黃　虎，李　華，孔　勇，范國臣，張耀磊

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基于SiP技術(shù)的空間飛行器綜合電子系統(tǒng)

黃虎1，李華2，孔勇3，范國臣1，張耀磊1

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076；2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035；3.北京中測安華科技有限公司，北京100085）

隨著空間飛行器的電子設(shè)備向著小型化和集成化的方向發(fā)展，對綜合電子系統(tǒng)提出了高性能、輕質(zhì)化、集成化、小型化等要求。系統(tǒng)級封裝（System in Package，SiP）已經(jīng)成為重要的先進(jìn)封裝和系統(tǒng)集成技術(shù)，是未來空間飛行器綜合電子系統(tǒng)小型化和多功能化的重要技術(shù)路線。介紹了國內(nèi)外綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，在分析空間飛行器對綜合電子系統(tǒng)的需求基礎(chǔ)上，對基于SiP技術(shù)的空間飛行器綜合電子系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，總結(jié)了基于SiP技術(shù)的綜合電子系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢。

SiP；空間飛行器；綜合電子系統(tǒng)

1　引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和信息工程的飛速發(fā)展，空間任務(wù)日益呈現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性的特點，這對空間飛行器的發(fā)展尤其是其綜合電子系統(tǒng)提出了更高的要求。為滿足上述要求，未來的空間飛行器將是微電子和微機械的高度集合體［1］。飛行器的平臺也將不再是只具有獨立功能的設(shè)備的集合，而是將任務(wù)、功能、資源統(tǒng)一調(diào)度管理的集成系統(tǒng)。

SiP是基于系統(tǒng)級芯片（SoC）的一種新型系統(tǒng)級封裝技術(shù)，利用MCM微組裝和互連技術(shù)將多個裸片及無源器件構(gòu)成的高性能電子系統(tǒng)集成在同一封裝內(nèi)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。它與SoC互補，能在最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能、降低功耗、提高系統(tǒng)集成度，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和輕質(zhì)化［2］。

綜合電子系統(tǒng)的重要思想是資源共享，即超越各分系統(tǒng)電子設(shè)備范疇，綜合電子系統(tǒng)旨在以“通用化、系列化、模塊化”為原則，將整個飛行器的電子系統(tǒng)進(jìn)行有機的結(jié)合。采用SiP技術(shù)實現(xiàn)飛行器上的功能集成和信息融合，不僅可大幅度減少所需的電子部件種類，而且還可以大大減少元器件數(shù)量，簡化硬件的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性，是實現(xiàn)空間飛行器小型化和輕質(zhì)化的有效途徑，對空間飛行器技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義［3］。

2　綜合電子系統(tǒng)組成

空間飛行器綜合電子系統(tǒng)以總線形式組成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成功能密集、配置靈活的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用SiP一體化設(shè)計技術(shù)將飛行器測控、能源、姿軌控、數(shù)管、跟瞄、熱控的信息處理集成在綜合電子系統(tǒng)中，將各功能模塊有機地連接起來，從而實現(xiàn)飛行器的信息交換和共享，實時地完成飛行器運行的管理、測量、控制和任務(wù)調(diào)度［4］?？臻g飛行器的綜合電子系統(tǒng)組成如圖1所示，按照功能將綜合電子系統(tǒng)分為5個模塊，分別是測控通信模塊、能源管理模塊、綜合數(shù)管模塊、跟蹤瞄準(zhǔn)模塊和導(dǎo)航制導(dǎo)與控制（GNC）模塊［5］。

圖1　綜合電子系統(tǒng)組成圖

2.1測控通信模塊

測控通信模塊的功能主要包括遙測、遙控、數(shù)傳、測距測速等功能，由測控單元、遙控單元和數(shù)傳單元組成，組成框圖如圖2所示。

圖2　測控通信模塊組成框圖

2.2能源管理模塊

能源管理模塊采用電源管理器與供配電一體化設(shè)計，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的充放電管理、太陽電池陣分流調(diào)節(jié)、輸出功率調(diào)節(jié)、飛行器平臺一次及二次電源集中供配電。由電源管理單元、電壓轉(zhuǎn)換單元和對外配電單元組成，組成框圖如圖3所示。

2.3綜合數(shù)管模塊

綜合數(shù)管模塊實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測，遙測參數(shù)的采集、處理、存儲和傳送，遙控指令存儲、分發(fā)或直接執(zhí)行，全系統(tǒng)的時間管理，熱控管理，供配電調(diào)度，故障處理。由數(shù)據(jù)采編單元、任務(wù)規(guī)劃單元、熱控單元、供配電調(diào)度單元、系統(tǒng)管理和維護(hù)單元以及GPS接收與時間管理單元組成，組成框圖如圖4所示。

圖3　能源管理模塊組成框圖

圖4　綜合數(shù)管模塊組成框圖

2.4跟蹤瞄準(zhǔn)模塊

跟蹤瞄準(zhǔn)模塊具備遠(yuǎn)距離動目標(biāo)探測、識別能力，并能快速精確跟蹤。通過采集成像探測器的視頻信息，檢測提取目標(biāo)特性，并識別為作戰(zhàn)目標(biāo)，通過解算目標(biāo)與視軸的角偏差值，驅(qū)動機構(gòu)運動控制裝置向減小角偏差值的方向運動，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。由視頻信息處理單元、跟瞄控制單元、驅(qū)動單元組成，組成框圖如圖5所示。

圖6　GNC模塊組成框圖

圖5　跟蹤瞄準(zhǔn)模塊組成框圖

2.5GNC模塊

GNC模塊具備低軌、高軌導(dǎo)航功能，高精度、大動態(tài)、快響應(yīng)姿軌控能力。通過采集多敏感器的導(dǎo)航信息，進(jìn)行飛行器位置、姿態(tài)組合導(dǎo)航；依據(jù)能源需要及太陽帆對日位置信息進(jìn)行太陽帆對日指向控制；根據(jù)任務(wù)規(guī)劃要求，進(jìn)行在線姿軌控解算，并向動力系統(tǒng)輸出控制指令；依據(jù)飛行器自身位置、速度、角度信息以及目標(biāo)位置、速度、角度信息進(jìn)行火力解算，并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等。由GNC信號處理單元、控制驅(qū)動單元組成，組成框圖如圖6所示。

3　綜合電子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1操作系統(tǒng)

我國現(xiàn)有飛行器綜合電子系統(tǒng)均已采用操作系統(tǒng)來管理系統(tǒng)資源，上世紀(jì)90年代研制的數(shù)管系統(tǒng)均采用自行研制的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，而綜合數(shù)管則采用基于開源實時嵌入式系統(tǒng) （Realtime embeded system，RTEMS）的操作系統(tǒng)和商用VxWorks操作系統(tǒng)。VxWorks采用微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，具有支持處理器多、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議豐富、兼容性和裁剪性好等特點?？紤]到基于RTEMS的操作系統(tǒng)市場前景廣闊，而VxWorks具有較多優(yōu)點，因此，基于RTEMS的操作系統(tǒng)和商用VxWorks操作系統(tǒng)是未來發(fā)展和應(yīng)用的主流［6］。

3.2SiP技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，SiP可以將任何一種電子器件集成在一塊芯片上，可以將存儲器與邏輯管芯集成在一起，也可以將高噪聲的數(shù)字電路與對噪聲敏感的模擬電路集成在一起，同時還可以將許多高品質(zhì)因數(shù)的無源器件集成在同一芯片上而不會降低其性能。這是一種可以實現(xiàn)系統(tǒng)級芯片集成的半導(dǎo)體技術(shù)。SiP技術(shù)能夠提高綜合電子系統(tǒng)的集成度、降低系統(tǒng)功耗和體積，隨著其發(fā)展和成熟，正逐步成為綜合電子系統(tǒng)集成的有效手段［10］。

3.3軟件構(gòu)件化設(shè)計

軟件的體系結(jié)構(gòu)要參照空間接口標(biāo)準(zhǔn)（SOIF）模型的分層體系結(jié)構(gòu)，將與硬件相關(guān)的部分與軟件主體分離開。這樣就降低了底層硬件對軟件的影響，提供軟件的復(fù)用性以及軟件對新技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)性，方便軟件的移植。需要根據(jù)軟件特點，采用SOIF構(gòu)件化設(shè)計思想，將軟件模塊中應(yīng)用較廣、技術(shù)含量高的模塊抽象出來，制定接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，形成軟件構(gòu)件，從一兩個構(gòu)件開始建立，積少成多，逐步形成軟件構(gòu)件庫。軟件構(gòu)件庫將是軟件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.4抗輻照專用集成電路技術(shù)

專用集成電路作為綜合電子系統(tǒng)器件的一個重要部分，對綜合電子系統(tǒng)的集成化、小型化、系列化、低功耗起到關(guān)鍵作用，同時能提高綜合電子系統(tǒng)的可靠性、可維修性和可擴展性。專用集成電路/混合集成電路主要應(yīng)用在總線接口、串行通信、指令驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、直流-直流模塊等領(lǐng)域，大大減少了單機的質(zhì)量與體積，提高了可靠性，優(yōu)化了綜合電子系統(tǒng)的信息流［5］。

3.5故障檢測、隔離與恢復(fù)（FDIR）技術(shù)

故障檢測、隔離與恢復(fù)是綜合電子系統(tǒng)的一項重要功能，對于自主健康管理具有重要的意義。為了保證各種電子設(shè)備、分系統(tǒng)運行正常，空間飛行器自主故障管理的目標(biāo)是實現(xiàn)不依賴外界的信息注入和控制，或者盡量少地依賴外界控制而能準(zhǔn)確感知自身的狀態(tài)和外部環(huán)境，并能夠根據(jù)這些信息自主地檢測故障、進(jìn)行故障隔離與恢復(fù)。綜合電子系統(tǒng)提供系統(tǒng)級的故障檢測和恢復(fù)，保證飛行器具備從設(shè)定的任意失效模式中恢復(fù)的能力，并正確地執(zhí)行任務(wù)［9］。

4　系統(tǒng)特點

4.1高度集成的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)

各層次之間采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，便于不同系統(tǒng)部件間的互連、互通和互操作，便于硬件和軟件的移植與重用，也便于系統(tǒng)功能的增強與補充。采用開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不僅提高了系統(tǒng)的冗余和重構(gòu)能力，而且可以用最低的生命周期費用達(dá)到所要求的任務(wù)性能和保障性，并為系統(tǒng)功能的擴展和性能的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)［7］。

4.2體積小、質(zhì)量輕

基于SiP技術(shù)的綜合電子系統(tǒng)針對空間飛行器小型化和輕質(zhì)化需求，打破傳統(tǒng)飛行器多個分立電子儀器設(shè)備的分工，采用接口標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊化的方式，將測控、姿軌控、飛行器管理等功能進(jìn)行了系統(tǒng)級集成。實現(xiàn)了單機設(shè)備數(shù)量與質(zhì)量的精減，并極大地減輕了電纜網(wǎng)的質(zhì)量，從而使得體積重量大大減少。

4.3集成度高、可靠性高、功耗低

元件集成封裝在統(tǒng)一的外殼結(jié)構(gòu)中，可使總的焊點大為減少，也縮短了元件的連線路程，從而使電性能得以提高。將眾多芯片和零部件一同封裝在一個封裝體內(nèi)可以顯著縮小系統(tǒng)或子系統(tǒng)的尺寸。由于在SiP內(nèi)部縮短了邏輯線路與存儲器之間的距離，因而數(shù)據(jù)傳輸速率得以提高。另外，由于縮短了芯片之間連接線的長度，減少了電容負(fù)載，從而使得功率消耗也得以降低。

4.4高靈活性和擴展性特點

按照模塊化設(shè)計思想，設(shè)計了不同類型與功能的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，并統(tǒng)一各模塊之間的電氣接口與機械接口，簡化模塊間和設(shè)備間的連接關(guān)系，便于總裝集成測試。同時也易于實現(xiàn)設(shè)備功能的擴展，極大提高了系統(tǒng)的靈活性、通用性和擴展性［8］。

5　總結(jié)

基于電子設(shè)備的集成和小型化技術(shù)，開發(fā)綜合化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的空間飛行器綜合電子系統(tǒng)是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的一個重要發(fā)展趨勢。對于空間飛行器而言，實現(xiàn)智能化自主管理可以大為減輕地面管理人員的監(jiān)視壓力，而完成飛行器電子設(shè)備的綜合化和集成化設(shè)計正是實現(xiàn)自主智能管理、自主診斷排除異常以及對嚴(yán)重故障的自主重構(gòu)能力的前提。隨著我國綜合化電子系統(tǒng)研究與設(shè)計的進(jìn)一步開展，該技術(shù)必將對我國空間飛行器的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

［1］張富啟，金玲，姚艷華.一款系統(tǒng)級封裝產(chǎn)品設(shè)計及失效分析［J］.電子與封裝，2012,12（11）.

［2］郭清軍，王俊峰，余歡，李昕.SiP封裝結(jié)構(gòu)研究［D］.2011.

［3］T Vladimirova,M N Sweeting.System-on-a-chip development for small satellite onboard data handling System［J］. 2004,1：36-43.［4］王九龍.衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展建議［J］.航天器工程，2007,5（5）：68-73.

［5］李孝同，施思寒，李冠群.微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)設(shè)計［J］.航天器工程，2008，17（1）：30-35.

［6］黃偉,羅世彬,王振國.臨近空間高超聲速飛行器關(guān)鍵技術(shù)及展望［J］.宇航學(xué)報，2010，31（5）.

［7］唐明圣.星上一體化綜合電子系統(tǒng)FDIR框架設(shè)計及故障檢測隔離機制實現(xiàn) ［D］.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010：28-32.

［8］王景泉.美國加速“作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空”計劃——開拓戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星發(fā)展的新方向［J］.國際太空，2007，2：8-14.

［9］張國強，羅宇.星載并行處理計算機系統(tǒng)容錯技術(shù)研究［D］.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006：5-8.

［10］田賀祥，尤政，于世潔.嵌入式系統(tǒng)在微納衛(wèi)星上的應(yīng)用［J］.中國航天，2005，8：37-39.

SiP-based Integrated Electronic System of Spacecraft

HUANG Hu1,LI Hua2,KONG Yong3,FAN Guochen1,ZHANG Yaolei1
（1.Research and Development Center of China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China；3.Beijing ZCAH Technology CO.，LTD，Beijing 100085，China）

The development of spacecraft electronic equipment toward miniaturization and integration has been entailing high-performance,lightweight and miniaturized integrated electronic systems.System in Package（SiP）has now become one of the most promising technologies for advanced packaging and system integration,which is pivotal in the future development of integrated electronic system.The paper at first introduces the constitution and critical technologies of SiP-based integrated electronic system and then concludes its advantages by analyzing the status quo,development trends and demands.

SiP；spacecraft；integrated electronic system

TN305.94

A

1681-1070（2016）09-0006-04

黃虎（1986—），男，江西高安人，碩士研究生，研究方向為綜合信息集成；

2016-5-4

李華（1984—），男，江蘇無錫人，碩士，研究方向為模擬及數(shù)模混合集成電路設(shè)計。