張 溢 韓 璐 劉偉偉 裴 楠

北京空間飛行器總體設(shè)計部， 北京 100094

0 引 言

隨著航天器電子信息技術(shù)的進(jìn)步，綜合電子系統(tǒng)的功能性能不斷提升，逐步從傳統(tǒng)的遙測遙控功能拓展到涵蓋航天器遙測遙控管理、能源管理、熱控管理、健康管理、載荷信息處理及任務(wù)管理等多種功能的綜合化控制和管理系統(tǒng)，成為航天器電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與信息分發(fā)的控制中樞[1-3]。

為實現(xiàn)綜合電子系統(tǒng)與航天器其他各類分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，需要綜合電子系統(tǒng)提供大量的形式各異的數(shù)據(jù)接口。傳統(tǒng)航天器大多針對不同類型的平臺與載荷系統(tǒng)采用定制化的設(shè)計方式，產(chǎn)品通用性差，技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜多樣，質(zhì)量問題層出不窮。層次化以及模塊化的設(shè)計模式是將更小粒度的硬件模塊進(jìn)行通用化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，由標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊組裝成面向不同功能需求的航天器接口單元。其中國外的多個航天器電子系統(tǒng)均采用了模塊化的設(shè)計模式，如Airbus公司生產(chǎn)的AS250、AS400、AS1000系列遠(yuǎn)程接口單元(RIU)以及NASA生產(chǎn)的遠(yuǎn)程接口單元均由模塊化產(chǎn)品組裝形成，具有系列化、產(chǎn)品化的批產(chǎn)能力。為此，本文以標(biāo)準(zhǔn)通用硬件模塊、ASIC芯片、層次化總線體結(jié)構(gòu)作為技術(shù)支撐，根據(jù)航天器多型號產(chǎn)品通用，功能性能靈活伸縮，技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一的需求，提出一種基于模塊化可伸縮的高可靠航天器通用接口單元設(shè)計方案，可有效提升航天器通用接口單元的通用性、可靠性以及產(chǎn)品研制與生產(chǎn)的效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案

航天器通用接口單元采用模塊化開放式設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行規(guī)劃分析和抽象綜合，形成標(biāo)準(zhǔn)化通用的硬件模塊以及一系列對應(yīng)的軟件構(gòu)件[4]。以這些通用的硬件模塊以及軟件構(gòu)件作為航天器接口單元的基礎(chǔ)系列產(chǎn)品，在標(biāo)準(zhǔn)總線體系結(jié)構(gòu)的框架下，將各硬件模塊通過設(shè)備內(nèi)部總線進(jìn)行拼裝和組合，形成具有特定功能的航天器接口單元，在設(shè)備外部總線通信和連接的基礎(chǔ)上實現(xiàn)多臺航天器接口單元之間的相互協(xié)同，共同組成一個完整的綜合電子系統(tǒng)[5]。設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 綜合電子系統(tǒng)層次化設(shè)計模型

為實現(xiàn)硬件模塊的獨立設(shè)計、測試及現(xiàn)貨供應(yīng)能力，提升硬件模塊產(chǎn)品的通用化與標(biāo)準(zhǔn)化，針對硬件模塊制定通用化的電氣設(shè)計框架以及標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計框架，實現(xiàn)硬件模塊產(chǎn)品的通用化與標(biāo)準(zhǔn)化。同時，在由硬件模塊組裝成接口單元設(shè)備時，制定標(biāo)準(zhǔn)的集成規(guī)范，進(jìn)而提升綜合電子系統(tǒng)的產(chǎn)品化設(shè)計與集成組裝設(shè)計能力，滿足面向不同功能需求航天器接口單元的模塊化擴(kuò)展與功能伸縮需求。硬件模塊產(chǎn)品設(shè)計及航天器接口單元組裝設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 硬件模塊產(chǎn)品設(shè)計及航天器接口單元組裝設(shè)計流程

其中硬件模塊產(chǎn)品的通用化設(shè)計框架由專用功能組件、測試維護(hù)及容錯組件、電源組件、通用物理層及鏈路層接口組件及可選的網(wǎng)絡(luò)層接口組件組成。專用功能組件決定了硬件模塊的種類及所能實現(xiàn)的具體功能；其他功能組件作為通用的支持單元，將具有特定功能的硬件模塊融入到整個系統(tǒng)中，實現(xiàn)硬件模塊之間的信息交互及系統(tǒng)交互[6]。

2 總線互聯(lián)設(shè)計

設(shè)備內(nèi)部硬件模塊之間的背板總線作為設(shè)備內(nèi)部各個硬件模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和資源共享的公共通道，對支持設(shè)備可靠性、支持靈活數(shù)據(jù)傳輸、降低軟件通信負(fù)擔(dān)具有重要的作用。

航天器接口單元采用基于時間觸發(fā)的ARINC659總線作為硬件模塊之間的互聯(lián)總線。其中ARINC659是一個線型多點連接的串行通信數(shù)據(jù)總線，基于時間觸發(fā)模式，數(shù)據(jù)傳輸速率60Mbps，采用雙總線對(A和B)組成雙雙配置，總線對A和B分別具有“x”和“y”2組總線，共4組(Ax、Ay、Bx、By)總線，4組總線之間采用交叉比對的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的糾檢錯，具有高度的故障容錯能力，同時兼具標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，適用于對可靠性和容錯性要求較高的場合[7]。

同時，ARINC659總線作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的背板數(shù)據(jù)通信總線，對于支持硬件模塊設(shè)計框架中的鏈路及物理層接口組件的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化設(shè)計具有重要的意義。不同硬件模塊之間采用統(tǒng)一的鏈路及物理層接口組件，實現(xiàn)硬件模塊間數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一化的同時可實現(xiàn)航天器接口單元集成組裝過程中硬件模塊的即插即用。硬件模塊間背板總線連接示意圖如圖3所示。

圖3 硬件模塊間背板總線連接示意圖

基于ARINC659總線具備的高可靠、高帶寬能力，航天器數(shù)據(jù)接口單元通過硬件模塊集成組裝形成單機(jī)設(shè)備后仍然具備高可靠設(shè)計特征，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)借助ARINC659總線BIUx與BIUy之間的互相監(jiān)督、交叉屏蔽功能，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的識別和隔離，設(shè)備內(nèi)部任何硬件模塊的故障不能造成整臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈蓙y；

2)借助ARINC659總線4組總線傳輸特征，硬件模塊之間的數(shù)據(jù)通信具備檢錯與糾錯能力，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)偶發(fā)錯誤時能夠被及時糾正，不影響數(shù)據(jù)處理，或者能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進(jìn)行檢測，保證不因數(shù)據(jù)錯誤導(dǎo)致功能異常；

3)借助ARINC659總線的4組總線傳輸特征，硬件模塊之間的數(shù)據(jù)通信具備冗余通信能力，在4組互聯(lián)總線中任意一組出現(xiàn)故障時仍然能夠保證背板總線完成數(shù)據(jù)的傳輸與通信操作；

4)借助ARINC659總線的時間觸發(fā)特性，硬件模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸具有確定性，根據(jù)時間窗口執(zhí)行特定的功能任務(wù)，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信相互競爭、相互沖突的情況，保證系統(tǒng)功能穩(wěn)定、安全、可靠；

5)借助ARINC659總線的時間觸發(fā)特性，為不同硬件模塊規(guī)劃好通信時間窗口，即可實現(xiàn)硬件模塊在設(shè)備內(nèi)部的即插即用，保障系統(tǒng)的靈活擴(kuò)展與伸縮能力。

另外，不同種類的硬件模塊所實現(xiàn)功能不同，對應(yīng)于硬件模塊設(shè)計框架中的專用功能電路設(shè)計性質(zhì)不盡相同，為了保持硬件模塊的鏈路及物理層接口組件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計不受專用功能電路的影響，以及為實現(xiàn)硬件模塊能夠作為智能終端獨立開展工作，設(shè)計了一種HOST接口控制器(ASIC)作為硬件模塊的網(wǎng)絡(luò)層接口與控制核心，充分考慮航天器中采用的各種接口形式和通信機(jī)制，能夠適用對所有硬件模塊專用功能電路的控制和數(shù)據(jù)交互。

如圖4所示，HOST接口控制器作為ARINC659總線接口組件與專用功能組件之間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)路由的橋梁，將多種專用電路的控制、通信、數(shù)據(jù)格式等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通用接口和通信格式，使硬件模塊進(jìn)一步增強(qiáng)其標(biāo)準(zhǔn)接入與即插即用的能力[6]。

圖4 HOST接口控制器設(shè)計示意圖

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

航天器在軌飛行面臨的工作環(huán)境惡劣，同時還具有壽命長、不可維修的特點[8]，因此保證航天器的可靠性設(shè)計時保證航天器功能和性能完整性的重要措施。航天器接口單元承擔(dān)著航天器以及綜合電子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程執(zhí)行與傳感功能，一旦發(fā)生故障將直接導(dǎo)致航天器功能的喪失，為此，在航天器通用接口單元設(shè)計中進(jìn)行了針對性的可靠性設(shè)計。如圖5所示。

圖5 設(shè)備級備份向硬件模塊交叉?zhèn)浞蒉D(zhuǎn)變示意圖

3.1 硬件模塊交叉?zhèn)浞?/h3>

冗余備份是提升航天器電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計最直接手段。傳統(tǒng)的航天器電子產(chǎn)品大多采用單機(jī)冗余備份的措施，主份設(shè)備中的一小部分電路發(fā)生故障后就需要整個設(shè)備切換到備份，在備份的某部分電路再次發(fā)生故障，整個設(shè)備的功能將完全喪失，但其實故障時設(shè)備中仍有部分電路正常，僅僅是一部分電路的故障拖垮了整個設(shè)備的運(yùn)行，造成了資源較大的浪費。

航天器通用接口單元采用標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊設(shè)計后，各硬件模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)的背板總線接口，各硬件模塊均掛接在一條具有高度可靠性和冗余性的內(nèi)總線上，通過該內(nèi)總線可實現(xiàn)任意硬件模塊之間的接口重定向，單一硬件模塊的故障只需對該模塊進(jìn)行主備份切換，而無需整個設(shè)備進(jìn)行主備份切換，一方面實現(xiàn)硬件模塊各功能電路的充分利用，另一方面也使硬件模塊之間形成了交叉冗余備份的連接形式，大幅提升產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。

3.2 高低速混合總線備份

背板總線是設(shè)備內(nèi)部硬件模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的重要通路，必須具有較高的可靠性設(shè)計能力，本文設(shè)計的通用接口單元采用ARINC659總線作為背板總線，已經(jīng)具備大于雙冗余的可靠性措施，但為了進(jìn)一步提升背板總線的可靠性措施以及增強(qiáng)接口單元在不同場景下的適應(yīng)性，在接口單元內(nèi)部采用了高低速混合總線架構(gòu)。

高速總線采用ARINC659總線，面向高可靠、長壽命應(yīng)用場景，低速總線采用RS485總線(UART接口)，面向低成本應(yīng)用場景。為此，在圖4的 HOST接口控制器設(shè)計中統(tǒng)籌考慮了對ARINC659總線以及UART接口的支持，通過內(nèi)部的仲裁機(jī)制可實現(xiàn)對ARINC659總線以及UART接口傳輸數(shù)據(jù)的并發(fā)處理。

在設(shè)備中以ARINC659總線通信為主，在硬件模塊的ARINC659總線接口組件出現(xiàn)故障情況下可在軌通過軟件控制自動切換至RS485總線(UART接口)進(jìn)行通信，保證硬件模塊的ARINC659總線在發(fā)生二次故障后仍然能夠保障硬件模塊功能的完整性。

4 設(shè)計驗證與分析

數(shù)據(jù)接口單元目前已經(jīng)在我國多個遙感衛(wèi)星上使用，在軌飛行產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)有8臺，地面交付產(chǎn)品超過30臺，涵蓋光學(xué)、微波等不同類型遙感衛(wèi)星平臺。以法國Airbus公司生產(chǎn)的AS250、AS400、AS1000系列的遠(yuǎn)程接口單元(RIU)與本文設(shè)計的數(shù)據(jù)接口單元(DIU)從體積、重量、功耗等進(jìn)行比較，見表1所示。

表1 數(shù)據(jù)接口單元數(shù)據(jù)對比

5 結(jié) 論

本文提出的航天器通用數(shù)據(jù)接口單元采用標(biāo)準(zhǔn)化硬件模塊集成組裝的方式設(shè)計，形成了統(tǒng)一的方案設(shè)計模式，具有高可靠、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的特征，可以有效縮短航天器研制的時間，簡化分系統(tǒng)電性及鑒定階段的設(shè)計流程，提升產(chǎn)品化批產(chǎn)能力與研制效率，并可適用于不同類型的航天器平臺，通過遙感衛(wèi)星的工程研制結(jié)果表明，研制的數(shù)據(jù)接口單元可以顯著降低重量、體積、功耗方面的系統(tǒng)開銷，為實現(xiàn)航天器從定制化向模塊化組裝的轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)支撐。