一種高性能星載綜合電子系統設計

崔陽 趙笙罡 周文妹 劉彬 王文川 梁廣

摘 ?要： 針對傳統衛星系統間接口關系復雜、通用能力較弱的問題，文中將傳統分系統、單機產品替換為標準模塊，從而組成了星載綜合電子系統。通過VPX模塊化設計，各個模塊接口標準化，提高了系統適用性和可擴展性;通過高低速雙總線設計，極大地提高了星上數據傳輸效率;高速總線設計為時間觸發以太網（TTE），極大地提高了星上數據傳輸速率和實時性。實驗結果表明，采用文中設計方案的綜合電子具有接口簡單、通信速度快、可靠性高的特點。該系統已在某衛星綜合電子中成功應用，效果良好，對星載綜合電子設計具有重要的指導和參考意義。

關鍵詞： 星載綜合電子系統; 系統設計; 雙總線設計; 數據傳輸; 實時通信; 實驗驗證

中圖分類號： TN98?34; TP368.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0119?03

Abstract： In allusion to the complex indirect port relationship and weak general capacity of the traditional satellite system， the traditional subsystem and single machine products are replaced with standard modules to form a satellite?based integrated electronic system. The applicability and extensibility of the system are improved by means of the modular design of VPX and the standardized interface of each module; the transmission efficiency of the satellite?based data is increased vastly by means of the high and low speed dual bus design. In the high speed bus design， the Ethernet is triggered with the time， which can increase the transmission efficiency and the real?time capability of the satellite?based data. The experimental results show that the integrated electronic system in this designed scheme has the characteristics of simple interface， fast communication speed and high reliability. The system has been successfully applied in a satellite integrated electronic system with good effect， which has important guidance and reference significance for the design of satellite integrated electronic system.

Keywords： satellite?based integrated electronic system; system design; dual bus design; data transmission; real?time communication; experimental verification

0 ?引 ?言

一般來說，傳統航天器多按功能劃分為若干分系統，各分系統獨立設計，如姿態及推進控制、各種跟蹤伺服控制、加熱器控制、數據傳輸控制等，星務計算機僅負責完成遙控、遙測、程控和時間管理等任務，此類航天器設計方案的特點是系統間接口關系復雜、通用能力較弱。

綜合電子技術是指采用一體化設計，以資源共享和合理分配為手段，將傳統意義上各分系統的任務集中處理，旨在提高系統工作效率，減少資源浪費，實現目標系統微小型化的一種技術。它已成為航天器特別是微小型航天器研究領域的重要課題。另外，隨著芯片設計與制造工藝的快速發展，單個處理器的能力已經能夠滿足衛星復雜項任務的需求，這使得采用較高性能的處理器實現綜合電子系統成為可能。

1 ?系統架構方案

綜合電子總線網絡是綜合電子系統的信息傳輸中樞，通過數據總線網絡，實現分布式的數據采集、數據處理，完成指令輸出和控制，從而提高系統處理的效率。

本綜合電子系統設計了高速、低速兩級網絡，該網絡具有層次分明、系統架構簡明的特點。綜合電子設備通過高速總線與星內設備連接、空間高速路由、載荷等高速數據傳輸，通過低速總線實現各分系統遙測量采集處理、總線遙控等數據的傳輸;綜合電子設備內部模塊之間同時連接高速和低速總線，以實現綜合電子內部、外部各分系統和模塊之間的通信，整體結構示意圖如圖1所示。

系統主要設計如下所述：

1） 綜合電子系統整體基于VPX架構設計，各個功能模塊按照模塊化思路，設計為標準VPX板卡（6U）。綜合電子按照功能劃分，主要模塊有GNSS模塊（可同時接收GPS和北斗導航信號）、測控模塊、計算機模塊（星務計算機，具備TTE總線）、電源模塊和網絡交換機模塊（TTE交換機）等。作為標準架構設計，VPX機箱內還可根據任務需求增加其他模塊化產品。

2） 設計專用VPX背板，用于各個模塊供電和內部通信互聯。VPX板卡與各個功能模塊之間通過VPX專用連接器連接。

3） VPX機箱內采用統一供電模式。電源模塊將星上一次電源轉換為二次電源（如+12 V等）后提供各個模塊，各個模塊內部根據各自需求轉換為所需的各種低電壓電源。

4） 綜合電子系統內部高速總線采用時間觸發以太網（TTE），低速總線為標準CAN總線（分為內CAN和外CAN）。其中高速總線主要用于傳輸衛星平臺和各類載荷數據率較大的數據，低速總線用于傳輸各類模塊和單機的遙測、指令等數據。

5） 為了盡可能將星上設備的接口簡化，設計專用智能節點產品，主要用于將星上其他產品接口進行標準化轉換，如將同步、異步串行等接口轉換為標準的CAN總線（智能節點還可對星上各種模擬信號進行采集和轉換），可極大地簡化星務計算機的接口種類，同時也有利于星上電纜的布局和簡化設計。

2 ?信息流設計

一般而言，衛星通過測控模塊接收來自地面的各種注入指令數據;同時，通過測控模塊向地面發送星上各種遙測數據。

星載綜合電子以星務計算機為核心和“大腦”進行各類數據、指令的接收和發送，以及內部各個模塊之間的信息交換。

星載綜合電子系統信息流如圖2所示。

綜合電子系統內部各個模塊通過內部CAN總線實現數據的傳輸和分發。其中地面上行數據通過測控模塊傳輸至計算機模塊，再由計算機模塊處理并通過內CAN總線分發至其他模塊和單機;各個單機、模塊的遙測數據通過外部/內部CAN總線傳輸至計算機模塊，經計算機模塊處理后再發送至測模塊下行傳輸;星上各類單機產生的高速數據通過計算機模塊傳輸至TTE交換機，通過高速路由通道進行下行和傳輸。

TTE交換機模塊預留有專用通道（插槽接口），主要以備用于數據量較大的各種星上單機、載荷連接和高速數據傳輸，可以根據具體任務進行擴展。

3 ?總線設計

3.1 ?高速總線設計

隨著對飛行數據量以及數據準確性、實時性要求的提高，衛星等飛行器對通信總線的性能要求也越來越高。目前國內在航天器上采用的總線主要是CAN總線和1553B總線，但隨著綜合電子技術的發展，傳統的總線已經不能滿足綜合電子系統通信的需求，其主要存在以下問題：

1） 目前星上存在一級、二級總線等多種總線并存的情況，總線間通信協議不統一且互不兼容，帶來系統復雜度增加和資源浪費等問題;

2） 隨著集成度的增加和總線掛接設備的增多，傳統總線1 Mb/s的傳輸速率很難滿足未來大容量通信衛星、遙感衛星和偵察衛星的通信需要;

3） 目前星上采用的總線多基于事件觸發，而且是基于優先級調度的總線搶占模式，事件觸發和優先級搶占雖然增強了總線訪問的靈活性，但同時存在著信息傳遞延遲的不確定性問題。

相對而言，TTE網絡總線具有高的通信速率（可達1 Gb/s）、嚴格的實時性（可達10 ns）等優點，可滿足衛星在軌高速率、高可靠、高實時性的通信需求。

TTE（Time Trigger Ethernet）是在標準以太網基礎上開發的一種基于時間觸發協議的通信網絡，同時具有標準以太網和時間觸發通信網絡的優點，因此特別適合應用于航空航天領域（通信實時性要求高）。由于該總線技術基于時間觸發技術，兼容了時間觸發協議和以太網技術的優勢，能夠在同一個網絡平臺上兼容以太網數據流、AFDX數據流和時間觸發數據流。

目前，TTE網絡總線在美國龍飛船、戰機上等已經成功應用。隨著TTE芯片化的成功和應用，TTE總線的應用和推廣會越來越廣泛。

星載綜合電子系統高速總線選用TTE總線，網絡通信速率達到1 Gb/s。根據TTE總線架構設計，內部設計TTE交換機模塊和TTE端節點模塊，其中交換機模塊作為整個TTE網絡的路由和交換，端節點模塊作為標準接口與星務計算機模塊通信。

由于目前國內TTE芯片尚未推廣應用，因此本綜合電子系統中TTE協議主要通過FPGA實現，由此如果將TTE接口與計算機融合，則系統設計較為冗余。為了簡化系統，將TTE端節點分離單獨設計標準插卡結構，其與計算機模塊之間通過標準高速總線連接（高速總線數據傳輸速率與TTE速率相當，如PCI總線等）。本綜合電子方案中計算機與TTE端節點之間采用32 bit PCI總線（33 MHz，1 Gb）。

后續待國內TTE芯片推廣應用時可將TTE端節點與計算機模塊設計合并，以降低系統資源需求。

為了實現高的通信實時性，TTE網絡同步精度設計為不高于1 μs。

3.2 ?低速總線設計

綜合電子系統低速總線主要用于各種模塊和單機之間指令、遙測等數據的傳輸，目前可選總線主要有RS 422，CAN，1553B等，其中CAN總線具有可靠性高、開發成本低等優勢。

CAN 總線廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。由于具有較高的通信性能和可靠性，同時相對具有開發成本較低的特點，CAN總線也被應用于航天系統。

針對綜合電子任務特點，選用CAN總線作為綜合電子系統低速總線。同時，為了便于任務調度和協調，簡化系統設計和軟硬件接口，設計內CAN總線和外CAN總線。內CAN總線用于連接綜合電子系統內部各個模塊，其中計算機模塊作為CAN總線主節點，進行模塊之間的指令和遙測等數據的傳輸;外部CAN總線用于綜合電子系統與星上其他設備之間的通信，星務計算機也作為主節點，進行綜合電子和星上其他設備（如熱控單機、姿軌控單機等）之間的指令和數據通信。

內、外CAN總線設計可極大地簡化星務計算機接口和軟件設計，提升系統的集成度和可擴展性（可隨著衛星任務的不同而進行內部模塊和外部單機產品的刪減）。內、外CAN總線通信速率均設置為1 Mb/s。

4 ?測試及驗證結果

綜合電子系統網絡總線實測結果見表1。可以看出，高速網絡總線TTE實測指標完全滿足設計要求。

5 ?結 ?語

本文設計的高性能綜合電子系統，通過采用標準VPX架構設計，極大地提高了綜合電子系統的適用性和可擴展性。可根據衛星任務的不同，在不改變系統架構設計的基礎上對內部模塊進行刪減;通過高低速雙總線設計，可有效提高數據傳輸效率和實時性;通過采用高速TTE網絡總線，可實現大容量數據的高速（通信速率1 Gb/s）、實時傳輸（實時性優于1 μs）;通過內外CAN總線設計，極大地簡化了星務計算機的接口和軟件設計，提升了系統的可重用性和可維護性。

后續待國內TTE芯片推廣應用，本星載綜合電子系統將進一步簡化設計和性能提升。

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