（中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

1 引言

21世紀(jì)初十余年來(lái)，空間技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍大力建設(shè)空間基礎(chǔ)設(shè)施，國(guó)家政治、軍事和社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活與空間基礎(chǔ)設(shè)施之間存在越來(lái)越緊密的依存關(guān)系。鑒于此，對(duì)空間基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)補(bǔ)網(wǎng)需求、技術(shù)更新?lián)Q代要求和新應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，致使對(duì)新空間產(chǎn)品的需求迅猛增加，并要求具有更短的投入運(yùn)營(yíng)響應(yīng)時(shí)間；但是空間項(xiàng)目的費(fèi)用依然昂貴，依然是高風(fēng)險(xiǎn)、高投資的工程項(xiàng)目，這使得各國(guó)政府、用戶(hù)都很難同時(shí)承擔(dān)多個(gè)項(xiàng)目?！拜^快、較好、較省”的概念，由NASA 于20世紀(jì)90年代最先提出來(lái)，得到各國(guó)和宇航機(jī)構(gòu)的普遍認(rèn)同，因此，在空間產(chǎn)品的基礎(chǔ)公用部分采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)思想，各不同工程項(xiàng)目能共享一部分基礎(chǔ)成果，進(jìn)而分?jǐn)偝杀竞徒档惋L(fēng)險(xiǎn)，這也成為各空間組織在空間項(xiàng)目中的普遍做法。航天器電子系統(tǒng)的研發(fā)同樣秉承了這一思想。在21世紀(jì)，空間技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家空間項(xiàng)目的研發(fā)，大多是20世紀(jì)末各國(guó)從國(guó)家戰(zhàn)略利益高度提出的15～20年發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目的延續(xù)，其成果最初體現(xiàn)在21世紀(jì)頭十年歐美的一系列空間探測(cè)器平臺(tái)項(xiàng)目和載人航天項(xiàng)目中，并陸續(xù)向低地球軌道（LEO）和地球靜止軌道（GEO）的航天器推廣。在這一輪的空間產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，由于各宇航公司的現(xiàn)有產(chǎn)品（不論是LEO還是GEO 的產(chǎn)品）已經(jīng)相對(duì)成熟，擁有穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)效益，因此這些宇航公司并不是新一輪產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的積極推動(dòng)者，主要推動(dòng)力量來(lái)自政府主管機(jī)構(gòu)以及政府支持的研究機(jī)構(gòu)，如NASA 及其噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC），歐洲的ESA 等，工業(yè)界則是在某一專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域提供支撐，扮演積極的參與者角色。

本文在歸納整理20世紀(jì)90年代后的有關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)外航天器電子技術(shù)發(fā)展中表現(xiàn)出的共性特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，提出了幾個(gè)需要引起注意的發(fā)展趨勢(shì)，可供后續(xù)電子系統(tǒng)研發(fā)工作參考。

2 航天器電子系統(tǒng)的范疇

航天器電子系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)寬泛的概念，并沒(méi)有一個(gè)明確的界定（定義），一般是指與機(jī)械系統(tǒng)平行的概念，是航天器上實(shí)現(xiàn)各種非機(jī)械機(jī)構(gòu)類(lèi)功能和性能的電子設(shè)備的統(tǒng)稱(chēng)。在本文中，討論并未包括有效載荷和傳統(tǒng)供配電的特殊電子設(shè)備。目前，航天器各分系統(tǒng)的定義是從功能應(yīng)用層次給出的，如姿態(tài)軌道控制分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)等；而航天器電子系統(tǒng)則是指各分系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所涉及的全部電子設(shè)備（含軟件）的總和。不同的宇航公司、組織在航天器電子系統(tǒng)研發(fā)中所涉及的電子設(shè)備范圍，并不完全一致，這與各具體項(xiàng)目的要求有關(guān)，但主要研發(fā)工作則集中于航天器平臺(tái)或公共服務(wù)系統(tǒng)部分的電子系統(tǒng)，有效載荷部分雖然大部分也是由電子設(shè)備組成，但用戶(hù)需求存在巨大差異，并不在通用研究范圍內(nèi)。另外，航天器電子系統(tǒng)研究工作的部分內(nèi)容，也會(huì)涉及到傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)，主要集中于對(duì)電源產(chǎn)生裝置的管理、控制及電源分配管理控制設(shè)備［1］的研究，至于電源的一次及二次生成，則歸屬于供配電相關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，而不是通常意義上航天器電子系統(tǒng)的研究范疇，如新型高效率太陽(yáng)電池片和電源變換裝置等，都?xì)w屬于供配電專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。盡管如此，后面講到的4 個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)它們也是基本適用的。

3 幾個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 基于網(wǎng)絡(luò)的分布式模塊化體系結(jié)構(gòu)是航天器電子系統(tǒng)發(fā)展的主流方向

分布式電子系統(tǒng)和模塊化都不是新概念，電子系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)還是相對(duì)老舊的概念。隨著現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)的進(jìn)步，分布式模塊化電子系統(tǒng)固有的體系上的優(yōu)勢(shì)，并與基于信息交換處理的互聯(lián)網(wǎng)概念相結(jié)合，為其結(jié)構(gòu)賦予了新的活力，成為未來(lái)航天器電子系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。分布式模塊化電子系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：①系統(tǒng)具有開(kāi)放的可擴(kuò)展和可裁剪特性，這使系統(tǒng)對(duì)不同工程項(xiàng)目具有很大的配置靈活性和適應(yīng)性，可以支持不同功能模塊設(shè)備根據(jù)任務(wù)需求靈活組合配置，實(shí)現(xiàn)不同工程項(xiàng)目共享功能模塊化設(shè)備的目的；同時(shí)，體系結(jié)構(gòu)確定后，開(kāi)放性使得系統(tǒng)對(duì)未來(lái)新技術(shù)發(fā)展具有足夠的包容性，可以在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)不變和標(biāo)準(zhǔn)化接口前提下，引入基于新技術(shù)的具有標(biāo)準(zhǔn)接口的新設(shè)備或升級(jí)換代的設(shè)備。②縮短系統(tǒng)集成時(shí)間。這是由于不同功能模塊或節(jié)點(diǎn)設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，各模塊的集成、測(cè)試結(jié)果并不影響系統(tǒng)其他部分的運(yùn)行。③系統(tǒng)任務(wù)由各模塊化節(jié)點(diǎn)分擔(dān)，任務(wù)可靠性、可維護(hù)性高。④信息交換、分發(fā)和共享依賴(lài)總線(xiàn)技術(shù)，信號(hào)采集、處理等采用就近配置的原則，可有效縮短原始信號(hào)的傳輸路徑，避免信號(hào)損失、失真和干擾，同時(shí)極大地減小電纜網(wǎng)的質(zhì)量，尤其對(duì)于大型航天器優(yōu)勢(shì)明顯。

分布式模塊化電子系統(tǒng)的典型例子，可見(jiàn)GSFC負(fù)責(zé)的“中型探測(cè)器”（MIDEX）［2］項(xiàng)目。此項(xiàng)目在強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步減小體積、質(zhì)量和功耗的同時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)了電子系統(tǒng)要適應(yīng)未來(lái)一系列空間探測(cè)器、地球軌道衛(wèi)星的需求，系統(tǒng)設(shè)備可被不同項(xiàng)目重用，以降低成本和縮短研制周期；要廣泛采用現(xiàn)行的工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，具有付出較少的代價(jià)就能融合未來(lái)新技術(shù)的能力，使其研發(fā)精力能真正投入到后續(xù)空間項(xiàng)目有效載荷的研發(fā)中。為此，GSFC 開(kāi)發(fā)了基于A(yíng)S1773 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分布式模塊化電子系統(tǒng)（如圖1所示）。其技術(shù)要點(diǎn)是：通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)節(jié)點(diǎn)（Remote Services Node，RSN）概念，將星務(wù)管理、測(cè)控、姿態(tài)與軌道控制、供配電管理、姿態(tài)傳感器等功能集成于不同的RSN，每個(gè)RSN 具有標(biāo)準(zhǔn)的AS1773接口和電源接口，不同的功能必須在每個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)接口的RSN 電路板預(yù)留的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，以保證RSN 接口的標(biāo)準(zhǔn)化。整個(gè)系統(tǒng)在物理空間分布上可以靈活組合，但功能模塊間保持分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使每個(gè)RSN 升級(jí)換代或采用更新的技術(shù)時(shí)更為便捷，不同的項(xiàng)目也可以根據(jù)需要進(jìn)行裁剪。

圖1 MIDEX 電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊組成示意Fig.1 Sketch map of MIDEX avionics modular configuration

另一個(gè)分布式電子系統(tǒng)的例子，是較早期開(kāi)始的由JPL負(fù)責(zé)的X2000微小型空間探測(cè)器項(xiàng)目［3］。為應(yīng)對(duì)NASA 在2000年后深空探測(cè)任務(wù)急劇增加，JPL對(duì)新的任務(wù)目標(biāo)和技術(shù)能力進(jìn)行了評(píng)估，同樣認(rèn)為傳統(tǒng)的集中式航天器電子系統(tǒng)，即使采用新的技術(shù)也不能滿(mǎn)足使用靈活性的要求，無(wú)法支持在不同項(xiàng)目和平臺(tái)之間共享成熟技術(shù)產(chǎn)品的要求，因此JPL構(gòu)建了基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1394和I2C雙總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的分布式電子系統(tǒng)（如圖2所示）。在此體系結(jié)構(gòu)下，分3個(gè)階段實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)電子設(shè)備由原型驗(yàn)證到微系統(tǒng)集成，再到片上系統(tǒng)（SOC）的發(fā)展歷程，促進(jìn)了航天器向微小型化發(fā)展。

歐洲目前空間項(xiàng)目中的電子系統(tǒng)，通常將所有數(shù)據(jù)管理和制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制／姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)（GNC／AOCS）功能集中在單一的計(jì)算處理單元中。ESA 的研究結(jié)果表明，這種集中做法存在缺點(diǎn)，即導(dǎo)致了系統(tǒng)集成工作從一個(gè)較低層面開(kāi)始，使得系統(tǒng)集成者（系統(tǒng)總體）不得不對(duì)所有軟硬件功能的初始組裝、驗(yàn)證等負(fù)責(zé)，從而使集成的費(fèi)用、周期和復(fù)雜性增加［4］；另外，隨著航天器功能要求的增加和隨之而來(lái)的飛行軟件復(fù)雜性的增加，集中式電子系統(tǒng)導(dǎo)致了測(cè)試用例（配置）等數(shù)量的爆炸性增長(zhǎng)，軟件模塊相互耦合導(dǎo)致的安全問(wèn)題突出，集成和驗(yàn)證周期變長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)高到難以承受。為了解決這種低層次集成問(wèn)題，同時(shí)考慮歐洲大多數(shù)航天器電子系統(tǒng)的現(xiàn)狀，ESA 和阿斯特里姆（Astrium）公司開(kāi)展了聯(lián)合研究，借鑒法國(guó)宇航領(lǐng)域在A(yíng)irbus380電子系統(tǒng)（30個(gè)模塊，集成了21個(gè)功能的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）中的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了應(yīng)用于航天器的空間綜合模塊化電子系統(tǒng)和軟件的時(shí)間-空間分割概念［5-6］相結(jié)合的方案（IMA-SP），并初步應(yīng)用于全球星-2（Glogbalstar-2）。該方案的硬件基于1553B 總線(xiàn)或Space-Wire的分布式硬件系統(tǒng)，硬件平臺(tái)提供數(shù)據(jù)計(jì)算、處理等數(shù)據(jù)操作的公共資源，軟件則更強(qiáng)調(diào)不同功能的軟件模塊之間隔離，模塊之間只保留數(shù)據(jù)交換接口，在保證相互獨(dú)立、安全的前提下，共享公共資源，其本質(zhì)上是在兼容現(xiàn)有系統(tǒng)前提下解決緊耦合分布式系統(tǒng)的軟件功能集成和安全問(wèn)題，也是解決目前歐洲航天器普遍采用集中式電子系統(tǒng)的無(wú)奈之舉。

圖2 X2000 電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketch map of X2000avionics

3.2 日益注重成熟工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)在空間領(lǐng)域應(yīng)用

空間產(chǎn)品所面臨的特殊環(huán)境條件，以及航天工業(yè)歷史發(fā)展過(guò)程中與國(guó)防工業(yè)結(jié)合緊密的原因，逐步形成了有別于其他工業(yè)部門(mén)的相對(duì)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)體系，其中部分標(biāo)準(zhǔn)要高于普通工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這使得空間技術(shù)成為了國(guó)家高技術(shù)的代表，也體現(xiàn)了國(guó)家工業(yè)技術(shù)的綜合能力，但與此同時(shí)也形成了一定的局限性和封閉性?，F(xiàn)實(shí)情況是，作為高技術(shù)代表的空間技術(shù)，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展并向其他工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展和推廣的局面已經(jīng)悄然發(fā)生變化。近年來(lái)，隨著技術(shù)進(jìn)步，大量成熟的工業(yè)技術(shù)開(kāi)始向空間應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化滲透，空間產(chǎn)品本身所涉及的專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大，現(xiàn)行的航天標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無(wú)法覆蓋一些新興技術(shù)領(lǐng)域。在文獻(xiàn)［7］中，從空間軍事后勤角度對(duì)空間技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀和原因進(jìn)行了反思和分析，認(rèn)為在空間電子系統(tǒng)研制中之所以缺失對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，源于下列原因：

（1）早期空間電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并沒(méi)有帶來(lái)足夠顯著的效益，特別是對(duì)于衛(wèi)星這種小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品更是如此；

（2）在空間技術(shù)領(lǐng)域，曾經(jīng)因大量采用未成熟的技術(shù)和不完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，反而造成系統(tǒng)集成困難，進(jìn)度和成本增加；

（3）出于競(jìng)爭(zhēng)的目的，通過(guò)大量采用創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計(jì)獨(dú)特產(chǎn)品和提供有別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的服務(wù)，進(jìn)而有意排斥標(biāo)準(zhǔn)化的兼容設(shè)計(jì)；

（4）為了滿(mǎn)足用戶(hù)提出的以減小質(zhì)量為目標(biāo)的特殊要求，采用了大量非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

同時(shí)，空間技術(shù)領(lǐng)域以外存在大量成熟完備的工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供選用，并且這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相關(guān)行業(yè)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。特別是航空工業(yè)在航空電子系統(tǒng)方面形成的完備的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有力地推動(dòng)了航空工業(yè)的發(fā)展，促使了大型項(xiàng)目的成功，也帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，如“空中客車(chē)”系列大型客機(jī)項(xiàng)目、波音777、787和洛馬公司的F-22項(xiàng)目等，都凸顯了完備的標(biāo)準(zhǔn)體系所帶來(lái)的效益；在商用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)體系的運(yùn)用對(duì)于產(chǎn)品市場(chǎng)拓展、升級(jí)和降低成本的作用，更是有目共睹的。一些宇航機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)始逐步認(rèn)識(shí)到成功應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系可能帶來(lái)的潛在效益，以及非空間技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的潛在價(jià)值，開(kāi)始著手研究航天器電子領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系的應(yīng)用發(fā)展策略，并大量借鑒航空領(lǐng)域現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，將其向空間應(yīng)用轉(zhuǎn)移，強(qiáng)調(diào)在航天器電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，不論是在大系統(tǒng)、系統(tǒng)級(jí)結(jié)構(gòu)，還是在單機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)上均充分借鑒現(xiàn)行航空或民用電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適度采用成熟技術(shù)和現(xiàn)貨產(chǎn)品，使系統(tǒng)具有良好的兼容性、開(kāi)放性和靈活性［7］。例如，文獻(xiàn)［8］中提出了可應(yīng)用于先進(jìn)航天器電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)族，并給出了Honeywell公司和勞拉（Loral）公司應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建ATIM 單板處理器的例子；ESA 則和歐洲航天技術(shù)中心（ESTEC）合作，對(duì)基于航空ARINC653的航天軟件標(biāo)準(zhǔn)族進(jìn)行深入研究，開(kāi)展了IMA-SP的概念研究，對(duì)ARINC653標(biāo)準(zhǔn)在歐洲空間系統(tǒng)中應(yīng)用的適用性進(jìn)行了比較分析；另外，NASA 的一系列深空探測(cè)器項(xiàng)目、載人航天項(xiàng)目中也逐步探索商用產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)的空間應(yīng)用，并取得了較好的效益，如前述的X2000項(xiàng)目中IEEE1394總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和I2C總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

目前，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、成熟現(xiàn)貨產(chǎn)品應(yīng)用于航天器電子系統(tǒng)的研究，尚處于探索階段，只是取得了初步實(shí)驗(yàn)性成果，隨著空間技術(shù)領(lǐng)域以外的工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和標(biāo)準(zhǔn)的提高，空間技術(shù)與其他工業(yè)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的相互影響滲透，是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 先進(jìn)單機(jī)與元器件設(shè)計(jì)制造技術(shù)的影響越來(lái)越大

電子系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)先進(jìn)性，除了體現(xiàn)在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)外，單機(jī)和元器件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)始終是一個(gè)重要因素。在分布式數(shù)字化系統(tǒng)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接口成為標(biāo)準(zhǔn)化接口后，節(jié)點(diǎn)的單機(jī)研制水平很大程度上決定于可以獲取或使用的元器件的設(shè)計(jì)制造水平，而且，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，這種依托關(guān)系更加緊密。歐美國(guó)家由于電子工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，空間電子設(shè)備和元器件的制造一直支持并推動(dòng)著系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的不斷進(jìn)步。對(duì)于復(fù)雜設(shè)備，往往是利用分立元器件進(jìn)行概念研究和先期驗(yàn)證，最終將電路中的復(fù)雜邏輯組合成專(zhuān)用集成電路芯片（ASIC）的形式實(shí)現(xiàn)。這種做法除了能降低單機(jī)的體積、質(zhì)量外，也使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品的總體性能指標(biāo)得到提高。近年來(lái)，多芯片組裝封裝技術(shù)得到快速發(fā)展，使單機(jī)的功能密度、集成度得到提高的同時(shí)，又進(jìn)一步減小了體積、質(zhì)量和功耗。

一個(gè)應(yīng)引起重視的技術(shù)發(fā)展是，微電子技術(shù)和微機(jī)械制造技術(shù)相融合形成新的技術(shù)概念，打破了傳統(tǒng)的單機(jī)、元器件的界線(xiàn)。如果說(shuō)SOC還僅僅是在一塊集成電路芯片上集成了單機(jī)系統(tǒng)的大部分功能，那么JPL 開(kāi)發(fā)的質(zhì)量?jī)H10g 的太陽(yáng)敏感器、42g的星敏感器，以及集成在集成電路芯片上的慣導(dǎo)組件［9］，則顛覆了傳統(tǒng)的機(jī)電部件概念?？梢哉f(shuō)，微制造技術(shù)使機(jī)械、光學(xué)和微電子產(chǎn)品融為一體。盡管目前這些設(shè)備的性能指標(biāo)與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比還有差異，但微電子技術(shù)和微機(jī)械制造技術(shù)相融合，使機(jī)、電、光學(xué)等設(shè)備高度集成和微型化的趨勢(shì)是明顯的，而且近年來(lái)呈加速推動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的態(tài)勢(shì)。一旦大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成熟，不僅將對(duì)未來(lái)航天器電子系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，還會(huì)改變傳統(tǒng)的空間飛行應(yīng)用策略。這種影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是在技術(shù)層面，通過(guò)SOC、微機(jī)電產(chǎn)品，使處理設(shè)備（不論是敏感器還是驅(qū)動(dòng)設(shè)備）都更臨近現(xiàn)場(chǎng)；分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的處理能力、作用可進(jìn)一步趨同，為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式冗余結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)基礎(chǔ)；系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、功耗進(jìn)一步減小，系統(tǒng)配置更靈活，系統(tǒng)更可靠，使得航天器的研制費(fèi)用等能更多地集中于有效載荷和應(yīng)用方面。另一方面，微系統(tǒng)使大批量、快速、低成本的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能，利用微系統(tǒng)、微電子系統(tǒng)構(gòu)造小微衛(wèi)星、納衛(wèi)星的成本將極大降低，使得擁有此技術(shù)的國(guó)家、組織相對(duì)其他無(wú)此技術(shù)的國(guó)家、組織具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于國(guó)際空間政策的影響遠(yuǎn)大于技術(shù)方面的影響。在美國(guó)空軍的“轉(zhuǎn)化中的空間主動(dòng)性”提議［10］中，就提出了美國(guó)空軍所要具有的3種能力，即：保護(hù)（美國(guó)）空間基礎(chǔ)設(shè)施的能力；阻止敵對(duì)方進(jìn)入空間的能力；快速發(fā)射和部署新的或替換的空間基礎(chǔ)設(shè)施的能力。其中，第2條如何實(shí)現(xiàn)已經(jīng)超出了工程技術(shù)的范疇，但空間微系統(tǒng)至少為這個(gè)議題提供了一個(gè)選項(xiàng)。

3.4 有效應(yīng)對(duì)數(shù)字化設(shè)備和軟件在系統(tǒng)中比重不斷增加

數(shù)字化設(shè)備和軟件在航天器電子系統(tǒng)中所占的比重，很難給出量化指標(biāo)。傳統(tǒng)的航天器電子系統(tǒng)，從信息傳輸處理過(guò)程上可以歸結(jié)為信息采集或敏感接收，進(jìn)行初級(jí)變換處理，然后送核心處理單元進(jìn)行處理，處理結(jié)果分發(fā)給驅(qū)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生實(shí)際操作。傳統(tǒng)上，核心處理器采用數(shù)字化處理器實(shí)現(xiàn)，其他部分由模擬線(xiàn)路等實(shí)現(xiàn)。由于微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)傳輸所具有的固有的抗干擾能力強(qiáng)和總線(xiàn)技術(shù)成熟等特性，使這一局面正在悄然發(fā)生變化，整個(gè)功能鏈路中數(shù)字化設(shè)備所占的比重逐步增大，數(shù)字化設(shè)備已經(jīng)不僅局限于數(shù)據(jù)處理，向前端的數(shù)據(jù)采集數(shù)字化和對(duì)射頻信號(hào)數(shù)字化處理的軟件無(wú)線(xiàn)電，以及向后端設(shè)備數(shù)字化驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展的趨勢(shì)明顯。例如，在早期設(shè)備級(jí)提出的SMART 設(shè)備概念，就反映了這一發(fā)展趨勢(shì)。20世紀(jì)末，隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的發(fā)展，SMART 在空間應(yīng)用領(lǐng)域又被賦予了“小型多目標(biāo)先進(jìn)可重配置技術(shù)”（Small Multi-object Advanced Reconfigure Technology）的概念［11］。其基本思想是：針對(duì)前端的敏感器（或傳感器）和指令接收模塊，中間的處理計(jì)算及后端的輸出驅(qū)動(dòng)三部分，分別開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化SMART 模塊，使信息采集、接收和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)處理均實(shí)現(xiàn)臨近現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化，而與中心計(jì)算處理模塊的信息傳遞、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)共享等，則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。例如GSFC在基礎(chǔ)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)（Essential Services Node，ESN）［12］基礎(chǔ)上為MIDEX 開(kāi)發(fā)的RSN，就是這種設(shè)計(jì)理念下的產(chǎn)物。

系統(tǒng)中大量數(shù)字化設(shè)備的采用，也使得各設(shè)備在硬件上有相當(dāng)一部分功能趨同，為各設(shè)備在硬件結(jié)構(gòu)上由相同硬件實(shí)現(xiàn)核心功能、軟件實(shí)現(xiàn)個(gè)性化差異功能提供了可行性；等同的硬件結(jié)構(gòu)和共享的信息存儲(chǔ)模式，也為實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的冗余提供了基礎(chǔ)（目前是基于節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)冗余）。采集和處理更臨近現(xiàn)場(chǎng)，大量使用數(shù)字化設(shè)備，各異化的功能由不同的軟件實(shí)現(xiàn)所決定，使相應(yīng)的軟件研發(fā)工作在系統(tǒng)研發(fā)中所占的比重也隨之增大，因此軟件工程化、系統(tǒng)集成測(cè)試和軟件安全性需要更多的投入和關(guān)注，有必要從方法學(xué)上研究解決軟件集成的安全性問(wèn)題，ESA 借鑒ARINC653提出的IMA-SP也是這一趨勢(shì)的體現(xiàn)。

4 啟示與建議

本文前述的4個(gè)趨勢(shì)并未涉及電子系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)所采用的技術(shù)細(xì)節(jié)，而是相對(duì)宏觀(guān)的闡述。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是：21世紀(jì)初十余年來(lái)，一方面，各國(guó)都對(duì)空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)表現(xiàn)出極大的興趣，空間系統(tǒng)的規(guī)模和應(yīng)用所覆蓋的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，新的空間工程項(xiàng)目和與之對(duì)應(yīng)的航天器層出不窮；另一方面，當(dāng)剖析這些航天器的電子系統(tǒng)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)所采用的技術(shù)概念和技術(shù)手段，與前文所述4個(gè)方面的技術(shù)都似曾相識(shí)，似乎并未有全新的技術(shù)概念出現(xiàn)，但又確實(shí)“巧妙”地滿(mǎn)足了新的應(yīng)用需求，達(dá)到了“較快、較好、較省”的目的。這一現(xiàn)象固然與掌握先進(jìn)空間技術(shù)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)，有密不可分的必然聯(lián)系，也與21世紀(jì)空間工程項(xiàng)目周期遠(yuǎn)短于新技術(shù)革新周期，一些新技術(shù)尚處于概念研究階段的特點(diǎn)有關(guān)。其中，以美國(guó)NASA 和歐洲ESA 為代表的宇航組織，在21世紀(jì)的航天器電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中存在一些共同的特點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)目前空間應(yīng)用需求急劇增長(zhǎng)，而相對(duì)電子技術(shù)工業(yè)基礎(chǔ)較弱的局面極具借鑒價(jià)值。

（1）重視從系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行電子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究，構(gòu)建可適應(yīng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)。盡管微電子技術(shù)發(fā)展為實(shí)現(xiàn)更高集成度的電子系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，但從研究結(jié)果看，并未放棄傳統(tǒng)的基于總線(xiàn)的分布式模塊化電子系統(tǒng)的概念，而是重新綜合現(xiàn)行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、微處理器技術(shù)發(fā)展成果、先進(jìn)制造技術(shù)等，從系統(tǒng)角度以“較快、較好、較省”為驅(qū)動(dòng)，確立了以分布式、基于成熟總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的模塊化結(jié)構(gòu)，作為未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)航天器電子系統(tǒng)的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。另外，以先進(jìn)的具有優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)引領(lǐng)單機(jī)技術(shù)的發(fā)展，而又不限制單機(jī)技術(shù)的發(fā)展?？v觀(guān)幾個(gè)實(shí)踐的例子，可以看出，基于總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的模塊化結(jié)構(gòu)航天器電子系統(tǒng)概念，在系統(tǒng)上強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)資源共享能力和標(biāo)準(zhǔn)接口，減少接口種類(lèi)，避免單機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)的散亂局面，并在標(biāo)準(zhǔn)體系框架下為后續(xù)發(fā)展提供了足夠的兼容性設(shè)計(jì)。

（2）空間技術(shù)和非空間工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的相互滲透，是空間技術(shù)應(yīng)用日益廣泛和工業(yè)技術(shù)水平日益提高的必然結(jié)果，突破傳統(tǒng)空間技術(shù)領(lǐng)域的局限性，面向工業(yè)界開(kāi)放空間技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)，也是必然的發(fā)展趨勢(shì)。因此，現(xiàn)行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)向空間技術(shù)領(lǐng)域推廣，應(yīng)當(dāng)作為一個(gè)重要的研究課題，這也是降低成本和風(fēng)險(xiǎn)、適應(yīng)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的有效方法之一。

（3）先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展始終是空間電子系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，特別是打破傳統(tǒng)概念的微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，為新概念的航天器電子系統(tǒng)發(fā)展提供了更多的可供革新的選項(xiàng)，而相應(yīng)的軟件和數(shù)字化設(shè)備在系統(tǒng)中所占比重的提升，則是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。這對(duì)于目前空間電子系統(tǒng)的研發(fā)工作既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇，因此在航天器電子系統(tǒng)研發(fā)中應(yīng)注意對(duì)這些新技術(shù)、新概念給予足夠的關(guān)注和前瞻性的應(yīng)用。

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