陳夏 黃佳

關鍵詞： 微納衛(wèi)星; 衛(wèi)星導航; 衛(wèi)星通信; 數(shù)據(jù)傳輸; 遙測; 一體化設計

中圖分類號： TN402?34; TN406 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0005?04

Abstract： An implementation scheme of navigation and communication integrated system suitable for micro/nano satellite is proposed to improve the resource utilization of micro/nano satellite， in which the functions of telemetry， telecontrol， data transmission， navigation and positioning of the satellite are integrated， and the limits and requirements in volume， weight and power consumption of micro/nano satellite are considered. The design method of the system is given. The implementation methods of hardware platform， software architecture and data protocol are elaborated in detail. The technical realization approaches of products as adopting FPGA， ASIC and other integration circuit technologies are proposed to realize the high integration， miniaturization， light weight and low power consumption. The designed system has been used in multiple types of micro/nano?satellites， its longest working time in orbit is more than two years， and the satellite is still in good condition. The system can be expanded to other micro/nano?satellites.

Keywords： micro/nano?satellite; satellite navigation; satellite communication; data transmission; telemetry; integrated design

隨著航天技術的發(fā)展，微納衛(wèi)星以其高功能密度、微型化、低成本、高性能、高靈活性、可組網應用等多方面優(yōu)勢，逐漸成為衛(wèi)星領域的主流趨勢，對軍用民用都具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。微納衛(wèi)星體積質量小、研制成本低、生產周期短，必將是微電子和微機械的高度集成體。衛(wèi)星平臺將不再只是具有獨立功能的設備集合體，而是任務、功能、資源統(tǒng)一調度管理的集成系統(tǒng)[2]，如傳統(tǒng)衛(wèi)星設計中測控與數(shù)傳功能獨立、設備分散，測控分系統(tǒng)的主要功能為遙測、遙控與測量，數(shù)傳分系統(tǒng)的主要功能為載荷數(shù)據(jù)存儲下發(fā)。隨著微納衛(wèi)星應用的不斷發(fā)展，對微納衛(wèi)星體積質量要求不斷提高，傳統(tǒng)設計方式已不能滿足發(fā)展需求[3]。

本文以智能化、低功耗、小體積、高功能密度為目標開展多任務導航通信一體化系統(tǒng)設計與研究。一方面從硬件資源、軟件算法、數(shù)據(jù)協(xié)議等方面將衛(wèi)星遙測、遙控、數(shù)傳、導航模塊進行融合設計;另一方面運用FPGA、ASIC等大規(guī)模集成電路技術實現(xiàn)高集成、小型化、輕量化和低功耗[4]。

1 ?系統(tǒng)總體方案設計

微納衛(wèi)星導航通信一體化系統(tǒng)基于Space VPX標準進行設計，滿足通用性、可靠性、可復用性的要求。Space VPX是嵌入式計算行業(yè)標準OpenVPX的升級[5]，主要用于航天、航空及其他高可靠的容錯協(xié)作式和模塊裝配式電子系統(tǒng)，并考慮了太空環(huán)境的特殊應用需求。Space VPX標準將背板總線劃分為數(shù)據(jù)層、擴展層、控制層、用戶層等[6]，分別用來滿足不同層次的應用需求，本系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)層進行模塊間通信。

微納衛(wèi)星導航通信一體化系統(tǒng)由控制模塊、通信模塊、導航模塊、電源模塊及天線組成，系統(tǒng)內各模塊的統(tǒng)一調度、協(xié)同管理由運行在核心控制模塊內的星務軟件實現(xiàn)[7]，主要包括模式確定、模式切換、數(shù)據(jù)傳輸、遙控接收等。

1） 衛(wèi)星在發(fā)射初期，通信模塊配置為常規(guī)USB測控模式，與地面測控網配合，完成對衛(wèi)星的遙測、遙控、測量等功能，導航模塊輔助測量;

2） 衛(wèi)星在軌工作期，通信模塊配置為數(shù)傳模式，載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)融合傳輸，衛(wèi)星導航測量功能以導航模塊為主;

3） 在應急模式下，通信模塊配置為常規(guī)USB測控模式，簡化系統(tǒng)，提高可靠性。系統(tǒng)中部分模塊還充當衛(wèi)星平臺中其他功能，此處不贅述，系統(tǒng)組成如圖1所示。

控制模塊作為整個系統(tǒng)的核心模塊，主要完成：各模塊調度管理、工作模式切換、星務管理等[8];下行遙測與載荷數(shù)據(jù)的采集、組包、組幀以及存儲管理等;上行遙控指令的解析、譯碼輸出執(zhí)行等;接收導航模塊輸出的位置、時間、軌道等信息，完成軌道推算、時間校正等。核心控制模塊處理器和FPGA選用Smart Fushion2系列的M2S150型號的SoC型FPGA[9]，內部嵌入166 MHz 32 bit ARM CortexM3硬核處理器，計算性能可達1.24 DMIPS/MHz，同時，該系列FPGA的對空間單粒子翻轉屬于免疫狀態(tài)。外部配置128 GB NAND FLASH，用于存儲載荷數(shù)據(jù)。星務軟件的初始版本存儲在片外反熔絲型PROM中，保證系統(tǒng)可靠運行，任務版本存儲在FLASH中，面向任務可重構。

通信模塊采用軟件無線電架構，調制算法、工作頻率、數(shù)據(jù)速率均可配置，主要完成上行數(shù)據(jù)接收解調、直接指令譯碼執(zhí)行及下行數(shù)據(jù)編碼調制等功能。整個模塊由射頻接收通道、射頻發(fā)射通道、數(shù)字信號處理、可靠性控制幾個主要部分構成。射頻接收通道將輸入的射頻信號（中心頻率范圍為2.0～2.1 GHz，帶寬為20 MHz）進行濾波、放大以及下變頻至中頻70 MHz信號后，送至數(shù)字處理模塊進行信號處理，采用一次變頻方案;射頻發(fā)射通道將下行中頻20 MHz信號變頻至射頻信號（中心頻率范圍：2.2～2.3 GHz，帶寬：20 MHz），并濾波及功率放大，為減少系統(tǒng)雜散，采用兩次變頻方案;數(shù)字信號處理部分選用Spatan6系列的XC6SLX45 FPGA，具備強大的信號處理模塊，如FFT、FIR、乘法器等，上、下行具備PCM?QPSK和USB兩種體制的通信算法，可根據(jù)任務規(guī)劃星上自主切換或地面切換，默認為PCM?QPSK調制方式，USB僅在應急模式和入軌初期使用;可靠性控制主要完成系統(tǒng)單粒子監(jiān)控、供電監(jiān)控等可靠性事件及外圍接口管理。

電源模塊為整星提供配電管理，在本文系統(tǒng)中，主要為導航、控制、通信模塊提供能源及供電保護、加斷電控制等。

導航模塊可同時接收GPS/BD信號，基帶信號處理模塊主要由FPGA和DSP組成，射頻前端輸出的數(shù)字信號輸入到FPGA，F(xiàn)PGA在DSP的控制下完成導航信號的捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)解調、觀測數(shù)據(jù)生成等，完成整個導航數(shù)據(jù)的處理，最終為衛(wèi)星提供高精度位置、速度等數(shù)據(jù)，供衛(wèi)星測定軌使用。為提高系統(tǒng)可靠性，導航模塊作為測控USB模式下的測量功能互為備份使用。

2 ?軟件架構設計

導航通信軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，運行在M2S150內部的ARM CortexM3核內部。根據(jù)任務剖面劃分和工作情況，軟件設計分為正常模式、遙測模式、入軌模式、備份模式和應急模式五種工作模式， 各模式軟件工作狀態(tài)描述如下：

衛(wèi)星入軌模式：通信模塊工作于USB模式，以地面測控網測控為主，完成遙測、遙控和測量功能;導航模塊為輔測量。

正常模式：導航模塊數(shù)據(jù)完成衛(wèi)星測量功能;通信模塊工作于高速數(shù)傳模式，不具備測量功能，用于接收遙控指令和下傳遙測、載荷數(shù)據(jù)。

遙測模式：導航模塊數(shù)據(jù)完成衛(wèi)星測量功能;通信模塊工作于低速數(shù)傳模式，不具備測量功能，用于接收遙控指令和下傳遙測數(shù)據(jù)。

備份模式：導航模塊故障，通信模塊間歇工作于高速數(shù)傳和USB模式，完成測控和載荷數(shù)據(jù)下傳功能。

應急模式：通信模塊工作于USB模式，地面測控網測控;導航模塊關機。各模式切換如圖2所示。

模式切換策略為：

1） 在入軌初期，為確保衛(wèi)星可靠建立初始狀態(tài)，以地面測控網為主進行遙測、遙控、測量工作，并輔以導航數(shù)據(jù)測量，供地面比對分析。

2） 衛(wèi)星建立正常狀態(tài)后，軟件進入正常模式，設置通信模塊為高速數(shù)傳模式，遙測部件進行實時和延時遙測數(shù)據(jù)的采集、組幀、存儲;數(shù)傳及大容量部件配合負責載荷數(shù)據(jù)的采集、存儲;入境后，將載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)按比例以虛擬信道的方式組合下傳;若當軌無載荷數(shù)據(jù)下傳，則下行僅傳輸遙測數(shù)據(jù)，通信模塊配置為低速數(shù)傳模式。

3） 導航模塊故障時，軟件切換為備份模式，通信模塊間歇工作于高速數(shù)傳和USB模式，USB模式提供測量功能，地面注入軌道數(shù)據(jù)，在軌道保精度期間，利用高速數(shù)傳傳輸載荷數(shù)據(jù)。

4） 衛(wèi)星出現(xiàn)能源、姿態(tài)等故障時，關閉導航模塊，設置通信模塊為USB模式，保證測控功能。

軟件的核心為通信數(shù)據(jù)流處理，信息流如圖3所示，包括上行遙控數(shù)據(jù)處理和下行數(shù)據(jù)處理。

上行數(shù)據(jù)處理主要包括信號解調、數(shù)據(jù)幀頭同步、指令譯碼及分類管理等。若當前指令為實時指令，則直接輸出至相應受控部件執(zhí)行;若為延時指令，則星上存儲，到執(zhí)行時間后輸出執(zhí)行。

下行數(shù)據(jù)處理模塊負責將遙測數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)融合下發(fā)。遙測數(shù)據(jù)的采集、存儲管理主要由ARM處理器實現(xiàn)，與FPGA交互接口為FIFO;載荷數(shù)據(jù)由于其速率較高，控制管理由FPGA實現(xiàn)。衛(wèi)星入境后，F(xiàn)PGA同時讀取遙測數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)，按速率要求進行組合下發(fā)。

3 ?數(shù)據(jù)協(xié)議設計

微納衛(wèi)星導航通信一體化系統(tǒng)設計需要同時滿足衛(wèi)星遙測、數(shù)傳功能，因此數(shù)據(jù)協(xié)議需要兼顧遙測和數(shù)傳星地接口的通用性與可擴展性?？紤]通信可靠性和傳輸效率，星地數(shù)據(jù)流通信協(xié)議擬采用CCSDS分包遙測、分包遙控格式，鏈路層采用CCSDS AOS幀協(xié)議實現(xiàn)[10]。以下行數(shù)據(jù)格式為例進行說明，如圖4所示。

CCSDS AOS幀協(xié)議幀長固定為1 024 B，采用RS編碼和糾錯算法（128 B R?S校驗區(qū)）[11]，是為了滿足不同類型不同任務數(shù)據(jù)傳輸要求而設計的，可用于星?地、星?星、地?星數(shù)據(jù)傳輸。由于本系統(tǒng)集成度高，涉及數(shù)據(jù)類型較多，包括多種遙測源包、多種載荷數(shù)據(jù)包、導航數(shù)據(jù)包、測量數(shù)據(jù)包、時間碼信息等，可通過對AOS幀中的虛擬信道、插入域、數(shù)據(jù)域等字段加以定義和區(qū)分，從而實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)的有效融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的一體化和通用化。

4 ?系統(tǒng)實現(xiàn)和應用

綜合考慮微納衛(wèi)星成本體積等因素，產品實現(xiàn)均以商用元器件COTS為主，核心器件如FPGA、晶振、電源模塊等采用普軍以上等級器件;產品采用板級篩選的模式，前期通過加速老化試驗，剔除不合格品，目前該產品參加了整星桌面聯(lián)試、環(huán)模試驗、星地對接、應用系統(tǒng)聯(lián)試、整船試驗、發(fā)射場測試等大型試驗，系統(tǒng)工作正常;并已經應用于多個微納衛(wèi)星型號，通信模塊和核心控制模塊實物及安裝示意圖如圖5所示。

通過與傳統(tǒng)分布式微納衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)比較，本系統(tǒng)體積功耗具有明顯優(yōu)勢，僅需3～4個模塊即可，重量[≤]2 kg，功耗[≤]20 W。另外，系統(tǒng)導航通信一體化設計，衛(wèi)星可根據(jù)工作模式在自主導航與地面導航之間切換。常規(guī)模式下，自主導航與數(shù)傳模式組合，遙測、數(shù)傳融合傳輸，減少一條星地物理鏈路（包括衛(wèi)星發(fā)射機、地面接收站），節(jié)約衛(wèi)星運控成本30%以上;本系統(tǒng)還與地面測控網兼容，確保衛(wèi)星應急模式下安全可靠運行。

5 ?結 ?語

針對微納衛(wèi)星體積小、重量輕、低功耗、低價格的特點，本文研究適應性強的微納衛(wèi)星導航通信一體化系統(tǒng)，高度集成測控、數(shù)傳、導航等基本電子學平臺功能，充分有效地提高硬件和軟件等各種資源的復用程度，從系統(tǒng)架構、軟件實現(xiàn)及數(shù)據(jù)協(xié)議選擇等方面進行了一體化融合設計。最后，在技術和理論基礎上加以工程實踐，研制基于COTS器件的通信原理樣機。目前該設計已經成功應用于多個衛(wèi)星型號，最長在軌工作時間超過兩年，至今狀態(tài)良好，可以推廣至其他微納衛(wèi)星應用。

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