黃佳 陳夏 李宗德

關鍵詞： 軟件定義; 微納衛(wèi)星; 高功能密度; 綜合電子系統(tǒng); 可擴展體系; SpaceVPX

中圖分類號： TN99?34; TP336 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0030?03

Design and realization of micro/nano?satellite synthesized electronic

system based on software definition

HUANG Jia， CHEN Xia， LI Zongde

（Shanghai Micro?satellite Engineering Center， Shanghai 200210， China）

Abstract： In order to improve the utilization rate of micro/nano?satellite resources， and comprehensively consider the limitation and requirements in the aspects of volume， weight and power consumption， a implementation scheme of the high function density micro/nano?satellite synthesized electronic system based on software definition is put forward. The software technology is used to improve the reliability and index of micro/nano?satellite synthesized electronic system and expand the in?orbit application， so as to implement the new task mode of "one?satellite multi?mission"， and give full play to small， fast， good， economic advantages of the micro/nano?satellite. A standardized extensible architecture is adopted in the system to decouple and integrate the communication， navigation， energy， control， load management and other functions. The universalized hardware platform， multi?tasking software architecture and reconstruction method of the synthesized electronic system are elaborated. A prototype was formed， whose weight is about 1.3 kg， power consumption is about 14 W， processing capacity is greater than 200 MIPS， and inter?module communication rate is greater than 6.25 Gb/s. It can be expanded to the application of other micro/nano?satellites.

Keywords： software definition; micro/nano?satellite; high function density; synthesized electronic system; extensible architecture; SpaceVPX

0 ?引 ?言

近些年，以MEMS、商業(yè)貨架產(chǎn)品等技術為基礎的微納衛(wèi)星，成為空間系統(tǒng)的重要組成部分和技術熱點[1?2]。微納衛(wèi)星以低成本、短周期等優(yōu)勢，活躍了航天市場，使普通個人、商業(yè)公司以及地方政府機構等進入衛(wèi)星領域成為可能。

微納衛(wèi)星雖然發(fā)展迅速，成本下降明顯，步入市場化發(fā)展[3]，但星載綜合電子系統(tǒng)，仍沒有突破傳統(tǒng)衛(wèi)星電子學的基本特征，在軌應用受到限制，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1） 系統(tǒng)普遍在軌壽命短，應用領域主要集中于新技術驗證;

2） 系統(tǒng)沒解決衛(wèi)星的任務模式，各分系統(tǒng)互相嵌套、互相約束，屬于一次使用的缺乏可維修的設計;

3） 系統(tǒng)的壽命提高以采用高等級元器件，增加模塊冗余備份為主要手段，可靠性提高措施較薄弱。

本文從軟件定義角度出發(fā)，重新詮釋微納衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)，用軟件技術提升系統(tǒng)可靠度和技術指標，運用FPGA，ASIC等大規(guī)模集成電路技術，實現(xiàn)系統(tǒng)小型化、輕量化和低功耗，提供低成本的解決方案。

1 ?基于軟件定義的綜合電子系統(tǒng)硬件平臺設計

通過對微納衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)解耦集成[4]，硬件平臺分解為配電管理模塊、星務通信模塊、高速總線交換模塊、高速數(shù)傳固存模塊，各模塊集成到一個機箱中，遵循SpaceVPX（VITA 78）標準[5]，通過背板通信，支持軟件、軟件無線電重構。各模塊CPU分布式配置，處理能力均不低于40 MIPS，完成整星計算功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1） 配電管理模塊。在衛(wèi)星壽命期間各運行階段，對星上各設備供電健康情況進行實時管理，均衡鋰離子電池組充放電深度[6]。核心為基于SoC型FLASH FPGA設計的峰值功率追蹤系統(tǒng)（Maximum Power Point Tracking，MPPT），以提高太陽能電池陣的能量利用率?？赏ㄟ^軟件注入?yún)?shù)，調整太陽帆角度，從而調整電壓控制閾值[7]。

2） 星務通信模塊。綜合電子核心模塊[8?9]，整個系統(tǒng)采用雙CPU+FPGA的架構，處理能力≥200 MIPS，CPU內(nèi)運行VxWorks操作系統(tǒng)和應用程序。雙CPU通過公共RAM進行數(shù)據(jù)交換，CPU默認代碼、重要配置參數(shù)如地磁場表、地面測控站位置信息等存儲在PROM中，重構代碼通過地面注入或預先存儲于FLASH中，實現(xiàn)軟件任務配置、通信體制配置、控制邏輯配置等。

3） 高速總線交換模塊。采用雙星型拓撲結構的RapidIO總線[10]完成各模塊間的高速通信，兩組I/O全工作模式，通信速率≥6.25 Gb/s。

4） 固存高速數(shù)傳模塊。通信算法在Xilinx K7 FPGA內(nèi)實現(xiàn)[11]，工作在X頻段，可根據(jù)任務需求設置調制方式、工作頻點、信道編碼等，數(shù)傳速率≥450 Mb/s;存儲部分采用SLC FLASH介質，容量≥2 TB。模塊僅在載荷任務和數(shù)傳任務時開機。

為進一步提高微納衛(wèi)星功能密度，綜合電子機箱可以與衛(wèi)星結構一體化設計，這種結構設計在以往多個微納星上也已充分驗證，風險較低。

2 ?基于軟件定義的綜合電子系統(tǒng)動態(tài)重構實現(xiàn)

2.1 ?面向多任務的可重構的軟件架構設計

軟件化定義微納衛(wèi)星有靈活的重構顆粒度劃分，既可以進行整星的功能與任務轉換，也可實現(xiàn)部分功能重構，以滿足不同類型任務需求[12]。軟件系統(tǒng)根據(jù)任務建立模型，配置軟硬件參數(shù)，如零動量/偏置動量、磁控/輪控磁控混合、固定指向/機動跟蹤、測控/數(shù)傳、熱控閉環(huán)/開環(huán)、母線調節(jié)/不調節(jié)等。雖然衛(wèi)星任務不同，但其功能組成基本相同，可分為BSP、操作系統(tǒng)、應用層。應用層按照功能配置不同的進程模塊，如軌道處理、軌控管理、星務管理、遙測遙控管理、能源管理、姿態(tài)確定和控制、載荷管理和數(shù)據(jù)存儲管理等。

對不同配置需求的微納衛(wèi)星，將其軟件體系分解為通用架構和差異部分，進一步將各種差異部分進行融合，并將不可融合部分變?yōu)檫x擇項，實現(xiàn)軟件體系架構可配置重構，如圖2所示。每個軟件模塊均可分為通用模塊和配置參數(shù)兩部分，如姿態(tài)確定和控制功能模塊分為通用姿態(tài)確定和控制模塊以及配置參數(shù)，配置參數(shù)包括單機標定系數(shù)、安裝矩陣和控制系數(shù)等。通過任務級可配置研究，將模塊分為通用模塊和配置參數(shù)實現(xiàn)了軟件模塊的可配置，完成了軟件系統(tǒng)的可配置和重構，從而實現(xiàn)基于軟件定義的綜合電子系統(tǒng)。

2.2 ?軟件定義的綜合電子系統(tǒng)重構方法

結合在軌軟件化定義技術特點，將系統(tǒng)重構流程分為三個步驟[13]：任務規(guī)劃輸入、軟件模式配置、底層接口配置，如圖3所示。原有姿態(tài)與軌道控制各單機狀態(tài)、整星能源情況、時統(tǒng)信息等平臺軟硬件資源，以及衛(wèi)星飛行計劃、載荷自主運行等與指令相關軟件資源均被映射到任務規(guī)劃步驟中，通過自主任務規(guī)劃模塊產(chǎn)生指令序列。載荷管理軟件對其分解，將各配置參數(shù)傳遞給星務管理軟件，如任務中需要的通信模式、姿態(tài)控制、指向機動、數(shù)據(jù)接口等。

可重構系統(tǒng)典型應用案例：衛(wèi)星巡航模式下，綜合電子工作在測控模式，姿態(tài)指向為慣性對日模式，星?地通信采用USB體制，碼速率為8 192 b/s;當自主任務規(guī)劃模塊識別目標后，綜合電子工作切換為數(shù)傳模式，姿態(tài)指向為對地模式，星?地通信采用QPSK體制，碼速率為2 Mb/s。

3 ?綜合電子系統(tǒng)工程樣機實現(xiàn)

綜合考慮微納衛(wèi)星成本、體積等因素，產(chǎn)品實現(xiàn)均以商用元器件COTS為主[14]，核心器件如FPGA、晶振、電源模塊等采用普軍以上等級器件;產(chǎn)品采用板級篩選模式，前期通過加速老化試驗，剔除不合格品。目前該產(chǎn)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)試等大型試驗，系統(tǒng)均工作正常。工程樣機重量為1.3 kg，功耗為14 W，處理能力大于200 MIPS，模塊間通信速率大于6.25 Gb/s，具有行業(yè)領先優(yōu)勢。

4 ?結 ?語

針對微納衛(wèi)星功能密度高、研制周期短、快速響應等特點，本文設計并實現(xiàn)了基于軟件定義的微納衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備星務管理、姿軌計算、測控數(shù)傳和電源管理等功能，并可通過軟件、軟件無線電動態(tài)重構，充分有效地提高硬件和軟件等各種資源的復用程度。在技術和理論基礎上加以工程實踐，研制了基于COTS器件的工程樣機，可推廣至各類型微納衛(wèi)星應用中。

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