陳世淼，倪淑燕，廖育榮

(1.航天工程大學研究生院，北京 101407；2.航天工程大學電子與光學工程系，北京 101407)

0 引言

隨著電子科學技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星正在逐漸往小型化、集成化和模塊化的方向發(fā)展，具有體積小、重量輕、性能高特點的微小衛(wèi)星應運而生[1,2]。未來的微小衛(wèi)星平臺將會是一個把任務、功能、資源統(tǒng)一調(diào)度管理的綜合電子系統(tǒng)，在通信、遙感、科研和軍事等方面都有著廣泛的用途[3,4]。

微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)以現(xiàn)場總線組成控制網(wǎng)絡,配以有限的通信節(jié)點,構(gòu)成功能密集、配置靈活的網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有集中管理、分散控制、集同設計、分散研制的特點[5]。隨著航天任務復雜度的增加和人們對微小衛(wèi)星性能要求的提高，微小衛(wèi)星的軟硬件設計的復雜性也在逐漸增加，星載綜合電子系統(tǒng)作為微小衛(wèi)星系統(tǒng)的核心，對微小衛(wèi)星的性能有著重大的影響。

國外航天器綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復雜，從單機、分系統(tǒng)到全航天器統(tǒng)一設計的過程。航天器綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展可以分為四個階段，第一階段是1975年以前，主要研發(fā)高性能電氣器件來實現(xiàn)簡單的功能。第二階段是1975-1990年，通過開發(fā)相互獨立的系統(tǒng)來完成比較復雜的功能，且各系統(tǒng)之間相互獨立。第三階段是1990-2005年，研究的重點是系統(tǒng)功能的定義和功能集成，將每一項大的功能構(gòu)成一個系統(tǒng)，分別由不同的供應商提供。2005年以來是第四個階段，國外的航天器綜合電子系統(tǒng)已經(jīng)進入了一個統(tǒng)一的電子工程環(huán)境和標準化接口的時代，主要趨勢是由專用接口定義向標準化接口定義發(fā)展；由電子設備簡單融合，向系統(tǒng)頂層優(yōu)化、系統(tǒng)集成發(fā)展；由分散設計向自定而下的一體化設計發(fā)展[6]。

目前國內(nèi)微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)功能密度低、衛(wèi)星電子系統(tǒng)總體技術(shù)水平和平臺性能不高，在總體方案設計、信息傳輸協(xié)議的制定、機械接口和電氣接口標準化的制定、接口電路的模塊化設計、星載標準總線接口芯片等方面，還需要做大量的工作。所以對微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)展開研究對國內(nèi)航天事業(yè)的發(fā)展有著重要意義[7-8]。

1 微小衛(wèi)星系統(tǒng)組成

微小衛(wèi)星由微小衛(wèi)星平臺和有效載荷兩部分組成。除了星載綜合電子系統(tǒng)外，微小衛(wèi)星平臺還包括結(jié)構(gòu)與機構(gòu)、電源分系統(tǒng)、姿態(tài)控制分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)及熱控分系統(tǒng)等[9]。星載計算機通過標準化的數(shù)據(jù)接口與星上平臺設備及有效載荷設備共同組成星上電子系統(tǒng)。有效載荷主要包括偵察載荷、通信載荷、導航載荷等。微小衛(wèi)星的組成如圖1所示，下面對微小衛(wèi)星平臺的各個分系統(tǒng)進行介紹。

圖1 微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖

星載綜合電子系統(tǒng)主要由星載計算機及星務管理軟件組成。微小衛(wèi)星體積小、集成度高的，其功能和性能的多樣性和復雜性決定了微小衛(wèi)星的綜合電子系統(tǒng)具有很高的技術(shù)含量。同時為滿足微小衛(wèi)星可批量生產(chǎn)的特點，在設計微小衛(wèi)星的綜合電子系統(tǒng)時十分注重部件功能的實現(xiàn)以及接口的規(guī)范化和標準化,以減少重復的開發(fā)和驗證工作。

微小衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)一般采用立方體衛(wèi)星，常見的有1U、2U、3U、6U等。立方體衛(wèi)星易于標準化、模塊化，并且可根據(jù)自身需求由工廠生產(chǎn)。

電源分系統(tǒng)包括電源控制板、電池組和太陽能電池板，電源控制板實現(xiàn)對電池組的管理、電源分配控制和電壓、電流檢測功能。目前微小衛(wèi)星的太陽能電池板采用三結(jié)輕型太陽電池片，電池組采用鋰電池，極大地提高了微小衛(wèi)星的電源分系統(tǒng)性能。

姿態(tài)控制分系統(tǒng)包括磁強計、GNSS、IMU等敏感器，飛輪、磁力矩器等執(zhí)行器。通過敏感器獲取衛(wèi)星當前的姿態(tài)信息，利用飛輪和磁力矩器改變衛(wèi)星當前的姿態(tài)，實現(xiàn)對地、對日定向及衛(wèi)星載荷執(zhí)行任務所需的姿態(tài)變化。微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，目前主要采用主動三軸姿態(tài)控制，且指向精度可達到0.1°-0.05°[10]。

測控分系統(tǒng)一般由星載通信板、數(shù)傳和天線組成。微小衛(wèi)星通過星載通信板向地面?zhèn)魉托l(wèi)星遙測量、載荷數(shù)據(jù)，同時接收地面站的測控指令。數(shù)傳系統(tǒng)由數(shù)傳發(fā)射機、固態(tài)存儲和數(shù)傳天線3部分組成。數(shù)傳發(fā)射機安裝于星內(nèi)，數(shù)傳天線安裝在星外，兩者由高頻電纜連接，固態(tài)存儲對應用載荷數(shù)據(jù)進行編碼和存儲記錄，同時能夠根據(jù)指令將存儲的數(shù)據(jù)按照協(xié)議組幀回放。天線要求體積小、重量輕，雙頻段設計，高度集成化。

熱控分系統(tǒng)利用被動元件和主動溫控兩種方式，實現(xiàn)衛(wèi)星的熱平衡，保證星內(nèi)電子系統(tǒng)處在能夠正常工作的溫度范圍內(nèi)。被動元件有多層隔熱層，熱控涂層和恒溫絕熱層。通過電加熱器對需要主動加熱的組部件進行加熱。

2 星載綜合電子系統(tǒng)設計

2.1 星載處理器

星載綜合電子系統(tǒng)的核心是星載計算機，星載計算機的CPU直接決定了計算機的性能。選擇CPU時要考慮以下幾個方面：一是性能、功耗等技術(shù)指標，二是太空環(huán)境下的穩(wěn)定性，三是片上集成的I/O接口類型和數(shù)量，四是操作系統(tǒng)的支持情況。

Intel 80X86系列處理器在衛(wèi)星平臺上有著廣泛的應用，其處理性能相對較差，雖然仍然能滿足現(xiàn)在的星務管理系統(tǒng)需求，但是性能將會限制其在未來星務管理系統(tǒng)的發(fā)展。

MIL-STD-1750A是一款十六位的非精簡指令集CPU，有著較高的可靠性和抗輻射能力，在國外的航天任務中有著較長的應用歷史，我國的風云系列衛(wèi)星也是采用的該架構(gòu)的處理器。隨著衛(wèi)星功能密度的增加，1750A的數(shù)據(jù)處理速率逐漸難以滿足航天任務的需求了。

ARM處理器具有低功耗、低成本、高性能的特點，其外圍接口豐富，可擴展性強。由于ARM處理器質(zhì)量等級低，所以應用在星務管理系統(tǒng)需要進行一定的篩選。近幾年研制出的ARM和FPGA相結(jié)合的商用器件在微小衛(wèi)星上的應用也越來越廣泛。

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的處理器由IBM和Motorola公司共同研制，具有很高性能、低功耗的特點，相關(guān)的軟硬件資源也比較豐富。該體系架構(gòu)在民用嵌入市場中取得了巨大的成功，并且NASA采用的處理器架構(gòu)多為PowerPC，在軍用、航天領(lǐng)域都有著成熟的應用。

SPARC架構(gòu)采用的是精簡指令集的CPU指令集架構(gòu)，該系列處理器有著很高的質(zhì)量等級，運算能力較高，功耗適中[11]。目前歐航局多采用SPARK架構(gòu)的處理器，但是在國內(nèi)的應用范圍較小。

表1為幾種典型的處理器的參數(shù)對比。為滿足微小衛(wèi)星低功耗、低成本、高性能的特點，本文推薦采用ARM處理器作為微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的處理器。ARM處理器成本低、功耗低、性能較高，適用于微小衛(wèi)星的工作特點，但對處理器進行篩選時要選擇質(zhì)量等級較高。

表1 處理器參數(shù)對比

2.2 星載總線技術(shù)

星載綜合電子系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以星載計算機為核心，通過低速控制總線來進行內(nèi)部數(shù)據(jù)的交換，將各個模塊有機的組合在一起，同時通過高速數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)載荷部分數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)傳輸。星載綜合電子系統(tǒng)中總線的可靠性、功率損耗、傳輸速率和通用程度都是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，目前應用比較多的總線主要有RS-422/485(串行通信總線)、ARINC659總線、CAN(串行多主站控制器局域網(wǎng)總線)、MIL-STD-1553B(時分制指令/響應式多路傳輸數(shù)據(jù)總線)、IEEE 1394、SpaceWire(空間高速串行數(shù)據(jù)總線)等，下面對各個總線進行簡要介紹和分析。

RS-485總線是一種高速通用串行多節(jié)點、長距離通信的總線。RS-485總線采用差分方式傳輸信號，數(shù)據(jù)率可達到10Mbps，總線結(jié)構(gòu)為主/從結(jié)構(gòu)，在同一數(shù)據(jù)線上最多允許32個設備間的通信。RS-485總線價格低廉，在控制領(lǐng)域有著廣泛的應用，但因為其穩(wěn)定性相對較差，所以在航天領(lǐng)域應用相對較少。

ARINC659總線是美國航空無線電公司在1993年制定的標準背板數(shù)據(jù)總線規(guī)范，成功應用在波音系列飛機的航天系統(tǒng)上[12]。ARINC659總線是一種標準的多點串行通信總線，具有完備的數(shù)據(jù)確定性和容錯性的特點。在航天器上應用ARINC659總線將很好地提高航天器的穩(wěn)定性和可靠性。

CAN總線是德國BOSCH公司在20世紀80年代提出的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。CAN總線以其強抗干擾性、高傳輸速率和低成本，從二十一世紀初便被廣泛應用在航天領(lǐng)域，技術(shù)相對比較成熟，但是航天領(lǐng)域中CAN總線的拓撲結(jié)構(gòu)還需要進行深入的研究[13]。

1553B總線最早與1973年由美國軍方和政府提出，并一直沿用至今。我國從二十世紀末開始使用該標準，并進行修訂和擴充，目前在我國的航空領(lǐng)域應用廣泛。根據(jù)標準規(guī)定，一個1553B總線通信系統(tǒng)由總線控制器(BC)，遠程終端(RT)和總線監(jiān)控器(BM)三種節(jié)點終端組成。其中，BC負責總線上數(shù)據(jù)信息的傳輸，BM負責接收和記錄總線上傳輸?shù)男畔ⅲ琑T為子功能系統(tǒng)終端，RT的最大數(shù)量為31個，并且1553B采用雙冗余結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[14]?？傮w來說，1553B具有可靠性高、抗干擾能力強、靈活、擴充和維護簡便等特點。

IEEE 1394總線開始是一種商業(yè)串行接口標準，起源于Apple公司在上世紀80年代開發(fā)的FireWire。IEEE 1394的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達到400Mbps，支持即插即用、熱插拔、點對點傳輸和異步數(shù)據(jù)傳輸[15]。IEEE 1394沒有內(nèi)部容錯措施，可以通過冗余設計和使用抗輻射加固芯片來提高可靠性。

SpaceWire總線是由歐洲空間局(ESA)、美國宇航局(NASA)等多個宇航機構(gòu)以及學術(shù)組織共同制定的一種高速、可升級、低功耗、低成本的串行總線。Space Wire總線網(wǎng)絡由鏈路、節(jié)點和路由器組成，需要根據(jù)工程應用的需求來設計網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[16-17]。與國外的Space Wire總線研究相比，國內(nèi)研究起步較晚，應用范圍和技術(shù)水平均有一定差距。開展航天器上Space Wire總線研究將縮短我國與國外航天水平的差距。

表2 總線參數(shù)對比

通過對比上述幾種總線性能可以看出RS-485總線價格低廉，可靠性較低，IEEE 1394、1553B總線成本高、功耗高，ARINC659總線，SpaceWire總線在微小衛(wèi)星上應用很少，CAN總線價格低廉、可靠性高、應用廣泛，本文推薦使用CAN總線作為微小衛(wèi)星的總線。

2.3 星載操作系統(tǒng)

隨著星載綜合電子系統(tǒng)的功能和性能的大幅提升，采用實時操作系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢。實時操作系統(tǒng)不僅與星載綜合電子系統(tǒng)的硬件資源存在密切關(guān)系，并且對軟件的資源的管理和調(diào)度起著重要作用。

目前國內(nèi)外開發(fā)了很多實時操作系統(tǒng)，比如軍事和航天領(lǐng)域應用比較多的VxWorks 系統(tǒng)，μC/OS-II 系統(tǒng)等，發(fā)展迅速并具有大量使用者的FreeRTOS系統(tǒng)，國產(chǎn)新興的大型實時SylixOS系統(tǒng)[18]。下面對各個操作系統(tǒng)進行簡單介紹說明：

VxWorks是美國風河公司的產(chǎn)品，是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中應用很廣泛，市場占有率比較高的嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當?shù)哪K來裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級的任務調(diào)度、任務間同步與通信、中斷處理、定時器和內(nèi)存管理等功能，內(nèi)建符合POSIX(可移植操作系統(tǒng)接口)規(guī)范的內(nèi)存管理，以及多處理器控制程序；并且具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至可以微縮到8 KB。所以，它被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域[19]。

μC/OS-II是在μC-OS的基礎上發(fā)展起來的，是美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse用C語言編寫的一個結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的多任務實時內(nèi)核。μC/OS-II能管理64個任務，并提供任務調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。μC/OS-II是一個結(jié)構(gòu)簡單、功能完備和實時性很強的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合開發(fā)那些對系統(tǒng)要求不是很苛刻，且RAM和ROM有限的各種小型嵌入式系統(tǒng)設備。目前已經(jīng)推出了μC/OS-III，其在性能上有很大提升，但是在穩(wěn)定性并不如μC/OS-II。

FreeRTOS是近幾年發(fā)展非常迅速的一款同時具有實時性，開源性，可靠性，易用性，多平臺支持等特點的實時操作系統(tǒng)。與其他系統(tǒng)相比，F(xiàn)reeRTOS具有可移植性非常好的C語言源代碼結(jié)構(gòu)，并且不受限制的實時任務數(shù)量和實時任務的優(yōu)先級，其設計小巧，簡單易用，具有很強的可擴展性。FreeRTOS目前有著大量的用戶基數(shù)，在學習和開發(fā)上有著更加豐富的參考資料，這也提高了該系統(tǒng)的使用穩(wěn)定性。經(jīng)過安全認證的SafeRTOS便是基于FreeRTOS開發(fā)而來，所以對FreeRTOS的安全性也有了更多的保障。

SylixOS是一款開源實時操作系統(tǒng)，從2006年研發(fā)以來便一直發(fā)展進步，到現(xiàn)在已經(jīng)是一款比較成熟的實時操作系統(tǒng)了。SylixOS作為嵌入式實時操作系統(tǒng)的后來者，使用了更先進的設計理念，使其安全性、可靠性達到甚至超過了眾多實時操作系統(tǒng)，成為國內(nèi)自主嵌入式實時操作系統(tǒng)的引領(lǐng)者。目前SylixOS 已成功應用于工業(yè)自動化與通信、武器裝備及國防安全、新能源應用等國家基礎領(lǐng)域中。但是由于其發(fā)展歷程較短，SylixOS的通用性相對其他操作系統(tǒng)較差。

VxWorks操作系統(tǒng)在航天領(lǐng)域應用廣泛，性能好，穩(wěn)定性高，但該系統(tǒng)不開源，需要針對芯片開發(fā)BSP。SylixOS操作系統(tǒng)是一款國產(chǎn)操作系統(tǒng)，性能和穩(wěn)定性都很高，但是應用較少。μC/OS-II和FreeRTOS是目前應用在微小衛(wèi)星上最多的兩款操作系統(tǒng)，有著很高的實時性和可靠性，并且其性能能滿足微小衛(wèi)星的任務需求。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星數(shù)目的不斷增加，衛(wèi)星在自主任務規(guī)劃調(diào)度、自主健康管理等方面有了更多的需求[20]。自主運行控制是利用人工智能等現(xiàn)代控制技術(shù)，改革傳統(tǒng)的任務運行和健康管理方式，使衛(wèi)星能夠自我管理并能完成任務，同時提高衛(wèi)星系統(tǒng)性能，并減少運行成本。

(1)自主規(guī)劃調(diào)度

規(guī)劃與調(diào)度是衛(wèi)星自主運行技術(shù)中最能體現(xiàn)其自主性和智能性的關(guān)鍵技術(shù)。規(guī)劃是從某個特定問題狀態(tài)出發(fā)，通過一系列動作來達到目標狀態(tài)的過程。調(diào)度則是在規(guī)劃完成后，為規(guī)劃中的動作分配資源和時間。在衛(wèi)星的自主運行控制過程中，資源和動作時間都會受到限制，所以要將規(guī)劃與調(diào)度結(jié)合起來，充分考慮衛(wèi)星的現(xiàn)有資源狀態(tài)，選擇最優(yōu)動作來達到目標狀態(tài)。

(2)自主健康管理

自主健康管理包括故障檢測、故障定位和故障恢復等技術(shù)，是自主運行的重要組成部分。當星載綜合電子系統(tǒng)偏離了正常狀態(tài)時，則稱系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，通過檢測確定出故障出現(xiàn)的時間、地點和故障級別。故障恢復模塊通過相應的修復技術(shù)來對系統(tǒng)進行修復，使系統(tǒng)能夠正常運行。如果故障無法修復，則通過切換冗余備份的方式來使衛(wèi)星恢復到正常工作狀態(tài)。

故障檢測的主要是對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，方法主要有極限檢查和基于模型的檢測。極限檢查是指跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，將檢測到的參數(shù)與正常工作時的參數(shù)作對比來判斷其是否處于正常工作狀態(tài)?；谀Ｐ偷臋z測是指對系統(tǒng)建立模型，并在系統(tǒng)運行時按照系統(tǒng)的執(zhí)行指令對模型進行推理運行,同時將系統(tǒng)當前的真實狀態(tài)同模型中對應部分由推理得到的狀態(tài)進行比較,如果當前狀態(tài)偏離模型的預期,則認為系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

(3)有效載荷自主處理

有效載荷自主處理是對衛(wèi)星載荷得到的原始數(shù)據(jù)進行預處理，從中提取出有價值的信息，從而指導航天器的后續(xù)工作或?qū)⒂袃r值的信息傳給地面，這是衛(wèi)星自主運行的高層次要求。例如遙感衛(wèi)星對地球進行圖像監(jiān)測時，通過對獲取的圖像進行分析，可以發(fā)現(xiàn)火災、水災和地震等現(xiàn)象并進行高分辨率的成像，從而使地面獲取更有價值的數(shù)據(jù)和資料。

4 結(jié)束語

星載綜合電子系統(tǒng)作為微小衛(wèi)星平臺的重要組成部分，通過實現(xiàn)星載綜合電子系統(tǒng)的硬件模塊化、軟件構(gòu)建化、接口規(guī)范化與標準化來提高系統(tǒng)可靠性、縮短產(chǎn)品研制周期、節(jié)約研制成本。為了推動國家航天事業(yè)的發(fā)展，構(gòu)建高性能、高可靠、多功能、智能化、小型化、產(chǎn)品化特性的微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)是滿足未來任務需要的必然之路。