冶元菲，呂 楠，黃獻(xiàn)龍，陳 曉

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094)

先進(jìn)電子信息系統(tǒng)在通信衛(wèi)星平臺(tái)中的應(yīng)用

冶元菲1，呂 楠1，黃獻(xiàn)龍2，陳 曉2

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094)

以A2100平臺(tái)、EuroStar3000平臺(tái)和Space-Bus4000平臺(tái)的星載電子信息系統(tǒng)為例，介紹了國(guó)外先進(jìn)的商用通信衛(wèi)星平臺(tái)星載電子系統(tǒng)的特點(diǎn)，從集成度、擴(kuò)展能力、處理能力等方面分析并對(duì)比了中國(guó)通信衛(wèi)星平臺(tái)與國(guó)外的差距，從優(yōu)化衛(wèi)星平臺(tái)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)公用平臺(tái)開發(fā)等方面，提出了建議.

通信衛(wèi)星平臺(tái)；電子信息系統(tǒng)

從20世紀(jì)90年代末到本世紀(jì)初，國(guó)際上主要的通信衛(wèi)星制造商都完成了平臺(tái)的升級(jí)換代工作.1996年8月，美國(guó)洛克希德-馬丁公司的首顆A2100平臺(tái)衛(wèi)星發(fā)射入軌；1999年12月，美國(guó)波音公司的首顆BSS702平臺(tái)衛(wèi)星發(fā)射入軌；2005年6月美國(guó)勞拉空間通信公司發(fā)射了首顆LS-1300S平臺(tái)衛(wèi)星.歐洲的兩大衛(wèi)星制造商——阿斯特留姆公司和泰雷茲-阿列尼亞公司也分別在2004年3月和2005年2月發(fā)射了基于EuroStar3000平臺(tái)和SpaceBus4000平臺(tái)的首顆衛(wèi)星.除了上述全球五大通信衛(wèi)星制造商之外，其他一些宇航公司的通信衛(wèi)星平臺(tái)也都在這段時(shí)期內(nèi)完成了改進(jìn)和性能提升工作.

星載電子信息系統(tǒng)是通信衛(wèi)星平臺(tái)最重要的系統(tǒng)之一，涵蓋了供配電、遙測(cè)遙控、數(shù)據(jù)和星務(wù)管理、姿態(tài)軌道控制、熱控管理、天線機(jī)構(gòu)控制、有效載荷管理控制等多方面的功能.星載電子信息系統(tǒng)不僅是一個(gè)對(duì)信息進(jìn)行采集、處理、分配、存儲(chǔ)的系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)在苛刻空間環(huán)境下，對(duì)密集程度較高且較復(fù)雜的星載電子設(shè)備進(jìn)行信息綜合和功能綜合的系統(tǒng).

通過(guò)對(duì)平臺(tái)更新?lián)Q代，國(guó)外主要通信衛(wèi)星平臺(tái)的星載電子信息系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了基于標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性；并且采用統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)完成了各項(xiàng)功能，提高了整星資源利用率和信息綜合處理能力；同時(shí)，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中大量使用FPGA、ASIC等集成電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)減重；不斷提高系統(tǒng)的自主性和安全性設(shè)計(jì)，降低了衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌管理的負(fù)擔(dān)和費(fèi)用.這些方面的改進(jìn)成果使得平臺(tái)壽命更長(zhǎng)、控制精度更高、有效載荷承載能力更強(qiáng)，使平臺(tái)具有更好的可擴(kuò)展能力、可集成和可測(cè)試能力.

本文以國(guó)外3個(gè)典型的通信衛(wèi)星平臺(tái)為例，介紹了國(guó)際先進(jìn)通信衛(wèi)星的星載電子信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星的星載電子信息系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)途徑.

1 國(guó)外通信衛(wèi)星電子信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 美國(guó)洛克希德-馬丁公司的A2100平臺(tái)

A2100平臺(tái)以星載計(jì)算機(jī)(OBC，on-board com-puter)為核心，通過(guò)1553B總線構(gòu)成整星的信息體系結(jié)構(gòu)，電子設(shè)備統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的1553B總線作為輸入/輸出接口，使得系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性和可集成性.圖1是A2100平臺(tái)的電子設(shè)備組成框圖［1］.

從圖1可見，星上的許多電子設(shè)備，如地球敏感器/太陽(yáng)敏感器組件(ES/SSA)、半球諧振陀螺(IMU)等都通過(guò)內(nèi)部的遠(yuǎn)程終端RT實(shí)現(xiàn)與1553B總線的掛接.OBC直接通過(guò)1553B總線采集ES/SSA、IMU等設(shè)備輸出的姿態(tài)信息，并將控制信號(hào)通過(guò)1553B總線及總線終端接口單元(BUSRIU)作用于飛輪和推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道的控制功能.

除此以外，星載計(jì)算機(jī)還通過(guò)1553B總線實(shí)現(xiàn)與有效載荷、熱控、能源、火工品等的管理.在供配電管理方面，A2100平臺(tái)電子設(shè)備的配電直接由電源管理調(diào)解單元(PRU)提供70V母線電源，并輸出衛(wèi)星的各艙；各用電設(shè)備直接將電源線連接到母線上，沒有采用大功率配電模塊.

圖1 A2100平臺(tái)電子設(shè)備組成框圖

1.2 歐洲阿斯特留姆公司的EuroStar3000平臺(tái)

EuroStar3000平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其核心是航天器計(jì)算機(jī)(SCU，spacecraft computer unit)和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)線路(ADE，actuator drive electronics).

EuroStar3000平臺(tái)的電子信息系統(tǒng)包括2臺(tái)SCU，2臺(tái)載荷接口單元(MPIU1和MPIU2)，2臺(tái)用于控制太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛輪組件、化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)線路(ADE)以及一套雙冗余1553B總線.系統(tǒng)通過(guò)電源調(diào)節(jié)分配單元(PSR1、PSR2)以及火工品單元(PRU)實(shí)現(xiàn)整星母線調(diào)節(jié)及火工品的管理等.控制系統(tǒng)的敏感器(包括地球敏感器、陀螺組件、捕獲太陽(yáng)敏感器和精太陽(yáng)敏感器等)直接接入到整星電子信息系統(tǒng)的1553B總線網(wǎng)絡(luò)［2］.

在EuroStar3000平臺(tái)上，衛(wèi)星的遙測(cè)、遙控和跟蹤測(cè)距功能、以及姿態(tài)測(cè)量與控制、星載總線管理都由SCU來(lái)完成的.SCU是基于高效能的處理器建立的，并有一個(gè)帶 EDAC保護(hù)的 RAM區(qū)(256K字節(jié))，同時(shí)還有帶保護(hù)的電源和安全模式的 PROM存貯器.衛(wèi)星的遙測(cè)功能提供了較高的比特率(遙測(cè)信號(hào)可達(dá)到8096bit/s)，它兼容多協(xié)議能力，包括CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和歐空局(ESA)的 PSS45amp;PSS46標(biāo)準(zhǔn).

1.3 歐洲泰雷茲-阿列尼亞公司的 SpaceBus4000平臺(tái)

SpaceBus4000平臺(tái)的顯著特點(diǎn)是整星電子設(shè)備采用了綜合電子體系的設(shè)計(jì)思想，其星載電子信息系統(tǒng)稱為AVIONICS4000，圖3給出了其功能框圖［3］.

由此功能框圖可以看出，衛(wèi)星管理單元 (SMU，satellite management unit)和數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)(DBN)是AVIONICS4000系統(tǒng)的核心，SMU運(yùn)行姿態(tài)軌道控制軟件和星務(wù)管理軟件，具有與測(cè)控系統(tǒng)的TM/TC接口，并能夠控制DBN；DBN通過(guò)平臺(tái)數(shù)據(jù)接口單元(PFDIU)連接 SMU和平臺(tái)設(shè)備，通過(guò)通信艙的南、北兩個(gè)有效載荷數(shù)據(jù)接口單元(PLDIU)連接SMU和有效載荷設(shè)備.通過(guò) SMU和 DBN，AVIONIC4000可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制、熱控、電源分系統(tǒng)的管理、太陽(yáng)翼的控制、有效載荷等分系統(tǒng)的相關(guān)控制［4］.

SMU采用模塊化組裝式設(shè)計(jì)思想，其模塊配置主要包括遙控模塊TC、遙測(cè)模塊TM、處理器模塊、監(jiān)控模塊CRM、遙控執(zhí)行指令生成模塊CG、時(shí)鐘模塊OBT、安全模塊SGM以及總線接口模塊OBDHBus.其中遙控模塊、監(jiān)控模塊、遙控執(zhí)行指令生成模塊、時(shí)鐘模塊、安全模塊采取熱備份，其余為冷備份.

圖2 EuroStar3000平臺(tái)電子設(shè)備組成框圖

圖3 AVIONICS4000系統(tǒng)PFDIU和PLDIU的模塊化設(shè)計(jì)

在DBN配置方面，AVIONICS4000系統(tǒng)的 DBN總線網(wǎng)絡(luò)基于RS485全雙工總線，每條總線最多可為32個(gè)遠(yuǎn)置終端傳輸數(shù)據(jù)，并且采用了全備份模式，每個(gè)遠(yuǎn)置終端均通過(guò)不同收發(fā)機(jī)與主備兩個(gè)遠(yuǎn)置單元接口相連.DBN由SMU統(tǒng)一管理，最多可以管理6條冗余 OBDH/RS485總線.典型配置下，其中2條總線專用于與衛(wèi)星通信艙北板有效載荷設(shè)備接口(如PLDIU-N)，2條總線專用于與通信艙南板有效載荷設(shè)備接口(如PLDIU-S)，2條總線專用于與平臺(tái)設(shè)備接口(如 PFDIU、PCU、PPU等).

AVIONICS4000系統(tǒng)的1臺(tái)PFDIU和2臺(tái)PLDIU也都是高度集成化的電子設(shè)備，這3臺(tái)設(shè)備承擔(dān)了整星絕大多數(shù)電子設(shè)備的接口線路功能，也都采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想.例如AOCSP NG是PFDIU內(nèi)唯一的控制系統(tǒng)模塊(含主備份)，該模塊提供了與4個(gè)飛輪的電路接口(包括控制力矩輸出、飛輪轉(zhuǎn)速、方向、電機(jī)力矩的檢測(cè))、2路粗太陽(yáng)敏感器信號(hào)處理(包括 8路探頭信號(hào)的檢測(cè))和 8路ML/DS串行信號(hào)，以完成星敏感器、地球敏感器和陀螺的信息傳送.僅1個(gè)AOCSP NG模塊就包含了上述眾多控制系統(tǒng)設(shè)備的接口電路，由此可見AVIONICS4000系統(tǒng)具有很高的集成度.表1給出了PFDIU和PLDIU的模塊配置情況.

表1 脈沖星數(shù)據(jù)表

2 對(duì)中國(guó)通信衛(wèi)星發(fā)展的啟示

中國(guó)的通信衛(wèi)星起步于20世紀(jì)70年代中期，于1984年 ～1991年發(fā)射了第一代通信衛(wèi)星，從1994年首發(fā)的第二代通信衛(wèi)星開始，逐漸形成了星載電子信息系統(tǒng)和平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思想，到2006年首發(fā)的第三代通信衛(wèi)星平臺(tái)，整星的承載能力和星載電子信息系統(tǒng)的處理能力都得到了進(jìn)一步提高.

但是，現(xiàn)階段中國(guó)通信衛(wèi)星的電子信息系統(tǒng)仍然存在著平臺(tái)狀態(tài)多、產(chǎn)品狀態(tài)多、系統(tǒng)可擴(kuò)展能力弱的缺點(diǎn)，基于第二、三代平臺(tái)的通信衛(wèi)星的控制分系統(tǒng)和數(shù)管分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)狀態(tài)經(jīng)常需要根據(jù)任務(wù)需求發(fā)生更改，甚至是大規(guī)模的重新設(shè)計(jì).從而造成了較多的低層次的重復(fù)投入和研制周期的延長(zhǎng).

通過(guò)對(duì)比中國(guó)和國(guó)外通信衛(wèi)星的電子信息系統(tǒng)，歸納出了以下3方面差距：

1)在電子設(shè)備的模塊化和接口標(biāo)準(zhǔn)化方面，中國(guó)通信衛(wèi)星存在著較大的差距，定制接口和定制功能仍然廣泛存在，導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差，進(jìn)而導(dǎo)致了平臺(tái)的適應(yīng)能力不強(qiáng).

2)電子產(chǎn)品的小型化和集成化水平不高，電子設(shè)備的重量偏重，不利于平臺(tái)承載能力的提高.

3)星載電子信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化，各項(xiàng)功能過(guò)于分散，導(dǎo)致電子設(shè)備的功能密度較低，存在著資源浪費(fèi)的現(xiàn)象.

基于上述差距，要提高中國(guó)通信衛(wèi)星星載電子信息系統(tǒng)的先進(jìn)性，需要從以下方面入手：

1)開展對(duì)通信衛(wèi)星電子信息系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，將以往分散在不同設(shè)備但是基本功能相同的電子產(chǎn)品進(jìn)行適度合并與集中；

2)加強(qiáng)公用平臺(tái)的開發(fā)，新平臺(tái)的開發(fā)不應(yīng)由單一用戶牽引，而應(yīng)面向未來(lái)通信衛(wèi)星的發(fā)展需求，在設(shè)計(jì)初期做好擴(kuò)展性與兼容性的論證工作；

3)開展對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)信息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線選型，信息流、控制流協(xié)議的研究，以及多層信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，并根據(jù)整星和系統(tǒng)的任務(wù)需求和可靠性指標(biāo)，合理制定總線冗余備份策略；

4)開展高性能星載計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究，使用FPGA等大規(guī)模集成電路替代原有基于分離器件的電路，使用MCM、SOC、SIP等技術(shù)集成整個(gè)星載電子系統(tǒng).

本文介紹了國(guó)外先進(jìn)通信衛(wèi)星平臺(tái)的電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行比較，提出了提升中國(guó)通信衛(wèi)星電子信息水平的思路.由此可以看出，通信衛(wèi)星的電子信息系統(tǒng)代表了整星的技術(shù)水平和發(fā)展前景，加強(qiáng)對(duì)星載技術(shù)的研究和提升相關(guān)的研制能力，對(duì)于發(fā)展中國(guó)通信衛(wèi)星事業(yè)，提高航天技術(shù)的整體水平和實(shí)力具有重要意義.

［1］McKinnon， Douglas V.A2100， satellite of the future，here today［C］.The 16thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， Washington DC，USA， Feb 25-29，1996

［2］Gerard O， Berger G.Eurostar E3000 in-flight experience［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， San Diego， USA， June 11-14，2006

［3］Pasquet J M.SPACEBUS 4000 avionics：key features and first flight return ［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference，San Diego， USA， June 11-14，2006

［4］Pelenc L，Gayrard JD.SPACEBUS，a vehicle for broad m issions［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， San Diego， USA，June 11-14，2006

App lications of Advanced Avionics in Comm unication Satellite Platform

YE Yuanfei1， LV Nan1， HUANG Xianlong2， CHEN Xiao2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China； 2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

In this article， the actuality of the China Avionics architecture is analyzed and compared with three representative foreign avionics architectures， namely，Lockheed Martin A2100，Astrium EuroStar3000 and Thales Alenia Space SpaceBus4000.The analysis is mainly focused on three key issues including degree of integration， expansibility， processing capacity.Given the results of analysis，themajor gaps of China Avionics architecture are identified.And a corresponding proposal is presented accordingly to further optimize avionics architecture and strengthen the Ramp;D ability on development of universal satellite platform.

communication satellite platform； avionics system

V448

A

1674-1579(2011)01-0045-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.01.010

2010-08-13

冶元菲(1979—)，女，甘肅人，工程師，研究方向?yàn)橥ㄐ判l(wèi)星控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) (e-mail：yfye@bice.org.cn).