一種分布式航天器綜合電子系統設計

劉偉偉 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

一種分布式航天器綜合電子系統設計

劉偉偉 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

以綜合電子系統層次模型為基礎，提出并實現了一種分布式航天器綜合電子系統設計方案。該方案以標準通用硬件模塊、ASIC芯片、分層總線體系結構和空間通信協議體系作為基本的技術支撐，采用分布式的協同和并行處理，既可以提升信息網絡服務能力和信息計算處理能力，也可以實現硬件模塊和資源的共享及任務遷移和系統重構。在航天器上的應用表明：此方案可有效提升綜合電子系統的運行效率及任務處理能力，增強綜合電子系統對故障的容忍和處理能力，也能夠顯著提高綜合電子系統的研制效率和產品化程度，使綜合電子系統為構建高可靠、智能化的航天器提供所需的技術保障。

航天器綜合電子系統；硬件模塊；分布式管理；分布式存儲；任務遷移；系統重構

1 引言

隨著電子以及計算機技術的不斷進步，航天器綜合電子系統的功能和性能也不斷提升，涵蓋了航天器遙測遙控管理、能源管理、熱控管理、健康管理、載荷信息處理及任務管理等多種功能的控制和管理，在實現信息共享和綜合利用、功能集成、資源重組優化，以及信息處理和傳輸方面起著核心作用[1]，是航天器實施自主管理和控制的智能化基礎，也是航天器與地面及航天器之間通信管理的橋梁[2]。

傳統的航天器電子系統采用類似金字塔的分層集中管理控制模式，不僅需要在管理單元和接口單元之間進行大量的數據交互，也需要管理單元對大量底層數據進行處理，使管理單元不堪重負，嚴重限制了電子系統對高層任務的處理和支持。而且管理單元處于集中式管理的“金字塔”頂端，對其可靠性要求較高，一旦發生故障將導致整個電子系統失效。由此可見，集中式管理方式已經不再適應航天器發展的需求。目前，國外航天器電子系統集中式的管理方式已經逐漸被分布式網絡化的電子系統取代，如日本的“非熱能源探測望遠鏡”(Non-thermal Energy eXploration Telescope，NeXT)及ESA的“生物火星”(ExoMars)探測器等，均采用網絡化的拓撲結構實現資源共享和系統重構，從而實現整個電子系統的一體化設計[3]。為此，本文以標準通用的硬件模塊、ASIC芯片、分層總線體系結構和空間通信協議體系作為基本的技術支撐，根據航天器在任務遷移與并行處理、系統重構與資源共享的應用需求，提出一種分布式綜合電子系統，可打破管理單元和接口單元之間的層次界線，有效提升綜合電子系統的設計研制能力、飛行保障能力和在軌維護能力。

2 分布式綜合電子系統設計

在分布式綜合電子系統中，從系統角度來看，所有設備既能按照有機整體為航天器提供統一的通信、處理、存儲能力，為用戶提供一致的訪問接口，提升系統的易用性和好用性；同時，在系統內部也能按照獨立的個體進行任務的分工，以及數據和信息的處理，并在必要時提供任務的遷移和重構能力，提升系統的可靠性和容錯性。因此，要求分布式綜合電子系統中的所有設備具有統一的底層硬件支撐、總線體系結構及信息網絡服務機制。

2.1 分布式綜合電子系統層次模型

綜合電子系統的設計遵循模塊化開放式的體系結構，將系統的各項功能進行規劃分析和抽象綜合[4]，形成9種標準通用的硬件模塊及一系列對應的軟件構件，它們作為綜合電子系統的基本底層支撐，在綜合電子系統標準總線體系結構框架下，將各硬件模塊通過內總線進行拼裝和組合，形成具有特定功能的綜合電子系統設備，各設備在外總線通信和連接的基礎上形成一個完整的綜合電子系統[5]，具體如圖1所示。其中，9種標準通用硬件模塊能夠涵蓋不同航天器大部分的功能需求，對于特殊的功能需求，通過設計專用的擴展模塊實現。擴展模塊可與標準通用硬件模塊一樣，遵循統一的硬件模塊設計框架，通過設備內總線實現與標準通用硬件模塊的通信。

注：w為管理單元數。圖1 綜合電子系統層次模型Fig.1 Avionics system hierarchy model

綜合電子系統標準通用硬件模塊具備獨立設計、測試及現貨供應能力，選擇相應功能的硬件模塊即可組裝成具有所需功能的綜合電子設備，使各綜合電子設備提供的功能和接口一致，因此綜合電子設備之間不存在等級和層次之分，可實現分布式的并行工作，并具備在各設備之間進行任務遷移、系統重構和協調配合的能力。

2.2 標準通用硬件模塊設計

標準通用硬件模塊按照通用化框架設計，均由專用功能組件、測試維護及容錯組件、電源組件、通用物理層及鏈路層接口組件及可選的網絡層接口組件組成。其中：專用功能組件決定了硬件模塊的種類及所能實現的具體功能；其他功能組件作為通用的支持單元，將具有特定功能的硬件模塊融入到整個系統中，實現硬件模塊之間的信息交互及系統交互。圖2為通用硬件模塊框架。

注：HOST為主機，用于控制對BIUx及BIUy的讀寫訪問；BIU為總線接口單元，x和y分別代表一路獨立的總線接口單元。圖2 通用硬件模塊框架Fig.2 Framework of general hardware module

在標準通用硬件模塊中，通用物理層及鏈路層接口組件采用美國航空無線電公司(ARINC)制定的標準背板ARINC659總線接口電路實現。ARINC659是一個線型多點連接的串行通信數據總線，基于時間觸發模式，具有高度的故障容錯能力，同時兼具標準化、可擴展、實現簡單等優點[6]，非常適用于對可靠性和容錯性要求較高的場合。另外，標準通用硬件模塊中專用功能組件所實現的功能通常不是單一的，而是包含了多種接口形式及多種功能電路，為此設計了一種HOST接口控制器(ASIC)作為網絡層接口，并且在ASIC設計過程中充分考慮了航天器中采用的各種接口形式和通信機制，能夠適用對所有硬件模塊專用功能組件的控制和數據交互，并作為ARINC659總線接口組件與專用功能組件之間進行通信和數據路由的橋梁，將多種專用電路的控制、通信、數據格式等轉換為統一的標準通用接口和通信格式，使硬件模塊具備標準接入與即插即用的能力。

2.3 綜合電子系統總線體系結構

為了實現標準的總線互聯結構，便于通過硬件模塊的組裝形成特定功能的電子設備，建立了綜合電子系統總線體系結構(見圖3)。在此過程中，綜合考慮了系統功能、通信速率、容錯和重構能力對總線的需求，形成了以CPU前端總線、局部總線、I/O總線、外總線組成的4級總線分層結構[7]。其中：CPU前端總線用于實現CPU與外圍電路之間的數據通信；局部總線和I/O總線可作為設備內總線，實現設備內部硬件模塊之間的相互通信，局部總線主要用于支持高速數據的傳輸，而I/O總線主要用于實現對高容錯、可擴展方面的良好支持，實現硬件模塊的標準化設計，以及快速系統接入和擴展的目的。

借助于綜合電子系統統一的總線體系結構及標準的硬件模塊物理層接口，可以方便地將各硬件模塊進行組裝和拼接，形成一個具有特定功能的單機設備，各設備之間進而通過外總線或交換網絡連接在一起，形成完整的綜合電子系統。

綜合電子系統中各設備作為網絡中的一個節點，通過交換網絡或外總線進行互聯，能夠并行、獨立自主地工作，僅通過網絡傳輸各管理單元處理后的數據和狀態信息，因而降低了設備對數據處理的負荷及性能要求，提升了綜合電子系統整體的性能指標。

各設備之間除通過交換網絡或外總線進行互聯外，還可通過虛擬背板I/O總線進行互聯，此時可將互聯設備看作分布在不同機箱中的同一臺設備，這些設備中的硬件模塊按照ARINC659總線統一的時間窗口進行規劃。另外，為了保證ARINC659總線的信號完整性，虛擬背板I/O總線以低壓差分信號(LVDS)實現不同管理單元中ARINC659總線的橋接(見圖4)，LVDS作為不同設備間的互聯信號，在設備內部實現LVDS信號與ARINC659總線信號之間的雙向轉換，進而實現多段ARINC659總線之間的互聯和通信。

注：SoC(System on Chip)為片上系統；CPCI(Compact Peripheral Component Interface)為堅實外設接口；AMBA(Advanced Micro-controller Bus Architecture)為高級微控制器總線架構；i,j,k表示模塊數。模塊1、模塊i、模塊j、模塊k分別代表一種典型的綜合電子系統總線連接實現方式。圖3 綜合電子系統總線體系結構Fig.3 Architecture of avionics system data bus

注：n和m為模塊數，p為管理單元數。圖4 ARINC659總線橋接示意Fig.4 Implementation of ARINC659 bus bridging

3 關鍵技術研究

分布式綜合電子系統在總線體系結構及標準通用硬件模塊的基礎上，實現了標準化、規范化及多任務通用性設計，而智能化、網絡化也是分布式綜合電子系統發展的重要方向和目標，因此分布式綜合電子系統必須要突破在通信、計算、存儲方面存在的瓶頸，建立統一的信息網絡服務機制和信息處理平臺，實現對自主任務管理、多星協同工作、多任務通用的支持。

3.1 統一信息網絡服務機制

分布式綜合電子系統相關的信息產生、處理、接收、發布、維護，不僅涉及到航天器內部設備，也涉及到器地和器間，構成典型的信息網絡。這一網絡除為綜合電子系統自身服務之外，還要為其他信息終端提供信息處理服務，因此綜合電子系統以空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)制定的航天器接口業務(SOIS)標準為核心，將協議及業務體系劃分為應用支持層、傳輸層、網絡層、子網層4層，建立了統一的空間通信協議標準體系結構[4](見圖5)。

圖5 空間通信協議標準體系結構Fig.5 Architecture of space communication protocols

依據空間通信協議體系，在應用支持層實現了命令與數據獲取業務、時間訪問業務、消息傳輸業務及歐洲航天標準化合作組織(ECSS)制定的PUS業務，在傳輸層實現了空間包協議，在子網層實現了空間鏈路的遙控(TC)、通信操作規程-1(COP-1)、AOS等數據鏈路協議，以及星載鏈路的包業務、存儲訪問業務、同步業務，可在1553B總線、Arinc659總線、SpaceWire網絡、存儲器加載接口(ML)、數據串行接口(DS)、通用異步收發傳輸(UART)接口等鏈路上實現子網的標準業務。

3.1.1 全局命名與尋址機制

為了在航天器平臺及有效載荷各類子網中提供統一的信息網絡尋址路由服務，實現在航天器和地面組成的全網范圍內端到端的透明信息交換，在空間通信協議體系結構的基礎上，形成全局命名與尋址機制，支持綜合電子系統在器內、器地及器間分布式網絡中進行信息處理。

全局命名與尋址機制借助航天器標識(SCID)、虛擬信道標識(VCID)、應用過程標識(APID)、對象標識(OJID)組成全局的命名和尋址標識[8]。其中：SCID用于確定一個航天器；VCID用于確定空間鏈路中的一個虛擬信道[9]；APID用于確定一個具體的功能體，可以是軟件、硬件或固件；OJID用于確定對某一功能體的屬性及操作方法。通過不同ID的組合、SOIS中網絡層及傳輸層的路由機制，就可唯一地實現對某項具體功能(或某個硬件模塊)及具體通道的訪問和控制。全局命名與尋址機制在單個航天器中最多能夠服務2048個用戶，滿足分布式綜合電子系統的信息和數據處理需求。

依賴于全局命名與尋址機制，可進一步實現硬件模塊的分布式控制與訪問。任意一個管理單元中的通用處理器模塊，除了可以實現對同一設備中硬件模塊的訪問，還可以實現對其他所有管理單元中硬件模塊的訪問，并且訪問方式與本設備內硬件模塊的訪問方式相同，由SOIS的網絡層根據尋址地址自動完成數據的路由，并通過相應的子網進行數據傳輸。在某一管理單元內部通用處理器模塊故障時，其他管理單元仍能實現對故障管理單元中其他硬件模塊的有效利用，同樣地，也可在某些管理單元內部不配置通用處理器模塊以節省成本，該管理單元內部的硬件模塊直接由其他管理單元控制。

3.1.2 異步消息業務(AMS)機制

傳統航天器各設備之間的信息交互，必須對數據的格式、長度、通信硬件通道等進行詳細的規定，因此，在設備故障或者功能任務調整后，原有的連接或網絡結構很難再實現對系統功能任務的支持[10]，或者需要地面進行復雜的維護操作后才能實現功能或任務的恢復，從而大大降低了對任務遷移及系統重構的支持能力。

在分布式綜合電子系統中，依據CCSDS標準設計實現了一套AMS機制，可實現對所關注數據的接收，以及自身關鍵數據的發布，完成信息共享功能，同時還能實現系統中所有模塊在任意時刻加入系統和在任意時刻從系統退出，從而完成網絡的自組織、任務遷移和重構功能[11]。

AMS中，整個通信系統被劃分為節點、注冊員、配置服務器來實現完善的系統注冊管理機制。其中：節點為收發消息的通信實體，注冊員用于各個節點信息的管理，不同的節點和注冊員可以組成不同的消息空間，而配置服務器就是用于對不同消息空間的配置數據庫進行管理，包括各個注冊員的位置信息等。此外，所實現的AMS可支持邀約-傳送、邀約-群發、訂閱-發布3種消息傳輸機制，分別實現每個節點向發出邀約的節點發送信息，向發出邀約的所有節點群發信息，任何產生了訂閱消息的節點都將消息傳遞給所有已經訂閱了該主題的節點。

通過AMS，可以方便實現系統重構及健康管理，根據AMS的注冊過程信息監控系統工作狀態，檢查系統的完備性，當有節點退出或故障(丟失心跳消息)時檢查其原因并采取補救措施。依賴AMS的心跳消息監控機制，故障監測的粒度可以細化到進程(即進程作為AMS節點)。當某個任務處理進程故障時，可在其他管理單元中新增任務執行進程，并向對應通信空間的注冊員進行注冊，在注冊成為通信節點后，任務處理可完全按照原有的策略進行邀約，或者進行訂閱消息的發布和接收。

3.2 并行計算及任務遷移

隨著航天器任務量的不斷增加，僅依賴單個管理單元的數據及信息處理能力，在任務高峰時段完全有可能出現無法滿足任務處理需求情況，同樣，在進行任務遷移或系統重構后，也會造成原有管理單元任務量的增加，為此，分布式綜合電子系統采用了并行計算和處理的方式，以緩解任務量增大帶來的處理能力不足的緊張局面。

依賴ARINC659總線的時間規劃特性及統一的信息網絡服務機制，并行計算擁有2種不同的實現方式：①在單個管理單元中配置多塊通用處理器模塊，任務低峰階段只有一塊處理器模塊工作，而在并行計算階段，多塊處理器模塊將同時工作，依靠全局命名與尋址機制實現對所有硬件模塊的訪問和信息獲取，從而支持不同處理器模塊的計算任務。②在不同的管理單元之間實現，依靠AMS實現并行計算及處理后數據的傳輸和信息交互。

在分布式綜合電子系統中，所有管理單元及多個通用處理器模塊均可同時接收上行注入數據，實現上行注入任務的并行處理。各管理單元根據相互間的工作狀態、軟件參數及信息尋址地址，確定是否要接收上行遙控數據，以及是否要對所接收的數據進行處理，這樣不僅能提升上行注入任務的處理性能，也能為實現任務動態遷移和故障時的系統重構提供基礎。圖6為綜合電子系統上行鏈路連接原理。

注：a和b為單個管理單元內部通用處理器模塊數，c為管理單元設備數。圖6 綜合電子系統上行鏈路連接原理Fig.6 Connection principle of avionics system upload link

3.3 數據分布式存儲

在分布式綜合電子系統中，數據存儲由數據存儲與復接模塊實現。為了充分利用數據存儲與復接模塊的資源，將其分別置于不同的管理單元中，并由SpaceWire網絡進行互聯，通過SpaceWire網絡的數據路由功能實現數據在不同模塊中的存儲，以及對不同模塊中數據的讀取，實現數據在整個綜合電子系統中的分布式存儲。

在實際設計中，設備內部通過ARINC659總線能夠直接實現處理器和數據存儲與復接模塊之間的通信，但是為了實現分布式存儲，將數據存儲與復接模塊作為共享的存儲資源，以SpaceWire節點的形式連接在SpaceWire網絡中。當處理器訪問數據存儲與復接模塊時，數據存儲與復接模塊首先將從ARINC659總線上接收的信息轉發到SpaceWire網絡中，通過SpaceWire網絡的進一步路由，實現對SpaceWire網絡中任意數據存儲與復接模塊的訪問，同樣SpaceWire網絡中的任意其他節點也可實現對任意數據存儲與復接模塊的訪問和數據存儲，進而實現綜合電子系統的分布式數據存儲。

3.4 通用化和產品化設計

通用化要求分布式綜合電子系統能夠適應不同航天器任務需求，產品化要求分布式綜合電子系統具備現貨產品供應能力。

為了實現通用化和產品化設計，分布式綜合電子系統從組成系統的基本電路單元及通信鏈路出發，形成了一系列標準、通用的硬件模塊、集成電路，并借助標準的互聯通信總線實現各模塊之間的通信和組裝，形成具有特定功能的設備，進而實現綜合電子系統的通用化和產品化設計。

通過對綜合電子系統功能的詳細分析、抽象和綜合，梳理出9種基本的標準通用硬件模塊，并建立了硬件模塊設計規范及統一的設計框架(如圖2所示)，將硬件模塊的設計劃分為標準通用功能組件和特定功能組件，特定功能組件在通用功能組件的支持下完成模塊所具備的各項功能和接口的管理。借助標準的硬件模塊設計框架，保證硬件模塊設計的一致性，也為實現硬件模塊的產品化及獨立設計、獨立測試、獨立供貨提供了基礎。

根據梳理出的9種通用硬件模塊，進一步對硬件電路功能進行綜合和集成，形成了ARINC659總線協議、ARINC659總線驅動、信道關口、分包遙控指令譯碼、HOST接口控制、遙測采集SIP、功率驅動SIP共7類8種涵蓋遙控、遙測、指令、總線、接口控制、功率控制在內的ASIC集成電路。這些ASIC芯片的設計對系統接口、功能進行了充分的分析和歸納，采用標準化的設計方式，為實現硬件模塊的功能和接口的通用性提供了重要的技術支撐。

4 分布式綜合電子系統優勢分析

本文提出的分布式綜合電子系統已經通過了綜合電子工程樣機的測試和驗證，達到了在航天器任務中工程應用的水平，同時也驗證了分布式綜合電子系統在容錯性，以及分布、并行、共享計算資源、通信資源、存儲資源等方面的優勢，具體分析如下。

(1)增強系統標準化、通用化及可重用性：分布式綜合電子系統的基本產品為標準通用硬件模塊，硬件模塊的設計建立在對航天器功能高度綜合和歸納的基礎上，將硬件模塊組裝形成具有特定功能的設備，保證設備之間功能和接口的一致性，使分布式綜合電子系統能夠應用于不同領域的航天器，顯著提升系統可重用能力。

(2)增強系統產品化能力：分布式綜合電子系統的標準通用硬件模塊遵循統一的設計框架，具備獨立設計、測試和投產能力；同時，分布式綜合電子系統ASIC集成電路的設計和功能既與標準通用硬件模塊相輔相成，又遵循標準的協議和接口規范，可廣泛應用于不同領域的不同系統，具有獨立供貨和應用能力，能顯著提升綜合電子系統的產品化能力。

(3)增強系統信息網絡服務能力：分布式綜合電子系統以CCSDS和ECSS相關的標準規范為基礎，建立了統一的空間通信協議體系，不僅可為應用提供標準的通信服務，也使應用不必關心底層子網協議的具體實現，簡化了用戶應用設計，在航天器和地面系統組成的全網范圍內實現端到端的透明信息交換，能明顯提升信息網絡服務能力。

(4)增強系統數據及信息處理能力：依賴標準通用硬件模塊組裝設備的功能和接口一致性，可實現航天器任務，以及數據和信息的分布式處理，同時借助ARINC659總線對硬件模塊的良好性擴展支持，可在背板I/O總線和虛擬背板I/O總線上擴展多個處理器模塊，提升系統對大量、實時數據和信息的處理能力。

(5)增強系統智能化支持能力：借助分布式綜合電子系統建立的空間通信協議標準體系結構，可使應用程序不再關注底層的業務實現，而專注于頂層的任務實現，為實現自主任務管理、多航天器協同任務處理等相關的復雜智能任務提供有力的技術支撐和支持。

(6)增強系統容錯及重構能力：分布式綜合電子系統中的設備具有一致的功能和接口，為實現系統任務的遷移和重構提供了基本的技術保障。借助高冗余容錯的ARINC659總線，使系統的容錯顆粒度由單機縮小為硬件模塊；同時，借助ARNC659總線的故障屏蔽和虛擬背板I/O總線，實現對故障單機中仍正常工作的硬件模塊的接管，從而提升資源利用率和容錯能力。此外，系統中任意通用處理器模塊均可實現上行遙控數據的接收，在任何一個通用處理器模塊出現故障后，其他通用處理器模塊仍可繼續進行上行遙控任務的處理，從而實現上行注入任務的動態切換和重構，增強系統的可靠性。

5 結束語

本文所建立的綜合電子系統總線體系結構，以及9種通用的硬件模塊和對應的軟件構件，已在多個航天器中推廣應用。通過實際測試和驗證，分布式綜合電子系統可以明顯增強設備的產品化和冗余容錯能力、信息網絡服務能力、智能任務支持能力，同時顯著提升了系統的集成化能力和輕小型化程度，為實現航天器的產業化能力奠定了基礎。但是，在網絡化方面，目前綜合電子系統僅面向器內進行了設計實現，后續將針對器間和天地間建立一體化的信息網絡及信息交換與共享機制開展深入研究，為滿足未來航天器對智能化、網絡化、通用化、標準化的需求提供技術支撐。

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(編輯：夏光)

Design of Distributed Spacecraft Avionics System

LIU Weiwei CHENG Bowen WANG Luyuan YU Minfang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

According to the model of avionics system hierarchy， this paper proposes and implementes a distributed spacecraft avionics system design scheme. This scheme applies distributed collaboration and parallel processing based on standard general hardware modules and ASIC chip,as well as hierarchical bus architecture and space communication protocol architecture,which can not only promote information network service and processing ability,but also realize sharing of hardware modules and resources， and task migration and system reconfiguration. Through the application in spacecraft,this scheme can effectively enhance the operational efficiency and task processing capabilities， improve the fault tolerance and processing capabilities of avionics,and can also significantly increase development efficiency and products degree of avionics system,so that the avionics system can provide the necessary technical support for the construction of high reliability and intelligent spacecraft.

spacecraft avionics system；hardware module；distributed management；distributed storage；task migration；system reconstruction

2016-04-05；

2016-11-02

國家重大航天工程

劉偉偉，男，工程師，研究方向為航天器數據管理技術和綜合電子系統。Email：akinglw@163.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.014