衛星高功能密度綜合電子系統設計

詹盼盼,*，曹雅婷2，張翠濤，藺祥宇，顧明

1. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094 2. 北京神舟航天軟件技術有限公司，北京 100094

小衛星具有功能密度高、技術發展快、研制周期短、開發成本低、部署應用靈活等特點[1]。現代微小衛星更強調功能密度與功能集成，在系統設計上打破傳統大衛星的分系統界限，降低接口復雜性，采用全新設計理念，采用各種新技術，包括機電熱一體化設計、微電子技術和軟件定義技術等，推動了小衛星的發展，使得小衛星在原有基礎上通過設計與技術革新，提高功能密度，實現平臺與載荷質量、體積減小的同時其功能更強大，應用更靈活。

微小衛星高功能密度綜合電子系統通過模塊化、標準化、可重構、可軟件定義[2]的設計，將衛星平臺功能集成于微小計算機系統和軟件中，外加載荷系統，可以滿足快速組裝、測試和發射等要求。遇到緊急事件時可形成數十顆甚至幾十顆衛星，在較短時間內形成戰斗力，對局部作戰、自然災害等應急事件提供專用支持，彌補大衛星平臺的實效性不足，實現對應急突發事件的戰術性快速響應。

國外新一代微小衛星大多采用綜合電子系統的設計理念。其代表有美國研制的用于深空探測的“空間技術-5”(ST-5)小衛星綜合電子系統[3]，其電子系統僅由兩塊硬件板組成，總質量1.5 kg。其中一塊板為電源板，另一塊板為綜合電子系統板。綜合電子系統板集成了通信、遙控、遙測、姿軌控、探測數據處理等所有平臺及載荷的任務功能。

法國國家空間研究中心(CNES)研制的MYRIADE系列微小衛星，截止目前已發射12顆衛星，共承擔5項空間在軌任務。其綜合電子系統采用一體化設計，以大量COTS器件為基礎，總質量不超過3 kg，峰值功耗不超過5 W。該系統由電源模塊、微處理器模塊、I/O接口擴展模塊及遙測遙控模塊組成。MYRIADE系列微小衛星實現了高速率的遙測遙控處理、星地與星上時統、星上電源管理、星上數據采集與自檢糾錯等功能[4-5]。

空客防務與宇航(ADS)公司在其為一網公司(OneWeb[6])制造的低軌衛星星座上首次應用低成本高可靠性的微小型綜合電子系統。該系統具有緊湊、輕型、低功耗的設計特點，使用汽車業/商業質量等級的器件，所有器件已經過充分抗輻照測試，滿足10年低軌環境壽命，并且已經有了星座飛行經歷。其設備核心組成就是一臺綜合電子計算機，實現了綜合電子的大部分功能，功能包括遙測遙控管理、姿態和軌道控制、GPS導航、電源管理、總線管理、時間管理等。

通過對國外星載綜合電子系統的分析，其技術特點如下：

1)大多都采用了綜合電子系統技術實現功能的綜合，其綜合的范圍一般包含遙測遙控管理、姿軌計算與控制、熱控管理、電源管理、總線網絡管理、星時管理等功能。

2)綜合電子系統的設備均采用模塊化設計思想，可較好地實現功能裁減與擴充；多種功能集中在一臺設備中的情況比較普遍，使得整星電子設備數量減少,質量減小，有效減少了電纜網的數量。

3)在體系結構方面，微小衛星的拓撲結構傾向于集中式，由多個模塊通過總線互連，在一個機箱中集成。

4)采用軟件定義的設計思路，將傳統由分系統實現的通信、載荷等功能以軟件方式實現，將各類設備和執行機構通過軟件連接為一個整體，最終實現大部分衛星功能的軟件化。

微小衛星高功能密度綜合電子系統通過軟件定義衛星系統功能，由一個模塊化、通用化、可重構的硬件平臺和各種可加載的任務軟件組成，從而實現衛星的一星多用，一星多能，而且還可以通過軟件更新和升級來提升衛星的戰術性能，使其不斷緊跟技術進步，滿足不斷變化的應用需求。

1 高功能密度綜合電子系統內涵

微小衛星高功能密度綜合電子系統的核心是一種在采用商用貨架式產品的高度集成化的硬件平臺基礎上通過軟件定義的方式實現了衛星大部分功能的服務平臺，為微小衛星及其有效載荷提供全方位的服務。其內涵主要體現在：

(1)功能綜合

將星務管理(主要包括遙測遙控管理、總線網絡管理、星時管理、熱控管理功能)、姿軌計算、測控通信等功能集成一體并協調統一工作，甚至衛星平臺與有效載荷在任務中都要成為一個共同運行的有機整體。因此必須通過對系統功能的整合、軟硬件資源的合理配置和綜合利用，提高微小衛星的綜合服務能力[7]。

(2)信息共享

單個微小衛星完成的任務是有限的，而將多個微小衛星組網的衛星星座的服務能力大大提升。微小衛星綜合電子系統需要具備信息通信與共享能力[8]，支持星內、星地、星間的一體化網絡通信。

(3)硬件高度集成

通過對系統硬件的整合和微小型化，將系統大部分功能均集成在一臺高性能星載計算機中，通過商用貨架式硬件產品提高系統的性能，增加系統硬件的集成化程度和通用性，并降低成本。

(4)軟件定義可重構

將各種應用軟件納入統一的軟件管理平臺，通過多個“軟件定義”的可組裝模塊靈活地滿足各種應用需求，實現軟件構件的高度重用，系統可重構能力顯著增強。

2 綜合電子系統一體化設計總體要求

綜合電子系統集成了微小衛星大部分功能，綜合電子系統的設計直接體現了衛星的功能和性能水平。綜合電子系統采用分層模塊化開放式體系結構，硬件模塊按照航天器設備的接口類型設置，軟硬件接口采用標準化設計，功能由軟件定義。基于同一綜合電子平臺，不同的微小衛星可根據需求通過配置不同的軟件模塊得以實現[9]。

高功能密度綜合電子系統一體化體系結構如圖1所示。整合星務管理、姿軌計算、測控通信等電子系統的硬件與軟件功能于一臺綜合電子計算機中，基于軟件定義組件實現衛星功能，達到輕小型化、低功耗的要求。

圖1 綜合電子一體化體系結構Fig.1 Integrated architecture of avionics system

硬件采用高度集成的模塊化設計，以可重構計算機為核心，通過SpaceWire[10]標準化高速總線進行內部數據交換，實現綜合電子系統和有效載荷數據之間的高速傳輸。可重構計算機以CPU+FPGA為核心，通過CPU軟件在軌更改和應用軟件動態加載機制可實現衛星功能動態重構，通過FPGA動態重構實現軟件無線電功能重構。該設計減少了體積、質量、功耗等開銷，提高系統的集成度，實現面向任務的衛星電子系統靈活配置和動態重構。

軟件采用分層體系結構和組件化設計，對系統頂層業務自頂向下逐步分解，形成多層次的“軟件定義”組件，分別有應用軟件、中間件和操作系統軟件。各層之間采用標準接口，便于層間的信息交換，便于“軟件定義”組件的移植和重用，便于系統功能的增強和擴充。軟件組件對上實現功能封裝和隔離，對下通過調用下層構件組裝其功能。軟件通過構件的形式封裝成相對獨立的功能，采用不同的構件實現系統業務[9]。在軟件構件的基礎上，開發高可信度的軟件中間件，對不同的應用軟件提供通用的服務，在不同硬件平臺和操作系統軟件上實現數據交互支持。該軟件體系架構可運行在不同的硬件平臺，能夠支持現有主流微小衛星硬件平臺，滿足功能性能要求。

一體化體系結構打破了傳統衛星分系統的功能界限，不再把衛星的各種功能分解至各個分系統，并由相應單機實現，而是將衛星作為整體從系統層面進行統一的設計和資源規劃權衡。通過一體化綜合設計可以有效實現衛星高功能密度，大幅度地降低成本，縮短研制周期。

3 綜合電子系統一體化設計方案概要

3.1 軟件體系架構

高功能密度綜合電子系統軟件體系結構主要基于如下原則設計：

1)業務功能均可“軟件定義”并形成標準化“軟件定義”組件。建立一個分層的體系結構，各層的業務以及業務接口進行標準化，一方面屏蔽底層硬件接口和協議變化帶來的影響，使得單層的變化不影響其他層，并支持技術的升級換代。另一方面將一些通用的功能采用標準的軟件業務實現，以提高軟件的可重用性。

2)建立一套統一的信息傳輸機制，實現星地、星內、星間通信一體化設計，支持協議的變更和升級，支持上層應用的靈活信息傳輸。

3)定義標準化的構件以及構件接口，將標準的“軟件定義”業務采用軟件構件實現，使得新任務軟件的開發可以通過組裝標準化的構件以及任務特殊需求構件，達到軟件快速開發的目的，從而縮短軟件研制周期。

高功能密度綜合電子系統軟件體系架構包括操作系統層、中間件層和應用層，如圖2所示。操作系統層為底層的支持平臺，通過驅動程序框架以及操作系統接口屏蔽了底層硬件以及操作系統的差異。中間件層作為整個軟件架構的核心，通過基礎的“軟件定義”組件，為上層星載應用提供基礎功能，包含空間數據系統咨詢委員會(CCSDS[11]) 制定的航天器接口(SOIS[12])業務、空間通信協議、歐洲航天標準化組織(ECSS)定義的遙控和遙測包應用標準(PUS[13])業務等多種業務及協議形成的軟件構件。在操作系統層以及中間件層的支撐下，系統應用層的大部分功能都可由底層的通用業務構件組合實現，形成獨立的“軟件定義”功能分區，并且可動態擴展APP實現衛星功能擴展。因此，在上述架構的支撐下，用戶僅需對各層構件進行選取以及參數配置，并開發滿足應用特殊需求的軟件與之組裝即可，從而達到軟件快速開發的目的。

3.2 APP動態加載技術

目前，星載應用軟件難以擴展和更改，每個應用軟件獨占一臺星載計算機，不利于資源綜合。研究APP動態加載技術，使星載操作系統能夠像手機系統一樣，靈活加載各類APP程序，能夠實現星載應用重構，有利于實現衛星應用的定制化和功能擴展。

如圖3所示，APP動態加載技術首先將應用程序編譯鏈接成動態加載可執行文件，文件中包含所有需要重定位數據的地址(虛擬地址)。系統在運行過程中需要加載某APP時，由運行在操作系統內核上的加載器分配與文件大小相同的內存空間，并將該APP文件裝入到分配的內存中。然后執行動態加載程序，分析重定位的數據，獲取重定位數據所在的位置(源地址)，計算APP程序的目標地址，等于源地址-虛擬內存地址+上述分配的內存地址，將該地址作為APP程序的運行地址，從而完成APP動態加載。

圖3 APP動態加載過程Fig.3 Dynamic loading process of APP

該項技術通過APP動態加載技術實現應用軟件動態注入、加載、更新和運行的功能，解決衛星功能的擴展問題，實現星務管理、姿軌控制、測控通信和有效載荷管理等功能的綜合與更新，集多個分系統的軟件于一體，為實現衛星功能提供統一的軟件平臺。

3.3 軟件無線電技術

軟件無線電系統采用通用的硬件平臺，用戶可根據任務需求，通過軟件來定義測控、數傳等通信相關的功能，實現功能的軟件定義和在軌重構。未來在軌通過軟件升級即可實現新業務、新算法的在軌更新，大大提升了衛星系統的靈活性、可靠性、和可擴展性。

軟件無線電系統功能重構是研究和設計的關鍵技術之一，系統的可重構包括如下幾個實現方式：

1)通過修改參數配置，實現功能性能的重配置。

2)對整個單機軟件或某軟件配置項進行軟件重構，重構過程通過單機或模塊的主備份切換，對主備份分別進行重構。

可重構主要體現在功能重構和工作參數的重構。參數重配置和功能重構可能會同時用到，工作參數的重構比較簡單，這里描述功能重構。功能重構主要通過通用處理平臺中數字信號處理軟件的更新、高速可編程器件FPGA的加載更新來實現的。這些軟件(算法、參數)既可以是存儲于存儲器中的，通過調用來實現；也可以是新的軟件(算法、參數)由地面通過無線鏈路上注到系統中來實現。

4 空間網絡協議設計

對于微小衛星而言，即使是具有較高的功能密度，但單顆衛星的作用還是有限的，只是極大地降低了衛星成本，要想發揮微小衛星更大的作用，只有對微小衛星進行組網，通過星座組網飛行獲得更高的性能，更好地完成任務[14]。衛星星座組網運行較單顆衛星具有更大的優勢，構成星座后相比于單顆衛星覆蓋范圍更大，時間分辨率更高，重訪周期更短。

綜合電子系統在現有相關國際和國內標準的基礎上，以CCSDS制定的航天器接口業務(SOIS)標準為核心，整合和規范空間子網和星載子網的通信協議體系，建立統一的空間通信協議標準體系結構，如圖4所示。

空間網絡通信功能在軟件體系架構中間件層實現，空間子網構件和星內子網構件分別實現了星間通信功能和星內通信功能。SOIS業務構件對星內通信機制進行了標準化，遙控空間鏈路協議以及高級在軌系統實現了星地、星間鏈路層協議的標準化，PUS業務構件實現星地應用層協議的標準化，結合網絡層的空間包協議構件以及應用支持層的消息傳輸協議構件，可實現星地、星內、星間通信一體化設計。

圖4 空間通信協議組成Fig.4 Architecture of space communication protocols

5 結束語

目前中國微小衛星綜合電子系統尚未出現統一的平臺，系統多種多樣，集成度和標準化方面不足，給軟件開發帶來挑戰，不利于綜合電子系統的應用和推廣。本文設計了一種高功能密度綜合電子系統協議及業務體系結構，基于商用貨架式產品形成標準化通用的硬件平臺，采用分層架構體系協議，將綜合電子系統功能進行分層，采用軟件定義的方式實現各層功能和業務，為衛星任務提供高性能的計算平臺，支持星內、星地、星間通信。除傳統的星務管理、姿軌控制、測控數傳功能外，還可擴展網絡通信與處理、載荷處理、自主管理等其他功能，綜合電子系統的集成度和功能密度大幅提升。