中国航天器电子系统发展回顾与展望

高源 张晓明 戴萌 李鹏 田栋

摘  要：本文首先回顾了我国航天器电子系统的发展历程。我国的航天器电子系统经历了独立分系统、功能集成系统和综合电子系统三个发展阶段。然后介绍了航天器综合电子系统的体系结构和技术特征。最后讨论了航天器电子系统的发展趋势，进一步优化体系结构，提高模块化、智能化、可重构性、网络化及有效集成水平是未来的趋势。

关键词：航天器  电子系统  集中式  分布式  模块化  综合电子系统

中图分类号：F426                             文献标识码：A                文章编号：1674-098X（2020）09（b）-0014-03

Abstract： The development of spacecraft electrical system in China has been reviewed. The electronic system can be divided into stand-alone system， functional integration system， and avionics. Then， the electrical architectures and features of avionics have been introduced. Finally， the development trend of spacecraft electronic system has been discussed. The future trend includes the optimization of architecture， modularity， intelligence， reconfigurability， networking and effective integration.

Key Words： Spacecraft; Electrical system; Concentrated; Distributed; Modular; Integrated electronic system

近年来，空间任务变得越来越复杂多样，对航天器的要求也越来越高，特别是其核心电子系统。现代电子技术、计算技术、控制技术和信息工程的进步大大促进了航天器电子系统的发展。集成度更高、运行速度更快、功耗更低的先进电子系统非常适合执行太空任务。航天器电子系统相当于航天器的大脑，能够实现航天器的数据管理、姿态轨迹控制、导航、测控、热控等功能，是航天器执行所有任务的基础[1]。航天器电子系统对航天器的设计、测试、轨道维护及空间应用有非常大的影响。然而，航天器电子系统是一个非常宽泛的概念，并没有明确的标准和定义。通常，航天器电子系统是指与机械系统平行的所有执行非机械功能（例如，控制、通信等）的电子设备（包括软件）的总和。有效载荷虽然同样主要由电子设备组成，但由于航天器的具体任务不同，存在巨大的差异，不在本文讨论之列。

1  我国航天器电子系统的发展历程

从第一颗人造地球卫星到第一个空间实验室，中国航天从无到有，从小到大，从弱到强。作为航天器核心的电子系统主要经历了以下3个发展阶段。

1.1 独立分系统

早期的航天器电子系统将相互独立的电气和电子系统进行整合，以完成复杂的空间任务。按照功能的不同，航天器被分为各自独立的系统，每个功能模块配备了传感器、处理器、通信模块等设备。所有设备之间相互独立，采用点对点连接。所有的设备和数据只用于某个特定功能，并不能与其他功能共享。早期的这种方案被称为独立分系统设计。由于各个分系统是相互独立的，某个系统出现故障不会影响到另一个系统。但是，这种设计增加了设备之间信息交换的困难，降低了系统的灵活性。另外，设备之间大量的电缆带来非常严重的电磁干扰，降低了系统的可靠性。1970年4月24日，我国发射的第一颗人造地球卫星东方红一号采用的便是独立分系统设计。

1.2 功能集成系统

独立分系统设计存在諸多弊端，不能满足复杂的空间任务的要求。功能集成系统将航天器的每一项功能构成一个系统，采用集中式或总线式的系统结构，将电子系统的数据、信号处理及控制硬、软件资源合理分配，以完成复杂的空间任务。航天器的各个分系统通过数字总线相互连接，每个分系统都拥有自己的控制器、传感器和执行器，以实现各种功能，这使得整个系统极其复杂，系统中存在许多重复设备。1999年10月14日，中巴地球资源卫星（CBERS-01）发射成功，在轨运行3年零10个月。CBERS-01借鉴了欧洲的星载数据处理系统（OBDH， On Board Data Handling System）的架构，第一次引入了星载数据管理系统（OBDM， On Board Data Management System）[2]。与独立分系统相比，功能集成系统的体系结构是一个革命性的进步。但是，各个分系统相互独立设计，不能充分利用航天器上的资源，使得系统的整体功耗高、体积大、重构能力弱、功能密度低。

1.3 综合电子系统

为了提高航天器的总体性能，增加航天器的功能密度，有必要采用一体化设计的理念，在航天器电子设备之间使用标准接口和协议规范，构建具有以下特点的电子系统：信息共享和综合利用、功能集成、资源优化，简称为综合电子系统。综合电子系统整合了遥测、遥控、数据管理、姿态和轨道控制、电源管理及热控制等功能。通过规范接口和协议，提高了硬件模块的通用性。通过对信息流进行整合，可以提高电子系统的功能密度和整体性能。2011年11月8日，萤火一号（YH-1）火星探测器搭乘俄罗斯的福布斯号采样返回探测器一起发射。萤火一号采用了小型化、集中式的综合电子分系统方案设计，具有非常高的可靠性和自主性[2]。目前国外公开的综合电子系统有美国的LM900、欧洲的Avionics4000等。采用一体化设计的综合电子系统是航天器电子系统的发展趋势。

2  航天器综合电子系统

综合电子系统（Avionics）是一个基于中央计算机管理的集成电子系统，基于分层的体系结构。综合电子系统对航天器的各个任务进行管理和控制，监控航天器的整体状态，协调航天器的工作，管理载荷，实现各个功能模块的信息处理和共享。航天器综合电子系统的设计打破了传统的设备和分系统的界限。与以前的系统相比，综合电子系统最大的区别在于强调将所有组件放置在完整合理的体系结构中，采用自顶向下的系统工程方法完成系统开发。综合电子系统建立了通用的体系结构，根据信息流动将系统划分为标准模块，这些模块将根据任务要求与设备结合使用，从而可以显著提高系统的性能和功能密度。

综合电子系统强调各个功能模块能够充分协调，通常采用基于总线的模块化架构。如图1所示，系统由星务管理单元和通过外部总线连接的功能模块组成。系统硬件设计特别强调模块的通用性和接口的标准化。这种结构具有很高的灵活性和可扩展性，并且可以根据不同的任务要求灵活地配备功能模块，可以缩短产品的开发周期，降低开发成本，并提高系统可靠性。目前常用的数据总线包括1553B、CAN、RS485等，此类总线仅能实现对速度要求不高的一些控制和数据的传输。对传输速率有较高要求的数据，可采用欧洲航天局提出的SpaceWire总线[3-4]。

3  航天器电子系统的发展趋势

经过几十年的发展，当前的航天器电子系统在体系结构、数据处理、传输和存储、功能集成、标准化等方面都得到了显著提高。但是，系统结构、模块化、智能化、 网络化等方面仍有巨大的发展空间[5-7]。我们认为未来航天器电子系统的发展趋势包括以下几个方面。

（1）体系结构。前文所述为采用集中管理模式的综合电子系统，这种体系结构能够实现非常高的集成度。但是也存在一些弊端，如管理单元和各模块存在大量数据交互，对管理单元的可靠性要求非常高等。各个航天大国现在重点研究的基于分布式的综合电子系统既能按照统一的整体实现航天器的功能，也能按照独立的个体实现独立的分工、数据和信息处理，能够大大提升系统的可靠性。然而，其系统集成度略低。目前来看，集中式和分布式体系结构都还存在一定的局限性，还有比较大的提升空间。

（2）模块化。模块化系统始终是航天器电子系统的发展趋势。如何在系统的角度，根据现有的工业标准和现有的电子技术更快、更好、更省的实现模块划分，提高模块的通用性、系统的兼容性是航天器电子系统的发展目标。

（3）智能化。智能管理和调度是实现自主航天器管理的关键技术之一。 航天器电子系统作为决策中心发挥着至关重要的作用。电子系统根据指定的飞行任务有效地调度所有的硬件和软件资源，减少航天器对地面的依赖，并提高完成任务的能力。

（4）可重构。利用可重构技术可以大大提高航天器电子系统核心处理单元的处理能力和可靠性。根据航天器不同运行阶段的需求差异，利用可重构技术可以大大降低系統复杂度;另外，在部分模块故障时，利用可重构技术可以提高系统的容错性能，提升整个系统的可靠性。

（5）网络化。单个航天器的功能过于单一，多个航天器相互协作，共同完成一项复杂的任务是未来的发展趋势。单个航天器充当网络中的智能节点，各个节点通过网络交换信息，多个节点相互协作完成某项复杂任务。这就要求航天器电子系统可以通过先进的数据链路网络技术交换实时信息，完成信息共享、信息融合等任务，这与航天器的智能化密不可分。

（6）平台和有效载荷的集成。航天器的平台和有效载荷大多是单独开发的，两者只有少量数据交换。 随着技术的发展，通用平台和有效载荷的集成和优化设计已成为重要的发展方向。航天器电子系统可以提供必要的计算、存储、处理，通过加载不同的应用软件来实现所需的功能。因此，载荷的设计者集中于性能的改进和数据处理算法的实现，而航天器电子系统的设计者可以集中于高度可配置、高性能和通用平台的开发。

4  结语

本文主要介绍了我国航天器电子系统的发展概况，经过几十年的发展，取得了非常大的进步。从简单到复杂，从单机设计、分系统独立设计到一体化设计。随着空间应用复杂度的不断提高，对航天器电子系统提出了越来越高的要求。这些实际需求正加速推动航天器电子技术的下一次变革，更加智能的、微型的、通用的航天器电子系统离我们越来越近。

参考文献

[1] 詹盼盼，曹雅婷，张翠涛.卫星高功能密度综合电子系统设计[J].中国空间科学技术，2020，40（1）：87-93.

[2] 盖建宁.萤火一号火星探测器综合电子分系统方案[J].上海航天，2013，30（4）： 139-146.

[3] 冯国平，周东.航天器通用SpaceWire总线路由单元的研究与实现[J].计算机测量与控制，2019，27（1）：241-244.

[4] 熊青玉，王慧泉，金仲和.卫星综合电子系统多总线融合接口设计[J].航天器工程，2020，29（1）：40-46.

[5] 刘帅，王虎妹.卫星综合电子系统体系结构总体技术研究[J].空间电子技术，2015，12（6）：90-94.

[6] 刘伟伟，程博文，汪路元，等.一种分布式航天器综合电子系统设计[J].航天器工程，2016，25（6）：86-93.

[7] 王连国.高性能一体化空间综合电子技术研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院国家空间科学中心），2019.