国外航天器电子系统的几个重要发展趋势

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

1 引言

21世纪初十余年来，空间技术发达国家普遍大力建设空间基础设施，国家政治、军事和社会经济生活与空间基础设施之间存在越来越紧密的依存关系。鉴于此，对空间基础设施的维护补网需求、技术更新换代要求和新应用领域的拓展，致使对新空间产品的需求迅猛增加，并要求具有更短的投入运营响应时间；但是空间项目的费用依然昂贵，依然是高风险、高投资的工程项目，这使得各国政府、用户都很难同时承担多个项目。“较快、较好、较省”的概念，由NASA 于20世纪90年代最先提出来，得到各国和宇航机构的普遍认同，因此，在空间产品的基础公用部分采用平台化设计思想，各不同工程项目能共享一部分基础成果，进而分摊成本和降低风险，这也成为各空间组织在空间项目中的普遍做法。航天器电子系统的研发同样秉承了这一思想。在21世纪，空间技术发达国家空间项目的研发，大多是20世纪末各国从国家战略利益高度提出的15～20年发展计划项目的延续，其成果最初体现在21世纪头十年欧美的一系列空间探测器平台项目和载人航天项目中，并陆续向低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）的航天器推广。在这一轮的空间产品研发过程中，由于各宇航公司的现有产品（不论是LEO还是GEO 的产品）已经相对成熟，拥有稳定的经济效益，因此这些宇航公司并不是新一轮产品开发的积极推动者，主要推动力量来自政府主管机构以及政府支持的研究机构，如NASA 及其喷气推进实验室（JPL）、戈达德航天飞行中心（GSFC），欧洲的ESA 等，工业界则是在某一专项技术领域提供支撑，扮演积极的参与者角色。

本文在归纳整理20世纪90年代后的有关文献基础上，对国外航天器电子技术发展中表现出的共性特点进行总结，提出了几个需要引起注意的发展趋势，可供后续电子系统研发工作参考。

2 航天器电子系统的范畴

航天器电子系统是一个相对宽泛的概念，并没有一个明确的界定（定义），一般是指与机械系统平行的概念，是航天器上实现各种非机械机构类功能和性能的电子设备的统称。在本文中，讨论并未包括有效载荷和传统供配电的特殊电子设备。目前，航天器各分系统的定义是从功能应用层次给出的，如姿态轨道控制分系统、数据管理分系统等；而航天器电子系统则是指各分系统功能实现所涉及的全部电子设备（含软件）的总和。不同的宇航公司、组织在航天器电子系统研发中所涉及的电子设备范围，并不完全一致，这与各具体项目的要求有关，但主要研发工作则集中于航天器平台或公共服务系统部分的电子系统，有效载荷部分虽然大部分也是由电子设备组成，但用户需求存在巨大差异，并不在通用研究范围内。另外，航天器电子系统研究工作的部分内容，也会涉及到传统的供配电系统，主要集中于对电源产生装置的管理、控制及电源分配管理控制设备［1］的研究，至于电源的一次及二次生成，则归属于供配电相关的专业技术领域，而不是通常意义上航天器电子系统的研究范畴，如新型高效率太阳电池片和电源变换装置等，都归属于供配电专业领域。尽管如此，后面讲到的4 个发展趋势，对它们也是基本适用的。

3 几个重要的发展趋势

3.1 基于网络的分布式模块化体系结构是航天器电子系统发展的主流方向

分布式电子系统和模块化都不是新概念，电子系统的分布式结构还是相对老旧的概念。随着现代数字处理技术的进步，分布式模块化电子系统固有的体系上的优势，并与基于信息交换处理的互联网概念相结合，为其结构赋予了新的活力，成为未来航天器电子系统发展的主流方向。分布式模块化电子系统的主要优点是：①系统具有开放的可扩展和可裁剪特性，这使系统对不同工程项目具有很大的配置灵活性和适应性，可以支持不同功能模块设备根据任务需求灵活组合配置，实现不同工程项目共享功能模块化设备的目的；同时，体系结构确定后，开放性使得系统对未来新技术发展具有足够的包容性，可以在系统体系结构不变和标准化接口前提下，引入基于新技术的具有标准接口的新设备或升级换代的设备。②缩短系统集成时间。这是由于不同功能模块或节点设备相对独立，各模块的集成、测试结果并不影响系统其他部分的运行。③系统任务由各模块化节点分担，任务可靠性、可维护性高。④信息交换、分发和共享依赖总线技术，信号采集、处理等采用就近配置的原则，可有效缩短原始信号的传输路径，避免信号损失、失真和干扰，同时极大地减小电缆网的质量，尤其对于大型航天器优势明显。

分布式模块化电子系统的典型例子，可见GSFC负责的“中型探测器”（MIDEX）［2］项目。此项目在强调进一步减小体积、质量和功耗的同时，特别强调了电子系统要适应未来一系列空间探测器、地球轨道卫星的需求，系统设备可被不同项目重用，以降低成本和缩短研制周期；要广泛采用现行的工业界标准，具有付出较少的代价就能融合未来新技术的能力，使其研发精力能真正投入到后续空间项目有效载荷的研发中。为此，GSFC 开发了基于AS1773 总线网络的分布式模块化电子系统（如图1所示）。其技术要点是：通过远程服务节点（Remote Services Node，RSN）概念，将星务管理、测控、姿态与轨道控制、供配电管理、姿态传感器等功能集成于不同的RSN，每个RSN 具有标准的AS1773接口和电源接口，不同的功能必须在每个具有标准接口的RSN 电路板预留的空间内实现，以保证RSN 接口的标准化。整个系统在物理空间分布上可以灵活组合，但功能模块间保持分布式网络结构，使每个RSN 升级换代或采用更新的技术时更为便捷，不同的项目也可以根据需要进行裁剪。

图1 MIDEX 电子系统结构模块组成示意Fig.1 Sketch map of MIDEX avionics modular configuration

另一个分布式电子系统的例子，是较早期开始的由JPL负责的X2000微小型空间探测器项目［3］。为应对NASA 在2000年后深空探测任务急剧增加，JPL对新的任务目标和技术能力进行了评估，同样认为传统的集中式航天器电子系统，即使采用新的技术也不能满足使用灵活性的要求，无法支持在不同项目和平台之间共享成熟技术产品的要求，因此JPL构建了基于工业标准的IEEE1394和I2C双总线结构的分布式电子系统（如图2所示）。在此体系结构下，分3个阶段实现总线节点电子设备由原型验证到微系统集成，再到片上系统（SOC）的发展历程，促进了航天器向微小型化发展。

欧洲目前空间项目中的电子系统，通常将所有数据管理和制导、导航与控制／姿态与轨道控制系统（GNC／AOCS）功能集中在单一的计算处理单元中。ESA 的研究结果表明，这种集中做法存在缺点，即导致了系统集成工作从一个较低层面开始，使得系统集成者（系统总体）不得不对所有软硬件功能的初始组装、验证等负责，从而使集成的费用、周期和复杂性增加［4］；另外，随着航天器功能要求的增加和随之而来的飞行软件复杂性的增加，集中式电子系统导致了测试用例（配置）等数量的爆炸性增长，软件模块相互耦合导致的安全问题突出，集成和验证周期变长，风险高到难以承受。为了解决这种低层次集成问题，同时考虑欧洲大多数航天器电子系统的现状，ESA 和阿斯特里姆（Astrium）公司开展了联合研究，借鉴法国宇航领域在Airbus380电子系统（30个模块，集成了21个功能的分布式网络系统）中的成功经验，提出了应用于航天器的空间综合模块化电子系统和软件的时间-空间分割概念［5-6］相结合的方案（IMA-SP），并初步应用于全球星-2（Glogbalstar-2）。该方案的硬件基于1553B 总线或Space-Wire的分布式硬件系统，硬件平台提供数据计算、处理等数据操作的公共资源，软件则更强调不同功能的软件模块之间隔离，模块之间只保留数据交换接口，在保证相互独立、安全的前提下，共享公共资源，其本质上是在兼容现有系统前提下解决紧耦合分布式系统的软件功能集成和安全问题，也是解决目前欧洲航天器普遍采用集中式电子系统的无奈之举。

图2 X2000 电子系统结构示意Fig.2 Sketch map of X2000avionics

3.2 日益注重成熟工业标准和技术在空间领域应用

空间产品所面临的特殊环境条件，以及航天工业历史发展过程中与国防工业结合紧密的原因，逐步形成了有别于其他工业部门的相对独立的标准体系，其中部分标准要高于普通工业标准，这使得空间技术成为了国家高技术的代表，也体现了国家工业技术的综合能力，但与此同时也形成了一定的局限性和封闭性。现实情况是，作为高技术代表的空间技术，引领技术发展并向其他工业技术领域扩展和推广的局面已经悄然发生变化。近年来，随着技术进步，大量成熟的工业技术开始向空间应用领域转化渗透，空间产品本身所涉及的专业技术领域也逐步扩大，现行的航天标准已经无法覆盖一些新兴技术领域。在文献［7］中，从空间军事后勤角度对空间技术领域标准应用现状和原因进行了反思和分析，认为在空间电子系统研制中之所以缺失对标准的应用，源于下列原因：

（1）早期空间电子系统设计中应用标准化设计，并没有带来足够显著的效益，特别是对于卫星这种小批量生产的产品更是如此；

（2）在空间技术领域，曾经因大量采用未成熟的技术和不完善的标准体系，反而造成系统集成困难，进度和成本增加；

（3）出于竞争的目的，通过大量采用创新技术设计独特产品和提供有别于竞争对手的服务，进而有意排斥标准化的兼容设计；

（4）为了满足用户提出的以减小质量为目标的特殊要求，采用了大量非标准设计。

同时，空间技术领域以外存在大量成熟完备的工业技术标准可供选用，并且这些标准对相关行业发展起到了巨大的推动作用。特别是航空工业在航空电子系统方面形成的完备的工业标准，有力地推动了航空工业的发展，促使了大型项目的成功，也带来了巨大的经济效益，如“空中客车”系列大型客机项目、波音777、787和洛马公司的F-22项目等，都凸显了完备的标准体系所带来的效益；在商用电子产品领域，标准体系的运用对于产品市场拓展、升级和降低成本的作用，更是有目共睹的。一些宇航机构和公司开始逐步认识到成功应用标准体系可能带来的潜在效益，以及非空间技术领域标准的潜在价值，开始着手研究航天器电子领域标准体系的应用发展策略，并大量借鉴航空领域现行标准，将其向空间应用转移，强调在航天器电子产品设计中，不论是在大系统、系统级结构，还是在单机内部设计上均充分借鉴现行航空或民用电子系统的标准化设计，适度采用成熟技术和现货产品，使系统具有良好的兼容性、开放性和灵活性［7］。例如，文献［8］中提出了可应用于先进航天器电子系统结构的标准族，并给出了Honeywell公司和劳拉（Loral）公司应用标准构建ATIM 单板处理器的例子；ESA 则和欧洲航天技术中心（ESTEC）合作，对基于航空ARINC653的航天软件标准族进行深入研究，开展了IMA-SP的概念研究，对ARINC653标准在欧洲空间系统中应用的适用性进行了比较分析；另外，NASA 的一系列深空探测器项目、载人航天项目中也逐步探索商用产品和标准的空间应用，并取得了较好的效益，如前述的X2000项目中IEEE1394总线标准和I2C总线标准的应用。

目前，工业标准、成熟现货产品应用于航天器电子系统的研究，尚处于探索阶段，只是取得了初步实验性成果，随着空间技术领域以外的工业技术的进步和标准的提高，空间技术与其他工业技术和标准的相互影响渗透，是必然的发展趋势。

3.3 先进单机与元器件设计制造技术的影响越来越大

电子系统的技术进步和技术先进性，除了体现在系统体系结构外，单机和元器件的设计制造技术始终是一个重要因素。在分布式数字化系统中，当节点接口成为标准化接口后，节点的单机研制水平很大程度上决定于可以获取或使用的元器件的设计制造水平，而且，随着微电子技术的发展，这种依托关系更加紧密。欧美国家由于电子工业基础雄厚，空间电子设备和元器件的制造一直支持并推动着系统设计和实现的不断进步。对于复杂设备，往往是利用分立元器件进行概念研究和先期验证，最终将电路中的复杂逻辑组合成专用集成电路芯片（ASIC）的形式实现。这种做法除了能降低单机的体积、质量外，也使设计、生产过程标准化，产品的总体性能指标得到提高。近年来，多芯片组装封装技术得到快速发展，使单机的功能密度、集成度得到提高的同时，又进一步减小了体积、质量和功耗。

一个应引起重视的技术发展是，微电子技术和微机械制造技术相融合形成新的技术概念，打破了传统的单机、元器件的界线。如果说SOC还仅仅是在一块集成电路芯片上集成了单机系统的大部分功能，那么JPL 开发的质量仅10g 的太阳敏感器、42g的星敏感器，以及集成在集成电路芯片上的惯导组件［9］，则颠覆了传统的机电部件概念。可以说，微制造技术使机械、光学和微电子产品融为一体。尽管目前这些设备的性能指标与传统产品相比还有差异，但微电子技术和微机械制造技术相融合，使机、电、光学等设备高度集成和微型化的趋势是明显的，而且近年来呈加速推动系统技术进步的态势。一旦大规模工业化生产成熟，不仅将对未来航天器电子系统的发展产生深远影响，还会改变传统的空间飞行应用策略。这种影响体现在两个方面：一方面是在技术层面，通过SOC、微机电产品，使处理设备（不论是敏感器还是驱动设备）都更临近现场；分布式系统节点间的处理能力、作用可进一步趋同，为基于网络的分布式冗余结构提供了技术基础；系统的体积、质量、功耗进一步减小，系统配置更灵活，系统更可靠，使得航天器的研制费用等能更多地集中于有效载荷和应用方面。另一方面，微系统使大批量、快速、低成本的工业化生产成为可能，利用微系统、微电子系统构造小微卫星、纳卫星的成本将极大降低，使得拥有此技术的国家、组织相对其他无此技术的国家、组织具有极大的技术优势，这对于国际空间政策的影响远大于技术方面的影响。在美国空军的“转化中的空间主动性”提议［10］中，就提出了美国空军所要具有的3种能力，即：保护（美国）空间基础设施的能力；阻止敌对方进入空间的能力；快速发射和部署新的或替换的空间基础设施的能力。其中，第2条如何实现已经超出了工程技术的范畴，但空间微系统至少为这个议题提供了一个选项。

3.4 有效应对数字化设备和软件在系统中比重不断增加

数字化设备和软件在航天器电子系统中所占的比重，很难给出量化指标。传统的航天器电子系统，从信息传输处理过程上可以归结为信息采集或敏感接收，进行初级变换处理，然后送核心处理单元进行处理，处理结果分发给驱动设备产生实际操作。传统上，核心处理器采用数字化处理器实现，其他部分由模拟线路等实现。由于微处理器技术的发展，数字信号传输所具有的固有的抗干扰能力强和总线技术成熟等特性，使这一局面正在悄然发生变化，整个功能链路中数字化设备所占的比重逐步增大，数字化设备已经不仅局限于数据处理，向前端的数据采集数字化和对射频信号数字化处理的软件无线电，以及向后端设备数字化驱动扩展的趋势明显。例如，在早期设备级提出的SMART 设备概念，就反映了这一发展趋势。20世纪末，随着现场可编程器件的发展，SMART 在空间应用领域又被赋予了“小型多目标先进可重配置技术”（Small Multi-object Advanced Reconfigure Technology）的概念［11］。其基本思想是：针对前端的敏感器（或传感器）和指令接收模块，中间的处理计算及后端的输出驱动三部分，分别开发标准化SMART 模块，使信息采集、接收和执行机构的驱动处理均实现临近现场数字化，而与中心计算处理模块的信息传递、数据存储共享等，则通过网络总线实现。例如GSFC在基础业务节点（Essential Services Node，ESN）［12］基础上为MIDEX 开发的RSN，就是这种设计理念下的产物。

系统中大量数字化设备的采用，也使得各设备在硬件上有相当一部分功能趋同，为各设备在硬件结构上由相同硬件实现核心功能、软件实现个性化差异功能提供了可行性；等同的硬件结构和共享的信息存储模式，也为实现基于网络的冗余提供了基础（目前是基于节点的传统冗余）。采集和处理更临近现场，大量使用数字化设备，各异化的功能由不同的软件实现所决定，使相应的软件研发工作在系统研发中所占的比重也随之增大，因此软件工程化、系统集成测试和软件安全性需要更多的投入和关注，有必要从方法学上研究解决软件集成的安全性问题，ESA 借鉴ARINC653提出的IMA-SP也是这一趋势的体现。

4 启示与建议

本文前述的4个趋势并未涉及电子系统具体实现所采用的技术细节，而是相对宏观的阐述。一个有趣的现象是：21世纪初十余年来，一方面，各国都对空间基础设施建设表现出极大的兴趣，空间系统的规模和应用所覆盖的领域不断扩大，新的空间工程项目和与之对应的航天器层出不穷；另一方面，当剖析这些航天器的电子系统时，却发现所采用的技术概念和技术手段，与前文所述4个方面的技术都似曾相识，似乎并未有全新的技术概念出现，但又确实“巧妙”地满足了新的应用需求，达到了“较快、较好、较省”的目的。这一现象固然与掌握先进空间技术国家的工业基础，有密不可分的必然联系，也与21世纪空间工程项目周期远短于新技术革新周期，一些新技术尚处于概念研究阶段的特点有关。其中，以美国NASA 和欧洲ESA 为代表的宇航组织，在21世纪的航天器电子系统开发中存在一些共同的特点，对于我国目前空间应用需求急剧增长，而相对电子技术工业基础较弱的局面极具借鉴价值。

（1）重视从系统级进行电子系统的体系结构研究，构建可适应未来技术发展的先进体系结构。尽管微电子技术发展为实现更高集成度的电子系统提供了技术基础，但从研究结果看，并未放弃传统的基于总线的分布式模块化电子系统的概念，而是重新综合现行的工业标准、微处理器技术发展成果、先进制造技术等，从系统角度以“较快、较好、较省”为驱动，确立了以分布式、基于成熟总线网络的模块化结构，作为未来相当长一段时期内航天器电子系统的优选结构。另外，以先进的具有优势的系统引领单机技术的发展，而又不限制单机技术的发展。纵观几个实践的例子，可以看出，基于总线网络的模块化结构航天器电子系统概念，在系统上强调系统资源共享能力和标准接口，减少接口种类，避免单机接口标准的散乱局面，并在标准体系框架下为后续发展提供了足够的兼容性设计。

（2）空间技术和非空间工业技术领域的相互渗透，是空间技术应用日益广泛和工业技术水平日益提高的必然结果，突破传统空间技术领域的局限性，面向工业界开放空间技术领域研发，也是必然的发展趋势。因此，现行的工业标准向空间技术领域推广，应当作为一个重要的研究课题，这也是降低成本和风险、适应日益激烈的市场竞争的有效方法之一。

（3）先进的微电子技术的发展始终是空间电子系统技术发展的基础，特别是打破传统概念的微机电技术的发展，为新概念的航天器电子系统发展提供了更多的可供革新的选项，而相应的软件和数字化设备在系统中所占比重的提升，则是微电子技术发展的必然结果。这对于目前空间电子系统的研发工作既是挑战，也是机遇，因此在航天器电子系统研发中应注意对这些新技术、新概念给予足够的关注和前瞻性的应用。

（References）

［1］Karen Castell，Amri Hernandez-Pellerano，Margaren Wismer.Close loop software control of the MIDEX power system［C］／／Proceedings of 1998IEEE Aerospace Conference.New York：IEEE，1998：167-175

［2］John A Ruffa，Karen Castell，Thomas Flatley，et al.MIDEX advanced modular and distributed spacecraft avionics architecture［C］／／Proceedings of 1998IEEE Aerospace Conference.New York：IEEE，1998：531-541

［3］Dan Karmon，Savio Chau.Future avionics for X2K，NASA 20060033941［R］.Washington D.C.：NASA，2006

［4］James Windsor，Marie-Helene Deredempt，Regis De-Ferluc.Integrated modular avionics for spacecraftuser requirements，architecture and role definition［C］／／Proceedings of IEEE／AIAA Digital Avionics Systems Conference （DASC 2011）.New York：IEEE，2011：3698-3713

［5］Jame Windsor，Kjeld Hjortnaes.Time and space partitioning in spacecraft avionics［C］／／Proceedings of the Third IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology.New York：IEEE，2009：13-20

［6］Krodel J，Romanski G.Handbook for real-time operating systems integration and component integration considerations in integrated modular avionics systems［Z］.East Hartford，CT：United Technologies Corp.，2008

［7］Robert T Caffrey，Timothy W Simpson，Rebecca Henderson，et al.The strategic issues with implementing spacecraft open avionics platforms［C］／／Proceedings of 2002IEEE Aerospace Conference.New York：IEEE，2002：1825-1841

［8］J M Borky，B Singaraju.Technology and strategies for effective spacecraft avionics standardization［C］／／Proceedings of AIAA 1995Space Programs and Technologies Conference.Washington D.C.：AIAA，1995：1-16

［9］Leon Alkalai.Space avionics and microsystems，NASA 20060029381［R］.Washington D.C.：NASA，2006

［10］Karl Reichard，Ed Crow，Tim Bair.Integrated management of system health in space application［C］／／Proceedings of the 53rd Annual Reliablility and Maintainability Symposium.New York：IEEE，2007：107-112

［11］Alhorn Dean C，Howard David E.SMART：the future of spaceflight avionics，NASA 20110004302［R］.Washington D.C.：NASA，2011

［12］Philip J Luers，Harr L Culver，Jeannette Plante.GSFC cutting edge avionics technologies for spacecraft，NASA 19980236026［R］.Washington D.C.：NASA，1998