張 溢 韓 璐 劉偉偉 裴 楠

北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094

0 引 言

隨著航天器電子信息技術(shù)的進步，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)采用定制化的設計方式，產(chǎn)品通用性差，技術(shù)狀態(tài)復雜多樣，質(zhì)量問題層出不窮。層次化以及模塊化的設計模式是將更小粒度的硬件模塊進行通用化與標準化設計，由標準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計模式，如Airbus公司生產(chǎn)的AS250、AS400、AS1000系列遠程接口單元(RIU)以及NASA生產(chǎn)的遠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，本文以標準通用硬件模塊、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)設計方案

航天器通用接口單元采用模塊化開放式設計的體系結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)的各項功能進行規(guī)劃分析和抽象綜合，形成標準化通用的硬件模塊以及一系列對應的軟件構(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，在標準總線體系結(jié)構(gòu)的框架下，將各硬件模塊通過設備內(nèi)部總線進行拼裝和組合，形成具有特定功能的航天器接口單元，在設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]。設計模型如圖1所示。

圖1 綜合電子系統(tǒng)層次化設計模型

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

圖2 硬件模塊產(chǎn)品設計及航天器接口單元組裝設計流程

其中硬件模塊產(chǎn)品的通用化設計框架由專用功能組件、測試維護及容錯組件、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)設計

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

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，同時兼具標準化、可擴展、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總線作為一種標準化的背板數(shù)據(jù)通信總線，對于支持硬件模塊設計框架中的鏈路及物理層接口組件的標準化與通用化設計具有重要的意義。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)通信標準化與統(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設備后仍然具備高可靠設計特征，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，設備內(nèi)部任何硬件模塊的故障不能造成整臺設備數(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)錯誤進行檢測，保證不因數(shù)據(jù)錯誤導致功能異常；

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，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)硬件模塊在設備內(nèi)部的即插即用，保障系統(tǒng)的靈活擴展與伸縮能力。

另外，不同種類的硬件模塊所實現(xiàn)功能不同，對應于硬件模塊設計框架中的專用功能電路設計性質(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準化設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，設計了一種HOST接口控制器(ASIC)作為硬件模塊的網(wǎng)絡層接口與控制核心，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)一的標準通用接口和通信格式，使硬件模塊進一步增強其標準接入與即插即用的能力[6]。

圖4 HOST接口控制器設計示意圖

3 系統(tǒng)可靠性設計

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著航天器以及綜合電子系統(tǒng)的遠程執(zhí)行與傳感功能，一旦發(fā)生故障將直接導致航天器功能的喪失，為此，在航天器通用接口單元設計中進行了針對性的可靠性設計。如圖5所示。

圖5 設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)可靠性設計最直接手段。傳統(tǒng)的航天器電子產(chǎn)品大多采用單機冗余備份的措施，主份設備中的一小部分電路發(fā)生故障后就需要整個設備切換到備份，在備份的某部分電路再次發(fā)生故障，整個設備的功能將完全喪失，但其實故障時設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備的運行，造成了資源較大的浪費。

航天器通用接口單元采用標準硬件模塊設計后，各硬件模塊之間采用標準的背板總線接口，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行主備份切換，而無需整個設備進行主備份切換，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)品的可靠性設計。

3.2 高低速混合總線備份

背板總線是設備內(nèi)部硬件模塊之間進行數(shù)據(jù)通信的重要通路，必須具有較高的可靠性設計能力，本文設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，但為了進一步提升背板總線的可靠性措施以及增強接口單元在不同場景下的適應性，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、長壽命應用場景，低速總線采用RS485總線(UART接口)，面向低成本應用場景。為此，在圖4的 HOST接口控制器設計中統(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、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系列的遠程接口單元(RIU)與本文設計的數(shù)據(jù)接口單元(DIU)從體積、重量、功耗等進行比較，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)接口單元采用標準化硬件模塊集成組裝的方式設計，形成了統(tǒng)一的方案設計模式，具有高可靠、標準化、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。