基于TOPSIS法的皮卫星计算机系统设计

袁晓峰,高德远,高 武

(西北工业大学计算机学院,西安710072)

基于TOPSIS法的皮卫星计算机系统设计

袁晓峰,高德远,高 武

(西北工业大学计算机学院,西安710072)

皮卫星具有成本低、反应灵敏等特点,是航天领域的研究热点。由于体积和质量的限制,大卫星复杂的星载计算机系统结构并不适用于皮卫星。介绍基于COTS器件的皮卫星星载计算机系统模块化设计技术,将多准则决策方法TOPSIS排序法应用于皮卫星的芯片选型。研制2版基于不同低功耗微控制单元的计算机原理样机,并通过大量实验测试比较2版原理样机的速度、功耗、运行温度等性能。当工作温度为27℃,主频为8 MHz时,基于MSP430芯片和ATxmega芯片的原理样机的MIPS值分别为7.449和6.781;运行加法运算的时间分别为0.613 μs和1.381μs,功耗分别为38.224 mW和54.411mW。在-40℃～85℃时,原理样机均可正常工作。

皮卫星;星载计算机;低功耗微控制器;商用器件;TOPSIS方法;可靠性

1 概述

人造卫星已广泛应用于通信、导航、环境监测等领域,微小卫星因其体积小、成本低、研发周期短等优点,成为航天领域的研究热点。根据微小卫星的质量,又可分为小型卫星、超小卫星、微型卫星、纳卫星、皮卫星和立方体卫星等。皮卫星的质量一般不超过5 kg[1]。

本文提出一种基于低功耗微控制器(Micro Control Unit,MCU)的皮卫星星载计算机系统结构,通过TOPSIS方法选择合适的COTS芯片,基于选择的低功耗MCU设计并制作出2版星载计算机(On-Board Computer,OBC)原理样机。通过对OBC原理样机的实验测试,对TOPSIS方法的有效性及所选择COTS芯片的功能进行验证。

2 背景介绍

世界上最早发射并成功工作的皮卫星是Aerospace公司在2000年2月发射的2颗绳系皮卫星[2]。随后,欧洲、日本等国家和地区相继进行公斤级卫星的研发。2010年9月22日10时42分,2颗完全由我国自主研制的“皮星一号A”卫星在酒泉卫星发射中心搭载“长征二号丁”运载火箭发射成功,这是我国首次成功发射皮卫星[3]。“皮星一号A”仅重3.5 kg,正常工作功率为3.5 W,在太空中成功完成了试验任务[4]。2012年5月10日,我国发射由国防科技大学研制的9.3 kg重的“天拓一号”,这是我国发射的首颗微纳卫星。“天拓一号”的集成度高、功能强大,已完成多项科学实验[5]。1999年,加州理工大学和斯坦福大学提出了一种皮卫星架构标准——CubeSat标准[6],卫星的结构框架大小分为0.5 U(5 cm×10 cm×10 cm)、1U(10cm×10 cm× 10 cm)、2 U(20 cm×10 cm×10 cm)和3U(30 cm× 10 cm×10 cm)。截止到2012年8月,全球已有大约75颗CubeSat标准的卫星发射入轨[7]。PUMPKIN公司已经将生产CubeSat皮卫星市场化,提供开发皮卫星的一整套软硬件工具。QB50工程计划则是由50颗CubeSat标准卫星组成的网络,用于低热大气层探测和重返大气层研究,我国有多家高校参与QB50计划的研究[8]。高速信息时代和经济全球化的到来,采用商用现成芯片(COTS)设计的皮卫星具有开发周期短和成本低廉的优势,正成为各国航天技术发展的热点。

星载计算机(OBC)系统是皮卫星的重要组成部分,主要功能是运行皮卫星的关键算法,与皮卫星其他分系统进行数据通信和命令交互,其中微控制器(MCU)是星载计算机系统的核心。丹麦科技大学设计的CubeSat标准的1U皮卫星DTUSat,采用的是ATMEL的ARM处理器,ARM处理器虽然性能较强,但相比超低功耗设计的MCU,ARM处理器无疑会增加OBC的功耗。浙江大学的“皮星一号A”星载计算机采用双处理器架构,其中,2个处理器OBCA和OBCB之间需要用FPGA实现的桥接器进行逻辑仲裁[4]。这种双处理器架构可以提高皮卫星的可靠性,但是芯片的增多会增加OBC的重量、面积以及系统软硬件的复杂度。三模冗余设计需要复杂的仲裁电路和算法,面积和功耗较大,不适合用于皮卫星计算机系统的设计。

皮卫星在体积、质量和功耗等方面有严格的限制,所以传统大卫星复杂的星载计算机结构并不适用于皮卫星。在OBC系统设计过程中,用适当的方法选择功能芯片是非常重要的。选择一款功能芯片是一个多准则决策问题(Multiple Criteria Decision Making,MCDM),常见的MCDM算法有TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution)算法、AHP(AnalyticHierarchy Process)算法和SAW(Simple Additive Weighting)算法等[9]。与其他算法相比,TOPSIS分别通过对象距最优解和最差解的距离进行评价,此外算法的过程可以通过简单的程序实现[10]。

3 皮卫星计算机系统的结构

皮卫星多采用立方体结构,主要由计算机系统、通信系统、姿控系统、电源系统、微推进系统和有效载荷等组成。通信系统负责皮卫星与地面的数据通信以及皮卫星之间的wifi通信。姿控系统主要采集皮卫星姿态和轨道控制所需要的数据,包括陀螺仪、磁强计、GPS的数据等。电源系统则为皮卫星各系统提供所需电源。通过微推进系统,可以对皮卫星的姿轨进行调整。皮卫星主要的有效载荷是相机,相机拍照的照片经过压缩后传至地面,可以验证皮卫星各系统功能的正确性。

皮卫星的研发和制造成本低,且多以集群网络的方式进行工作,因此,可以采用多个皮卫星进行整机备份来提高整体皮卫星网络的可靠性。本文提出的基于MCU的计算机系统结构如图1所示。

图1中星载计算机系统各模块的主要功能如下:

(1)计算处理模块,以一款低功耗MCU为核心,用于运行姿态控制和状态仲裁等算法,并且向皮卫星的其他分系统发送控制指令。

(2)内置电源模块,为OBC上的功能芯片提供工作所需的电压。电源模块具有灵活的输入电源范围,在接入皮卫星电源系统输出的电压(0～4.2 V)后,转换为稳定的供电电压(3.3 V和5 V)。

(3)存储模块,主要包括大容量的FLASH芯片和小容量的PROM芯片。FLASH存储器主要存储OBC通过总线接口接收到其他分系统的数据,如通过UART接口接收的姿控系统磁强计、陀螺仪及GNSS等器件采集到的数据等。PROM芯片具有较好的抗单粒子翻转能力,用于存储皮卫星初始化时的重要参数,如各寄存器的值等。

(4)总线调度模块,是OBC与皮卫星其他分系统进行通信的枢纽,主要包括UART总线和I2C总线等。

(5)电路调试模块,用于皮卫星发射前在地面对OBC进行调试操作,方便观察调试结果,使OBC的调试更有针对性,主要包括代码调试接口(JTAG、BSL等)、测试点、测试开关和LED灯等。

(6)电路保护模块,用于OBC和其他外围分系统的故障处理,提高OBC的可靠性,主要元器件有温度传感器、看门狗定时器(WDT)等。

图1 星载计算机系统结构框图

4 基于TOPSIS方法的芯片选型

在选择功能芯片时,每一种功能芯片有不同的性能指标,而不同型号芯片的指标参数也不同。MCU是星载计算机的核心,通过运行星务管理软件保证皮卫星正常执行任务,所以MCU器件的选择是皮卫星星载计算机设计的关键。本文介绍用TOPSIS进行低功耗MCU的选型过程,此方法也可用于其他功能芯片的选型。

考虑到皮卫星的功能需求、运行环境以及功耗、体积和质量等方面的限制,应用于星载计算机系统的MCU应符合以下条件:

(1)工作温度满足皮卫星的工作环境温度范围;

(2)满足低功耗需求,节省能源;

(3)支持皮卫星分系统需求的总线规范,如I2C总线、CAN总线等;

(4)有足够的IO引脚和USART接口资源,满足OBC外围功能模块和皮卫星其他子系统的需求;

(5)处理性能满足需求,可以即时处理皮卫星的数据和通信;

(6)友好的编程调试环境,方便系统程序和应用程序的代码编写。

为了满足皮卫星的性能需求,选择16位的MCU作为OBC的处理器。通过芯片数据手册提供的参数,可以初步判断MCU的功耗、性能及工作温度。动态电流可以评估MCU的功耗,MIPS可以评估MCU的执行速度,存储器的容量大小则可以评估MCU的存储能力。调研了各大主流厂商的16位MCU系列,并选择一个样品进行比较。各系列MCU的特点和外围资源如表1所示。

表1 商用MCU的参数比较

使用TOPSIS方法对备选芯片进行排序选型的步骤如下[11]。

步骤1 构建原始决策矩阵A={aij},其中,包含m个备选方案和n个决策指标。A={aij}表示MCU的参数集合,其中有5个备选方案和4个决策指标:

步骤2构造规范决策矩阵B={bij}。在原始矩阵中,有的指标为效益型指标,即越高越好,有的指标则为成本型指标。式(2)和式(3)分别为效益型指标和成本型指标的规范公式。经过规范后的矩阵,所有指标参数将在0～1的区间内,从而方便比较。

步骤3构造权重矩阵w={wj}以及加权矩阵X={xij},其中,xij=ωj·bij。在实际应用中,皮卫星功能的复杂度较低,但电能资源稀缺,所以,MCU的功耗性能权重更大。将MIPS、程序存储器和RAM容量、动态电流的权重分别设为0.3,0.15,0.15和0.4,即权重矩阵w={0.3 0.15 0.15 0.4}T,则MCU性能评价的加权矩阵X={xij}如下所示:

步骤4确定正理想解A+={v+j}和负理想解A-={v-j}。

步骤5计算各系列MCU与正负理想解的距离,可以利用欧氏距离进行计算:

各系列MCU至正负理想解的距离如表2所示。

表2 各MCU到正负理想解的距离

步骤6计算备选芯片到理想解的相对接近度相对接近度越大,表示该芯片的性能越优。式(9)为的计算公式。

步骤7根据相对接近度对备选MCU进行排序选型。表3为备选MCU芯片使用TOPSIS算法所得的排序结果。

表3 各系列MCU的相对接近度排序

经过TOPSIS排序法可以得出TI的MSP430系列和ATMEL的ATxmega系列MCU的性能更符合OBC的需求。本项目以这2款MCU为控制器,设计了2版OBC原理样机,并通过大量实验比较和验证了2版OBC的性能,从而验证TOPSIS应用于皮卫星芯片选型的有效性。OBC的样机图片如图2所示。2版OBC的存储芯片均在系统板背面。

图2 皮卫星星载计算机的原理样机

5 实验结果及讨论

在不同温度环境下,使2版OBC样机以同一主频(8 MHz)运行不同的算法,从而比较2版OBC的性能和功耗。为了确保结果的精确性,2版OBC运行的源代码是一致的。在运行算法的操作前后,分别将MCU的一个引脚置高和置低,通过示波器测得的方波间隔时间即为操作所运行的时间。功耗则可通过万用表测量OBC板的输入电压和电流来计算。

MIPS是衡量MCU性能的一个指标,通过统计每秒运行空操作指令的数目[12],可以获得MCU最大的MIPS值。在27℃时,测得MSP430的MIPS值为7.449,ATxmega的MIPS为6.781。从图3可以看出MIPS值与温度变化的关系。

图3 不同温度下的MIPS值

OBC的性能也可通过运行基本操作算法所用时间来评估,如加减乘除等算法。图4和图5展示了2版OBC在典型温度下运行不同操作所用的时间和功耗对比。其中,冒泡算法是对20个无符号整数进行冒泡排序。由实验可以看出,2版OBC在运行不同操作算法时性能各有优势,但是以MSP430为核心的OBC功耗明显更低,更适合用作OBC的处理器,实验结果与TOPSIS算法所得的排序结果一致。同时,本系统在太空的温度环境下可正常工作。在-40℃～85℃的温度范围内,2版星载计算机在运行16位加法运算时所用的时间和功耗曲线如图6所示。

图4 2版OBC运行时间比较

图5 2版OBC功耗比较

图6 OBC在-40℃～85℃的参数趋势

6 结束语

本文通过比较现有卫星的星载计算机系统结构,提出一种适合皮卫星OBC的模块化系统结构,并将多准则决策算法TOPSIS应用于皮卫星的芯片选型中。通过TOPSIS排序法选择高性价比的商用器件,并采用PCB布局布线以及辐射屏蔽防护等设计,完成了2版计算机原理样机的设计和测试。实验结果表明,本文提出的模块化系统结构功能正确,且可以成功地与皮卫星其他分系统进行数据通信和控制,性能满足皮卫星需求。同时,通过大量实验比较了2版计算机原理样机的性能,其中,基于MSP430的原理样机性能相对更优,与表3中的TOPSIS排序结果一致,从而证明TOPSIS算法用于皮卫星商用器件选型的有效性。在后续工作中,将研发基于MSP430的三模冗余低功耗抗辐射皮卫星计算机系统。

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[2] 余文革,钟先信,李晓毅,等.皮卫星发展展望[J].压电与声光,2004,26(4):289-292.

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[4] Zhang Yu,Zheng Yangming,Yang Mu,et al.New Technique Design and Implementation of the Highlyreliable,Low-cost Housekeeping System in the ZDPS-1A Pico-satellite[J].Journal of Zhejiang University-Science C:English Edition,201213(2):83-89.

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编辑 顾逸斐

Design of Computer System for Pico-satellite Based on TOPSIS Method

YUAN Xiaofeng,GAO Deyuan,GAO Wu
(School of Computer,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

Pico-satellite,which features low cost and flexiblity,is a hot topic in aerospace applications.Due to the limitation of size and weight,design of On-Board Computer(OBC)for pico-satellite systems is different with that in the larger satellites.This paper introduces the modular design techniques of an OBC based on Commercial Off-the-Shelf (COTS)devices for pico-satellites.The chip selection is important for electronic system design.The selection of the suitable COTS devices is performed by using Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution(TOPSIS) method.Two versions of prototype OBC systems based on different types of low power MCUs which are selected by TOPSIS method are implemented.The running speed,power consumption,and operational temperature of two OBC systems are tested and compared.When operational temperature is 27℃and main frequency is 8 MHz,the MIPS of OBC system based on MSP430 and ATxmega are 7.449 and 6.781,respectively.The running times of addition are 0.613 μs and1.381μs,respectively.The power consumptions of addition are 38.224 mW and 54.411mW,respectively.The performance of the OBC system based on MSP430 is better.Two OBC systems can work correctly at-40℃to 85℃.

pico-satellite;On-board Computer(OBC);low power Micro Control Unit(MCU);Commercial Off-theshelf(COTS)device;Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution(TOPSIS)method;reliability

袁晓峰,高德远,高 武.基于TOPSIS法的皮卫星计算机系统设计[J].计算机工程,2015,41(2):287-291,297.

英文引用格式:Yuan Xiaofeng,Gao Deyuan,Gao Wu.Design of Computer System for Pico-satellites Based on TOPSIS Method[J].Computer Engineering,2015,41(2):287-291,297.

1000-3428(2015)02-0287-05

:A

:TP368.2

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.02.055

国家自然科学基金资助项目(61101190)。

袁晓峰(1988-),男,硕士研究生,主研方向:嵌入式系统;高德远,教授、博士生导师;高 武(通讯作者),副教授、博士。

2013-12-10

:2014-02-19E-mail:gaowu@nwpu.edu.cn