一種高集成小衛星測控系統的綜合設計

趙笛 劉朋 李紅寶 韓孟飛

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

一種高集成小衛星測控系統的綜合設計

趙笛 劉朋 李紅寶 韓孟飛

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

在傳統小衛星測控系統的S頻段應答機、中繼測控單元、遙控單元及星務管理單元的設計基礎上，對小衛星測控系統進行了綜合設計。設計中采用低溫共燒陶瓷（LTCC）、微組裝工藝、鍵合技術、片上系統（SOC）微型芯片等新技術，將小衛星測控系統各功能單元融合在一臺高集成、多功能的小型化測控產品中，實現星上資源的統一利用和測控任務的統一調度管理。與傳統的小衛星測控系統相比，體積減小70%，質量減小80%，功耗降低35%，可滿足小衛星體積小、質量小、功耗低的產品需求。文章提出的設計可為后續集成測控系統的設計提供參考。

小衛星；測控系統；集成設計

1 引言

“機箱與纜線”（Box-and-harness）一直是國內外衛星測控系統的主流設計方法。這種設計方法使各獨立功能模塊之間保持明顯的界線，具有試驗和交叉搭接容易等優點。然而，分立設計方式會導致系統尺寸、質量、費用增加。我國傳統小衛星測控系統設計由于考慮可靠性及成熟度等因素，也多采用具有獨立功能的單機產品來實現測控系統的各項功能，設備數量較多，系統較為復雜。隨著微電子技術、微機械、微光學等微機電技術的進步，以及深空探測任務的推動，未來的星載測控系統將采用數字化的復合型設計體制，具有多功能、多通道、小型化等特點［1］。

本文在傳統小衛星測控系統設計的基礎上，提出了一種高集成測控系統設計方案，在一臺單機產品內集成了傳統設計中測控與星務2個分系統，可實現星地測控及測距測速、中繼測控、遙控指令譯碼、遙控注入數據解密解擾、整星任務調度管理、遙測數據管理、有效載荷狀態采集和管理、整星溫度測量和控制等諸多功能。與傳統設計相比，本文的設計將具有獨立功能的設備集合體演變為將任務、功能、資源統一調度管理的集成系統，不僅使體積、質量、功耗明顯減小，還使功能分配更加合理。

2 測控系統的綜合設計

衛星測控系統與測控地面站配合完成衛星的跟蹤測軌、遙測、遙控等上下行測控通信功能，以及測控信息的中繼轉發、星上信息的處理與管理功能。

本文對傳統小衛星測控系統設計中的S頻段應答機/中繼測控單元、星務中心計算機、遙控單元、有效載荷下位機、熱控下位機進行綜合設計，在不減少原有功能的基礎上，實現小衛星測控系統的小型化、集成化、多功能性設計。測控系統構成見圖1。

圖1 測控系統構成Fig.1 Composition of TT&C system

由圖1可見，在本文的設計中，重新整合系統結構，采用先進技術和工藝，將原有分散的單機產品統一設計，劃分成應答機模塊、中繼測控模塊及測控綜合管理模塊3部分。應答機模塊具有解擴解調上行射頻信號、接收轉發遙控指令/數據及擴頻調制下行遙測數據等功能；中繼測控模塊具有解擴解調中繼衛星轉發的射頻信號、接收轉發遙控指令/數據及擴頻調制返向遙測數據等功能；測控綜合管理模塊具有衛星所有遙控間接指令的處理及分發、衛星遙測數據管理、衛星時間管理、衛星熱控管理等功能。

下面對應答機模塊與測控綜合管理模塊的優化設計分別進行詳細說明。由于中繼測控模塊與應答機模塊在小型化設計方面類似，因此中繼測控模塊的設計不再介紹。

2.1 應答機設計

傳統S頻段應答機由射頻通道、數字基帶處理器及下位機組成。射頻通道部分由分立式微波器件搭建，體積較大［2］。數字基帶處理器選用數字信號處理器（DSP）＋處理FPGA方案［3］，電路設計較為復雜。因此，本文的應答機小型化設計主要從射頻通道及數字基帶處理器兩方面入手。

1）射頻通道的小型化設計

對于射頻通道，在傳統設計的基礎上引入低溫共燒陶瓷（LTCC）技術及微組裝工藝，選用微型元器件，采用微細間距、微小結構、微連接等新工藝設計微波電路，從技術及工藝角度突破射頻組件小型化設計瓶頸，實現射頻通道小型化。

LTCC技術是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖型，并將多個無源元件與組件（如電容、電阻、濾波器、阻抗轉換器、耦合器等）埋入陶瓷基板中［4］。

微組裝工藝采用微焊接等工藝技術，將各種半導體集成電路芯片和微型化片式元器件組裝在高密度、多層互聯基板上，形成高密度、功能集成、高可靠性的三維立體結構的高級微電子組件［5］。

采用微小型化設計措施后，與具有同樣功能的表面貼裝技術（SMT）電路構成的整機相比，在質量、體積、接口數量上均有顯著減少，如圖2所示。

2）數字基帶處理器設計

數字基帶處理器硬件設計以處理FPGA芯片為核心，代替傳統電路中的FPGA＋DSP芯片，減少核心處理芯片數量及外圍電路，節省印制板面積，縮小產品外形尺寸。

數字基帶采用軟件無線電理念，選用70 MHz中頻接口，在FPGA內實現傳統設計中擴頻信號的解調解擴［6］。同時，增加遙控信息處理功能，取消遙控單元設備，減少單機數量，優化傳統應答機單一的通道特性。

圖2 傳統設計與微小型化設計對比Fig.2 Comparison between traditional-design and micro-design

2.2 測控綜合管理集成設計

在傳統的星上測控管理設計中，以星務中心計算機為整星測控調度核心，進行衛星任務的調度管理和遙測編碼組織，結合遙控單元進行衛星數據的加解密管理；內務下位機進行衛星重要數據的保存和恢復；有效載荷下位機對衛星有效載荷狀態進行采集和管理；熱控下位機對整星溫度進行測量和控制。各分系統通過接口管理單元與衛星平臺進行測控管理任務交互，每個接口單元上設計諸多接口總線芯片及模數控制芯片，這不僅增加了整星質量、體積，還增加衛星功耗［7］。

在本文的設計中，將各功能控制器和CPU集成到一個芯片中，通過單片取代單板的方式提高衛星功能密度［8］。測控綜合管理設計由系統封裝SIP計算機及下位機綜合管理單元兩部分實現。

1）SIP計算機設計

SIP計算機內嵌高性能Sparc-V8架構處理器，構建星上測控調度中心替代傳統的星務中心計算機，設計采用鍵合技術，將微處理器、遙測（TM）模塊、遙控（TC）模塊、CAN總線模塊、Flash存儲器，SRAM存儲器集成為單片的高性能混合電路。其工作主頻為80 MHz，尺寸為60 mm×60 mm× 12 mm，質量為155 g，如圖3所示。

2）下位機綜合管理單元設計

下位機綜合管理單元采用一塊智能化MEU混合電路構建，通過擴展多路選擇開關，采集整星電氣模擬量（電壓、電流）和整星溫度模擬量；通過OC電路驅動繼電器，實現對衛星單機和部組件開關狀態的控制；通過溫控場效應晶體管（MOS管）控制加熱器功率，實現對整星溫度范圍的控制。因此，集成傳統的有效載荷下位機、熱控下位機、遙控單元、測控應答機下位機的功能，以實現各功能單機的高度整合。

MEU內部以高速混合信號C8051F040 MCU為內核，采用CIP-51微處理器，與MCS-51TM指令集完全兼容，由于采用流水線結構，與標準的8051結構相比，其指令執行速度有很大的提高。MEU的基本特性包括：高速8051的微控制器內核，峰值處理能力可達25 Mbit/s，在相同時鐘頻率下是80C31的12倍；64 kbyte的Flash內部程序存儲器；64 kbyte的SRAM內部數據存儲器；1 Mbyte的SRAM數據存儲器；豐富的外部接口；可以通過JTAG進行編程。其外形尺寸為32.52 mm× 32.52 mm×7.15 mm，質量僅為18 g，如圖4所示。

下位機綜合管理單元軟件由底層操作系統和頂層應用程序組成。底層操作系統基于嵌入式星載實時操作系統；頂層應用軟件在此操作系統框架上編寫，可以根據需要靈活應用。

圖3 封裝和鍵合的SIP計算機Fig.3 Packed and bonded SIP computer

圖4 封裝和鍵合的MEU電路Fig.4 Packed and bonded MEU circuit

2.3 其他設計措施

（1）結構設計：采用鎂鋁合金替代傳統的鋁合金，鎂鋁合金密度約為1.8 g/cm3，鋁合金密度約為2.7 g/cm3，質量減少約1/3。

（2）連接器設計：選用小型化彎針型接插件和板間接插件，可以減少內部線纜數量及質量，同時提高電裝效率。

3 設計驗證與設計特點

3.1 設計驗證

本文設計的測控系統，集成應答機、中繼測控模塊、遙控單元、星務調度管理、內務下位機、有效載荷下位機、熱控下位機、星上狀態、溫度采集與控制、星上單機組件管理等功能，同時加入健康狀態自主監測及恢復、自主測試等功能，可以完成衛星數據流層面的自主測試。綜合考慮國內傳統測控系統設計的各項參數［2，9］，與本文設計進行對比，結果如表1所示。

表1 兩種設計對比Table 1 Comparison between two kinds of design

由表1可以看出，與傳統測控系統設計相比，本文的測控系統設計在功能上更加完善，在體積、質量、功耗方面有明顯的減小。經過與衛星供電系統聯試，本文設計產品功能正常，性能指標滿足要求，并且適用于載荷平臺比要求高、研制周期短的小衛星任務。

3.2 設計特點

根據系統設計和驗證結果，總結本文設計關鍵點如下。

（1）小型化設計：從系統層面對資源統一分配管理，最大程度進行功能集成，從先進工藝技術、接插件、結構材料等多方面入手，減小設備體積和質量。

（2）熱設計：在本文的設計中，功耗減小程度不如體積減小程度，會導致產品的溫度平衡點較高。為很好地解決散熱問題，采用大功耗器件通過接觸面接觸導熱，或通過螺栓和引腳導熱到印制板，再利用印制板和螺栓導熱到機箱殼體的方式。

（3）單粒子翻轉防護設計：在傳統單粒子翻轉防護措施的基礎上，增加自主監測恢復功能，可以恢復單粒子翻轉問題，甚至在發生單粒子功能中斷（SEFI）時，也能夠自主斷電重新加電，在無地面干預的情況下實現自主管理維護。

（4）測控軟件通用框架設計：通過提供統一的軟件協議規范，使通用的衛星設備能夠快速接入星上網絡，通過提供統一的多任務實時開發環境，實現通用的任務擴展與調度，從而保障衛星各分系統測控管理的統一性和可靠性，大大提高整星研制和測試進度；形成標準的軟件，多次重復使用，減少開發費用，提高可靠性。

（5）集權管理安全性設計：衛星測控系統資源全部由測控綜合管理模塊統一調度管理，因此具有集成度高、資源分配更合理等優點。不過，一旦測控綜合管理模塊出現異常，衛星測控系統將面臨災難性的后果。為了避免這種情況發生，本文設計了測控綜合管理模塊安全模式，除自主切換備份策略外，還設計有應急上行通道，在應急情況下，可不通過測控綜合管理模塊調度，直接由應答機模塊和中繼測控模塊通過互聯總線給衛星分各系統發送數據指令，同時，由應答機模塊和中繼測控模塊對測控綜合管理模塊實施恢復操作，全面保障整星安全。

4 結束語

本文的小衛星測控系統設計具有多功能集成化、體積質量輕小型化及低功耗特性，可滿足目前國內小衛星對載荷平臺比逐漸提高的要求，為未來測控系統的進一步優化設計提供參考。后續將深入開展基于SOC技術的測控系統小型化研究，為研制更高性能、更微小型化的測控系統提供技術支撐，利用微電子和微機械技術不斷提升小衛星設計能力。

（References）

［1］萬永倫.應答機技術研究與展望［J］.電訊技術，2009，49（6）：105-109 Wan Yonglun.Transponder technology：research and prospects［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（6）：105-109（in Chinese）

［2］焦猛.S波段測控通道的小型化設計［C］//2011年小衛星技術交流會論文集.北京：航天東方紅衛星有限公司，2011：404-409 Jiao Meng.Miniaturized design in S-band TT&C channel［C］//Proceedings of 2011 Micro-satellites Technique Conference.Beijing：DFH Satellite Co.Ltd.，2011：404-409（in Chinese）

［3］占榮輝，萬建偉.一種新的雙模應答機全數字中頻接收機設計［J］.系統工程與電子技術，2006，28（2）：199-201 Zhan Ronghui，Wan Jianwei.Design of the IF all digital receiver for a novel dual-mode transponder［J］.Systems Engineering and Electronics，2006，28（2）：199-201（in Chinese）

［4］孫慧萍.LTCC低介高頻微波介質材料［D］.杭州：浙江大學，2004 Sun Huiping.LTCC low dielectric constant and high frequency microwave dielectric material［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2004（in Chinese）

［5］邵優華，韋煒.T/R組件微組裝工藝技術［J］.艦船電子對抗，2012，34（4）：103-107 Shao Youhua，Wei Wei.Micro-assembly technics technology of T/R component［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2012，34（4）：103-107（in Chinese）

［6］李翔，魏幼平，李忠敏，等.基于FPGA的擴頻同步捕捉跟蹤設計［J］.微型機與應用，2013，32（16）：68-70 Li Xiang，Wei Youping，Li Zhongmin，et al.Spectrum synchronization design of capture and track based on FPGA［J］.Micro Computer and Application，2013，32（16）：68-70（in Chinese）

［7］施思寒，李孝同，李曉明，等.CAST100平臺星務系統技術［C］//2011年小衛星技術交流會論文集.北京：航天東方紅衛星有限公司，2011：387-394 Shi Sihan，Li Xiaotong，Li Xiaoming，et al.Satellite management technique of CAST100 platform［C］//Proceedings of 2011 Micro-satellites Technique Conference. Beijing：DFH Satellite Co.Ltd.，2011：387-394（in Chinese）

［8］劉朋，施思寒.小衛星星上測控軟件通用框架設計［C］//中國現代小衛星技術發展研究論文集.北京：中國宇航出版社，2013：286-292 Liu Peng，Shi Sihan.Currency framework design for TM/TC software of microsatellite［C］//Proceedings of Developing Study of China Modern Microsatellite Technology.Beijing：China Astronautics Press，2013：286-292（in Chinese）

［9］李孝同，施思寒，李冠群.微小衛星綜合電子系統設計［J］.航天器工程，2008，17（1）：30-35 Li Xiaotong，Shi Sihan，Li Guanqun.Integrated electronics system of micro-satellite［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（1）：30-35（in Chinese）

（編輯：夏光）

A Highly Integrated Design for TT&C System of Small Satellite

ZHAO Di LIU Peng LI Hongbao HAN Mengfei
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

Based on the traditional design in S-band transponder，relay TT&C unit，TC unit and data management unit of small satellite，TT&C system is redesigned synthetically.In this design，the various functional units are designed to form a highly integrated，multifunctional and pint-sized TT&C product by using LTCC technology，micro-package techniques，bonding techniques，SOC technology etc.And the multiplicate TT&C missions，functions and resource are managed unifiedly.Compared with the traditional design，the new product is reduced 70%in cubage，80%in weight and 35%in consumption.And this design satisfies the requirements of small satellite for smaller cubage，lighter weight and lower consumption.Also，the paper provides a reference for the subsequent integrated TT&C system design.

small satellite；TT&C system；integrated design

V443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.013

2014-12-02；

：2015-04-24

國家重大航天工程

趙笛，女，碩士，工程師，研究方向為衛星測控通信總體設計。Email：didi_email@sina.com。