劉巖，閻照文，賈雨棽，范松濤，陳瑞勛

（1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100083；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)和芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，綜合電子系統(tǒng)的功能和性能不斷提升，綜合電子理念在航天器系統(tǒng)中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛，覆蓋了遙測(cè)遙控、能源管理、熱控管理、健康管理等多種功能的控制和管理，在實(shí)現(xiàn)信息共享和綜合利用、功能集成、資源重組優(yōu)化，以及信息處理和傳輸方面發(fā)揮了重要作用［1］。

載人月球探測(cè)任務(wù)復(fù)雜、規(guī)模龐大，具有數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)分布遠(yuǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)作為載人航天器要求數(shù)據(jù)通信高可靠性和安全性，對(duì)綜合電子系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時(shí)性、同步性、接口統(tǒng)一性、自主性，以及電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、綜合化、模塊化與輕小型化提出了更高要求。

傳統(tǒng)的綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用“自下而上”研制模式，按照單機(jī)設(shè)計(jì)方案-分系統(tǒng)選配-系統(tǒng)集成的流程進(jìn)行，每個(gè)分系統(tǒng)均設(shè)置獨(dú)立的控制器，“各司其責(zé)”，造成了重量、體積和計(jì)算資源的極大浪費(fèi)，已無法滿足載人登月任務(wù)的要求。為了優(yōu)化資源配置、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合、提高系統(tǒng)冗余度，亟需建立一套全新的研制模式：需求統(tǒng)一梳理、資源統(tǒng)一分配、功能統(tǒng)一整合、模塊統(tǒng)一設(shè)計(jì)，即實(shí)現(xiàn)“電子系統(tǒng)一體化”。

本文以網(wǎng)絡(luò)一體化、計(jì)算通用化、執(zhí)行集成化、軟件APP（應(yīng)用程序）化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)載人月球探測(cè)航天器通用計(jì)算、數(shù)據(jù)交換、采集驅(qū)動(dòng)和航天員支持功能需求，提出一種新型綜合電子系統(tǒng)，可有效優(yōu)化系統(tǒng)配置，實(shí)現(xiàn)資源整合，提升系統(tǒng)可靠性。

1 國(guó)內(nèi)外航天器電子系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)獵戶座（Orion）飛船

獵戶座（Orion）飛船采用TTE 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了使用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)形式完成航天器內(nèi)不同傳輸可靠性要求、不同數(shù)據(jù)帶寬業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸；采用高性能高可靠通用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整船控制、人機(jī)交互、系統(tǒng)通信的一體化集成；采用標(biāo)準(zhǔn)功率數(shù)據(jù)單元，根據(jù)需求就近配置，實(shí)現(xiàn)了整船配電和數(shù)據(jù)的分布式管理。獵戶座飛船電子系統(tǒng)架構(gòu)［2-3］如圖1所示。

圖1 獵戶座飛船電子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System structure of avionics in Orion spaceship

獵戶座飛船采用分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，支持實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中大量復(fù)雜軟件的集成，同時(shí)避免不同軟件運(yùn)行導(dǎo)致的系統(tǒng)可靠性降低的問題；支持各分系統(tǒng)的軟件單獨(dú)修改、更新而不影響其他分系統(tǒng)，有助于提高系統(tǒng)的可測(cè)試性，同時(shí)降低開發(fā)和維護(hù)成本，也為未來的升級(jí)提供便利。獵戶座飛船軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示［4-6］。

圖2 獵戶座飛船軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System structure of software in Orion spaceship

1.2 深空之門（Lunar Gateway）

作為美國(guó)載人深空探測(cè)的“中轉(zhuǎn)站”，目前已發(fā)布了綜合電子、通信、環(huán)控生保、能源、交會(huì)對(duì)接、機(jī)器人、熱控七份互操作性標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

綜合電子標(biāo)準(zhǔn)［7］中明確建議采用基于1000Base-T的雙絞線TTE（時(shí)間觸發(fā)）網(wǎng)絡(luò)作為飛行器骨干網(wǎng)絡(luò)，支持TT（時(shí)間觸發(fā)）、RC（速率受限）和BE（盡力服務(wù)）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。深空之門綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 深空之門綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System structure of Avionics in Deep Space Gate

1.3 歐洲阿里安6（Ariane 6）運(yùn)載火箭

Ariane 6 運(yùn)載火箭采用雙冗余架構(gòu)，采用TTE實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線作為全箭主干網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)總線；每級(jí)均采用相同架構(gòu)的模塊化集成電子設(shè)備，采用通用背板+不同板卡組合的模式；采用激光火工品點(diǎn)火；采用分布式光纖傳感器測(cè)量溫度、應(yīng)力等參數(shù)。Ariane 6 運(yùn)載火箭電子系統(tǒng)架構(gòu)［8］如圖4所示。

圖4 Ariane 6運(yùn)載火箭電子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 System structure of avionics in Ariane 6

1.4 國(guó)內(nèi)航天器

國(guó)內(nèi)載人航天器一般采用以中央計(jì)算機(jī)為1553B 總線控制器的聯(lián)合式電子系統(tǒng)，支持1553B總線對(duì)接，完成平臺(tái)通信與控制；采用專用接口完成圖像、話音和載荷數(shù)據(jù)的傳輸；信息系統(tǒng)采用三層“金字塔”體系架構(gòu)，各分系統(tǒng)配置獨(dú)立控制器，采集執(zhí)行設(shè)備按需定制化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)載人航天器電子系統(tǒng)架構(gòu)［9］如圖5所示。

圖5 國(guó)內(nèi)載人航天器電子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 System structure of avionics in Chinese manned spaceship

北斗三號(hào)衛(wèi)星采用分級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，建立星座內(nèi)信息統(tǒng)一處理和共享的一體化電子系統(tǒng)［10］，如圖6 所示。這種體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用網(wǎng)狀與星型結(jié)合的復(fù)合拓?fù)浞绞剑孕畔⒙酚蓡卧鳛樾l(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)化信息中心，測(cè)控、運(yùn)控及星間的通信設(shè)備共同接入信息路由單元，衛(wèi)星管理單元實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制、平臺(tái)自主管理等智能控制功能。衛(wèi)星管理單元、信息路由單元、接口服務(wù)單元利用總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)合分布式拓?fù)?，基于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）制定的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)現(xiàn)星地星間-星內(nèi)信息通信網(wǎng)絡(luò)化。

圖6 北斗三號(hào)基于復(fù)合拓?fù)涞姆植际骄C合電子架構(gòu)Fig.6 Distributed avionics system architecture based on compound topology of BeiDou-3

遙感衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)構(gòu)建了兩種不同速率的分布式信息網(wǎng)絡(luò)［11-12］。低速信息網(wǎng)絡(luò)以1553B 總線作為媒介，主要用于傳輸星載設(shè)備之間的遙測(cè)遙控信息、注入數(shù)據(jù)以及設(shè)備/部件測(cè)量輸出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制信息等，是星務(wù)信息、系統(tǒng)綜合控制信息、遙控遙測(cè)信息傳輸、交換的主干網(wǎng)絡(luò)。高速信息網(wǎng)絡(luò)以LVDS、TLK2711總線作為媒介，LVDS總線用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理單元和數(shù)傳分系統(tǒng)間以及數(shù)傳分系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳遞，TLK2711 總線用于可見近紅外相機(jī)、高光譜相機(jī)與數(shù)傳分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞。遙感衛(wèi)星信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)［13］如圖7所示。

圖7 某衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)體系Fig.7 Avionics system architecture of a kind of satellite

1.5 小結(jié)

經(jīng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)載人航天器電氣系統(tǒng)面臨如下問題：

1) 聯(lián)合式的系統(tǒng)架構(gòu)擴(kuò)展性較弱：分系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，功能幾乎不綜合或較少綜合，獨(dú)享資源；

2) 1553B+專用接口/以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)互連方式復(fù)雜：硬線、串口、總線、網(wǎng)絡(luò)種類眾多，互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，線纜及接插件占據(jù)大量重量和空間；

3) 計(jì)算能力不足：數(shù)管、GNC、儀表、環(huán)控等分系統(tǒng)均配置專用的計(jì)算機(jī)，計(jì)算資源分散；

4) 集成度不高配套單機(jī)數(shù)量多：受傳統(tǒng)研制模式以及各院廠所現(xiàn)有分工、領(lǐng)域限制，低水平重復(fù)現(xiàn)象較為嚴(yán)重；

5) 軟件和硬件緊耦合、開發(fā)難度大：軟件規(guī)模和數(shù)量急劇增加，但各軟件研制單位開發(fā)出的應(yīng)用不能實(shí)現(xiàn)無縫移植，還需要進(jìn)一步統(tǒng)一接口。

為了解決國(guó)內(nèi)載人航天器存在的問題，結(jié)合國(guó)外航天器綜合電子系統(tǒng)發(fā)展情況，載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案得到如下啟示：

1) 更開放的系統(tǒng)架構(gòu)：采用自頂向下的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式綜合模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)；

2) 更簡(jiǎn)化高效的網(wǎng)絡(luò)互連：采用一種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)指令遙測(cè)數(shù)據(jù)（可靠性和實(shí)時(shí)性要求高）與圖像話音載荷等高速數(shù)據(jù)的一體化傳輸；

3) 更快的星上計(jì)算速度：不斷提升計(jì)算機(jī)性能，滿足不同功能和任務(wù)需求，推動(dòng)航天器向高智能、高自主發(fā)展；

4) 更高集成度的電子設(shè)備：采用“單機(jī)板卡化、板卡芯片化”方式實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的“系統(tǒng)頂層優(yōu)化與集成”；

5) 更好用的軟件開發(fā)生態(tài)：采用分層結(jié)構(gòu)的通用化軟件框架、分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，構(gòu)建支持“多方聯(lián)合、并行開發(fā)”的航天器軟件開發(fā)生態(tài)環(huán)境。

2 載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)研制需求分析

2.1 更高的自主健康管理和任務(wù)規(guī)劃能力需求

相對(duì)傳統(tǒng)近地軌道載人航天器，載人月球探測(cè)飛行器飛行距離更遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延更大，遙控指令單次傳輸時(shí)延可達(dá)1.3 s，且在月球背面飛行時(shí)存在連續(xù)測(cè)控不可見弧段，給在軌故障處置的及時(shí)性和有效性帶來了極大的不確定性，要求載人月球探測(cè)飛行器需立足于自主飛行，提升自主任務(wù)管理和故障處置能力。常用的處理器芯片已無法滿足任務(wù)需求，飛行器綜合電子系統(tǒng)需要更高的處理性能和運(yùn)算能力［14］。

2.2 更高的功能密度需求

根據(jù)初步測(cè)算，地月轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力大約是近地軌道運(yùn)載能力的1/3。為了完成近地軌道飛行器的同比功能，對(duì)于運(yùn)載火箭的要求達(dá)到3 倍之多。這就要求載人月球探測(cè)飛行器應(yīng)具備更高的功能密度，即單位資源消耗情況下單機(jī)設(shè)備應(yīng)具備更多的功能。最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄓ没⒓苫?、模塊化軟硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)是達(dá)成這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵。

2.3 更高的可靠性需求

結(jié)合月球探測(cè)任務(wù)軌道特性，一旦開始地月轉(zhuǎn)移加速，只能采用中途制動(dòng)返回、近月制動(dòng)返回等方式，應(yīng)急返回最少需要3天，將對(duì)航天員生命安全造成更大威脅。相對(duì)于嫦娥等無人月球探測(cè)任務(wù)，載人月球探測(cè)飛行器可靠性要求更高，冗余設(shè)計(jì)能力要求更強(qiáng)，且由于地月轉(zhuǎn)移軌道和月球軌道上測(cè)控覆蓋范圍較少，無法滿足100%覆蓋，一旦故障發(fā)生，存在無法及時(shí)處置的可能，這就要求飛行器具備更高的可靠性。

2.4 更高的有人參與的閉環(huán)控制能力需求

單次載人月球探測(cè)任務(wù)將持續(xù)2 周左右，需要為航天員提供適宜的居住和工作環(huán)境。更清晰的監(jiān)視圖像、更清楚的通話質(zhì)量、更便捷的智能家居以及支持地面商用產(chǎn)品直接在軌應(yīng)用的能力，都是載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。

此外，受限于測(cè)控覆蓋率，地面指揮系統(tǒng)對(duì)于載人月球探測(cè)飛行器干預(yù)能力有限。從保證載人安全性的角度出發(fā)，載人月球探測(cè)活動(dòng)必須將航天員納入控制系統(tǒng)閉環(huán)，充分發(fā)揮人在目標(biāo)識(shí)別、危險(xiǎn)感知、任務(wù)決策等方面的明顯優(yōu)勢(shì)，研究人機(jī)交互技術(shù)，提高有人參與的閉環(huán)控制能力，也是對(duì)載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)提出的重要需求。

3 載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)

綜合國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展差距和載人月球探測(cè)飛行器研制需求，后續(xù)載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要瞄準(zhǔn)集成化、輕量化、智能化、便捷化，設(shè)備集成度和性能大幅提升，器上電子設(shè)備數(shù)量、質(zhì)量、體積可大幅縮減，接口極為簡(jiǎn)化，電纜顯著減少；通過自適應(yīng)控制、自主故障診斷和容錯(cuò)護(hù)理，飛行過程中自主化、智能化、故障適應(yīng)性大幅提升，最終實(shí)現(xiàn)載人航天器電子系統(tǒng)更新?lián)Q代跨越式發(fā)展、引領(lǐng)國(guó)際技術(shù)方向的目標(biāo)。

根據(jù)需求分析提出載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)，如圖8 所示。未來載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)可劃分為5 個(gè)功能子系統(tǒng)，分別為通用計(jì)算子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)、采集驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、航天員支持子系統(tǒng)和測(cè)控通信子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)一體化電子系統(tǒng)的功能。通用計(jì)算子系統(tǒng)完成根據(jù)輸入?yún)?shù)和既定策略實(shí)施數(shù)值計(jì)算和邏輯控制，并輸出執(zhí)行結(jié)果的計(jì)算功能；數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)完成分系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間、分系統(tǒng)間控制和測(cè)量信息的傳輸，通過TTE 網(wǎng)絡(luò)、串行接口等形式完成各功能子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互；采集驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)完成模擬量遙測(cè)采集、溫度量遙測(cè)采集、傳感器數(shù)據(jù)采集、脈沖式指令驅(qū)動(dòng)、配電控制、火工品引爆控制、加熱回路控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、閥門驅(qū)動(dòng)等采集、驅(qū)動(dòng)類功能；航天員支持子系統(tǒng)完成話音、圖像、顯示、告警和手控支持功能；測(cè)控通信子系統(tǒng)完成天地間、航天器間數(shù)據(jù)通信、跟蹤測(cè)軌等功能。

圖8 未來載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.8 The structure of avionics system in future manned-lunar spaceship

載人月球探測(cè)飛行器信息網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一交換式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路，由多臺(tái)TTE 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過若干個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化高性能計(jì)算機(jī)和模塊化執(zhí)行業(yè)務(wù)單元連接完成平臺(tái)控制任務(wù)，將傳統(tǒng)載人航天器系統(tǒng)管理-分系統(tǒng)控制-區(qū)域執(zhí)行的三層分級(jí)控制結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)為統(tǒng)一管理-區(qū)域執(zhí)行的兩層分級(jí)控制結(jié)構(gòu)，壓縮控制層級(jí)，降低控制信息傳遞和處理過程發(fā)送錯(cuò)誤的概率，提高系統(tǒng)可靠性。載人月球探測(cè)飛行器分級(jí)控制結(jié)構(gòu)演變框圖如圖9所示。

圖9 分級(jí)控制結(jié)構(gòu)演變框圖Fig.9 Evolution of hierarchical control structure

配置多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)，支持計(jì)算資源共享和冗余備份，通過TTE 網(wǎng)絡(luò)接收各分系統(tǒng)設(shè)備和載荷輸送的狀態(tài)遙測(cè)、傳感器數(shù)據(jù)、載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用策略實(shí)施數(shù)值計(jì)算和邏輯控制，將計(jì)算結(jié)果通過TTE 網(wǎng)絡(luò)傳輸至執(zhí)行、控制和顯示終端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)統(tǒng)一閉環(huán)管理。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入需求，按需配置TTE 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，就近與網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，對(duì)于有數(shù)據(jù)交換需求但無法直接入網(wǎng)的設(shè)備，通過執(zhí)行業(yè)務(wù)單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)互通。根據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)需求，按需配置執(zhí)行業(yè)務(wù)單元。通過時(shí)隙劃分機(jī)制，支持不同時(shí)延特性、不同傳輸速率、不同可靠性要求的平臺(tái)和載荷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分時(shí)傳輸，在確?；ゲ挥绊懙耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)多用”。向下兼容以太網(wǎng)協(xié)議和WIFI協(xié)議，支持商用智能家居產(chǎn)品靈活接入。

執(zhí)行業(yè)務(wù)單元采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)需求情況設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化功能板卡，通過統(tǒng)一接口協(xié)議進(jìn)行拼接、組裝，在布局區(qū)域就近為各類傳感器、敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供輸入/輸出管理。

未 來載人月球探測(cè)飛行器信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D10所示。

圖10 未來載人月球探測(cè)飛行器信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.10 Information network structure of lunar-manned spaceship in future

4 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展思路

針對(duì)載人月球探測(cè)飛行器電子系統(tǒng)集成化、輕量化、智能化、便捷化的研制需求，將針對(duì)下列關(guān)鍵技術(shù)方向開展研究：

1) 計(jì)算通用化：采用高性能計(jì)算機(jī)升級(jí)計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)計(jì)算和閉環(huán)控制功能，提升智能化水平；

2) 網(wǎng)絡(luò)一體化：基于TTE 實(shí)現(xiàn)不同實(shí)時(shí)性要求、不同業(yè)務(wù)帶寬數(shù)據(jù)傳輸，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)一體化傳輸；

3) 執(zhí)行集成化：采用模塊化、集成化執(zhí)行業(yè)務(wù)單元，配置不同模塊完成外設(shè)就近管理，實(shí)現(xiàn)分布式控制；

4) 軟件APP 化：采用分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，提供API 及外部環(huán)境接口，支持應(yīng)用軟件APP 獨(dú)立編譯和動(dòng)態(tài)加載。

4.1 通用化計(jì)算技術(shù)

為了滿足航天器各分系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算和邏輯控制需求，實(shí)現(xiàn)整器通用計(jì)算，需要配置高性能計(jì)算機(jī)。高性能計(jì)算機(jī)作為航天器計(jì)算中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)管、GNC、儀表、環(huán)控、熱控、推進(jìn)、回收等分系統(tǒng)計(jì)算功能。采用基于高性能處理器的多模冗余備份和標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)方案，內(nèi)部各模塊通過多裕度高安全標(biāo)準(zhǔn)背板總線互聯(lián)［15］，支持模塊數(shù)量增減和性能升級(jí)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化提供技術(shù)支撐。高性能計(jì)算機(jī)架構(gòu)框圖如圖11所示。

圖11 高性能計(jì)算機(jī)架構(gòu)框圖Fig.11 Structure of high-performance computer

4.2 一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

載人月球探測(cè)飛行器采用TTE 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，主要任務(wù)是使用統(tǒng)一形式網(wǎng)絡(luò)完成指令、遙測(cè)、時(shí)間、傳感器數(shù)據(jù)、敏感器數(shù)據(jù)、控制信息、圖像、話音、載荷等數(shù)據(jù)的可靠交換，并支持天地一體化音視頻、文件通信。需要完成的任務(wù)包括數(shù)據(jù)管理、指令管理、運(yùn)行模式管理、自主管理、圖像話音服務(wù)、航天員信息服務(wù)、手控操作支持等。TTE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系架構(gòu)如圖12所示。

圖12 TTE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)［16-17］Fig.12 System structure of TTE protocol

4.3 集成化執(zhí)行技術(shù)

為了滿足航天器各分系統(tǒng)的采集驅(qū)動(dòng)需求，實(shí)現(xiàn)整器執(zhí)行集成化，需要配置模塊化的執(zhí)行業(yè)務(wù)單元。執(zhí)行業(yè)務(wù)單元作為高性能計(jì)算機(jī)與采集、驅(qū)動(dòng)、負(fù)載配電的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)管、GNC、推進(jìn)、配電、回收、熱控、環(huán)控、火工、對(duì)接機(jī)構(gòu)、測(cè)控、載荷等各分系統(tǒng)遙測(cè)采集、驅(qū)動(dòng)控制和配電管理功能的系統(tǒng)綜合。采用基于ASIC技術(shù)［18］的集成化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化板卡式設(shè)計(jì)方案，按照就近管理原則根據(jù)區(qū)域需求進(jìn)行配置，通過標(biāo)準(zhǔn)背板總線和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱進(jìn)行模塊組裝形成單機(jī)，提升設(shè)備功能密度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化和減重。

4.4 APP化軟件技術(shù)

為了滿足多個(gè)分系統(tǒng)的應(yīng)用功能需求在統(tǒng)一計(jì)算機(jī)上安全、可靠、互不干擾的運(yùn)行，在計(jì)算機(jī)中配置了分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)［19-20］。分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)使一個(gè)處理器中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬分區(qū)，分區(qū)的運(yùn)行時(shí)間以及使用的存儲(chǔ)空間事先進(jìn)行約定，運(yùn)行時(shí)分區(qū)互不干擾；分時(shí)分區(qū)隔離保護(hù)機(jī)制使不同分系統(tǒng)的、不同安全等級(jí)的軟件可以在同一個(gè)處理器中運(yùn)行，即使一個(gè)分區(qū)出現(xiàn)故障也不會(huì)影響其他分區(qū)。

分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)的應(yīng)用，支持實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中大量復(fù)雜軟件的集成，同時(shí)避免不同軟件運(yùn)行導(dǎo)致的系統(tǒng)可靠性降低的問題；支持各分系統(tǒng)的軟件單獨(dú)修改、更新而不影響其他分系統(tǒng)，有助于提高系統(tǒng)的可測(cè)試性，同時(shí)降低開發(fā)和維護(hù)成本，也為未來的升級(jí)提供便利。

配置分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)之后，載人月球探測(cè)飛行器軟件體系架構(gòu)如下圖所示。其中，硬件層與計(jì)算機(jī)內(nèi)高性能處理器及外圍電路相匹配；操作系統(tǒng)層采用分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，支持分時(shí)分區(qū)；中間件層采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議構(gòu)件，對(duì)各應(yīng)用軟件APP 提供通用接口；應(yīng)用層則支持各分系統(tǒng)應(yīng)用軟件APP 獨(dú)立編譯和動(dòng)態(tài)加載。

軟件體系架構(gòu)框圖如圖13所示。

圖13 軟件體系架構(gòu)框圖Fig.13 The system structure of software

5 技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

本文提出的載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)能夠滿足型號(hào)任務(wù)要求的同時(shí)，在自主健康管理和任務(wù)規(guī)劃能力、功能密度、設(shè)計(jì)可靠性、有人參與的閉環(huán)控制能力等方面均具有一定的優(yōu)勢(shì)，具體分析如下：

1) 更高的自主健康管理和任務(wù)規(guī)劃能力：通用化的硬件平臺(tái)、兼容性和安全性良好的操作系統(tǒng)，為軟件定義功能建立了基礎(chǔ)。在高性能計(jì)算機(jī)中裝載特定功能應(yīng)用軟件APP，通過TTE 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)規(guī)劃和調(diào)度重構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟件輸入輸出支持，即可賦予高性能計(jì)算機(jī)新的應(yīng)用功能。執(zhí)行業(yè)務(wù)單元雖然未采用分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，但因其同樣具備一定的計(jì)算能力，通過軟件在軌維護(hù)更新，利用TTE 網(wǎng)絡(luò)亦可執(zhí)行新的應(yīng)用功能。

2) 更高的功能密度：載人月球探測(cè)飛行器對(duì)計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)進(jìn)行了重新整合，采用分層化、標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)規(guī)劃，所有高速計(jì)算、并行計(jì)算和閉環(huán)控制功能均在高性能計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，各分系統(tǒng)不配置單獨(dú)計(jì)算機(jī)，只研發(fā)獨(dú)立任務(wù)應(yīng)用軟件，加載至高性能計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的獨(dú)立分區(qū)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)算一體化。采用設(shè)備集成化理念，除了對(duì)整器計(jì)算功能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)外，還對(duì)不同分系統(tǒng)類似的采集驅(qū)動(dòng)功能進(jìn)行整合，相似的功能采用同類板卡實(shí)現(xiàn)，減少電子單機(jī)和硬件板卡的種類，實(shí)現(xiàn)采集驅(qū)動(dòng)一體化。

3) 更高的設(shè)計(jì)可靠性：多模高冗余高性能計(jì)算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)化分布式執(zhí)行業(yè)務(wù)單元、TTE 網(wǎng)絡(luò)的配置，使整器電子設(shè)備具有一致的功能和接口，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的遷移和重構(gòu)提供了基本的技術(shù)保障。借助高冗余容錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)背板總線，使系統(tǒng)的容錯(cuò)顆粒度由單機(jī)縮小為硬件模塊。

4) 更高的有人參與的閉環(huán)控制能力：載人月球探測(cè)飛行器基于高帶寬高可靠高確定性的TTE 網(wǎng)絡(luò)開展電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同速率、不同故障容忍度、不同時(shí)間敏感度數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，向下兼容普通以太網(wǎng)和WIFI 協(xié)議，支持智能家居產(chǎn)品直接接入，便于航天員參與飛行閉環(huán)控制。

6 結(jié)束語

本文從國(guó)外航天器電子系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀、我國(guó)航天器設(shè)計(jì)差距、載人月球探測(cè)飛行器需求分析出發(fā)，提出了未來載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)，從通用化計(jì)算技術(shù)、一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集成化執(zhí)行技術(shù)、APP 化軟件技術(shù)等方面提出了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向，并總結(jié)了技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)未來載人月球探測(cè)飛行器綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。