基于SiP技术的空间飞行器综合电子系统

黄　虎，李　华，孔　勇，范国臣，张耀磊



基于SiP技术的空间飞行器综合电子系统

黄虎1，李华2，孔勇3，范国臣1，张耀磊1

（1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076；2.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035；3.北京中测安华科技有限公司，北京100085）

随着空间飞行器的电子设备向着小型化和集成化的方向发展，对综合电子系统提出了高性能、轻质化、集成化、小型化等要求。系统级封装（System in Package，SiP）已经成为重要的先进封装和系统集成技术，是未来空间飞行器综合电子系统小型化和多功能化的重要技术路线。介绍了国内外综合电子系统的发展现状和趋势，在分析空间飞行器对综合电子系统的需求基础上，对基于SiP技术的空间飞行器综合电子系统组成和关键技术进行了介绍，总结了基于SiP技术的综合电子系统的特点与优势。

SiP；空间飞行器；综合电子系统

1　引言

随着现代电子技术、计算机技术、控制技术和信息工程的飞速发展，空间任务日益呈现出多样性、复杂性的特点，这对空间飞行器的发展尤其是其综合电子系统提出了更高的要求。为满足上述要求，未来的空间飞行器将是微电子和微机械的高度集合体［1］。飞行器的平台也将不再是只具有独立功能的设备的集合，而是将任务、功能、资源统一调度管理的集成系统。

SiP是基于系统级芯片（SoC）的一种新型系统级封装技术，利用MCM微组装和互连技术将多个裸片及无源器件构成的高性能电子系统集成在同一封装内，实现整个系统的功能。它与SoC互补，能在最大程度上优化系统性能、降低功耗、提高系统集成度，实现系统的小型化和轻质化［2］。

综合电子系统的重要思想是资源共享，即超越各分系统电子设备范畴，综合电子系统旨在以“通用化、系列化、模块化”为原则，将整个飞行器的电子系统进行有机的结合。采用SiP技术实现飞行器上的功能集成和信息融合，不仅可大幅度减少所需的电子部件种类，而且还可以大大减少元器件数量，简化硬件的复杂度，提高系统的可靠性，是实现空间飞行器小型化和轻质化的有效途径，对空间飞行器技术的发展具有重要的意义［3］。

2　综合电子系统组成

空间飞行器综合电子系统以总线形式组成网络，构成功能密集、配置灵活的网络系统结构。采用SiP一体化设计技术将飞行器测控、能源、姿轨控、数管、跟瞄、热控的信息处理集成在综合电子系统中，将各功能模块有机地连接起来，从而实现飞行器的信息交换和共享，实时地完成飞行器运行的管理、测量、控制和任务调度［4］。空间飞行器的综合电子系统组成如图1所示，按照功能将综合电子系统分为5个模块，分别是测控通信模块、能源管理模块、综合数管模块、跟踪瞄准模块和导航制导与控制（GNC）模块［5］。

图1　综合电子系统组成图

2.1测控通信模块

测控通信模块的功能主要包括遥测、遥控、数传、测距测速等功能，由测控单元、遥控单元和数传单元组成，组成框图如图2所示。

图2　测控通信模块组成框图

2.2能源管理模块

能源管理模块采用电源管理器与供配电一体化设计，实现对电源系统的充放电管理、太阳电池阵分流调节、输出功率调节、飞行器平台一次及二次电源集中供配电。由电源管理单元、电压转换单元和对外配电单元组成，组成框图如图3所示。

2.3综合数管模块

综合数管模块实现系统状态实时监测，遥测参数的采集、处理、存储和传送，遥控指令存储、分发或直接执行，全系统的时间管理，热控管理，供配电调度，故障处理。由数据采编单元、任务规划单元、热控单元、供配电调度单元、系统管理和维护单元以及GPS接收与时间管理单元组成，组成框图如图4所示。

图3　能源管理模块组成框图

图4　综合数管模块组成框图

2.4跟踪瞄准模块

跟踪瞄准模块具备远距离动目标探测、识别能力，并能快速精确跟踪。通过采集成像探测器的视频信息，检测提取目标特性，并识别为作战目标，通过解算目标与视轴的角偏差值，驱动机构运动控制装置向减小角偏差值的方向运动，实现对目标的跟踪。由视频信息处理单元、跟瞄控制单元、驱动单元组成，组成框图如图5所示。

图6　GNC模块组成框图

图5　跟踪瞄准模块组成框图

2.5GNC模块

GNC模块具备低轨、高轨导航功能，高精度、大动态、快响应姿轨控能力。通过采集多敏感器的导航信息，进行飞行器位置、姿态组合导航；依据能源需要及太阳帆对日位置信息进行太阳帆对日指向控制；根据任务规划要求，进行在线姿轨控解算，并向动力系统输出控制指令；依据飞行器自身位置、速度、角度信息以及目标位置、速度、角度信息进行火力解算，并驱动执行机构等。由GNC信号处理单元、控制驱动单元组成，组成框图如图6所示。

3　综合电子系统关键技术

3.1操作系统

我国现有飞行器综合电子系统均已采用操作系统来管理系统资源，上世纪90年代研制的数管系统均采用自行研制的实时多任务操作系统，而综合数管则采用基于开源实时嵌入式系统 （Realtime embeded system，RTEMS）的操作系统和商用VxWorks操作系统。VxWorks采用微内核的结构，具有支持处理器多、网络协议丰富、兼容性和裁剪性好等特点。考虑到基于RTEMS的操作系统市场前景广阔，而VxWorks具有较多优点，因此，基于RTEMS的操作系统和商用VxWorks操作系统是未来发展和应用的主流［6］。

3.2SiP技术

根据系统功能的需要，SiP可以将任何一种电子器件集成在一块芯片上，可以将存储器与逻辑管芯集成在一起，也可以将高噪声的数字电路与对噪声敏感的模拟电路集成在一起，同时还可以将许多高品质因数的无源器件集成在同一芯片上而不会降低其性能。这是一种可以实现系统级芯片集成的半导体技术。SiP技术能够提高综合电子系统的集成度、降低系统功耗和体积，随着其发展和成熟，正逐步成为综合电子系统集成的有效手段［10］。

3.3软件构件化设计

软件的体系结构要参照空间接口标准（SOIF）模型的分层体系结构，将与硬件相关的部分与软件主体分离开。这样就降低了底层硬件对软件的影响，提供软件的复用性以及软件对新技术应用的适应性，方便软件的移植。需要根据软件特点，采用SOIF构件化设计思想，将软件模块中应用较广、技术含量高的模块抽象出来，制定接口标准和协议，形成软件构件，从一两个构件开始建立，积少成多，逐步形成软件构件库。软件构件库将是软件设计的关键技术之一。

3.4抗辐照专用集成电路技术

专用集成电路作为综合电子系统器件的一个重要部分，对综合电子系统的集成化、小型化、系列化、低功耗起到关键作用，同时能提高综合电子系统的可靠性、可维修性和可扩展性。专用集成电路/混合集成电路主要应用在总线接口、串行通信、指令驱动、数据采集、直流-直流模块等领域，大大减少了单机的质量与体积，提高了可靠性，优化了综合电子系统的信息流［5］。

3.5故障检测、隔离与恢复（FDIR）技术

故障检测、隔离与恢复是综合电子系统的一项重要功能，对于自主健康管理具有重要的意义。为了保证各种电子设备、分系统运行正常，空间飞行器自主故障管理的目标是实现不依赖外界的信息注入和控制，或者尽量少地依赖外界控制而能准确感知自身的状态和外部环境，并能够根据这些信息自主地检测故障、进行故障隔离与恢复。综合电子系统提供系统级的故障检测和恢复，保证飞行器具备从设定的任意失效模式中恢复的能力，并正确地执行任务［9］。

4　系统特点

4.1高度集成的综合电子系统架构

各层次之间采用标准的接口，便于不同系统部件间的互连、互通和互操作，便于硬件和软件的移植与重用，也便于系统功能的增强与补充。采用开放式的系统结构，不仅提高了系统的冗余和重构能力，而且可以用最低的生命周期费用达到所要求的任务性能和保障性，并为系统功能的扩展和性能的改进奠定基础［7］。

4.2体积小、质量轻

基于SiP技术的综合电子系统针对空间飞行器小型化和轻质化需求，打破传统飞行器多个分立电子仪器设备的分工，采用接口标准化、功能模块化的方式，将测控、姿轨控、飞行器管理等功能进行了系统级集成。实现了单机设备数量与质量的精减，并极大地减轻了电缆网的质量，从而使得体积重量大大减少。

4.3集成度高、可靠性高、功耗低

元件集成封装在统一的外壳结构中，可使总的焊点大为减少，也缩短了元件的连线路程，从而使电性能得以提高。将众多芯片和零部件一同封装在一个封装体内可以显著缩小系统或子系统的尺寸。由于在SiP内部缩短了逻辑线路与存储器之间的距离，因而数据传输速率得以提高。另外，由于缩短了芯片之间连接线的长度，减少了电容负载，从而使得功率消耗也得以降低。

4.4高灵活性和扩展性特点

按照模块化设计思想，设计了不同类型与功能的标准化模块，并统一各模块之间的电气接口与机械接口，简化模块间和设备间的连接关系，便于总装集成测试。同时也易于实现设备功能的扩展，极大提高了系统的灵活性、通用性和扩展性［8］。

5　总结

基于电子设备的集成和小型化技术，开发综合化、通用化和标准化的空间飞行器综合电子系统是相关技术领域的一个重要发展趋势。对于空间飞行器而言，实现智能化自主管理可以大为减轻地面管理人员的监视压力，而完成飞行器电子设备的综合化和集成化设计正是实现自主智能管理、自主诊断排除异常以及对严重故障的自主重构能力的前提。随着我国综合化电子系统研究与设计的进一步开展，该技术必将对我国空间飞行器的发展产生深远的影响。

［1］张富启，金玲，姚艳华.一款系统级封装产品设计及失效分析［J］.电子与封装，2012,12（11）.

［2］郭清军，王俊峰，余欢，李昕.SiP封装结构研究［D］.2011.

［3］T Vladimirova,M N Sweeting.System-on-a-chip development for small satellite onboard data handling System［J］. 2004,1：36-43.［4］王九龙.卫星综合电子系统现状和发展建议［J］.航天器工程，2007,5（5）：68-73.

［5］李孝同，施思寒，李冠群.微小卫星综合电子系统设计［J］.航天器工程，2008，17（1）：30-35.

［6］黄伟,罗世彬,王振国.临近空间高超声速飞行器关键技术及展望［J］.宇航学报，2010，31（5）.

［7］唐明圣.星上一体化综合电子系统FDIR框架设计及故障检测隔离机制实现 ［D］.国防科学技术大学，2010：28-32.

［8］王景泉.美国加速“作战快速响应太空”计划——开拓战术卫星发展的新方向［J］.国际太空，2007，2：8-14.

［9］张国强，罗宇.星载并行处理计算机系统容错技术研究［D］.国防科学技术大学，2006：5-8.

［10］田贺祥，尤政，于世洁.嵌入式系统在微纳卫星上的应用［J］.中国航天，2005，8：37-39.

SiP-based Integrated Electronic System of Spacecraft

HUANG Hu1,LI Hua2,KONG Yong3,FAN Guochen1,ZHANG Yaolei1
（1.Research and Development Center of China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China；3.Beijing ZCAH Technology CO.，LTD，Beijing 100085，China）

The development of spacecraft electronic equipment toward miniaturization and integration has been entailing high-performance,lightweight and miniaturized integrated electronic systems.System in Package（SiP）has now become one of the most promising technologies for advanced packaging and system integration,which is pivotal in the future development of integrated electronic system.The paper at first introduces the constitution and critical technologies of SiP-based integrated electronic system and then concludes its advantages by analyzing the status quo,development trends and demands.

SiP；spacecraft；integrated electronic system

TN305.94

A

1681-1070（2016）09-0006-04

黄虎（1986—），男，江西高安人，硕士研究生，研究方向为综合信息集成；

2016-5-4

李华（1984—），男，江苏无锡人，硕士，研究方向为模拟及数模混合集成电路设计。