基于软件定义的微纳卫星综合电子设计与实现

黄佳 陈夏 李宗德

关键词： 软件定义; 微纳卫星; 高功能密度; 综合电子系统; 可扩展体系; SpaceVPX

中图分类号： TN99?34; TP336                  文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）02?0030?03

Design and realization of micro/nano?satellite synthesized electronic

system based on software definition

HUANG Jia， CHEN Xia， LI Zongde

（Shanghai Micro?satellite Engineering Center， Shanghai 200210， China）

Abstract： In order to improve the utilization rate of micro/nano?satellite resources， and comprehensively consider the limitation and requirements in the aspects of volume， weight and power consumption， a implementation scheme of the high function density micro/nano?satellite synthesized electronic system based on software definition is put forward. The software technology is used to improve the reliability and index of micro/nano?satellite synthesized electronic system and expand the in?orbit application， so as to implement the new task mode of "one?satellite multi?mission"， and give full play to small， fast， good， economic advantages of the micro/nano?satellite. A standardized extensible architecture is adopted in the system to decouple and integrate the communication， navigation， energy， control， load management and other functions. The universalized hardware platform， multi?tasking software architecture and reconstruction method of the synthesized electronic system are elaborated. A prototype was formed， whose weight is about 1.3 kg， power consumption is about 14 W， processing capacity is greater than 200 MIPS， and inter?module communication rate is greater than 6.25 Gb/s. It can be expanded to the application of other micro/nano?satellites.

Keywords： software definition; micro/nano?satellite; high function density; synthesized electronic system; extensible architecture; SpaceVPX

0  引  言

近些年，以MEMS、商业货架产品等技术为基础的微纳卫星，成为空间系统的重要组成部分和技术热点[1?2]。微纳卫星以低成本、短周期等优势，活跃了航天市场，使普通个人、商业公司以及地方政府机构等进入卫星领域成为可能。

微纳卫星虽然发展迅速，成本下降明显，步入市场化发展[3]，但星载综合电子系统，仍没有突破传统卫星电子学的基本特征，在轨应用受到限制，主要体现在以下几方面：

1） 系统普遍在轨寿命短，应用领域主要集中于新技术验证;

2） 系统没解决卫星的任务模式，各分系统互相嵌套、互相约束，属于一次使用的缺乏可维修的设计;

3） 系统的寿命提高以采用高等级元器件，增加模块冗余备份为主要手段，可靠性提高措施较薄弱。

本文从软件定义角度出发，重新诠释微纳卫星综合电子系统，用软件技术提升系统可靠度和技术指标，运用FPGA，ASIC等大规模集成电路技术，实现系统小型化、轻量化和低功耗，提供低成本的解决方案。

1  基于软件定义的综合电子系统硬件平台设计

通过对微纳卫星综合电子系统解耦集成[4]，硬件平台分解为配电管理模块、星务通信模块、高速总线交换模块、高速数传固存模块，各模块集成到一个机箱中，遵循SpaceVPX（VITA 78）標准[5]，通过背板通信，支持软件、软件无线电重构。各模块CPU分布式配置，处理能力均不低于40 MIPS，完成整星计算功能。系统框图如图1所示。

1） 配电管理模块。在卫星寿命期间各运行阶段，对星上各设备供电健康情况进行实时管理，均衡锂离子电池组充放电深度[6]。核心为基于SoC型FLASH FPGA设计的峰值功率追踪系统（Maximum Power Point Tracking，MPPT），以提高太阳能电池阵的能量利用率。可通过软件注入参数，调整太阳帆角度，从而调整电压控制阈值[7]。

2） 星务通信模块。综合电子核心模块[8?9]，整个系统采用双CPU+FPGA的架构，处理能力≥200 MIPS，CPU内运行VxWorks操作系统和应用程序。双CPU通过公共RAM进行数据交换，CPU默认代码、重要配置参数如地磁场表、地面测控站位置信息等存储在PROM中，重构代码通过地面注入或预先存储于FLASH中，实现软件任务配置、通信体制配置、控制逻辑配置等。

3） 高速总线交换模块。采用双星型拓扑结构的RapidIO总线[10]完成各模块间的高速通信，两组I/O全工作模式，通信速率≥6.25 Gb/s。

4） 固存高速数传模块。通信算法在Xilinx K7 FPGA内实现[11]，工作在X频段，可根据任务需求设置调制方式、工作频点、信道编码等，数传速率≥450 Mb/s;存储部分采用SLC FLASH介质，容量≥2 TB。模块仅在载荷任务和数传任务时开机。

为进一步提高微纳卫星功能密度，综合电子机箱可以与卫星结构一体化设计，这种结构设计在以往多个微纳星上也已充分验证，风险较低。

2  基于软件定义的综合电子系统动态重构实现

2.1  面向多任务的可重构的软件架构设计

软件化定义微纳卫星有灵活的重构颗粒度划分，既可以进行整星的功能与任务转换，也可实现部分功能重构，以满足不同类型任务需求[12]。软件系统根据任务建立模型，配置软硬件参数，如零动量/偏置动量、磁控/轮控磁控混合、固定指向/机动跟踪、测控/数传、热控闭环/开环、母线调节/不调节等。虽然卫星任务不同，但其功能组成基本相同，可分为BSP、操作系统、应用层。应用层按照功能配置不同的进程模块，如轨道处理、轨控管理、星务管理、遥测遥控管理、能源管理、姿态确定和控制、载荷管理和数据存储管理等。

对不同配置需求的微纳卫星，将其软件体系分解为通用架构和差异部分，进一步将各种差异部分进行融合，并将不可融合部分变为选择项，实现软件体系架构可配置重构，如图2所示。每个软件模块均可分为通用模块和配置参数两部分，如姿态确定和控制功能模块分为通用姿态确定和控制模块以及配置参数，配置参数包括单机标定系数、安装矩阵和控制系数等。通过任务级可配置研究，将模块分为通用模块和配置参数实现了软件模块的可配置，完成了软件系统的可配置和重构，从而实现基于软件定义的综合电子系统。

2.2  软件定义的综合电子系统重构方法

结合在轨软件化定义技术特点，将系统重构流程分为三个步骤[13]：任务规划输入、软件模式配置、底层接口配置，如图3所示。原有姿态与轨道控制各单机状态、整星能源情况、时统信息等平台软硬件资源，以及卫星飞行计划、载荷自主运行等与指令相关软件资源均被映射到任务规划步骤中，通過自主任务规划模块产生指令序列。载荷管理软件对其分解，将各配置参数传递给星务管理软件，如任务中需要的通信模式、姿态控制、指向机动、数据接口等。

可重构系统典型应用案例：卫星巡航模式下，综合电子工作在测控模式，姿态指向为惯性对日模式，星?地通信采用USB体制，码速率为8 192 b/s;当自主任务规划模块识别目标后，综合电子工作切换为数传模式，姿态指向为对地模式，星?地通信采用QPSK体制，码速率为2 Mb/s。

3  综合电子系统工程样机实现

综合考虑微纳卫星成本、体积等因素，产品实现均以商用元器件COTS为主[14]，核心器件如FPGA、晶振、电源模块等采用普军以上等级器件;产品采用板级筛选模式，前期通过加速老化试验，剔除不合格品。目前该产品参加了整星桌面联试、环模试验、星地对接、应用系统联试等大型试验，系统均工作正常。工程样机重量为1.3 kg，功耗为14 W，处理能力大于200 MIPS，模块间通信速率大于6.25 Gb/s，具有行业领先优势。

4  结  语

针对微纳卫星功能密度高、研制周期短、快速响应等特点，本文设计并实现了基于软件定义的微纳卫星综合电子系统。该系统具备星务管理、姿轨计算、测控数传和电源管理等功能，并可通过软件、软件无线电动态重构，充分有效地提高硬件和软件等各种资源的复用程度。在技术和理论基础上加以工程实践，研制了基于COTS器件的工程样机，可推广至各类型微纳卫星应用中。

参考文献

[1] 王春锋.软件定义可重构卫星网络系统研究[J].中国电子科学研究院学报，2015，10（5）：455?459.

WANG Chunfeng. Research of software?defined reconfigurable satellite network system [J]. Journal of CAEIT， 2015， 10（5）： 455?459.

[2] BERTAUX L， MEDJIAH S， BERTHOU P， et al. Software defined networking and virtualization for broadband satellite networks [J]. IEEE communications magazine， 2015， 53（3）： 54?60.

[3] 李军予，伍保峰，张晓敏.立方体纳卫星的发展及其启示[J].航天器工程，2012，21（3）：80?87.

LI Junyu， WU Baofeng， ZHANG Xiaomin. Development of CubeSat and its enlightenment [J]. Spacecraft engineering， 2012， 21（3）： 80?87.

[4] 张景楠，李华旺，朱野.微小卫星星务分系统的硬件设计与实现[J].电子设计工程，2014，22（15）：177?179.

ZHANG Jingnan， LI Huawang， ZHU Ye. The hardware design and realization of micro satellite′s housekeeping system [J]. Electronic design engineering， 2014， 22（15）： 177?179.

[5] 张敬一，欧民，毛志毅，等.小卫星数传基带数据处理通用集成平台设计[J].航天器工程，2017，26（1）：79?84.

ZHANG Jingyi， OU Min， MAO Zhiyi，  et al. Universal integrated platform design for data transmission baseband data processing of small satellite [J]. Spacecraft engineering， 2017， 26（1）： 79?84.

[6] 朱明俊，周宇杰.一种低成本纳卫星星载计算机容错方法[J].航天器工程，2016，25（2）：52?57.

ZHU Mingjun， ZHOU Yujie. Method of fault?tolerant on?board computer for low?cost nano?satellite [J]. Spacecraft engineering， 2016， 25（2）： 52?57.

[7] 王松.基于FPGA 的多核可重构技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

WANG Song. Research on multi?core processor and reconfiguration technology based on FPGA [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2010.

[8] 程光明，廖明宏，吴翔虎.小卫星星载计算机及其外围设备的管理[J].哈尔滨工业大学学报，2002，34（2）：201?203.

CHENG Guangming， LIAO Minghong， WU Xianghu. Management of onboard computer and its peripherals [J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2002， 34（2）： 201?203.

[9] 兰盛昌，王松，徐国栋.一种面向任务优化的多核心星务管理系统设计[J].哈尔滨工业大学学报，2012，44（3）：23?28.

LAN Shengchang， WANG Song， XU Guodong. Design of multiple cores onboard housing management system based on task optimization [J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2012， 44（3）： 23?28.

[10] 上官珠，范国忠，高文昀.基于RapidIO协议的高速数据互联模块设计[J].现代电子技术，2014，37（15）：28?31.

SHANGGUAN Zhu， FAN Guozhong， GAO Wenyun. High?speed data interconnection module based on RapidIO protocol [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（15）： 28?31.

[11] 高磊，孙宁.星载可重构计算机硬件验证平台设计[J].自动化仪表，2006，27（3）：48?51.

GAO Lei， SUN Ning. Design of hardware verification platform of satellite loaded re?configurable computer [J]. Process automation instrumentation， 2006， 27（3）： 48?51.

[12] 严明强，冯围新.基于遗传算法的可重构星载计算机永久性损伤容错技术研究[J].新技术新工艺，2014（2）：78?83.

YAN Mingqiang， FENG Weixin. Research on self recovery from permanent damage of reconfigurable OBC [J]. New technology & new process， 2014（2）： 78?83.

[13] 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.

YUAN Xiaofeng， GAO Deyuan， GAO Wu. Design of computer system for Pico?satellite based on TOPSIS method [J]. Computer engineering， 2015， 41（2）： 287?291.

[14] 袁春柱，李志刚，李军予，等.微纳卫星COTS器件应用研究[J].计算机测量与控制，2017，25（2）：156?159.

YUAN Chunzhu， LI Zhigang， LI Junyu， et al. Study on COTS component for micro/nano satellite application [J]. Computer measurement & control， 2017， 25（2）： 156?159.