北斗三號衛星綜合電子系統設計

賈衛松, 曾連連, 李露銘, 燕洪成, 龐 波, 陳美杉, 郭 瑩

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

北斗三號衛星的全球組網部署，標志著導航領域航天器系統進入網絡化與智能化的時代。北斗衛星與地面運控系統、地面測控系統、星間鏈路運行管理系統常態化交互支持，為全球用戶提供連續、穩定、可靠的服務，推動衛星綜合電子系統實現從數據處理向信息處理中心轉變，任務模式從單個航天器執行規定任務為主向多個航天器協同執行規定任務和自主任務相結合轉變[1]。

伽利略導航衛星的電子信息系統是單個航天器任務的典型解決方案[2]——薩瑞公司研制的GIOVE平臺將導航信號處理、激光通信作為基線有效載荷與綜合電子組件分離，僅保留CAN總線低速連接。北斗三號任務則要求綜合電子高度融合載荷與平臺業務信息，基于星間與星地鏈路統一規劃星座級信息流，支持短報文、運控、遙測與遙控等多類型復雜特征數據在空間段、運控段、用戶段的多種通信實體間共享，為自主導航、衛星自主健康管理、天線指向等多任務協作提供完善透明的信息服務。

與傳統單星研制的電子信息系統相比，為實現融合地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)、傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)、中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)3種軌道類型的復雜星座，北斗衛星綜合電子系統還要通過體系結構設計提供一個可擴展并支持項目全生命周期改進與升級的解決方法，實現短報文、相機等載荷的靈活配置，以及系統資源的靈活擴展，從而提高北斗分組分批設計開發、集成測試與在軌升級效率。

此外，作為大型航天器的復雜任務電子系統，北斗三號衛星的可靠性、健壯性及可維護能力要求更加嚴格，保證全星座在維持星間鏈路的條件下長期穩定自主運行，為用戶提供不間斷的服務。

本文針對北斗三號衛星以上任務特點，開展綜合電子系統的體系架構與關鍵技術研究，分析通信協議體系與拓撲結構以實現星座級端到端信息協同；分析軟硬件模塊化設計方法以支持資源擴展，研究故障檢測與恢復、功能與信道容錯、可靠重構與維護、自主健康管理等技術以實現安全可靠自主運行。通過北斗三號衛星綜合電子系統的技術研究與在軌運行實踐，為未來大型宇航探索任務的星座級電子信息系統設計提供參考。

1 綜合電子體系架構設計

在實現姿態與軌道控制、能源管理、配電和火工品管理、熱控等基礎功能的自主性升級外，北斗三號衛星綜合電子系統加強與載荷、測控信道的配合，對衛星任務統一調度并綜合處理信息，支持星間鏈路管理、自主運行管理、有效載荷管理并提供網絡化遙控與遙測服務。面對網絡化、擴展性、高可靠的目標，傳統衛星的集中式系統架構已難以滿足多節點信息交互融合及復雜任務處理等多方面要求。

若在集中式架構基礎上升級，仍然以中心計算機為中心，如圖1所示。在星型拓撲的終端增加星間鏈路設備，雖然架構簡單僅能解決星間路由問題，航天器內部的信息流與星間轉發信息流處于邏輯分離狀態，中心計算機承擔集中的流量負荷與風險[3]。因此北斗三號衛星采用分級分布式網絡體系結構，建立星座內信息統一處理和共享的一體化電子系統,如圖2所示。這種體系結構的特點是采用網狀與星型結合的復合拓撲方式，以信息路由單元作為衛星的網絡化信息中心，測控、運控及星間的通信設備共同接入信息路由單元，衛星管理單元實現衛星姿態與軌道控制、平臺自主管理等智能控制功能。衛星管理單元、信息路由單元、接口服務單元利用總線網絡構成復合分布式拓撲，基于空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)制定的空間數據系統標準規范實現星地-星間-星內信息通信網絡化。

圖1 配置星間路由的集中式綜合電子架構Fig.1 Centralized avionics system architecture with inter-satellite routing

圖2 基于復合拓撲的分布式綜合電子架構Fig.2 Distributed avionics system architecture based on compound topology

2 通信網絡化設計

2.1 通信協議體系

不同于傳統衛星的平臺與載荷分別建立定制化星地測控通信與數傳通信，網絡化的綜合電子系統在衛星內部設備之間的總線鏈路、衛星之間的通信鏈路、衛星與地面之間的測控鏈路及運控鏈路之上構建各種類型業務信息的統一交互。必須采用開放式架構，將衛星設備與地面設施均作為網絡的終端接入。因此，北斗三號衛星以空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)制定的航天器接口業務標準為核心，參照地面網絡開放式系統互聯通信參考模型(OSI)建立分層空間通信協議體系結構，如圖3所示。

圖3 北斗三號綜合電子通信協議體系Fig.3 Communication protocol stack of Beidou-3 satellite avionics system

在物理層利用不同通信體制建立星間鏈路、測控鏈路、運控鏈路及器載鏈路，實現不同速率的點到點數據幀傳輸；在鏈路層基于高級在軌系統AOS協議[4]、15553總線協議、串行協議向網絡層提供標準化匯聚服務接口，基于虛擬信道完成流量控制、優先級與差錯控制；在網絡層整合空間包協議[5]及互聯網IP協議[6]，以隧道協議兼容異構信道，形成星座統一的空間通信與接入規范，及統一的星內網絡對象尋址命名機制，為平臺及有效載荷的應用過程提供統一的網絡尋址路由服務，在北斗星載設備與地面運行管理系統之間形成天地一體端到端透明信息交換；在應用層的智能應用訪問下層服務接口，實現北斗星座全方位的狀態感知與信息融合處理。

2.2 通信拓撲與接口

北斗三號衛星以信息路由與處理單元為中樞構建空間子網， 如圖4所示。信息路由單元通過LVDS、RS422、TLK2711等標準信道接口，支持不同數量和碼速率的星地星間鏈路終端設備連接，速率從kbps到Gbps。

信息路由單元利用標準協議ASIC與FPGA與各終端通信，搭建星間接口處理、測控上下行處理、運控接口處理模塊，以輕小型化為原則支持多信源信息的實時處理、多速率合路、分布式分發機制。遙控、遙測及運控業務信息可以通過多路徑接入衛星，自動尋址路由至處理中心。當微振動參數采集設備等載荷與信息路由單元直接連接，其業務數據可以通過網絡化標準接口直接路由至高速通道下傳地面。

圖4 北斗三號衛星綜合電子系統空間子網與器載子網Fig.4 Beidou-3 satellite avionics system space subnet and intra-satellite subnet

以衛星管理單元為中心構建器載子網，通過RS422與1553等標準星內總線接口，適應衛星不同種類設備靈活接入。接口業務單元配置模擬量、數字量和串行總線等輸入輸出接口，與其他載荷設備一起分布式收集衛星狀態并執行指令，預處理定長與不定長的格式化數據，以標準總線協議完成與衛星管理單元的交互。

信息路由單元與衛星管理單元之間采用兩種不同類型的星內總線接口連接，可靠溝通空間子網與星內子網。通過不同路徑抵達目標衛星的遙控指令自空間子網路由至星內子網后，分發至終端執行，終端執行效果由星內子網終端收集后匯總至衛星管理單元，在路由至信息路由單元為核心的空間子網后通過測控鏈路或星間鏈路轉發至地面系統，實現星座全面管控。

3 功能擴展性設計

3.1 硬件模塊化

功能擴展在設備層級的實施途徑為采用機電熱接口標準化設計，利用模塊化部件，簡化設備之間的連接，提高系統的功能與性能擴展能力[7]。將綜合電子的功能規劃為通用CPU模塊，星間鏈路處理模塊，火工品管理模塊、指令模塊、總線通信模塊、遙測模塊、加熱器管理模塊及配電等標準模塊，利用標準化內總線與協議形成模塊化框架，針對不同軌道的衛星在單機配置不同數量的板級模塊，在系統配置不同數量的總線終端，提高衛星的集成化水平與靈活擴展能力。

3.2 軟件模塊化

網絡化的通信同時也為軟件模塊化提供了良好的基礎條件。在物理層與鏈路層之間根據實際情況選取不同的驅動組件訪問物理接口，在鏈路層之上設計標準化網絡層模塊，支撐任務間不同速率、不同類型、不同傳輸服務質量要求。綜合電子軟件系統的應用層按自主運行業務、常規平臺業務及載荷服務業務的分類決定軟件組件的屬性。如圖5所示，標準化網絡層組件包括低速網絡協議組件及IP網絡協議組件，自主運行業務組件包括天線指向及自主導航組件，常規平臺業務包括遙測及遙控功能組件，載荷服務業務包括時間廣播及載荷故障處理組件等。層間組件采用消息隊列傳遞消息，底層組件向高層組件提供標準的消息隊列訪問接口；層內組件之間采用服務調用方式，不同功能的應用打包自身的能力并提供引用。軟件線程的調用與北斗時的秒脈沖嚴格同步，以保證注冊于系統的軟件組件按序執行。

通過確保各種組件可獨立配置，運行于不同軌道的衛星根據系統角色可以選配不同的應用軟件業務組件，支撐衛星的信息流控制與自主控制。

圖5 綜合電子軟件模塊化劃分方法Fig.5 Modularization of avionics system software

4 自主運行安全可靠設計

為保證導航衛星安全可靠的自主運行，需要在故障檢測與恢復、健壯性容錯設計、可靠重構與維護及自主健康與任務管理4個方面予以保證[8]，如圖6所示。

圖6 保證安全可靠自主運行的信息系統設計方法Fig.6 Design method of safety guarantee, reliability and autonomous operation

4.1 分級故障檢測與恢復

北斗三號衛星為自動駕駛、災害監測等導航用戶提供長期服務，對服務中斷事件的敏感程度超過其他類型的衛星，因此綜合電子系統分層設計精細的整星級、系統級、單機級自主故障檢測與處置，實現用戶無感知的恢復能力。整星故障檢測與恢復為載荷、星間鏈路、原子鐘等提供監測復位、監測切機、自主加電、完好性通知等保護措施；系統級故障檢測與恢復實現工作模式切換、總線故障管理、單機主備切換、單機電源監視和重要數據保存與恢復等保證綜合電子系統穩定運行；單機級故障檢測與恢復基于自主切機、自主復位、軟件陷阱(TRAP)處理、總線健康檢查處理、存儲器健康檢查等手段保證衛星管理單元與信息路由單元等關鍵單機連續運行，進而保證衛星安全。故障檢測與恢復的過程會形成實時評估報告，作為事件遙測下傳地面，在緊急狀態下提醒地面干預。

4.2 健壯性容錯

為實現對衛星可靠控制的目標，綜合電子系統采用任務遷移和傳輸路徑重建的功能與信道容錯機制，實現故障情況下的系統重構。

1)從任務遷移角度，綜合電子系統各設備的計算機模塊均配置遙控分發、遙測組織及自主健康管理等衛星平臺管理功能。當主設備啟動平臺管理任務時，其他從設備的平臺管理功能處于休眠狀態。當主設備失效，從設備立刻喚醒衛星平臺管理功能，收集整星平臺遙測，運行自主健康管理及自主任務管理，保證平臺安全。

2)從傳輸路徑重建角度，在信息處理中樞支持多路數據的動態調度，實現信源無縫切換。在信息處理中樞識別信道來源，按信道分別解析控制指令并統一處理執行。通過功能互備和信道互備，顯著提高北斗衛星的健壯性和可靠性，避免由于信道或設備臨時故障導致整星不可挽回的失效。

4.3 可靠重構與維護

北斗三號衛星的技術創新與功能持續演進對在軌重構與維護提出新的標準，要求通過在軌維護與重構重新定義自主控制過程并提升故障檢測與恢復能力。綜合電子系統的數據處理與路由單元與衛星管理單元中的CPU軟件及FPGA軟件均可以通過遙控重構數據塊實施重構，并提供參數級、函數級、配置項級維護選項。

4.4 自主健康與任務管理

北斗三號衛星采用分布式與集中式并存的方式實現整星狀態的實時管理。衛星載荷及平臺任務終端均具備狀態自檢與自主管理能力；同時衛星管理單元通過星內總線網絡獲得整星遙測后進行信息融合評估，實現整星級的自主熱控管理、自主能源管理及載荷任務管理。當自主健康與任務管理發出調節指令，表征執行效果的狀態均通過總線網絡反饋至衛星管理單元，實現閉環控制，提高了衛星的安全性與智能化水平。

5 北斗三號綜合電子系統工程實踐

北斗三號分組發射，在GEO、IGSO、MEO 3個軌道面部署30顆衛星構建全球衛星導航系統，綜合電子在型號研制與在軌運行階段的工程實踐中提供全方位高可靠的技術支撐，與傳統綜合電子系統相比體現出如下優勢：

1)基于空間子網和星內子網建立完整的星座網絡系統，實現網絡化遙控遙測及端到端通信，支持一站式測控，通過一顆衛星可以實現對北斗星座所有衛星的管控，達到天地一體化通信的效果。

2)在接口標準化基礎上統一規劃模塊化功能，實現設備小型化、資源復用和產品化，實現全星座統一信息架構下的配置靈活擴展能力與適應任務需求的分批次快速升級能力。不同衛星的硬件差異僅體現在接口業務單元增加指令模塊及加熱器等模塊，為整星提供更多的控制采集通道；不同衛星的軟件差異主要體現在增加組件及配置參數，以提供高速網絡或短報文服務。不同批次衛星之間存在差異的軟件組件占總組件數量的百分比不超過10%。

3)采用分級自主故障處理與恢復技術及靈活的容錯與重構能力，支持衛星功能在軌持續演進，保證北斗衛星長期穩定運行，在面對惡劣空間環境導致的單機復位及在軌功能升級場景，維持星間鏈路持續連接，提供無間斷的導航服務。

6 結論

北斗三號衛星綜合電子系統以通信網絡化、功能擴展性、安全可靠自主運行為技術路線，基于CCSDS空間數據系統標準規范，設計分級分布式網絡體系結構，建立星座內信息統一處理和共享的一體化電子系統。針對通信協議體系、通信拓撲與接口、硬件模塊化、軟件模塊化、故障檢測恢復、健壯性容錯、可靠重構與維護及自主健康與任務管理展開研究，滿足北斗三號衛星天地一體化網絡通信及服務連續性需求。系統所采用的綜合電子技術以標準化服務的方式為北斗衛星智能化及網絡化應用過程建立高效、靈活的基礎結構，并通過容錯與糾錯的分級應用確保系統在完成復雜自主運行任務過程中的安全可靠，為未來大型宇航探索項目的電子信息系統設計提供參考。