先进电子信息系统在通信卫星平台中的应用

冶元菲，吕 楠，黄献龙，陈 晓

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.中国空间技术研究院，北京100094)

先进电子信息系统在通信卫星平台中的应用

冶元菲1，吕 楠1，黄献龙2，陈 晓2

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.中国空间技术研究院，北京100094)

以A2100平台、EuroStar3000平台和Space-Bus4000平台的星载电子信息系统为例，介绍了国外先进的商用通信卫星平台星载电子系统的特点，从集成度、扩展能力、处理能力等方面分析并对比了中国通信卫星平台与国外的差距，从优化卫星平台电子系统结构、加强公用平台开发等方面，提出了建议.

通信卫星平台；电子信息系统

从20世纪90年代末到本世纪初，国际上主要的通信卫星制造商都完成了平台的升级换代工作.1996年8月，美国洛克希德-马丁公司的首颗A2100平台卫星发射入轨；1999年12月，美国波音公司的首颗BSS702平台卫星发射入轨；2005年6月美国劳拉空间通信公司发射了首颗LS-1300S平台卫星.欧洲的两大卫星制造商——阿斯特留姆公司和泰雷兹-阿列尼亚公司也分别在2004年3月和2005年2月发射了基于EuroStar3000平台和SpaceBus4000平台的首颗卫星.除了上述全球五大通信卫星制造商之外，其他一些宇航公司的通信卫星平台也都在这段时期内完成了改进和性能提升工作.

星载电子信息系统是通信卫星平台最重要的系统之一，涵盖了供配电、遥测遥控、数据和星务管理、姿态轨道控制、热控管理、天线机构控制、有效载荷管理控制等多方面的功能.星载电子信息系统不仅是一个对信息进行采集、处理、分配、存储的系统，同时也是一个在苛刻空间环境下，对密集程度较高且较复杂的星载电子设备进行信息综合和功能综合的系统.

通过对平台更新换代，国外主要通信卫星平台的星载电子信息系统都实现了基于标准总线的系统拓扑结构，使系统具有良好的可扩展性；并且采用统一的计算机完成了各项功能，提高了整星资源利用率和信息综合处理能力；同时，在电子产品设计中大量使用FPGA、ASIC等集成电子技术，实现了平台减重；不断提高系统的自主性和安全性设计，降低了卫星长期在轨管理的负担和费用.这些方面的改进成果使得平台寿命更长、控制精度更高、有效载荷承载能力更强，使平台具有更好的可扩展能力、可集成和可测试能力.

本文以国外3个典型的通信卫星平台为例，介绍了国际先进通信卫星的星载电子信息系统的体系结构和特点，并结合国内通信卫星技术的现状，提出了国内通信卫星的星载电子信息系统发展目标和技术途径.

1 国外通信卫星电子信息系统的现状及发展趋势

1.1 美国洛克希德-马丁公司的A2100平台

A2100平台以星载计算机(OBC，on-board com-puter)为核心，通过1553B总线构成整星的信息体系结构，电子设备统一采用标准的1553B总线作为输入/输出接口，使得系统具有较好的可扩展性和可集成性.图1是A2100平台的电子设备组成框图［1］.

从图1可见，星上的许多电子设备，如地球敏感器/太阳敏感器组件(ES/SSA)、半球谐振陀螺(IMU)等都通过内部的远程终端RT实现与1553B总线的挂接.OBC直接通过1553B总线采集ES/SSA、IMU等设备输出的姿态信息，并将控制信号通过1553B总线及总线终端接口单元(BUSRIU)作用于飞轮和推进系统，实现对卫星姿态和轨道的控制功能.

除此以外，星载计算机还通过1553B总线实现与有效载荷、热控、能源、火工品等的管理.在供配电管理方面，A2100平台电子设备的配电直接由电源管理调解单元(PRU)提供70V母线电源，并输出卫星的各舱；各用电设备直接将电源线连接到母线上，没有采用大功率配电模块.

图1 A2100平台电子设备组成框图

1.2 欧洲阿斯特留姆公司的EuroStar3000平台

EuroStar3000平台的拓扑结构如图2所示，其核心是航天器计算机(SCU，spacecraft computer unit)和执行驱动线路(ADE，actuator drive electronics).

EuroStar3000平台的电子信息系统包括2台SCU，2台载荷接口单元(MPIU1和MPIU2)，2台用于控制太阳翼驱动机构、飞轮组件、化学推进和电推进的执行驱动线路(ADE)以及一套双冗余1553B总线.系统通过电源调节分配单元(PSR1、PSR2)以及火工品单元(PRU)实现整星母线调节及火工品的管理等.控制系统的敏感器(包括地球敏感器、陀螺组件、捕获太阳敏感器和精太阳敏感器等)直接接入到整星电子信息系统的1553B总线网络［2］.

在EuroStar3000平台上，卫星的遥测、遥控和跟踪测距功能、以及姿态测量与控制、星载总线管理都由SCU来完成的.SCU是基于高效能的处理器建立的，并有一个带 EDAC保护的 RAM区(256K字节)，同时还有带保护的电源和安全模式的 PROM存贮器.卫星的遥测功能提供了较高的比特率(遥测信号可达到8096bit/s)，它兼容多协议能力，包括CCSDS标准和欧空局(ESA)的 PSS45amp;PSS46标准.

1.3 欧洲泰雷兹-阿列尼亚公司的 SpaceBus4000平台

SpaceBus4000平台的显著特点是整星电子设备采用了综合电子体系的设计思想，其星载电子信息系统称为AVIONICS4000，图3给出了其功能框图［3］.

由此功能框图可以看出，卫星管理单元 (SMU，satellite management unit)和数据总线网络(DBN)是AVIONICS4000系统的核心，SMU运行姿态轨道控制软件和星务管理软件，具有与测控系统的TM/TC接口，并能够控制DBN；DBN通过平台数据接口单元(PFDIU)连接 SMU和平台设备，通过通信舱的南、北两个有效载荷数据接口单元(PLDIU)连接SMU和有效载荷设备.通过 SMU和 DBN，AVIONIC4000可以实现对卫星姿态和轨道控制、热控、电源分系统的管理、太阳翼的控制、有效载荷等分系统的相关控制［4］.

SMU采用模块化组装式设计思想，其模块配置主要包括遥控模块TC、遥测模块TM、处理器模块、监控模块CRM、遥控执行指令生成模块CG、时钟模块OBT、安全模块SGM以及总线接口模块OBDHBus.其中遥控模块、监控模块、遥控执行指令生成模块、时钟模块、安全模块采取热备份，其余为冷备份.

图2 EuroStar3000平台电子设备组成框图

图3 AVIONICS4000系统PFDIU和PLDIU的模块化设计

在DBN配置方面，AVIONICS4000系统的 DBN总线网络基于RS485全双工总线，每条总线最多可为32个远置终端传输数据，并且采用了全备份模式，每个远置终端均通过不同收发机与主备两个远置单元接口相连.DBN由SMU统一管理，最多可以管理6条冗余 OBDH/RS485总线.典型配置下，其中2条总线专用于与卫星通信舱北板有效载荷设备接口(如PLDIU-N)，2条总线专用于与通信舱南板有效载荷设备接口(如PLDIU-S)，2条总线专用于与平台设备接口(如 PFDIU、PCU、PPU等).

AVIONICS4000系统的1台PFDIU和2台PLDIU也都是高度集成化的电子设备，这3台设备承担了整星绝大多数电子设备的接口线路功能，也都采用了模块化的设计思想.例如AOCSP NG是PFDIU内唯一的控制系统模块(含主备份)，该模块提供了与4个飞轮的电路接口(包括控制力矩输出、飞轮转速、方向、电机力矩的检测)、2路粗太阳敏感器信号处理(包括 8路探头信号的检测)和 8路ML/DS串行信号，以完成星敏感器、地球敏感器和陀螺的信息传送.仅1个AOCSP NG模块就包含了上述众多控制系统设备的接口电路，由此可见AVIONICS4000系统具有很高的集成度.表1给出了PFDIU和PLDIU的模块配置情况.

表1 脉冲星数据表

2 对中国通信卫星发展的启示

中国的通信卫星起步于20世纪70年代中期，于1984年 ～1991年发射了第一代通信卫星，从1994年首发的第二代通信卫星开始，逐渐形成了星载电子信息系统和平台化的设计思想，到2006年首发的第三代通信卫星平台，整星的承载能力和星载电子信息系统的处理能力都得到了进一步提高.

但是，现阶段中国通信卫星的电子信息系统仍然存在着平台状态多、产品状态多、系统可扩展能力弱的缺点，基于第二、三代平台的通信卫星的控制分系统和数管分系统的设计与技术状态经常需要根据任务需求发生更改，甚至是大规模的重新设计.从而造成了较多的低层次的重复投入和研制周期的延长.

通过对比中国和国外通信卫星的电子信息系统，归纳出了以下3方面差距：

1)在电子设备的模块化和接口标准化方面，中国通信卫星存在着较大的差距，定制接口和定制功能仍然广泛存在，导致电子信息系统的可扩展性差，进而导致了平台的适应能力不强.

2)电子产品的小型化和集成化水平不高，电子设备的重量偏重，不利于平台承载能力的提高.

3)星载电子信息系统的体系结构不够优化，各项功能过于分散，导致电子设备的功能密度较低，存在着资源浪费的现象.

基于上述差距，要提高中国通信卫星星载电子信息系统的先进性，需要从以下方面入手：

1)开展对通信卫星电子信息系统的优化设计，转变设计理念，将以往分散在不同设备但是基本功能相同的电子产品进行适度合并与集中；

2)加强公用平台的开发，新平台的开发不应由单一用户牵引，而应面向未来通信卫星的发展需求，在设计初期做好扩展性与兼容性的论证工作；

3)开展对构成系统信息系统的标准总线选型，信息流、控制流协议的研究，以及多层信息网络技术研究，并根据整星和系统的任务需求和可靠性指标，合理制定总线冗余备份策略；

4)开展高性能星载计算机技术的研究，使用FPGA等大规模集成电路替代原有基于分离器件的电路，使用MCM、SOC、SIP等技术集成整个星载电子系统.

本文介绍了国外先进通信卫星平台的电子信息系统的设计情况，通过对国内外现状进行比较，提出了提升中国通信卫星电子信息水平的思路.由此可以看出，通信卫星的电子信息系统代表了整星的技术水平和发展前景，加强对星载技术的研究和提升相关的研制能力，对于发展中国通信卫星事业，提高航天技术的整体水平和实力具有重要意义.

［1］McKinnon， Douglas V.A2100， satellite of the future，here today［C］.The 16thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， Washington DC，USA， Feb 25-29，1996

［2］Gerard O， Berger G.Eurostar E3000 in-flight experience［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， San Diego， USA， June 11-14，2006

［3］Pasquet J M.SPACEBUS 4000 avionics：key features and first flight return ［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference，San Diego， USA， June 11-14，2006

［4］Pelenc L，Gayrard JD.SPACEBUS，a vehicle for broad m issions［C］.The 24thAIAA International Communications Satellite Systems Conference， San Diego， USA，June 11-14，2006

App lications of Advanced Avionics in Comm unication Satellite Platform

YE Yuanfei1， LV Nan1， HUANG Xianlong2， CHEN Xiao2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China； 2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

In this article， the actuality of the China Avionics architecture is analyzed and compared with three representative foreign avionics architectures， namely，Lockheed Martin A2100，Astrium EuroStar3000 and Thales Alenia Space SpaceBus4000.The analysis is mainly focused on three key issues including degree of integration， expansibility， processing capacity.Given the results of analysis，themajor gaps of China Avionics architecture are identified.And a corresponding proposal is presented accordingly to further optimize avionics architecture and strengthen the Ramp;D ability on development of universal satellite platform.

communication satellite platform； avionics system

V448

A

1674-1579(2011)01-0045-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.01.010

2010-08-13

冶元菲(1979—)，女，甘肃人，工程师，研究方向为通信卫星控制系统设计 (e-mail：yfye@bice.org.cn).