卫星高功能密度综合电子系统设计

詹盼盼,*，曹雅婷2，张翠涛，蔺祥宇，顾明

1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094 2. 北京神舟航天软件技术有限公司，北京 100094

小卫星具有功能密度高、技术发展快、研制周期短、开发成本低、部署应用灵活等特点[1]。现代微小卫星更强调功能密度与功能集成，在系统设计上打破传统大卫星的分系统界限，降低接口复杂性，采用全新设计理念，采用各种新技术，包括机电热一体化设计、微电子技术和软件定义技术等，推动了小卫星的发展，使得小卫星在原有基础上通过设计与技术革新，提高功能密度，实现平台与载荷质量、体积减小的同时其功能更强大，应用更灵活。

微小卫星高功能密度综合电子系统通过模块化、标准化、可重构、可软件定义[2]的设计，将卫星平台功能集成于微小计算机系统和软件中，外加载荷系统，可以满足快速组装、测试和发射等要求。遇到紧急事件时可形成数十颗甚至几十颗卫星，在较短时间内形成战斗力，对局部作战、自然灾害等应急事件提供专用支持，弥补大卫星平台的实效性不足，实现对应急突发事件的战术性快速响应。

国外新一代微小卫星大多采用综合电子系统的设计理念。其代表有美国研制的用于深空探测的“空间技术-5”(ST-5)小卫星综合电子系统[3]，其电子系统仅由两块硬件板组成，总质量1.5 kg。其中一块板为电源板，另一块板为综合电子系统板。综合电子系统板集成了通信、遥控、遥测、姿轨控、探测数据处理等所有平台及载荷的任务功能。

法国国家空间研究中心(CNES)研制的MYRIADE系列微小卫星，截止目前已发射12颗卫星，共承担5项空间在轨任务。其综合电子系统采用一体化设计，以大量COTS器件为基础，总质量不超过3 kg，峰值功耗不超过5 W。该系统由电源模块、微处理器模块、I/O接口扩展模块及遥测遥控模块组成。MYRIADE系列微小卫星实现了高速率的遥测遥控处理、星地与星上时统、星上电源管理、星上数据采集与自检纠错等功能[4-5]。

空客防务与宇航(ADS)公司在其为一网公司(OneWeb[6])制造的低轨卫星星座上首次应用低成本高可靠性的微小型综合电子系统。该系统具有紧凑、轻型、低功耗的设计特点，使用汽车业/商业质量等级的器件，所有器件已经过充分抗辐照测试，满足10年低轨环境寿命，并且已经有了星座飞行经历。其设备核心组成就是一台综合电子计算机，实现了综合电子的大部分功能，功能包括遥测遥控管理、姿态和轨道控制、GPS导航、电源管理、总线管理、时间管理等。

通过对国外星载综合电子系统的分析，其技术特点如下：

1)大多都采用了综合电子系统技术实现功能的综合，其综合的范围一般包含遥测遥控管理、姿轨计算与控制、热控管理、电源管理、总线网络管理、星时管理等功能。

2)综合电子系统的设备均采用模块化设计思想，可较好地实现功能裁减与扩充；多种功能集中在一台设备中的情况比较普遍，使得整星电子设备数量减少,质量减小，有效减少了电缆网的数量。

3)在体系结构方面，微小卫星的拓扑结构倾向于集中式，由多个模块通过总线互连，在一个机箱中集成。

4)采用软件定义的设计思路，将传统由分系统实现的通信、载荷等功能以软件方式实现，将各类设备和执行机构通过软件连接为一个整体，最终实现大部分卫星功能的软件化。

微小卫星高功能密度综合电子系统通过软件定义卫星系统功能，由一个模块化、通用化、可重构的硬件平台和各种可加载的任务软件组成，从而实现卫星的一星多用，一星多能，而且还可以通过软件更新和升级来提升卫星的战术性能，使其不断紧跟技术进步，满足不断变化的应用需求。

1 高功能密度综合电子系统内涵

微小卫星高功能密度综合电子系统的核心是一种在采用商用货架式产品的高度集成化的硬件平台基础上通过软件定义的方式实现了卫星大部分功能的服务平台，为微小卫星及其有效载荷提供全方位的服务。其内涵主要体现在：

(1)功能综合

将星务管理(主要包括遥测遥控管理、总线网络管理、星时管理、热控管理功能)、姿轨计算、测控通信等功能集成一体并协调统一工作，甚至卫星平台与有效载荷在任务中都要成为一个共同运行的有机整体。因此必须通过对系统功能的整合、软硬件资源的合理配置和综合利用，提高微小卫星的综合服务能力[7]。

(2)信息共享

单个微小卫星完成的任务是有限的，而将多个微小卫星组网的卫星星座的服务能力大大提升。微小卫星综合电子系统需要具备信息通信与共享能力[8]，支持星内、星地、星间的一体化网络通信。

(3)硬件高度集成

通过对系统硬件的整合和微小型化，将系统大部分功能均集成在一台高性能星载计算机中，通过商用货架式硬件产品提高系统的性能，增加系统硬件的集成化程度和通用性，并降低成本。

(4)软件定义可重构

将各种应用软件纳入统一的软件管理平台，通过多个“软件定义”的可组装模块灵活地满足各种应用需求，实现软件构件的高度重用，系统可重构能力显著增强。

2 综合电子系统一体化设计总体要求

综合电子系统集成了微小卫星大部分功能，综合电子系统的设计直接体现了卫星的功能和性能水平。综合电子系统采用分层模块化开放式体系结构，硬件模块按照航天器设备的接口类型设置，软硬件接口采用标准化设计，功能由软件定义。基于同一综合电子平台，不同的微小卫星可根据需求通过配置不同的软件模块得以实现[9]。

高功能密度综合电子系统一体化体系结构如图1所示。整合星务管理、姿轨计算、测控通信等电子系统的硬件与软件功能于一台综合电子计算机中，基于软件定义组件实现卫星功能，达到轻小型化、低功耗的要求。

图1 综合电子一体化体系结构Fig.1 Integrated architecture of avionics system

硬件采用高度集成的模块化设计，以可重构计算机为核心，通过SpaceWire[10]标准化高速总线进行内部数据交换，实现综合电子系统和有效载荷数据之间的高速传输。可重构计算机以CPU+FPGA为核心，通过CPU软件在轨更改和应用软件动态加载机制可实现卫星功能动态重构，通过FPGA动态重构实现软件无线电功能重构。该设计减少了体积、质量、功耗等开销，提高系统的集成度，实现面向任务的卫星电子系统灵活配置和动态重构。

软件采用分层体系结构和组件化设计，对系统顶层业务自顶向下逐步分解，形成多层次的“软件定义”组件，分别有应用软件、中间件和操作系统软件。各层之间采用标准接口，便于层间的信息交换，便于“软件定义”组件的移植和重用，便于系统功能的增强和扩充。软件组件对上实现功能封装和隔离，对下通过调用下层构件组装其功能。软件通过构件的形式封装成相对独立的功能，采用不同的构件实现系统业务[9]。在软件构件的基础上，开发高可信度的软件中间件，对不同的应用软件提供通用的服务，在不同硬件平台和操作系统软件上实现数据交互支持。该软件体系架构可运行在不同的硬件平台，能够支持现有主流微小卫星硬件平台，满足功能性能要求。

一体化体系结构打破了传统卫星分系统的功能界限，不再把卫星的各种功能分解至各个分系统，并由相应单机实现，而是将卫星作为整体从系统层面进行统一的设计和资源规划权衡。通过一体化综合设计可以有效实现卫星高功能密度，大幅度地降低成本，缩短研制周期。

3 综合电子系统一体化设计方案概要

3.1 软件体系架构

高功能密度综合电子系统软件体系结构主要基于如下原则设计：

1)业务功能均可“软件定义”并形成标准化“软件定义”组件。建立一个分层的体系结构，各层的业务以及业务接口进行标准化，一方面屏蔽底层硬件接口和协议变化带来的影响，使得单层的变化不影响其他层，并支持技术的升级换代。另一方面将一些通用的功能采用标准的软件业务实现，以提高软件的可重用性。

2)建立一套统一的信息传输机制，实现星地、星内、星间通信一体化设计，支持协议的变更和升级，支持上层应用的灵活信息传输。

3)定义标准化的构件以及构件接口，将标准的“软件定义”业务采用软件构件实现，使得新任务软件的开发可以通过组装标准化的构件以及任务特殊需求构件，达到软件快速开发的目的，从而缩短软件研制周期。

高功能密度综合电子系统软件体系架构包括操作系统层、中间件层和应用层，如图2所示。操作系统层为底层的支持平台，通过驱动程序框架以及操作系统接口屏蔽了底层硬件以及操作系统的差异。中间件层作为整个软件架构的核心，通过基础的“软件定义”组件，为上层星载应用提供基础功能，包含空间数据系统咨询委员会(CCSDS[11]) 制定的航天器接口(SOIS[12])业务、空间通信协议、欧洲航天标准化组织(ECSS)定义的遥控和遥测包应用标准(PUS[13])业务等多种业务及协议形成的软件构件。在操作系统层以及中间件层的支撑下，系统应用层的大部分功能都可由底层的通用业务构件组合实现，形成独立的“软件定义”功能分区，并且可动态扩展APP实现卫星功能扩展。因此，在上述架构的支撑下，用户仅需对各层构件进行选取以及参数配置，并开发满足应用特殊需求的软件与之组装即可，从而达到软件快速开发的目的。

3.2 APP动态加载技术

目前，星载应用软件难以扩展和更改，每个应用软件独占一台星载计算机，不利于资源综合。研究APP动态加载技术，使星载操作系统能够像手机系统一样，灵活加载各类APP程序，能够实现星载应用重构，有利于实现卫星应用的定制化和功能扩展。

如图3所示，APP动态加载技术首先将应用程序编译链接成动态加载可执行文件，文件中包含所有需要重定位数据的地址(虚拟地址)。系统在运行过程中需要加载某APP时，由运行在操作系统内核上的加载器分配与文件大小相同的内存空间，并将该APP文件装入到分配的内存中。然后执行动态加载程序，分析重定位的数据，获取重定位数据所在的位置(源地址)，计算APP程序的目标地址，等于源地址-虚拟内存地址+上述分配的内存地址，将该地址作为APP程序的运行地址，从而完成APP动态加载。

图3 APP动态加载过程Fig.3 Dynamic loading process of APP

该项技术通过APP动态加载技术实现应用软件动态注入、加载、更新和运行的功能，解决卫星功能的扩展问题，实现星务管理、姿轨控制、测控通信和有效载荷管理等功能的综合与更新，集多个分系统的软件于一体，为实现卫星功能提供统一的软件平台。

3.3 软件无线电技术

软件无线电系统采用通用的硬件平台，用户可根据任务需求，通过软件来定义测控、数传等通信相关的功能，实现功能的软件定义和在轨重构。未来在轨通过软件升级即可实现新业务、新算法的在轨更新，大大提升了卫星系统的灵活性、可靠性、和可扩展性。

软件无线电系统功能重构是研究和设计的关键技术之一，系统的可重构包括如下几个实现方式：

1)通过修改参数配置，实现功能性能的重配置。

2)对整个单机软件或某软件配置项进行软件重构，重构过程通过单机或模块的主备份切换，对主备份分别进行重构。

可重构主要体现在功能重构和工作参数的重构。参数重配置和功能重构可能会同时用到，工作参数的重构比较简单，这里描述功能重构。功能重构主要通过通用处理平台中数字信号处理软件的更新、高速可编程器件FPGA的加载更新来实现的。这些软件(算法、参数)既可以是存储于存储器中的，通过调用来实现；也可以是新的软件(算法、参数)由地面通过无线链路上注到系统中来实现。

4 空间网络协议设计

对于微小卫星而言，即使是具有较高的功能密度，但单颗卫星的作用还是有限的，只是极大地降低了卫星成本，要想发挥微小卫星更大的作用，只有对微小卫星进行组网，通过星座组网飞行获得更高的性能，更好地完成任务[14]。卫星星座组网运行较单颗卫星具有更大的优势，构成星座后相比于单颗卫星覆盖范围更大，时间分辨率更高，重访周期更短。

综合电子系统在现有相关国际和国内标准的基础上，以CCSDS制定的航天器接口业务(SOIS)标准为核心，整合和规范空间子网和星载子网的通信协议体系，建立统一的空间通信协议标准体系结构，如图4所示。

空间网络通信功能在软件体系架构中间件层实现，空间子网构件和星内子网构件分别实现了星间通信功能和星内通信功能。SOIS业务构件对星内通信机制进行了标准化，遥控空间链路协议以及高级在轨系统实现了星地、星间链路层协议的标准化，PUS业务构件实现星地应用层协议的标准化，结合网络层的空间包协议构件以及应用支持层的消息传输协议构件，可实现星地、星内、星间通信一体化设计。

图4 空间通信协议组成Fig.4 Architecture of space communication protocols

5 结束语

目前中国微小卫星综合电子系统尚未出现统一的平台，系统多种多样，集成度和标准化方面不足，给软件开发带来挑战，不利于综合电子系统的应用和推广。本文设计了一种高功能密度综合电子系统协议及业务体系结构，基于商用货架式产品形成标准化通用的硬件平台，采用分层架构体系协议，将综合电子系统功能进行分层，采用软件定义的方式实现各层功能和业务，为卫星任务提供高性能的计算平台，支持星内、星地、星间通信。除传统的星务管理、姿轨控制、测控数传功能外，还可扩展网络通信与处理、载荷处理、自主管理等其他功能，综合电子系统的集成度和功能密度大幅提升。