先進電子信息系統在通信衛星平臺中的應用

冶元菲，呂 楠，黃獻龍，陳 曉

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.中國空間技術研究院，北京100094)

先進電子信息系統在通信衛星平臺中的應用

冶元菲1，呂 楠1，黃獻龍2，陳 曉2

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.中國空間技術研究院，北京100094)

以A2100平臺、EuroStar3000平臺和Space-Bus4000平臺的星載電子信息系統為例，介紹了國外先進的商用通信衛星平臺星載電子系統的特點，從集成度、擴展能力、處理能力等方面分析并對比了中國通信衛星平臺與國外的差距，從優化衛星平臺電子系統結構、加強公用平臺開發等方面，提出了建議.

通信衛星平臺；電子信息系統

從20世紀90年代末到本世紀初，國際上主要的通信衛星制造商都完成了平臺的升級換代工作.1996年8月，美國洛克希德-馬丁公司的首顆A2100平臺衛星發射入軌；1999年12月，美國波音公司的首顆BSS702平臺衛星發射入軌；2005年6月美國勞拉空間通信公司發射了首顆LS-1300S平臺衛星.歐洲的兩大衛星制造商——阿斯特留姆公司和泰雷茲-阿列尼亞公司也分別在2004年3月和2005年2月發射了基于EuroStar3000平臺和SpaceBus4000平臺的首顆衛星.除了上述全球五大通信衛星制造商之外，其他一些宇航公司的通信衛星平臺也都在這段時期內完成了改進和性能提升工作.

星載電子信息系統是通信衛星平臺最重要的系統之一，涵蓋了供配電、遙測遙控、數據和星務管理、姿態軌道控制、熱控管理、天線機構控制、有效載荷管理控制等多方面的功能.星載電子信息系統不僅是一個對信息進行采集、處理、分配、存儲的系統，同時也是一個在苛刻空間環境下，對密集程度較高且較復雜的星載電子設備進行信息綜合和功能綜合的系統.

通過對平臺更新換代，國外主要通信衛星平臺的星載電子信息系統都實現了基于標準總線的系統拓撲結構，使系統具有良好的可擴展性；并且采用統一的計算機完成了各項功能，提高了整星資源利用率和信息綜合處理能力；同時，在電子產品設計中大量使用FPGA、ASIC等集成電子技術，實現了平臺減重；不斷提高系統的自主性和安全性設計，降低了衛星長期在軌管理的負擔和費用.這些方面的改進成果使得平臺壽命更長、控制精度更高、有效載荷承載能力更強，使平臺具有更好的可擴展能力、可集成和可測試能力.

本文以國外3個典型的通信衛星平臺為例，介紹了國際先進通信衛星的星載電子信息系統的體系結構和特點，并結合國內通信衛星技術的現狀，提出了國內通信衛星的星載電子信息系統發展目標和技術途徑.

1 國外通信衛星電子信息系統的現狀及發展趨勢

1.1 美國洛克希德-馬丁公司的A2100平臺

A2100平臺以星載計算機(OBC，on-board com-puter)為核心，通過1553B總線構成整星的信息體系結構，電子設備統一采用標準的1553B總線作為輸入/輸出接口，使得系統具有較好的可擴展性和可集成性.圖1是A2100平臺的電子設備組成框圖［1］.

從圖1可見，星上的許多電子設備，如地球敏感器/太陽敏感器組件(ES/SSA)、半球諧振陀螺(IMU)等都通過內部的遠程終端RT實現與1553B總線的掛接.OBC直接通過1553B總線采集ES/SSA、IMU等設備輸出的姿態信息，并將控制信號通過1553B總線及總線終端接口單元(BUSRIU)作用于飛輪和推進系統，實現對衛星姿態和軌道的控制功能.

除此以外，星載計算機還通過1553B總線實現與有效載荷、熱控、能源、火工品等的管理.在供配電管理方面，A2100平臺電子設備的配電直接由電源管理調解單元(PRU)提供70V母線電源，并輸出衛星的各艙；各用電設備直接將電源線連接到母線上，沒有采用大功率配電模塊.

圖1 A2100平臺電子設備組成框圖

1.2 歐洲阿斯特留姆公司的EuroStar3000平臺

EuroStar3000平臺的拓撲結構如圖2所示，其核心是航天器計算機(SCU，spacecraft computer unit)和執行驅動線路(ADE，actuator drive electronics).

EuroStar3000平臺的電子信息系統包括2臺SCU，2臺載荷接口單元(MPIU1和MPIU2)，2臺用于控制太陽翼驅動機構、飛輪組件、化學推進和電推進的執行驅動線路(ADE)以及一套雙冗余1553B總線.系統通過電源調節分配單元(PSR1、PSR2)以及火工品單元(PRU)實現整星母線調節及火工品的管理等.控制系統的敏感器(包括地球敏感器、陀螺組件、捕獲太陽敏感器和精太陽敏感器等)直接接入到整星電子信息系統的1553B總線網絡［2］.

在EuroStar3000平臺上，衛星的遙測、遙控和跟蹤測距功能、以及姿態測量與控制、星載總線管理都由SCU來完成的.SCU是基于高效能的處理器建立的，并有一個帶 EDAC保護的 RAM區(256K字節)，同時還有帶保護的電源和安全模式的 PROM存貯器.衛星的遙測功能提供了較高的比特率(遙測信號可達到8096bit/s)，它兼容多協議能力，包括CCSDS標準和歐空局(ESA)的 PSS45amp;PSS46標準.

1.3 歐洲泰雷茲-阿列尼亞公司的 SpaceBus4000平臺

SpaceBus4000平臺的顯著特點是整星電子設備采用了綜合電子體系的設計思想，其星載電子信息系統稱為AVIONICS4000，圖3給出了其功能框圖［3］.

由此功能框圖可以看出，衛星管理單元 (SMU，satellite management unit)和數據總線網絡(DBN)是AVIONICS4000系統的核心，SMU運行姿態軌道控制軟件和星務管理軟件，具有與測控系統的TM/TC接口，并能夠控制DBN；DBN通過平臺數據接口單元(PFDIU)連接 SMU和平臺設備，通過通信艙的南、北兩個有效載荷數據接口單元(PLDIU)連接SMU和有效載荷設備.通過 SMU和 DBN，AVIONIC4000可以實現對衛星姿態和軌道控制、熱控、電源分系統的管理、太陽翼的控制、有效載荷等分系統的相關控制［4］.

SMU采用模塊化組裝式設計思想，其模塊配置主要包括遙控模塊TC、遙測模塊TM、處理器模塊、監控模塊CRM、遙控執行指令生成模塊CG、時鐘模塊OBT、安全模塊SGM以及總線接口模塊OBDHBus.其中遙控模塊、監控模塊、遙控執行指令生成模塊、時鐘模塊、安全模塊采取熱備份，其余為冷備份.

圖2 EuroStar3000平臺電子設備組成框圖

圖3 AVIONICS4000系統PFDIU和PLDIU的模塊化設計

在DBN配置方面，AVIONICS4000系統的 DBN總線網絡基于RS485全雙工總線，每條總線最多可為32個遠置終端傳輸數據，并且采用了全備份模式，每個遠置終端均通過不同收發機與主備兩個遠置單元接口相連.DBN由SMU統一管理，最多可以管理6條冗余 OBDH/RS485總線.典型配置下，其中2條總線專用于與衛星通信艙北板有效載荷設備接口(如PLDIU-N)，2條總線專用于與通信艙南板有效載荷設備接口(如PLDIU-S)，2條總線專用于與平臺設備接口(如 PFDIU、PCU、PPU等).

AVIONICS4000系統的1臺PFDIU和2臺PLDIU也都是高度集成化的電子設備，這3臺設備承擔了整星絕大多數電子設備的接口線路功能，也都采用了模塊化的設計思想.例如AOCSP NG是PFDIU內唯一的控制系統模塊(含主備份)，該模塊提供了與4個飛輪的電路接口(包括控制力矩輸出、飛輪轉速、方向、電機力矩的檢測)、2路粗太陽敏感器信號處理(包括 8路探頭信號的檢測)和 8路ML/DS串行信號，以完成星敏感器、地球敏感器和陀螺的信息傳送.僅1個AOCSP NG模塊就包含了上述眾多控制系統設備的接口電路，由此可見AVIONICS4000系統具有很高的集成度.表1給出了PFDIU和PLDIU的模塊配置情況.

表1 脈沖星數據表

2 對中國通信衛星發展的啟示

中國的通信衛星起步于20世紀70年代中期，于1984年 ～1991年發射了第一代通信衛星，從1994年首發的第二代通信衛星開始，逐漸形成了星載電子信息系統和平臺化的設計思想，到2006年首發的第三代通信衛星平臺，整星的承載能力和星載電子信息系統的處理能力都得到了進一步提高.

但是，現階段中國通信衛星的電子信息系統仍然存在著平臺狀態多、產品狀態多、系統可擴展能力弱的缺點，基于第二、三代平臺的通信衛星的控制分系統和數管分系統的設計與技術狀態經常需要根據任務需求發生更改，甚至是大規模的重新設計.從而造成了較多的低層次的重復投入和研制周期的延長.

通過對比中國和國外通信衛星的電子信息系統，歸納出了以下3方面差距：

1)在電子設備的模塊化和接口標準化方面，中國通信衛星存在著較大的差距，定制接口和定制功能仍然廣泛存在，導致電子信息系統的可擴展性差，進而導致了平臺的適應能力不強.

2)電子產品的小型化和集成化水平不高，電子設備的重量偏重，不利于平臺承載能力的提高.

3)星載電子信息系統的體系結構不夠優化，各項功能過于分散，導致電子設備的功能密度較低，存在著資源浪費的現象.

基于上述差距，要提高中國通信衛星星載電子信息系統的先進性，需要從以下方面入手：

1)開展對通信衛星電子信息系統的優化設計，轉變設計理念，將以往分散在不同設備但是基本功能相同的電子產品進行適度合并與集中；

2)加強公用平臺的開發，新平臺的開發不應由單一用戶牽引，而應面向未來通信衛星的發展需求，在設計初期做好擴展性與兼容性的論證工作；

3)開展對構成系統信息系統的標準總線選型，信息流、控制流協議的研究，以及多層信息網絡技術研究，并根據整星和系統的任務需求和可靠性指標，合理制定總線冗余備份策略；

4)開展高性能星載計算機技術的研究，使用FPGA等大規模集成電路替代原有基于分離器件的電路，使用MCM、SOC、SIP等技術集成整個星載電子系統.

本文介紹了國外先進通信衛星平臺的電子信息系統的設計情況，通過對國內外現狀進行比較，提出了提升中國通信衛星電子信息水平的思路.由此可以看出，通信衛星的電子信息系統代表了整星的技術水平和發展前景，加強對星載技術的研究和提升相關的研制能力，對于發展中國通信衛星事業，提高航天技術的整體水平和實力具有重要意義.

［1］McKinnon， Douglas V.A2100， satellite of the future，here today［C］.The 16thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， Washington DC，USA， Feb 25-29，1996

［2］Gerard O， Berger G.Eurostar E3000 in-flight experience［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， San Diego， USA， June 11-14，2006

［3］Pasquet J M.SPACEBUS 4000 avionics：key features and first flight return ［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference，San Diego， USA， June 11-14，2006

［4］Pelenc L，Gayrard JD.SPACEBUS，a vehicle for broad m issions［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， San Diego， USA，June 11-14，2006

App lications of Advanced Avionics in Comm unication Satellite Platform

YE Yuanfei1， LV Nan1， HUANG Xianlong2， CHEN Xiao2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China； 2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

In this article， the actuality of the China Avionics architecture is analyzed and compared with three representative foreign avionics architectures， namely，Lockheed Martin A2100，Astrium EuroStar3000 and Thales Alenia Space SpaceBus4000.The analysis is mainly focused on three key issues including degree of integration， expansibility， processing capacity.Given the results of analysis，themajor gaps of China Avionics architecture are identified.And a corresponding proposal is presented accordingly to further optimize avionics architecture and strengthen the Ramp;D ability on development of universal satellite platform.

communication satellite platform； avionics system

V448

A

1674-1579(2011)01-0045-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.01.010

2010-08-13

冶元菲(1979—)，女，甘肅人，工程師，研究方向為通信衛星控制系統設計 (e-mail：yfye@bice.org.cn).