范大亮 王向暉 雷勇

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

隨著星載計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，軟件、FPGA(以下簡稱軟件)越來越廣泛地應(yīng)用到衛(wèi)星電子信息設(shè)備。遙感衛(wèi)星有效載荷復(fù)雜、應(yīng)用多樣，衛(wèi)星空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)[1]中軟件的作用越來越重要，系統(tǒng)信息流、控制流及軟件內(nèi)外部接口日益復(fù)雜。因此，衛(wèi)星研制應(yīng)建立“軟件系統(tǒng)”概念，盡可能在前期充分挖掘用戶的顯性需求和潛在需求，加強軟件系統(tǒng)的頂層設(shè)計工作。

資源一號02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)用于接替資源一號02C衛(wèi)星，能獲取中等分辨率、大幅寬和定量化遙感數(shù)據(jù)，在光譜特性、成像幅寬、圖像質(zhì)量方面較資源一號02C衛(wèi)星有較大的性能提升。其軟件系統(tǒng)設(shè)計圍繞衛(wèi)星性能提升目標(biāo)，繼承遙感領(lǐng)域技術(shù)成熟度高、具有一定先進(jìn)性的軟件系統(tǒng)設(shè)計方案，通過衛(wèi)星任務(wù)分析、信息資源分析確定各個軟件產(chǎn)品的研制基線和改進(jìn)需求，完成軟件系統(tǒng)設(shè)計需求向各軟件產(chǎn)品的合理分配。在此基礎(chǔ)上，開展資源分配、信息流、控制流、重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)設(shè)計及軟件健壯性[2]設(shè)計，最大可能沿用以往衛(wèi)星軟件產(chǎn)品，減少新研軟件產(chǎn)品數(shù)量，使軟件系統(tǒng)設(shè)計資源需求小、總線通信負(fù)載均衡、控制信息時序相容、重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)設(shè)計合理可靠、抗空間環(huán)境及異常輸入能力較強、健壯性設(shè)計及在軌維護(hù)[3]簡單易行，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)設(shè)計總體指標(biāo)最優(yōu)化[4]，滿足衛(wèi)星好用易用、資源優(yōu)化配置、健壯性強的總體要求。

本文介紹了資源一號02D衛(wèi)星軟件系統(tǒng)設(shè)計特點，重點解決軟件系統(tǒng)好用易用設(shè)計、資源優(yōu)化設(shè)計、健壯性設(shè)計問題，并通過衛(wèi)星的在軌運行進(jìn)行驗證。

1 衛(wèi)星軟件系統(tǒng)設(shè)計

資源一號02D衛(wèi)星軟件系統(tǒng)基于典型遙感衛(wèi)星電子信息系統(tǒng)架構(gòu)，按照衛(wèi)星各軟件配置項進(jìn)行信息交互的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件系統(tǒng)架構(gòu)[5]，形成以1553B總線為骨干網(wǎng)，422、LVDS、TLK2711總線為子網(wǎng)的多層分布式結(jié)構(gòu)[6]，見圖1。

注：TCU為遙控單元；CTU為中央終端單元；RTU為遠(yuǎn)置終端單元；CCU為中心控制單元；ECU為應(yīng)急控制單元；IO為輸入與輸出；VNIR為可見近紅外；SWIR為短波紅外；DRP為數(shù)據(jù)存儲與處理；LTU為本地終端單元；AOS為高級在軌系統(tǒng)。圖1 資源一號02D衛(wèi)星軟件系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.1 Software system architecture of ZY-1-02D satellite

與資源一號02C衛(wèi)星相比，資源一號02D衛(wèi)星成像幅寬大、譜段多，相機(jī)成像輸出數(shù)據(jù)碼速率約為資源一號02C衛(wèi)星的6.7倍，定位精度從260 m(1σ)提高到36 m(1σ)，極限側(cè)擺角側(cè)擺到位時間僅為資源一號02C衛(wèi)星的40%，對衛(wèi)星數(shù)傳、測控、控制系統(tǒng)提出了更高的要求。為此，資源一號02D衛(wèi)星軟件系統(tǒng)設(shè)計對衛(wèi)星2級子網(wǎng)重點進(jìn)行了優(yōu)化，采用單路串行收發(fā)速率可達(dá)1.6～2.7 Gbit/s的TLK2711子網(wǎng)，替換了單路收發(fā)速率最高100 Mbit/s的LVDS子網(wǎng)，優(yōu)化GPS導(dǎo)航系統(tǒng)軟件算法，控制系統(tǒng)內(nèi)部子網(wǎng)采用1553B總線和422總線構(gòu)成2級子網(wǎng)，提高了控制系統(tǒng)內(nèi)部信息處理能力。

軟件系統(tǒng)信息流是從信息傳輸和處理的角度，描述信息從輸入到輸出的移動和變換過程，能夠清晰地反映軟件系統(tǒng)必須完成的邏輯功能，是開展軟件系統(tǒng)分析的重要工具。根據(jù)信息傳輸帶寬需求，將資源一號02D衛(wèi)星信息流劃分為高速、低速2種，有效載荷數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)(包括定位數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)等)等為高速信息流，遙測、遙控數(shù)據(jù)及其他服務(wù)數(shù)據(jù)為低速信息流。在軟件系統(tǒng)設(shè)計時，優(yōu)化信息流從信息源到信息宿的傳輸路徑，減少中間環(huán)節(jié)，避免出現(xiàn)信息擁塞，使整星各種信息流成為一個有機(jī)整體，滿足衛(wèi)星成像任務(wù)需求。

圖2為衛(wèi)星平臺信息流。衛(wèi)星平臺信息流以數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[7]CTU為核心，將各個終端組織在以1553B總線為中心的信息網(wǎng)絡(luò)中，通過各終端之間的相互配合和信息交換，共同完成衛(wèi)星重要數(shù)據(jù)、工程遙測數(shù)據(jù)存儲、查詢，以及遙控遙測數(shù)據(jù)、時間、姿態(tài)數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)等服務(wù)數(shù)據(jù)的采集分發(fā)等功能，實現(xiàn)不同總線協(xié)議的信息共享和互操作[8]。衛(wèi)星平臺信息流具體可以劃分為重要數(shù)據(jù)流、平臺信息存儲信息流、時間流、天線控制數(shù)據(jù)流、輔助數(shù)據(jù)流、上行遙控流和下行遙測流等子類。

圖3為衛(wèi)星有效載荷信息流。有效載荷信息流以數(shù)據(jù)處理器為主體，實現(xiàn)可見近紅外相機(jī)圖像數(shù)據(jù)、高光譜相機(jī)圖像數(shù)據(jù)、衛(wèi)星平臺存儲數(shù)據(jù)的合路存儲或?qū)Φ貍鬏敗?/p>

注：PSK為相移鍵控；PVT為位置、速度與時間；遙測遙控信息省略。圖2 衛(wèi)星平臺信息流Fig.2 Information flow of satellite platform

2 軟件系統(tǒng)好用易用設(shè)計

資源一號02D衛(wèi)星2臺相機(jī)與數(shù)傳、固態(tài)存儲器、數(shù)傳天線存在多種主備份工作組合，如果根據(jù)衛(wèi)星設(shè)備的物理實現(xiàn)設(shè)計衛(wèi)星工作模式和用戶上注任務(wù)的指令結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致狀態(tài)較多且復(fù)雜，用戶難以高效使用，地面運控壓力很大。對衛(wèi)星的物理實現(xiàn)進(jìn)行適度抽象，隔離非核心功能和信息，為用戶提供使用衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)操作接口，可以極大降低用戶使用衛(wèi)星的復(fù)雜程度，減輕地面運控的負(fù)擔(dān)。通過工作模式設(shè)計、任務(wù)剖面設(shè)計建立操控使用環(huán)境，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行操控使用設(shè)計并進(jìn)行優(yōu)化，滿足好用易用需求。

2.1 工作模式設(shè)計

衛(wèi)星工作模式包括發(fā)射、入軌狀態(tài)建立、正常待機(jī)、有效載荷各短期工作、軌道維持和調(diào)整、故障模式等。其中，發(fā)射模式和入軌狀態(tài)建立模式在軌僅執(zhí)行1次；衛(wèi)星在軌飛行期間，主要在后面幾種模式中切換。圖4為衛(wèi)星工作模式邏輯關(guān)系。

2.2 任務(wù)剖面設(shè)計

根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射及在軌運行的工作內(nèi)容，將衛(wèi)星任務(wù)分為發(fā)射階段、狀態(tài)建立階段、在軌測試階段、在軌應(yīng)用階段。①發(fā)射階段，從運載火箭一級點火開始到星箭分離完成；②狀態(tài)建立階段，從星箭分離完成開始到入軌后衛(wèi)星工作狀態(tài)建立完成結(jié)束；③在軌測試階段，衛(wèi)星平臺及有效載荷的工作狀態(tài)建立后，根據(jù)用戶的試驗計劃，以有效載荷試驗為主線，配合用戶完成有效載荷地面標(biāo)定試驗；④在軌應(yīng)用階段，衛(wèi)星交付后的具體工作安排根據(jù)用戶及相關(guān)單位的要求進(jìn)行策劃，通過衛(wèi)星預(yù)設(shè)的各種工作模式實施。表1為衛(wèi)星任務(wù)剖面。

表1 衛(wèi)星任務(wù)剖面Table 1 Mission profile of satellite

2.3 操控使用設(shè)計

從操控模式優(yōu)化、狀態(tài)監(jiān)視優(yōu)化2個方面開展操控使用設(shè)計。

從指令組設(shè)計、任務(wù)級指令設(shè)計、自主健康管理設(shè)計3個維度進(jìn)行操控模式優(yōu)化設(shè)計。①指令組設(shè)計。星上具備固定指令及時序的操作，以指令組的形式固化在軟件中，為地面發(fā)送指令調(diào)用、星上自主程控、自主任務(wù)管理提供基本功能單元。②任務(wù)級指令設(shè)計。任務(wù)級指令是星上事先存儲的按照固定時序排列的一組指令，通過對上行指令接口進(jìn)行抽象，使衛(wèi)星業(yè)務(wù)指令設(shè)計獨立于衛(wèi)星指令序列的物理實現(xiàn)，地面僅發(fā)送必要的執(zhí)行參數(shù)，衛(wèi)星可自主完成參數(shù)的解析并展開指令序列執(zhí)行。③自主健康管理設(shè)計。結(jié)合衛(wèi)星故障樹分析結(jié)果，對星箭分離信號、控制分系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)急模式信號、雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)工作狀態(tài)、CTU復(fù)位和切機(jī)狀態(tài)、姿態(tài)與軌道控制計算機(jī)(AOCC)或應(yīng)急控制(EC)計算機(jī)應(yīng)急控制狀態(tài)、有效載荷連續(xù)加電時間進(jìn)行實時監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述信息的狀態(tài)對應(yīng)的故障模式判據(jù)成立時，自主執(zhí)行相應(yīng)的故障處置措施。

從測控通道遙測設(shè)計、數(shù)傳通道遙測設(shè)計、星上實時遙測存儲設(shè)計、星上重要數(shù)據(jù)存儲設(shè)計4個維度進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)各分系統(tǒng)在衛(wèi)星工作模式及任務(wù)剖面中的工作狀態(tài)設(shè)計遙測源包調(diào)度與存儲、回溯策略，滿足各分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視的需要。

根據(jù)操控模式優(yōu)化設(shè)計、狀態(tài)監(jiān)視優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，結(jié)合衛(wèi)星各工作模式形成操控使用準(zhǔn)則，如表2所示。

表2 操控使用準(zhǔn)則Table 2 Guidelines of control and use

在表2中：①虛擬信道(VC)調(diào)度分為3個VC。VC1為等時傳輸，組織傳輸遙測，包括發(fā)射模式、正常模式、變軌模式、應(yīng)急模式、?？啬Ｊ健⑷藨B(tài)模式的遙測參數(shù)包；VC2為受控于地面指令的突發(fā)傳輸，僅組織傳輸內(nèi)存讀出和事件數(shù)據(jù)的參數(shù)包；VC3為受控于地面指令的突發(fā)傳輸，組織傳輸在軌查詢數(shù)據(jù)；VC2與VC3傳輸時，與VC1以1 s間隔周期性共享測控物理信道。②地面控制中的“需要”是指每次執(zhí)行該項任務(wù)必須由地面實時或延時發(fā)起指令，并提供必要的任務(wù)參數(shù)；“允許”是指可由地面指令控制，但任務(wù)一般由某種條件觸發(fā)或具有規(guī)律性，可由星上自主執(zhí)行以優(yōu)化上行操作。③程控執(zhí)行是指需要由星上自主判斷條件并執(zhí)行的功能，例如蓄電池電量低時自主進(jìn)入休眠模式的功能。④任務(wù)級指令優(yōu)化需求是指需要由地面控制的工作模式，執(zhí)行時若指令數(shù)量多、上行數(shù)據(jù)量大，則有進(jìn)行任務(wù)級指令優(yōu)化的必要，通過內(nèi)建指令模板使地面只需要上注必要的參數(shù)，以簡化上行操作。

3 軟件系統(tǒng)資源優(yōu)化設(shè)計

資源一號02D衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳輸速率、定位精度、姿態(tài)機(jī)動幾方面比資源一號02C衛(wèi)星有了大幅提升，依據(jù)文獻(xiàn)[9]中的估算方法對各軟件配置項代碼規(guī)模進(jìn)行估算，根據(jù)代碼估算結(jié)果對各軟件配置項研制基線進(jìn)行更動影響域分析。分析結(jié)果表明：資源一號02D衛(wèi)星數(shù)管中央單元、雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)傳天線伺服控制器、固態(tài)存儲器均需要選擇更高計算能力的成熟單機(jī)產(chǎn)品作為研制基線。通過軟件代碼規(guī)模估算、衛(wèi)星性能提升要求及產(chǎn)品推薦型譜，最終確定各軟件配置項計算資源需求，明確軟件配置項宿主機(jī)CPU類型/主頻、存儲器規(guī)模及操作系統(tǒng)調(diào)度周期等指標(biāo)。通過分析用戶使用方式、有效載荷原始數(shù)據(jù)率，以及能源、熱控等約束條件，設(shè)計衛(wèi)星工作模式組合，計算衛(wèi)星存儲容量需求，確定衛(wèi)星固態(tài)存儲器容量設(shè)計為2 Tbit可滿足用戶每天連續(xù)記錄2～3次的成像需求。

計算相機(jī)不同圖像壓縮比下的數(shù)傳通道最大碼速率，高碼速率模式采用邊記邊放模式或記錄模式，相機(jī)數(shù)據(jù)先存入固態(tài)存儲器再回放到數(shù)傳通道，低碼速率根據(jù)衛(wèi)星測控弧段選擇實傳模式或記錄模式，根據(jù)衛(wèi)星固態(tài)存儲器容量及典型測控弧段計算數(shù)傳分系統(tǒng)傳輸帶寬需求邊界，數(shù)傳研制基線根據(jù)計算結(jié)果選擇具有900 Mbit/s高速傳輸能力的成熟產(chǎn)品。

通過分析衛(wèi)星平臺、有效載荷在衛(wèi)星任務(wù)剖面、各短期工作模式下數(shù)據(jù)傳輸需求，衛(wèi)星星內(nèi)數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)采用低速+高速配置模式，1553B、422總線傳輸遙測、遙控、服務(wù)數(shù)據(jù)等低速數(shù)據(jù)，LVDS、TLK2711傳輸有效載荷成像數(shù)據(jù)等高速數(shù)據(jù)，滿足不同應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)傳輸需求。

對參數(shù)與指令進(jìn)行分級設(shè)計，合理分配遙測信道與指令通道資源，為67種遙測源包設(shè)計了6個遙測模式，針對衛(wèi)星任務(wù)剖面的各個階段、衛(wèi)星的各種工作模式進(jìn)行源包調(diào)度優(yōu)化，使衛(wèi)星各階段、各種工作模式下的高優(yōu)先級遙測得到充分的信道帶寬支持，同時保證低優(yōu)先級遙測獲得一定的傳輸能力。各分系統(tǒng)、單機(jī)的關(guān)鍵指令采用直接指令與間接指令異構(gòu)備份模式，保證關(guān)鍵指令能夠得到4個指令通道的冗余，普通指令采用直接指令或間接指令同構(gòu)備份模式，提高指令通道資源的使用效率。

上述軟件系統(tǒng)資源優(yōu)化設(shè)計措施，使得資源一號02D衛(wèi)星軟件在具備相機(jī)全通道最大碼速率1959 Mbit/s、定位精度36 m(1σ)、姿態(tài)機(jī)動能力26°/240 s性能的前提下，得到了只需要升級衛(wèi)星平臺4臺單機(jī)計算資源、固態(tài)存儲器容量僅需要2 Tbit、數(shù)傳僅需要900 Mbit/s傳輸速率、遙測模式僅需要6個即可完成衛(wèi)星能力提升的優(yōu)化結(jié)果。

4 軟件系統(tǒng)健壯性設(shè)計

資源一號02D衛(wèi)星設(shè)計壽命由資源一號02C衛(wèi)星的3年提升至5年，軟件需加強健壯性設(shè)計，以保證衛(wèi)星在軌長期穩(wěn)定運行。根據(jù)各軟件/FPGA自身設(shè)計特點、硬件資源及可靠性安全性[10]要求，開展與之相適應(yīng)的單粒子防護(hù)、參數(shù)在軌維護(hù)、重要數(shù)據(jù)恢復(fù)、程序在軌維護(hù)設(shè)計，實現(xiàn)相應(yīng)的接口和數(shù)據(jù)安全檢查、重要數(shù)據(jù)維護(hù)與恢復(fù)、對自身運行狀態(tài)的檢查與維護(hù)、在軌進(jìn)行功能重構(gòu)等能力，以及運行參數(shù)的修改和程序的修訂功能，從而保證衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行5年。表3為衛(wèi)星軟件/FPGA健壯性配置能力示例。

表3 衛(wèi)星軟件/FPGA健壯性配置能力Table 3 Configuration capability of satellite software/FPGA robustness

5 在軌驗證

資源一號02D衛(wèi)星發(fā)射至在軌期間，執(zhí)行了發(fā)射段自主程控、入軌狀態(tài)建立，以及衛(wèi)星邊記邊放、實時傳輸、成像記錄、數(shù)據(jù)回放等在軌正常工作模式有效載荷工作測試，衛(wèi)星姿態(tài)正常，衛(wèi)星各軟件配置項功能性能正常。表4為衛(wèi)星軟件/FPGA驗證矩陣。

表4 衛(wèi)星軟件/FPGA驗證矩陣Table 4 Test matrix of satellite software/FPGA

按照文獻(xiàn)[11]中規(guī)定的有效性、易操作性度量，對資源一號02D衛(wèi)星軟件系統(tǒng)設(shè)計好用易用性進(jìn)行評價。表5為衛(wèi)星軟件/FPGA品質(zhì)評價。在10項有效性評價項目中，3項不適用，5項達(dá)到理想值，2項與理想值差距較多。表5有效性評價中“功能的有用性”、“文檔和幫助的功能說明有效性”與理想值差距較多的主要原因為：衛(wèi)星的在軌不可維修性需要設(shè)計專門的故障模式，而且發(fā)射模式和入軌狀態(tài)建立模式為航天器特有的“一次性”使用模式，所以這3個工作模式用戶不使用。在10項易操作性項目中，3項不適用，6項達(dá)到理想值，1項與理想值差距較多。表5易操作性評價中“操作的易還原性”與理想值差距較多的原因同有效性評價。

表5 衛(wèi)星軟件/FPGA品質(zhì)評價Table 5 Quality evaluation of satellite software/FPGA

6 結(jié)束語

資源一號02D衛(wèi)星軟件系統(tǒng)設(shè)計基于典型遙感衛(wèi)星電子信息系統(tǒng)架構(gòu)，形成以1553B總線為骨干網(wǎng)，422、LVDS、TLK2711總線為子網(wǎng)的多層分布式結(jié)構(gòu),重點加強了好用易用設(shè)計、資源優(yōu)化設(shè)計、軟件健壯性設(shè)計。衛(wèi)星在軌飛行結(jié)果表明，衛(wèi)星軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，指標(biāo)符合要求，用戶任務(wù)執(zhí)行正常，標(biāo)志著軟件系統(tǒng)設(shè)計滿足衛(wèi)星多譜段、大幅寬、定量化能力提升要求，具有較高的健壯性和較好的易用性。