綜合信息處理工作。星務(wù)分系統(tǒng)高精度控溫技術(shù)能夠滿足關(guān)鍵部組件對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求;任務(wù)規(guī)劃功能在軌表現(xiàn)優(yōu)異,高精度時(shí)間系統(tǒng)確保了衛(wèi)星各分系統(tǒng)時(shí)間同步精度優(yōu)于0.1ms,保證了分系統(tǒng)執(zhí)行指令時(shí)的同步性;在星務(wù)分系統(tǒng)研制中對(duì)綜合電子技術(shù)、軟件構(gòu)件庫(kù)和數(shù)字衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行探索,可為其他衛(wèi)星綜合電子的設(shè)計(jì)提供基線。本文梳理的北京三號(hào)A/B衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)的信息處理技術(shù),可為后續(xù)衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)的研制提供參考。