一種復雜載荷任務的衛星數據信息鏈設計

元勇 趙元清 李佳寧 董振輝 穆強

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

衛星數據信息鏈[1]是指以衛星數據為中心,包含任務管控、信道收發、信息處理、分發傳輸、終端應用等環節的信息鏈路,衛星數據信息鏈設計是衛星總體設計[2]的關鍵部分。硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星以高時間分辨率、快速機動成像、多樣化姿態模式、有效載荷長期加電工作等特點對衛星數據信息鏈系統設計提出了更高的要求。

按照數據信息的作用劃分,衛星數據信息鏈傳輸的內容一般分為3類:①用于維護衛星工作狀態,完成載荷任務的控制類信息,包括遙控指令、衛星時間數據等;②用于監控衛星健康狀態的遙測數據和輔助數據;③星上有效載荷設備產生的觀測數據,包括科學數據和輔助數據。

對于不同的數據信息,其數據率、信息鏈傳遞路徑、對傳輸要求的實時性也各不相同,本文在分析硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星數據信息交互需求的基礎上,根據數據信源、信宿的特點,充分利用當前遙感衛星平臺[3]資源,建立了以星上中央處理單元(CTU)為核心,適用于復雜載荷任務的數據信息鏈系統。數據信息鏈系統采用二級分布式拓撲接口,CTU和星上各總線終端通過一套雙冗余的串行數據總線(SDB)實現控制類信息和輔助數據傳遞,有效載荷觀測數據通過設備間的低壓差分信號接口(LVDS)電纜傳輸。CTU作為整個信息鏈系統的控制核心,根據衛星觀測模式和載荷任務,采取相應的調度策略,實現星上數據鏈系統實時、高效地運行。

1 衛星數據信息需求分析

1.1 衛星特點

HXMT衛星作為中國第一顆大型X射線天文衛星,相比傳統對地傳輸遙感衛星具有以下特點:

(1)通過載荷光軸對天指向來實現對眾多天體目標和現象高質量的科學觀測,衛星對天慣性定向觀測,觀測目標遍布整個天球,衛星在過境弧段無固定對地面。

(2)衛星包括4種主要觀測模式,巡天觀測模式、小天區觀測模式、定點觀測模式和伽馬暴觀測模式,對衛星姿態控制要求高,要求衛星可隨時根據觀測目標的變化在4種主要觀測模式之間快速、準確地切換。

(3)衛星自主安全管理要求高,除了常規入軌段程控、蓄電池放電管理、整星轉最小能源管理等,由于衛星姿態的不確定性和有效載荷對工作環境要求的苛刻性,還需增加南大西洋異常區載荷安全保護、載荷溫度異常升高自主判定、數傳天線自主切換控制等功能,對衛星時間實時性和同步性提出了更高的要求。

(4)衛星有效載荷為長期加電工作模式,有效載荷每天產生的數據量為350 Gbit,對衛星有效載荷數據長期、持續傳輸穩定性要求高。

1.2 衛星數據信息需求

根據HXMT衛星觀測模式和載荷任務需求,梳理出衛星數據信息需求,如表1所示。

表1 衛星信息需求Table 1 Information flow requirements

(1)上行遙控數據。由地面產生,通過測控通道傳送至衛星,經測控應答機接收、解調后送衛星CTU解析,CTU根據解析結果通過總線發送給各用戶終端。此類信息與衛星任務甚至整星安全直接相關,對信息鏈的實時性要求很高。衛星上行遙控數據率不超過2 kbit/s。

(2)下行遙測數據。星上CTU首先通過總線獲取整星遙測數據,采用國際空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)高級在軌系統(Advanced Orbiting Systems,AOS)所規定的體制,形成統一的數據流通過測控信道下傳。此類信息與衛星健康狀態直接相關,對信息鏈路的可靠性、實時性要求高,衛星遙測數據傳輸速率不超過4096 bit/s。

(3)衛星時間數據:包括CTU時間、GPS秒脈沖、秒脈沖整秒時刻、校時時差等。此類信息是實現衛星時間系統同步、保證載荷任務順利實施的關鍵,設計過程中在保證信息傳遞鏈路高實時性和同步性的同時,還要考慮冗余、容錯設計。衛星時間數據傳輸速率不超過192 bit/s。

(4)衛星輔助數據。包括GPS定位、定軌數據、GPS原始測量數據等。此類信息用于地面精密定軌、載荷數據高精度解析,設計過程中重點需要考慮數據傳輸、存儲的完整性。衛星輔助數據傳輸速率不超過2608 bit/s。

(5)載荷觀測數據。包括高能、中能和低能望遠鏡科學數據和工程數據。其中科學數據傳輸速率高,需要采用大容量存儲設備和專用的傳輸通道,工程數據傳輸速率較低,重點需要考慮數據傳輸的完整性。載荷科學數據傳輸速率不超過20 Mbit/s,工程數據傳輸速率不超過3252 bit/s。

2 衛星數據信息鏈設計

針對第1節的數據信息需求分析結果,在衛星數據信息鏈系統設計中,充分利用現有衛星平臺的成熟技術,根據不同的數據信息類型和傳輸速率,選擇合適的信息鏈路。衛星數據信息鏈系統包括遙控遙測信息鏈、衛星時間同步信息鏈和衛星載荷數據鏈3部分,衛星數據信息鏈系統框圖如圖1所示。

圖1 HXMT衛星信息鏈系統Fig.1 Information chain system of HXMT satellite

對于遙測遙控類和時間類數據,其數據傳輸速率不高,對傳輸實時性和可靠性要求高,在設計時選用當前國內成熟的1553B總線作為信息傳輸鏈路,采用熱冗余的A、B雙總線;對于輔助類數據和載荷工程數據,考慮到其信源設備與1553B總線有接口,同時數據率較低,為了保證數據傳輸的完整性,同樣采用1553B總線作為信息傳輸鏈路。

對于載荷科學數據,由于數據傳輸速率比較高,需要采用專用的傳輸通道。當前國內衛星比較成熟的高速數據傳輸接口包括TLK2711高速串行接口和LVDS接口,其中TLK2711接口傳輸速率最高可達2 Gbit/s,LVDS接口在電纜長度不超過10 m時傳輸速率可達400 Mbit/s。綜合考慮載荷科學數據率不超過20 Mbit/s,同時信源由多臺載荷設備組成,選擇采用LVDS電纜作為科學數據傳輸鏈路。

綜上,HXMT衛星數據信息鏈系統采用二級分布式拓撲結構,形成設備和部件的分級處理模式,以降低數據信息傳遞接口的復雜度。主干結構基于1553B總線,以CTU為總線控制器,依據載荷任務,分時調度[4]、傳輸控制類信息;載荷設備在控制指令的操控和驅動下,通過LVDS接口傳輸載荷科學數據。通過1553B總線傳輸的總數據率不超過200 kbit/s,相比總線傳輸的標稱速率1 Mbit/s,系統設計余量不低于80%。

2.1 遙控遙測信息鏈

衛星遙控遙測信息鏈由星上測控分系統和數管分系統共同完成,測控USB應答機通過測控信道接收遙控射頻信號,解調后的信息送CTU進行解析、分發處理;CTU通過采集遙測信息,經組幀處理后送測控USB應答機下傳地面。衛星遙控遙測信息鏈如圖2所示。

圖2 HXMT衛星上下行測控信息鏈Fig.2 HXMT satellite TT&C information chain

2.1.1 遙控信息鏈

測控USB接收機首先將解調后遙控上行信號送遙控單元(TCU),TCU通過串口把解調出的遙控數據送CTU,CTU根據數據類型和內容通過總線發至不同的用戶終端。

2.1.2 遙測信息鏈及信道調度機制

CTU通過總線采集遙測數據,生成符合AOS標準的遙測幀,送測控USB發射機下傳地面。AOS遙測幀的組織調度與下傳,采用虛擬信道(VC)和包信道兩級調度機制,通過虛擬信道的動態調度機制[5],實現對同一物理信道的多路復用,具體說明如下:

1)一級調度機制

一級調度機制為VC調度方式,分為2個VC:

(1)VC為010101B,組織傳輸遙測。此VC將主要占據測控物理信道,僅在地面發送內存讀出指令的條件下,短期釋放其占用權,交與另一個VC,傳輸內存讀出數據;

(2)VC為101010B,僅組織傳輸內存讀出數據。此VC的調度受控于地面指令,每次占用測控物理信道的時間≤3 s。

2)二級調度機制

二級調度機制為VC級別下的包信道調度方式,即源包調度。依據衛星遙測模式分別對遙測源包(E-PDU)進行多路復用,生成多路協議數據單元(M-PDU),填充入虛擬信道數據單元(VCDU)數據單元區中。

(1)遙測源包按照遙測模式下多路周期T由小到大,排列優先級;

(2)特定模式下某遙測源包i首次填充入M-PDU數據區中,記錄此M-PDU的序列計數K,結合多路周期T,則能得出該遙測源包i會填充入哪些M-PDU數據區中(K＋n T),對于序列標識為K＋n T(n＝0,1…)的M-PDU,該遙測源包i必須予以填充;

(3)每生成一個M-PDU,對遙測源包優先級重新進行排列,將下一個M-PDU按照多路周期必須填充的參數包按照優先級進行排列,剩余遙測源包按照優先級排列其后;

(4)根據M-PDU數據區長度,從遙測源包隊列中提取遙測源包,若數據區末尾的遙測源包E-PDU超出數據區長度,順序填入下一個M-PDU數據區中。

2.2 高精度時間同步信息鏈

HXMT衛星有效載荷包括高能、中能和低能望遠鏡,高能望遠鏡實現20～250 ke V能區的硬X射線觀測,中能望遠鏡實現5～30 ke V能區的硬X射線觀測,低能望遠鏡實現1～15 ke V能區的硬X射線觀測。為達到上述目標,要求載荷系統處理一個光子事件的時間足夠短,以不致引起占用時間過長,經分析,高能望遠鏡的時間分辨率要高于25μs,中能和低能望遠鏡的時間分辨率要高于1 ms。

為滿足載荷設備對高精度時間同步的需求,設計基于GPS秒脈沖和整秒時刻的高精度時間同步[6]信息鏈。以GPS接收機的硬件秒脈沖作為統一校對時間基準,輔以CTU通過總線實時接收并廣播CTU時間和整秒時刻,實現衛星時間同步。衛星時間同步信息鏈組成如圖3所示。

圖3 衛星時間同步信息鏈Fig.3 Time synchronization information chain

CTU通過總線每秒廣播GPS整秒時刻,有效載荷設備根據廣播的GPS整秒時刻生成本地星時整秒。高穩定時間單元5 MHz時鐘用于驅動有效載荷設備產生高精度本地計時時鐘,GPS接收機在定位的情況下通過同軸電纜每秒輸出硬件秒脈沖,有效載荷設備根據硬件秒脈沖啟動本地時鐘計時,同時通過對相鄰2個秒脈沖的計時實現對時鐘頻率的標定。在考慮電纜傳輸時延的情況下,在GPS非定位的情況下,星上可保證在33 min時間內時間精度誤差不超過10μs。

高穩定時間單元40 k Hz信號用于驅動CTU產生CTU時間,CTU通過總線每秒廣播CTU時間,當GPS秒脈沖和整秒時刻輸出異常時,有效載荷設備可以用CTU時間代替本地時間,作為時間同步的備份手段。根據高穩定時間單元晶振穩定度、總線廣播時延、CTU軟件處理時延等指標,計算可得CTU時間精度誤差不超過5 ms。

CTU在廣播星時的同時,也可以通過校時方式維護星時精度。校時方式包括地面集中校時、CTU均勻校時、GPS自主校時和GPS強制校時。校時一般過程為,CTU首先通過總線發送CTU時間,然后通過總線接收GPS返回的時間差,利用時間差修正自身的衛星時間。

2.3 有效載荷數據信息鏈

當觀測目標為20Crab源時,有效載荷每天產生的數據量為350 Gbit,有效載荷科學數據和工程數據以源包形式傳遞。有效載荷數據源包[7]的傳遞路徑與數據傳輸模式有關,不同的數據傳輸模式下,有效載荷數據源包的傳遞路徑也不一樣。有效載荷數據傳輸模式包括記錄模式、直傳＋記錄模式、直傳＋回放＋記錄模式。不同的數據傳輸模式下,有效載荷數據源包傳遞路徑如表2所示。

表2 載荷數據源包傳遞路徑Table 2 Payload data source package transfer path

有效載荷數據信息鏈包括載荷設備與數據處理器之間的LVDS接口鏈路、數據處理器和固態存儲器之間的LVDS接口鏈路、載荷設備和數傳控制單元之間1553B總線鏈路。衛星有效載荷數據信息鏈系統如圖4所示。

數據處理器以LVDS接口接收高能、中能和低能望遠鏡載荷數據,其中高能望遠鏡的高能電控箱包括3路LVDS接口,中能和低能望遠鏡的電控箱各包括1路LVDS接口,各路信號均為1 bit串行傳輸,最大傳輸速率不超過20 Mbit/s。數據處理器與固態存儲器接口包括記錄接口和回放接口兩類,記錄和回放各包括2路LVDS接口,記錄速率30 MHz×2 bit和60 MHz×2 bit兩檔可調,回放速率30 MHz×2 bit和60 MHz×2 bit兩檔可調。載荷工程數據在CTU的調度下,通過總線發送給數傳控制單元,與載荷科學數據合路后通過LVDS接口發送給固態存儲器。

圖4 有效載荷數據信息鏈Fig.4 Payload data information chain system

3 可靠性安全性設計

3.1 冗余設計

HXMT衛星數據信息鏈系統設計過程中,針對數據信息鏈的關鍵環節采取了多種冗余設計,提高了信息傳遞的可靠性。

(1)地面上注的指令采用指令執行單元主備份均發送的策略。

(2)衛星時間數據通過總線廣播時,采用A、B總線交替進行的策略,每秒廣播一次,A、B總線交替進行。

(3)為了更好地利用A、B總線的熱冗余功能,提高系統的可靠性,采取了總線消息重試設計。對于遙控指令、衛星時間、衛星重要數據等信息,當發送失敗時,進行消息重試,即使用冗余總線進行一次重試。

(4)數據處理器與有效載荷之間的LVDS接口采用交叉備份方式,交叉備份由有效載荷實現;數據處理器與固態存儲器間接口采用交叉備份方式,交叉備份由固態存儲器實現。

3.2 故障處理機制

針對數據信息傳遞過程中可能出現的總線通信故障、軟件故障和硬件故障,設計了衛星數據信息傳遞故障處理機制。

(1)CTU依據總線通信狀態與各總線終端(RT)進行通信,如果發生RT無響應、RT響應超時、總線消息錯誤的情況,則此次通訊失敗。若通訊失敗,CTU按照與RT約定的數值對數據進行填充。

(2)CTU每秒對各RT消息矢量字進行查詢,并記錄總線通信的狀態,當連續10次所有終端都不通時,CTU切機。

4 試驗驗證

HXMT衛星研制期間,經多次迭代開展數據信息鏈設計工作,形成衛星數據信息鏈系統。為保證衛星信息鏈系統設計可行,在衛星研制各階段開展了不同級別的測試驗證工作,除了分系統單機及分系統內部按照各通信協議規定的接口要求進行測試以外,在分系統間還開展了總線聯試、載荷數據接口聯試等測試項目,在整星層面開展了各種模式測試,覆蓋了衛星正常及故障工況。同時開展了測試覆蓋性分析,確保信息鏈系統中所有數據信息傳遞的路徑均經過測試驗證。

2017年6月16日－2017年6月24日,HXMT衛星飛控期間,地面上注指令執行正確,地面接收衛星下傳遙測正常;期間共進行6次地面控制和15次星上自主控制的載荷科學數據下傳,載荷科學數據全部按預期下傳,下傳數據正確;期間衛星使用GPS自主校時,校時時差精度在－500～＋475μs之間,優于5 ms校時精度要求。

HXMT衛星在軌運行結果表明,衛星信息鏈系統工作正常,滿足衛星需求。

5 結束語

HXMT衛星數據信息鏈系統設計以信息交互的實時性和可靠性為目標,信息傳遞的關鍵環節均從傳輸通道、節點處理、時序控制等多方面進行設計保證。經在軌驗證,衛星數據信息鏈系統運行穩定,滿足任務要求。HXMT衛星采用的高實時性和可靠性數據信息鏈系統可供后續低軌遙感衛星,尤其是空間科學試驗衛星數據信息鏈的設計借鑒。

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