一种卫星通用遥控指令译码器设计

陶涛 汪路元 于敏芳 杨小瑞 程博文 刘伟伟 窦钠 幺飞

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

一种卫星通用遥控指令译码器设计

陶涛 汪路元 于敏芳 杨小瑞 程博文 刘伟伟 窦钠 幺飞

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

针对卫星传统遥控指令译码器已经无法满足通用性、适应性、好用易用及批量生产的要求，提出了一种新型遥控指令译码器设计。与传统遥控指令译码器相比，新型遥控指令译码器能够同时适应脉冲编码调制(PCM)遥控体制和空间数据系统咨询委员会(CCSDS)分包遥控体制的两种标准；并且配置了两种输入接口，既能直接接收地面发送的直接指令帧进行译码输出，又能接收星载计算机发出的间接指令帧进行译码输出。新型遥控指令译码器配置的与星载计算机的接口以及具备的自主健康管理功能，非常适用于有智能化自主运行管理需求的卫星。该译码器通用性和适应性强，非常适用于高集成度的抗辐照专用集成电路(ASIC)器件研制，以及高可靠性和长寿命产品的批量生产。新型遥控指令译码器设计已在新遥感平台及相应的卫星研制中得到验证。与传统遥控指令译码器相比，新型遥控指令译码器的功能、性能均得到显著提高。

卫星遥控指令译码器；通用设计；双遥控体制；输入接口；自主健康管理

1 引言

航天产业的发展，对航天产品在长寿命、高可靠要求的基础上进一步提出了通用性、适应性、好用易用及批量生产的新要求。近年来，互联网及数字化技术的发展，为卫星自主运行管理的智能化设计和应用奠定了良好的技术基础，并发挥了重要的促进作用[1-2]。卫星的自主运行管理主要是星载计算机系统根据星上测量信息及设计规定的算法规则进行自主决策[3-4]，对卫星设备或部件进行操作控制，维护自身健康管理或执行相关的任务功能。综合电子技术的发展，为自主运行状态下对卫星任务处理及自主健康管理提供了可能性。

卫星指令包括直接指令、间接指令和数据指令，一般意义下的直接指令和间接指令的译码输出均为单个脉冲信号，而数据指令一般是需要星载计算机软件处理和解析的功能指令。直接指令是由星载遥控设备不经过任何软件处理而直接从上行遥控通道接收、识别和译码输出的高优先权指令；间接指令是星载计算机发出并由间接指令译码器识别、译码和输出的指令。传统的星载译码器分为直接指令译码器与间接指令译码器，两种译码器互不兼容、不能通用，因其输入接口不同，指令码格式也不同，导致不同卫星的遥控指令译码器的状态各异，不利于技术状态的统一。因此，有必要设计新型的译码器，既能直接接收地面发送的直接指令帧进行译码输出，又能接收星载计算机发出的间接指令帧进行译码输出。另外，现在运行的大多数卫星采用脉冲编码调制(PCM)遥控体制，而随着星载设备智能化程度的提高，越来越多的卫星开始使用空间数据系统咨询委员会(CCSDS)协议的分包遥控体制。为了实现指令译码器通用性、适应性及批量生产的要求，遥控指令译码器应满足双遥控体制的需求。

针对新形式下的新要求，本文阐述了一种新型遥控指令译码器的实现方案，它能同时适应PCM遥控体制和CCSDS协议的分包遥控体制的两种标准；配置了两种输入接口，既能适应直接指令帧的译码输出，又能适应间接指令帧的译码输出。其中，所配置的与星载计算机的接口，以及具有的自主健康管理功能，非常适宜于有智能化自主运行管理需求的卫星使用，以利于卫星的好用易用设计。该译码器的通用性和适应性强，已经实现了高集成度抗辐照专用集成电路(ASIC)器件的研制，并在遥感公用平台及几颗不同卫星的应用中得到验证。

2 卫星自主运行模式对遥控指令译码器的新需求

(1)对双遥控体制的适应性[5]。目前，多数在轨以及部分在研卫星采用PCM遥控体制，而越来越多的新研卫星开始采用CCSDS分包遥控体制。体制不同，指令的格式及其处理方式不同。为了能够适应当前在研卫星，通用的译码器应能同时适应上述双遥控体制标准。

(2)实现双指令源接收指令。卫星自主运行模式下，译码器需要设计两个指令源接收通道，保证既能接收地面上注的指令，又能接收星载计算机发送的指令。

(3)开关指令按时序规则执行。卫星自主运行模式下，对于地面上注开关指令和星载计算机自主发送的开关指令，到达译码器的时间是随机的，或先后或同步到达。这就要求这两个通道的指令能够按照次序及优先权规则顺序执行，不能出现漏指令。

(4)生成指令执行的状态报告。在卫星自主运行模式下，遥控指令译码器在执行指令后，要反映将指令执行的过程、结果以及译码器自身的健康状态的遥测数据通过状态检测接口主动发送给星载计算机。

3 遥控指令译码器的设计

如前文所述，卫星自主运行模式对遥控指令译码器的需求包括：适应双遥控体制、双指令源指令应能按序执行、应提供表征自身健康状态的状态报告等。针对这些需求，遥控指令译码器的设计应满足以下几点。

(1)设计两个独立的指令通道，分别接收地面上注和CPU发送的指令。两个通道均不能出现漏指令的情况。

(2)设计时应支持PCM遥控体制和CCSDS分包遥控体制。

(3)采用模块化设计，由一个或数个模块组成；在工作过程中应能生成遥控指令译码器自身状态报告。

(4)考虑到遥控指令译码器在卫星综合电子分系统中应用的通用性，应保证其既能适用于系统管理单元使用，又能适用于数据接口单元(DIU)使用。

为了实现以上功能，本文设计的遥控指令译码器内部电路共包括接口及通道选择电路、指令接收及处理电路、芯片状态报告产生电路以及合路电路。下面从遥控指令译码器的工作环境和接口关系、译码器在系统管理单元和数据接口单元中的应用、双遥控体制的处理、双指令源的时序处理以及状态报告的设计来阐述遥控指令译码器的设计。

3.1遥控指令译码器工作环境和接口关系

遥控指令译码器的工作环境如图1所示。地面上注指令经过应答机后进入系统管理单元(SMU)。系统管理单元的信道关口模块对应答机的信号进行通道识别、信道解码和选择，经过选择的信号送至指令模块后进入译码器。进入译码器的直接指令由译码器直接执行；进入译码器的注入数据帧由译码器转发。译码器将需要转发的注入数据帧与自身产生的状态报告进行合路后顺序处理，经过CPU接口容错模块后送至CPU模块。对于间接指令，由CPU发出，经CPU接口容错模块后送至指令模块的译码器。

图1 遥控指令译码器工作环境Fig.1 Working environment of telecommand decoder

3.2遥控指令译码器在系统管理单元中的应用

系统管理单元中遥控指令译码器的电原理框图如图2所示。

图2 系统管理单元译码器电原理框图Fig.2 Electric diagram of SMU telecommand decoder

遥控指令译码器的输入有两个源：一个是地面上注的遥控传送帧，一个是CPU发送的帧。地面上注指令格式采用PCM遥控体制或CCSDS分包遥控体制，CPU发送的指令格式采用PCM遥控体制。地面上注数据由应答机接收后输出至系统管理单元；系统管理单元的信道关口模块对数据进行同步和信道解码处理，然后以明文标准遥控帧的格式输出至遥控指令译码器，其中明文遥控帧可以包括直接指令和注入数据两种遥控帧。对于地面上注的直接指令帧，遥控指令译码器接收后直接执行，其中直接指令译码部分继承了传统遥控高可靠设计方案。对于地面上注的注入数据帧，遥控指令译码器将其与自身产生的状态报告合路后发送给CPU。对于CPU发送的间接指令，遥控指令译码器直接进行译码输出，译码正确后输出指令脉冲给指令用户。

3.3遥控指令译码器在数据接口单元中的应用

数据接口单元中遥控指令译码器的电原理框图如图3所示。

图3 数据接口单元译码器电原理框图Fig.3 Electric diagram of DIU telecommand decoder

间接指令在系统管理单元与数据接口单元之间，以及数据接口单元内部的CPU与遥控指令译码器之间传送，传送格式均采用PCM遥控体制。间接指令首先由系统管理单元通过1553B总线发送到数据接口单元的CPU模块，再由CPU模块发送到遥控指令译码器。间接指令的处理方式与在系统管理单元中的处理方式相同。

3.4双遥控体制开关指令码的处理

目前在轨及在研卫星使用遥控体制主要有PCM遥控体制[6]和CCSDS分包遥控体制[7-8]两种。无论哪种体制，本文设计的遥控指令译码器为保持两种体制的兼容性，对于类型为开关指令的传送帧，其数据域中的指令码长度统一规定为PCM遥控格式中的标准长度，即72 bit。

1)PCM遥控体制

PCM遥控体制的传送帧格式见图4。PCM遥控体制分为地址同步字(16 bit)、方式字(8 bit)和数据域。其中：方式字用于区分遥控帧的类型，数据域的长度与方式字相关联，当方式字标识为直接指令时，数据域长度为72 bit。以系统管理单元为例，处理顺序为：①地面上注的数据经过应答机接收后进入系统管理单元。②系统管理单元内的信道关口模块完成数据解扰，以及密文数据的解密，然后将明文数据传送至译码器。③遥控指令译码器对接收的遥控帧进行识别，对识别为PCM遥控体制的传送帧，则搜索指令帧的地址同步字(16 bit)和方式字(8 bit)，并通过方式字来区分指令帧类型。如果帧类型为直接指令，则提取72 bit指令码送至指令译码电路，并根据指令码的编码规则进行译码，译码正确后输出对应通道的指令脉冲给指令用户；如果是帧类型为注入数据，则将数据帧发送至CPU模块，由CPU处理。

图4 PCM遥控体制传送帧格式Fig.4 Format of PCM telecommand system

2)CCSDS 分包遥控体制

CCSDS分包遥控体制的传送帧格式见图5。开关指令封装在相应遥控传送帧的数据域内。以系统管理单元为例，遥控传送帧处理顺序为：①地面上注的数据经过应答机接收后进入系统管理单元。②系统管理单元的信道关口模块完成信道解码、解扰以及密文数据的解密，然后送至遥控指令译码器。③遥控指令译码器对遥控传送帧的主导头进行解析，通过虚拟信道标识来区分遥控传送帧类型。如果帧类型是直接指令帧，则从相应遥控传送帧的数据域中提取72 bit的指令码送译码电路进行译码，译码正确后输出对应通道的指令脉冲给指令用户[9-10]；如果帧类型是注入数据帧，则将相应数据发送至CPU模块，由CPU处理。

图5 CCSDS分包遥控体制传送帧格式Fig.5 Format of CCSDS packet telecommand system

3.5双指令源的时序处理

考虑到卫星在自主运行模式下的开关指令来源有两个，且两个源是独立的，所以遥控指令译码器应设计两个指令入口。为了保证两个通道指令到达时能够执行，不出现漏指令的情况，考虑到最苛刻的情况(两个通道的指令同时到达)，遥控指令译码器要分别对两个通道的指令进行接收和处理。如果遥控指令译码器只有一个通道的指令接收完毕，则将这个通道的指令发送到指令译码电路进行处理；如果两个通道的指令均接收完毕，就要根据优先级的设定进行仲裁判决。本文设计中，设定地面上注指令优先处理，待地面上注指令处理完毕后，再处理CPU的指令。处理电路工作流程见图6。遥控指令译码器的两个指令接收电路处理方式相似，以地面上注的指令通道为例，指令接收电路搜索指令的同步头，缓存中收到完整指令后，判决电路判决结果为可以输出时，将指令转移至发送区，待译码电路空闲时，将指令发送到译码电路。

经过仲裁判决之后，将通道优先级高的指令送到指令译码电路。指令译码电路接收指令包括指令码和脉冲宽度设置指令码。对于指令码，译码电路根据规定的编码规则进行指令合法性验证。如果验证结果正确，则将结果送至指令脉冲输出电路；如果编码规则不正确，则结束此条指令的处理工作，回到空闲(IDLE)状态。对于脉冲宽度设置指令码，译码电路从中提取出脉冲宽度的信息，并将此信息送至指令脉冲输出电路。指令脉冲输出电路根据长度信息，在指令码译码结果正确的情况下输出设定长度的指令脉冲，输出完成后，回到IDLE状态。处理电路工作流程见图7。

图6 接收缓存处理流程Fig.6 Flow of receiving buffer

图7 指令处理流程Fig.7 Flow of command processing

3.6遥控指令译码器状态报告设计

在卫星自主运行模式下，当指令发送完成后，CPU要通过遥控指令译码器芯片的状态来判断指令的执行情况。如果发送成功，则可以进行下一步工作；如果指令发送失败，则考虑重新发送该条指令。因此，遥控指令译码器自身的状态报告要及时回传给CPU，供CPU及时判断。本文设计中，当指令译码结束后，遥控指令译码器主动产生本次指令处理的状态报告，内容包括指令源、译码结果及指令计数等。状态报告格式按照图5中遥控传送帧的格式，芯片的状态报告放在遥控传输帧的数据域中。状态报告帧与地面上注的注入数据帧经过合路后，通过遥控指令译码器与CPU的接口送至CPU，由CPU进行解帧处理。

4 遥控指令译码器的实现及验证

目前，遥控指令译码器已经完成原型设计以及ASIC流片，以及ASIC的各项可靠性验证试验[11]。该款ASIC产品在单板、单机测试、鉴定试验、验收试验以及整星测试的过程中，工作稳定，功能、性能满足使用要求。基于该款ASIC的遥控指令译码器模块以及系统管理单元单机，已在多颗卫星的综合电子分系统单机中得到应用。如表1所示，与传统单遥控体制译码器相比，本文设计的遥控指令译码器可以适应两种不同的遥控体制，同时处理直接指令和间接指令，传送速率显著提高，能够更好地适应不同卫星的需求。

表1 两种遥控指令译码器设计对比

5 结束语

本文针对卫星自主运行时应用的需求和特点，完成了一种通用遥控指令译码器的方案设计，能够同时适用于直接指令和间接指令的处理，有效解决了卫星自主运行时双指令源指令同时发送，以及遥控指令译码器自主健康诊断等问题，具有通用性强、应用广泛的优点，可满足目前在研卫星对遥控指令译码器的需求，为未来高可靠、高通用遥控指令译码器的设计提供参考。

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Design of Universal Telecommand Decoder for Satellite

TAO Tao WANG Luyuan YU Minfang YANG Xiaorui CHENG Bowen LIU Weiwei DOU Na YAO Fei

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

The traditional satellite telecommand decoder has been unable to meet the requirements of versatility, adaptability, easy use and mass production. In this paper, a new telecommand decoder design is proposed. Compared with the traditional telecommand decoder, the new telecommand decoder can adapt to PCM telecommand system and CCSDS layered telecommand system； it provides two input interfaces to receive the direct command frame sent by the ground directly to decode and output, and also recevive the indirect command frame sent by the on-board computer to decode and output. The configuration of the interface with the computer and the function of self health diagnosis are very suitable for the use of satellites with intelligent operation and management requirements. The decoder is so versatile and adaptable that it is very suitable for the development of highly integrated antiradiation ASIC devices and mass production of reliability and long life products. The design is verified by the satellite of new remote sensing paltform and corresponding model satellites. Compared with the traditional telecommand decoder, the function and perfor-mance of the new telecommand decoder have been greatly improved.

satellite telecommand decoder； universal design； two telecommand systems； input interface； self health diagnosis

TN492

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.014

2017-06-05；

2017-07-24

国家重大航天工程

陶涛，男，硕士，研究方向为星载综合电子系统、遥控数据处理。Email：ttjolly@126.com。

(编辑：夏光)