基于SoC技术提高航天控制系统自主可控能力的策略研究

张妍 张亚波 李萌 孙靖

摘  要：为了提高我国航天控制系统的自主可控能力，本文提出了基于SoC技术的航天控制系统发展策略，详细介绍了SoC技术的基本概念、主要特性，以及对实现自主可控的航天控制系统的重要性，并提出SoC设计的整体流程及其质量管理管理方案。本文从航天控制系统的SoC软硬件功能划分与及系统级验证两个方面阐述了对所设计系统的验证方式，以保障系统的稳定性与可靠性。

关键词：SoC技术  控制系统  自主可控  系统验证

中图分类号：V44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0004-03

Research on Strategy of Improving Autonomous Controllability of Aerospace Control System Based on SoC Technology

ZHANG Yan  ZHANG Yabo  LI Meng  SUN Jing

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076  China）

Abstract： In order to improve the autonomous and controllability of China's aerospace control system， this paper puts forward the development strategy of aerospace control system based on SoC technology. The basic concept and main characteristics of SoC technology and its importance to the realization of autonomous and controllable aerospace control system are introduced in detail. The overall process of SoC design and its quality management scheme are put forward. FINALLY， the verification method of the designed system is described from two aspects： SoC software and hardware function division and system level verification of aerospace control system， so as to ensure the stability and reliability of the system.

Key Words： SoC technology; Control system; Autonomous and controllable; System verification

自20世纪50年代以来，航天技术充分结合并利用各个学科、门类的发展，在相关的各项技术上都有了突破性的进展。卫星从最初的科学探究试验逐步走向了面向应用的发展策略。目前，航天器已广泛涵盖了多种深空探测器、空间站及各种应用卫星等[1]。自Wiener创立的经典控制理论以来，随着工业及人们生活需求的不断提升，控制理论正在朝着系统化、集成化、智能化的方向发展[2]。特别是在航天应用领域，因我国国防安全的特殊要求，其控制系统智能化成为评价一个国家国防能力的重要指标。航天控制系统的可靠性与相关技术的自主可控能力已经受到了各个国家相关科研人员的高度重视。

此外，虽然近年来我国的航天技术得到了迅猛发展，但是由于我国对航天控制系统的研究起步较晚，目前依然存在控制系统仪器多、集成度低、可靠性差、部分高精尖技术依赖进口、不可控等问题。因此如何实现完全自主的设计并满足符合我国航天设备型号需求的、适用于嵌入实时控制的产品是当前面临的最为迫切的问题。在上述需求背景下，片上系统（SoC，System On a Chip）作为现代电子技术系统化、智能化发展的重要研究方向，將其与知识产权技术相结合，为我国完成自主可控、灵活可靠的航天控制系统提供新的机遇。

1  SoC及其重要性分析

随着微电子技术的不断发展，并结合微组装、EDA等相关技术，可以将原传统机箱搭建的电子系统转变为高度集成的包含软硬件功能的电子芯片，该芯片即为SoC。结合SoC技术的特点与优势，可以将所需的航天控制系统集成在一个或多个电路芯片上，以包含所需的飞控软件、各类电路的功能，该芯片即被称为片上控制系统。根据片上控制系统规模的大小，可以将其粗略的分为两大类。一类是将飞行控制软件与功耗较低的电路集成在一定数量的SoC中，从而实现部分功能的集成，该类方式被称为狭义的片上控制系统;另一类则是将控制系统的各部分模块全部利用微硅的方式来集成，因此被称为完全片上控制系统[3]。

对于航天控制系统，利用SoC技术可以从特定的应用出发，并将其嵌入到相应的电控系统中，从而达到高度集成、可靠，且功耗低的目的[4]。具体来说，SoC的主要特点可以总结为如下几个方面。

（1）SoC涉及领域较广、涵盖技术众多。例如，在航天控制系统的Soc与微电子技术、计算机技术、集成技术及诸多跨学科领域技术具有较为密切的关系。

（2）由于高度的集成使得SoC的功能密度大、成本低。

（3）在航天控制系统中，SoC在设计过程中应与相应的航天型号及应用进行紧密结合，确保其在有效的面积上，能够高效、可靠地实现系统及功能的集成。

（4）当SoC设计完成之后，便很难进行二次开发。也就算说其功能无法在后期进行进一步的修改与完善。因此在设计之初，应当具备一套较为完善的SoC开发工具、环境及验证手段，从而保证其产品的质量。

由于SoC技术对于航天控制系统的相关产品能够在性能、功耗等方面做出巨大的提升，因此近年来在国内外得到了广泛的关注，为了提高我国航天控制系统的自主可控能力，对其进行研究具有极其重要的意义与价值。

2  SoC设计流程及其质量管理

2.1 SoC设计流程

关于航天系统的SoC设计，首先需要了解其详细的设计流程。图1为SoC设计开发过程的具体流程，即主要包括4个步骤。

2.1.1 系统分析和设计

结合航天设备的具体型号及相关的应用需求，完成所需的控制系統体系结构的设计，并构建相应的仿真系统。同时，根据系统中的软件及硬件的特性，明确航天控制系统具体的功能，并通过任务书的形式，给出较为具体的用于分析其系统性能的详细指标[5]。

2.1.2 方案论证和设计

结合步骤（1）给出的任务书，确定相关参数及技术指标，并完成SoC芯片的总体方案设计。通过分析和验证明确芯片的功能规格、静电防护、核心处理器的选用、不同子模块的IP核，及国产化需求等。

2.1.3 芯片ASIC设计

根据总体方案设计，完成SoC源代码编写、仿真测试、布局布线等相关设计与测试，并对芯片进行封装与生产。

2.1.4 测试与应用

对所设计并生产的芯片进行完善的测试，主要包括功能的完整性与可靠性测试、详细参数指标验证、系统级验证，同时对其进行产品鉴定与应用[6]。

2.2 SoC研制质量管理

SoC的质量关系到整个航天设备稳定性及可靠性，任何的故障都可能带来巨大的经济损失。因此，对SoC研制过程中每一步的质量进行严格的控制与管理具有非常重要的意义。应结合图1所示的研制流程图及具体的航天设备需求，制定详细的质量管理及评分手册，只有在当前设计步骤满足规定得评分要求时，才能进入下一阶段，并在合理的研制节点，根据系统需求，组织相关专家进行复查与验收工作，从而有效地减少个别人为因素导致的评审不规范问题。

SoC源代码主要是通过VHDL或Verilog HDL语言来编写的，其在很大程度上直接决定了航天控制系统的功能的实现及性能的优劣。对于诸如针对卫星、弹载等航天设备开发的源代码主要采用A级软件管理，而如果是对地匝测试设备等应用所开发的SOC代码，则通过B级软件管理。

3  航天控制系统的SoC软硬件功能划分与验证

3.1 软硬件功能调试及划分

SoC的设计复杂度、集成度很高，主要包括系统分析、规范描述、系统级验证三大方面。利用传统方法进行软硬件划分、确定模块功能和体系结构已经无法实现SoC的设计，必须按照设计重用和IP组装的概念进行设计，即可提高效率。划分过程非常重要，该过程要对模块划分、模块接口、处理性能等进行优化，同时降低功耗，保持信号完整，交流沟通顺畅，设计收敛。需要注意的是，此划分过程全部在EDA环境中进行，首先进行系统分析和系统级验证，再经过有限次迭代。为完成好这些步骤，前端和后端必须实现共享数据，时域必须性能优良，总线设计整体调试方便，设计使用恰当，保证后期的迭代次数减少，以完成正确的系统规格（System specmcation）。

3.2 SoC系统级验证

系统级验证贯穿SoC设计整个流程，主要包括验证规划、IP核验证、功能验证、系统环境适应性验证等部分。

首先，完整的验证规划主要包括对模块和顶层的测试策略;SoC设计为实现高质量的验证，严格要求设计需求和规范，把系统级的功能验证和时序验证作为最重要的部分。从第一步验证规划开始就进行了系统验证，方便与设计师进行及时交互，作为验证过程的说明书，保证整个验证过程具有较强的可读性及易用性。

其次，IP核验证作为整个系统验证的前提条件，其主要作用是用于验证IP功能及时序的正确性。为了避免由于当前航天控制系统功能的不断增加，导致时序验证的复杂度成指数性增长，在设计初期应建立相应的验证规范与计划。

功能验证最初是用直接测试向量进行的，但是这种方法存在很多的弊端，如耗费时间长、投入精力多、覆盖率低、操作繁琐。因此，只能满足相对简单、复杂度低的系统。随着设计规模的增大，在传统设计的基础上发展了更为方便地约束随机测试，此方法仍然包括语言、平台和方法3个关键点。作为验证中最复杂，工作量最大也最灵活的部分，该方法大大缩短了验证时间，而且覆盖率高，以基于断言的验证方法为例，其利用约束随机测试向量可以对输入的期望行为进行准确的描述，从而利于描述设计中的一些复杂关系。

最后，对系统环境适应性进行验证。在实现基于SoC技术的自主可控航天控制系统设计过程中，在确保基于SoC的功能性完整之外，还需要对其在特定环境中的工作性能及稳定性进行分析与验证。例如，通过强电磁脉冲干扰等环境，对其工作性能进行验证。

4  结语

本文针对如何提高我国航天控制系统自主可控能力的策略问题，研究了基于SoC技术的控制系统实现及验证方式，阐述了SoC的基本概念及其对实现自主可控的航天控制系统的重要意义，并提出了SoC设计的详细流程，明确了其质量管理的必要性。最后，为了保证设计系统的有效性，总结概括了航天控制系统的SoC软硬件功能划分与验证方法，对实现自主可控的航天控制系统具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 蔺陆洲.从太空竞赛到空间合作航天外交的理论建构与现实转型[D].北京：外交学院，2020.

[2] 郑茂宽.智能产品服务生态系统理论与方法研究[D].上海：上海交通大学，2018.

[3] 方凯.基于转换概率分析的硬件木马检测方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.

[4] 王晓东，张磊，江思荣，等.基于自主可控SoC的航天控制系统集成应用研究[J].航天控制，2020，38（2）：10-14.

[5] 刘浩.民用飞机环控系统仿真研究[D].南京：南京航空航天大学，2019.

[6] 刘嘉珺.ZYNQ SoC验证平台的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2020.