一種高可靠模塊化的航天器通用接口單元設計

張 溢 韓 璐 劉偉偉 裴 楠

北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094

0 引 言

隨著航天器電子信息技術的進步，綜合電子系統的功能性能不斷提升，逐步從傳統的遙測遙控功能拓展到涵蓋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綜合化控制和管理系統，成為航天器電子系統進行數據交互與信息分發的控制中樞[1-3]。

為實現綜合電子系統與航天器其他各類分系統之間的數據交互，需要綜合電子系統提供大量的形式各異的數據接口。傳統航天器大多針對不同類型的平臺與載荷系統采用定制化的設計方式，產品通用性差，技術狀態復雜多樣，質量問題層出不窮。層次化以及模塊化的設計模式是將更小粒度的硬件模塊進行通用化與標準化設計，由標準硬件模塊組裝成面向不同功能需求的航天器接口單元。其中國外的多個航天器電子系統均采用了模塊化的設計模式，如Airbus公司生產的AS250、AS400、AS1000系列遠程接口單元(RIU)以及NASA生產的遠程接口單元均由模塊化產品組裝形成，具有系列化、產品化的批產能力。為此，本文以標準通用硬件模塊、ASIC芯片、層次化總線體結構作為技術支撐，根據航天器多型號產品通用，功能性能靈活伸縮，技術狀態統一的需求，提出一種基于模塊化可伸縮的高可靠航天器通用接口單元設計方案，可有效提升航天器通用接口單元的通用性、可靠性以及產品研制與生產的效率。

1 系統架構設計方案

航天器通用接口單元采用模塊化開放式設計的體系結構，將系統的各項功能進行規劃分析和抽象綜合，形成標準化通用的硬件模塊以及一系列對應的軟件構件[4]。以這些通用的硬件模塊以及軟件構件作為航天器接口單元的基礎系列產品，在標準總線體系結構的框架下，將各硬件模塊通過設備內部總線進行拼裝和組合，形成具有特定功能的航天器接口單元，在設備外部總線通信和連接的基礎上實現多臺航天器接口單元之間的相互協同，共同組成一個完整的綜合電子系統[5]。設計模型如圖1所示。

圖1 綜合電子系統層次化設計模型

為實現硬件模塊的獨立設計、測試及現貨供應能力，提升硬件模塊產品的通用化與標準化，針對硬件模塊制定通用化的電氣設計框架以及標準的機械結構設計框架，實現硬件模塊產品的通用化與標準化。同時，在由硬件模塊組裝成接口單元設備時，制定標準的集成規范，進而提升綜合電子系統的產品化設計與集成組裝設計能力，滿足面向不同功能需求航天器接口單元的模塊化擴展與功能伸縮需求。硬件模塊產品設計及航天器接口單元組裝設計流程如圖2所示。

圖2 硬件模塊產品設計及航天器接口單元組裝設計流程

其中硬件模塊產品的通用化設計框架由專用功能組件、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。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[6]。

2 總線互聯設計

設備內部硬件模塊之間的背板總線作為設備內部各個硬件模塊之間進行數據通信和資源共享的公共通道，對支持設備可靠性、支持靈活數據傳輸、降低軟件通信負擔具有重要的作用。

航天器接口單元采用基于時間觸發的ARINC659總線作為硬件模塊之間的互聯總線。其中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，數據傳輸速率60Mbps，采用雙總線對(A和B)組成雙雙配置，總線對A和B分別具有“x”和“y”2組總線，共4組(Ax、Ay、Bx、By)總線，4組總線之間采用交叉比對的方式實現數據的糾檢錯，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，適用于對可靠性和容錯性要求較高的場合[7]。

同時，ARINC659總線作為一種標準化的背板數據通信總線，對于支持硬件模塊設計框架中的鏈路及物理層接口組件的標準化與通用化設計具有重要的意義。不同硬件模塊之間采用統一的鏈路及物理層接口組件，實現硬件模塊間數據通信標準化與統一化的同時可實現航天器接口單元集成組裝過程中硬件模塊的即插即用。硬件模塊間背板總線連接示意圖如圖3所示。

圖3 硬件模塊間背板總線連接示意圖

基于ARINC659總線具備的高可靠、高帶寬能力，航天器數據接口單元通過硬件模塊集成組裝形成單機設備后仍然具備高可靠設計特征，具體體現在以下幾個方面：

1)借助ARINC659總線BIUx與BIUy之間的互相監督、交叉屏蔽功能，能夠實現故障的識別和隔離，設備內部任何硬件模塊的故障不能造成整臺設備數據傳輸的紊亂；

2)借助ARINC659總線4組總線傳輸特征，硬件模塊之間的數據通信具備檢錯與糾錯能力，能夠保證數據傳輸過程中出現偶發錯誤時能夠被及時糾正，不影響數據處理，或者能夠對數據錯誤進行檢測，保證不因數據錯誤導致功能異常；

3)借助ARINC659總線的4組總線傳輸特征，硬件模塊之間的數據通信具備冗余通信能力，在4組互聯總線中任意一組出現故障時仍然能夠保證背板總線完成數據的傳輸與通信操作；

4)借助ARINC659總線的時間觸發特性，硬件模塊之間的數據傳輸具有確定性，根據時間窗口執行特定的功能任務，不會出現數據通信相互競爭、相互沖突的情況，保證系統功能穩定、安全、可靠；

5)借助ARINC659總線的時間觸發特性，為不同硬件模塊規劃好通信時間窗口，即可實現硬件模塊在設備內部的即插即用，保障系統的靈活擴展與伸縮能力。

另外，不同種類的硬件模塊所實現功能不同，對應于硬件模塊設計框架中的專用功能電路設計性質不盡相同，為了保持硬件模塊的鏈路及物理層接口組件的標準化設計不受專用功能電路的影響，以及為實現硬件模塊能夠作為智能終端獨立開展工作，設計了一種HOST接口控制器(ASIC)作為硬件模塊的網絡層接口與控制核心，充分考慮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電路的控制和數據交互。

如圖4所示，HOST接口控制器作為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，使硬件模塊進一步增強其標準接入與即插即用的能力[6]。

圖4 HOST接口控制器設計示意圖

3 系統可靠性設計

航天器在軌飛行面臨的工作環境惡劣，同時還具有壽命長、不可維修的特點[8]，因此保證航天器的可靠性設計時保證航天器功能和性能完整性的重要措施。航天器接口單元承擔著航天器以及綜合電子系統的遠程執行與傳感功能，一旦發生故障將直接導致航天器功能的喪失，為此，在航天器通用接口單元設計中進行了針對性的可靠性設計。如圖5所示。

圖5 設備級備份向硬件模塊交叉備份轉變示意圖

3.1 硬件模塊交叉備份

冗余備份是提升航天器電子系統可靠性設計最直接手段。傳統的航天器電子產品大多采用單機冗余備份的措施，主份設備中的一小部分電路發生故障后就需要整個設備切換到備份，在備份的某部分電路再次發生故障，整個設備的功能將完全喪失，但其實故障時設備中仍有部分電路正常，僅僅是一部分電路的故障拖垮了整個設備的運行，造成了資源較大的浪費。

航天器通用接口單元采用標準硬件模塊設計后，各硬件模塊之間采用標準的背板總線接口，各硬件模塊均掛接在一條具有高度可靠性和冗余性的內總線上，通過該內總線可實現任意硬件模塊之間的接口重定向，單一硬件模塊的故障只需對該模塊進行主備份切換，而無需整個設備進行主備份切換，一方面實現硬件模塊各功能電路的充分利用，另一方面也使硬件模塊之間形成了交叉冗余備份的連接形式，大幅提升產品的可靠性設計。

3.2 高低速混合總線備份

背板總線是設備內部硬件模塊之間進行數據通信的重要通路，必須具有較高的可靠性設計能力，本文設計的通用接口單元采用ARINC659總線作為背板總線，已經具備大于雙冗余的可靠性措施，但為了進一步提升背板總線的可靠性措施以及增強接口單元在不同場景下的適應性，在接口單元內部采用了高低速混合總線架構。

高速總線采用ARINC659總線，面向高可靠、長壽命應用場景，低速總線采用RS485總線(UART接口)，面向低成本應用場景。為此，在圖4的 HOST接口控制器設計中統籌考慮了對ARINC659總線以及UART接口的支持，通過內部的仲裁機制可實現對ARINC659總線以及UART接口傳輸數據的并發處理。

在設備中以ARINC659總線通信為主，在硬件模塊的ARINC659總線接口組件出現故障情況下可在軌通過軟件控制自動切換至RS485總線(UART接口)進行通信，保證硬件模塊的ARINC659總線在發生二次故障后仍然能夠保障硬件模塊功能的完整性。

4 設計驗證與分析

數據接口單元目前已經在我國多個遙感衛星上使用，在軌飛行產品數量已經有8臺，地面交付產品超過30臺，涵蓋光學、微波等不同類型遙感衛星平臺。以法國Airbus公司生產的AS250、AS400、AS1000系列的遠程接口單元(RIU)與本文設計的數據接口單元(DIU)從體積、重量、功耗等進行比較，見表1所示。

表1 數據接口單元數據對比

5 結 論

本文提出的航天器通用數據接口單元采用標準化硬件模塊集成組裝的方式設計，形成了統一的方案設計模式，具有高可靠、標準化、通用化的特征，可以有效縮短航天器研制的時間，簡化分系統電性及鑒定階段的設計流程，提升產品化批產能力與研制效率，并可適用于不同類型的航天器平臺，通過遙感衛星的工程研制結果表明，研制的數據接口單元可以顯著降低重量、體積、功耗方面的系統開銷，為實現航天器從定制化向模塊化組裝的轉變提供了技術支撐。