小卫星星务技术发展现状及展望

李志刚 李军予 李超 闫国瑞

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

在导航、遥感、通信、深空等空间技术领域，相比大型卫星，小卫星以其技术更新能力强、体系综合能力强、成本控制能力强的后发优势实现了快速发展，目前已经成为中国空间体系建设的重要力量，同时也是各国加速突破、积极抢占的科技竞争制高点[1-2]。

文献[3]首先提出星务(Satellite Keeping)概念，在小卫星体系架构中，星务系统(含综合电子系统[4])是以嵌入式计算机为节点构建拓扑结构，集计算机、软件、智能控制为一体的可灵活配置的管理和控制系统，如同人的大脑和神经网络，实现整星运行事务管理、自主控制和信息融合，因此，星务系统是整星的信息管理与信息处理的核心[5]，负责整星的遥测管理、遥控管理、总线通信、程控/相对程控管理、健康管理、任务管理等。随着近20年的蓬勃发展，小卫星星务系统经历了4代发展，第一代星务系统主要特征是采用集中供电方式、总线网络采用RS485总线，采用脉冲编码调制(PCM)格式遥测体制，星务系统功能相对简单；第二代星务系统主要特征是电子设备独立供电，采用CAN总线，星务系统采用分包遥测体制，支持程控、相对程控及卫星安全模式管理等功能；第三代星务系统采用国产系统级封装(SIP)技术处理器及内嵌管理执行单元(MEU)下位机架构的电子系统，将遥测采集、热控管理等功能进行了集成；目前发展到第四代星务系统即综合电子系统，具有星务管理、遥控指令分发、遥测数据存储分发、热控管理、载荷管理、高速数据上行、高速总线网络及卫星自主管理等特征。

本文概括了国内外小卫星星务技术的历史和现状，总结了国内小卫星星务技术的发展与创新成果，对后续小卫星对星务技术的需求进行了分析，并提出了小卫星星务技术的展望和建议。

1 国内外小卫星星务技术历史和现状

在小卫星领域高技术群中，电子信息技术起到了关键性的支撑作用。星务系统作为电子信息技术的典型代表，其研制过程完整覆盖了电子产品涉及的所有业务领域：芯片、硬件和软件，全面集成了芯片、嵌入式系统、操作系统、总线网络、数据库、软件定义、高速计算、人工智能等所有软硬件先进技术，可谓是技术密度高、功能密度高，它的发展历程充分展现了现代电子信息技术的演进路线。

尤其是近年来，随着电子信息技术向更快、更强的方向飞速发展，星务系统充分吸收先进电子系统的设计技术，在可扩展性、可靠性、安全性、管用好用易用方面呈现出极具鲜明的特色，使卫星用户的应用模式发生了根本性的变革，取得了显著的经济社会效益。而且，技术层面的进步也得到了政策层面的关注和支持，这也为小卫星星务系统的技术发展指明了方向，提供了发展的新动力。

国内外星务系统设计总体呈现出以下发展趋势。

1)更加注重星务系统架构体系设计

空间数据系统咨询委员会(CCSDS)提出了航天器星载标准接口业务(SOIS)，其目标是促进软硬件在各种航天器上使用的协调能力，提升软硬件可移植性及可复用能力。欧洲成立空间电子开放接口体系架构(SAVIOR)研究组，推广基于开放接口的航天电子产品，致力于实现欧洲航天系统的标准化，对参考架构、接口标准、功能规范等内容进行研究。

我国也推出了类似的系统业务及协议体系架构[6]。大型卫星、航天器多采用分布式布局，小卫星以往也多是通过外总线方式连接多个信息节点，组成主从式、可配置的网络拓扑[7]。随着综合电子技术的发展，小卫星星务系统架构从分布式多节点逐步向集中式内总线发展，如外部总线被设备内部高速总线替代，模块化结构节省出的空间和质量可以更好地支持载荷设计和整星设计。

2)星上星务系统更加注重组网设计

2018年，美国国防部先进研究计划局(DAPAR)发起“黑杰克”项目计划提供全球持续覆盖星群，通过通用卫星平台搭载军用通信、导航、侦察等多类载荷。星群安装相同的星上计算控制单元，运行智能软件使星群中各节点协同，保证整个星群不需人员干预，长期自主智能运行。国内由中国航天科技集团有限公司提出的“鸿雁”星座，由300多颗低轨卫星组成，整个星座将实现移动通信、宽带接入、物联网、热点信息广播、导航增强、航空监视等业务。

作为支持星座组网关键系统的星务系统具有众多的接口，只有更加注重协议、规范、接口的标准化设计，才能更好地满足星群网络系统建设的需要，如星间、星地、星内信息互联互通的数据融合、数据共享、任务协作的业务要求和服务要求。

3)星上星务系统更多采用自主技术

从单星角度看，随着卫星用户的对地成像需求多样性、自主性的要求不断增加，卫星的自主技术受到各卫星大国的高度重视[8]。卫星自主技术主要包括：自主感知、自主决策、自主协同技术，对于增强卫星应对突发事件的快速响应能力、突破测控瓶颈、提升复杂任务执行能力具有重要的意义。美国国家航空航天局(NASA)的星载规划/调度系统(RAX-PS)、负责地球观测1号(EO-1)小卫星管控的自动规划与调度系统(ASPEN)以及滚动活动调度规划执行与重规划框架(CASPER)，欧洲航天局(ESA)的星载自主计划(PROBA)及法国航天局的自动化通用体系结构-测试和应用(AGATA)等。

2015年，国内高分九号小卫星星务系统首次实现了基于元任务的指令设计，配合地面任务规划，实现了载荷任务的灵活管控，大幅提高了卫星的好用易用性。2021年，北京三号小卫星在轨实现了动中成像自主任务规划技术，取得了较好的应用效果。

从星群角度看，单星向星群转变、同构星群向异构星群转变、小规模星群向大规模星群转变，使得自主卫星应用场景不断拓宽，把机器学习与卫星自主任务规划相结合，让卫星自主获取知识，提高自主性能[9]。

2 我国小卫星星务技术发展与创新

小卫星星务系统朝着集成化、标准化、智能化、网络化的方向发展，硬件处理能力越来越强，集成度越来越高，传统单机完成的功能得以用单板实现，传统单板实现的功能得以用芯片实现。星务软件也从传统的遥测、遥控、总线、载荷任务管理等功能逐步扩展到应用软件系统重构、信息处理、自主任务规划、智能健康管理等多种复杂的功能。本节将从星务体系结构、星载数据总线、星载计算机处理器、星务软件架构及星务信息协议等方面阐述我国小卫星星务技术的发展与创新。

2.1 星务体系结构

小卫星务体系结构主要有分布式体系结构和集中式体系结构两种。分布式体系结构依托总线技术，将星务主机与各下位机通过总线互联实现数据传输，可以柔性地适应不同平台和载荷的变化，实现快速设计、测试和集成，简化接口协调。实践五号小卫星首次提出并验证了分布式体系结构的星务系统。

典型的分布式星务体系结构如图1所示，星务主机、遥控单元等多台设备通过总线连接成网络。

图1 星务分布式体系结构

随着技术发展，设备集成度越来越高，处理能力越来越强，总线带宽也越来越大，小卫星星务体系结构逐步从分布式多节点向集中式内总线发展。集中式体系结构是由中心处理模块和多个执行模块组成，是把传统由多台星务单机实现的功能集成到一台综合电子设备来完成。例如北京三号卫星平台综合电子集成了采用国产处理器BM3803的星务核心处理模块、多功能数据存储模块、热控管理模块、指令和遥测模块、高速总线管理等模块。在微纳卫星平台上实现星务和姿轨控集成设计，由星务计算机实现星务和姿轨控功能并通过控制接口板采集姿轨控部组件信息和执行姿轨控控制输出。在小型化方面，通过研发包含测控基带、星务处理及各种对外接口的片上系统(SoC)芯片实现平台综合电子集成度的提升。

2.2 星载数据总线

卫星多采用分布式网络结构，以星载计算机为核心，通过总线进行数据交换，目前应用较多的总线主要有CAN总线、1553B总线、SpaceWire总线等。

自2000年试验二号小卫星首次应用CAN总线以来，绝大部分在轨在研小卫星都采用了CAN总线作为整星的通信总线，并逐步推出了平台CAN总线和载荷CAN总线相互独立的拓扑架构。2009年天绘一号小卫星上首次采用了主从和多主相结合的通信方式，遥测参数的采集、从节点的广播以及上行指令数据的注入采用主从式，对于实时性较高的全球导航定位设备(GNSS)秒脉冲时间广播数据采用多主方式，自主完成数据发送。在微纳卫星平台，星务系统通过采用现场可编程门阵列(FPGA)集成软核CAN总线控制器的方式，进一步提高了星务系统的集成度。

随着通信量的增大，小卫星对总线码速率提出了更高的要求，北京三号小卫星在星务与姿控之间采用了SpaceWire总线，其通信速率可到200 Mbit/s，星务综合电子应用软件同步实现了SpaceWire总线通信功能，完成SpaceWire总线通信容错设计，提高了总线通信的可靠性。

无线通信技术不但可以实现卫星舱段间信息交互、设备间灵活组网以及星上设备的即插即用，同时有利于开展卫星无线测试、快速组装、星内无缆化等。新技术试验五号卫星开展了基于紫蜂(zigbee)无线技术的在轨试验，通信速率优于500 kbit/s，为后续无线通信技术在综合电子系统中的应用奠定了基础。

2.3 星载计算机处理器

星载计算机不断向高集成度、高性能方向发展，星载计算机的处理器决定了计算机的性能。小卫星在处理器选用方面覆盖了x86、ARM、SPARC、PowerPC、龙芯以及面向信息处理的寒武纪、GPU、高性能FPGA等。

早些年，x86系列处理器在小卫星上有着广泛的应用，但其处理性能相对较低，目前逐步被国产SPARC处理器替代。ARM处理器具有低成本、高性能的特点，生态较为丰富，但由于ARM系列处理器质量等级低，需要进行可靠性设计，目前主要应用于低成本的微纳卫星上。SPARC系列处理器具有高可靠性的特点，典型处理器包括TSC695，AT697，BM3803，LCSoC3233等，在国内航天领域应用较多。

近年来，随着微电子技术的发展，星载计算机的集成度得到了进一步提高，国产化SoC、系统级封装(SIP)器件大量被用于小卫星计算机中，商业遥感卫星高景一号星务综合管理单元大量采用了国产SIP模块，包含星务主机SIP模块、温控SIP模块、指令SIP模块以及模拟量采集SIP模块，传统的单板完成的功能得以用单芯片实现。

2.4 星务软件架构

经过多年发展，星务软件已逐步发展为分层架构，分层设计能够有效地隐藏每层的实现及技术细节，具有良好的可复用性及平台移植性。如图2所示，星载标准软件架构分为操作系统、板级支持包(BSP)层、平台抽象层、传递层、应用支持层以及应用层等。

图2 星务软件架构

同时，通过研究星载软件功能共性，抽象形成通用功能模型，研制通用构件，使其具有规范接口和确定的上下文依赖的标准化组装单元，软件构件能够被独立部署及组织，实现功能级复用，能够跨型号、跨平台、在不同类型处理器上运行[10]，满足平台及型号任务需求。

在操作系统方面，为了满足卫星管控的实时性要求，小卫星一般采用实时嵌入式操作系统，随着GPU、多核高性能ARM等处理器在航天高速数据处理方面的应用的需求越来越多，嵌入式Linux操作系统也得到了越来越多的应用。智能遥感小卫星中首次使用了嵌入式Linux操作系统，通过对开源的嵌入式Linux操作系统的改进，实现航天的高可靠应用，并在应用层实现类似于手机APP的应用软件的开发和上注，实现卫星软件的智能化应用。

2.5 星务信息协议

对于空间链路，小卫星在网络层采用了基于CCSDS协议体系的分包遥测及分包遥控体制。在链路层，对于下行遥测采用了遥测空间链路层协议或AOS链路层协议，对于上行遥控，链路层采用遥控空间链路层协议，并开展了统一链路层协议研究。对于星内通信，制定了小卫星CAN总线通信协议，当前，已针对CCSDS空间包传输，对该协议进行了升级。

此外，小卫星在轨实现了多路径遥控遥测信息流设计。通过高速上行数据分发协议制定、软件设计和分发状态监控实现各单机设备的软件在轨注入和在轨重构，通过引入CCSDS包长和包副导头等定义，支持高速传输需求以及不少于4 Gbyte的数据上传，使得FPGA等大规模软件在轨重构简单易行。通过北斗短报文通道上下行数据协议的制定、上行数据的分发管理、下行关键遥测搜集实现了使用北斗短报文终端进行应急任务注入、实时在轨任务结果下传。通过引入遥控包，未来具备在CAN总线实现按包传输数据的能力，其格式与遥测遥控的包格式统一设计。

针对小卫星在遥控、遥测信息处理传递过程中面临的设计不统一、结构不规范、处理周期长、交互难度大等问题，参照CCSDS的可扩展标记语言的遥测遥控信息交换(XTCE)标准，建立通用、统一、开放的小卫星遥测遥控信息描述标准，减少各方遥测遥控信息传递与集成的成本，降低任务风险，打通单机、分系统、整星以及总装、测试与试验(AIT)、卫星测控中心间的信息接口，完成信息数字化流转。

3 后续小卫星对星务技术的需求

随着卫星技术的发展，高分辨率遥感小卫星已经在国家安全、经济建设和大众民生等诸多领域拥有巨大的市场价值。纵观国内外遥感卫星的发展趋势，小卫星正向高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高机动能力和高集成化的方向发展，这些都对作为星上控制管理的核心的综合电子系统提出了新的需求，主要表现在以下几方面。

1)需要具备实时、高精度的综合信息管理与服务能力

对于高分辨率遥感卫星，其对地观测信息的精确程度及有效性在很大程度上依赖于精确的卫星平台时空基准信息，如姿态信息、轨道信息、时间信息等，这不仅要求卫星平台配置足够精度的时空基准传感器，还要求星上综合电子系统能够具备实时、高精度的信息采集、处理、传递、同步及融合能力。另外，高分辨率遥感卫星的敏捷机动也对整星控制的信息传递实时性提出了很高的要求。这些都需要通过新型星载综合电子系统架构设计、信息传递模式设计及实时高可靠星上网络来保证。

2)需要具备轻小型化、集成化的特征

由于现代小卫星系统的功能越来越多地依赖于电子系统实现，新一代高分遥感小卫星要向着轻量化方向发展就必须要求综合电子系统具备集成化、轻小型化的特征。为此，一方面需要在综合电子系统架构设计中对于现有的系统及分系统进行功能优化、重组及整合，以减少平台电子设备数量，减轻设备质量，并通过FPGA、专用集成电路(ASIC)、SoC等技术来提高设备功能密度。另一方面，当前新型小卫星的设计理念已从原有的载荷适配平台的方式发展为以载荷为中心的整星一体化融合优化设计的方式，因此卫星平台综合电子设计需与载荷电子系统开展信息流一体化设计，实现资源兼顾，达到电子系统最优组合。

3)需要具备通用性和可扩展性特征

高分辨率卫星遥感覆盖光学、微波、电子等多个领域，不同的遥感载荷对平台及星载综合电子系统有着不同的需求，为了使新型星载综合电子系统具备良好的任务适应性和可重用性，要求新型的星载综合电子系统必须具备通用性和可扩展性特征。为此，需要在综合电子系统的架构设计中采取合理的功能模块划分，还需要在系统实现中融入标准化和模块化的设计理念。

4)需要提升星上数据智能处理能力

在卫星防灾、减灾及救灾应用中，用户期望的是遥感卫星能够将“有用”信息实时高效地传递至应急救灾指挥部，这就要求卫星对载荷信息的处理要有最高的时效性。因此，针对高时效性卫星的特点及应用需求开展星上数据压缩、智能判别、灾情监测等技术不仅是降低存储、传输压力的需求，更重要的是提升卫星信息快速服务能力的需求。

5)需要具备星群组网的信息处理能力

在以深度学习技术为代表的人工智能第三次浪潮席卷着各行各业的背景下，各个行业都在研究如何采用这些技术赋能行业应用；用户提出航天领域的发展，以网络化[11]、综合化、一体化为核心，优化体系结构、增强系统弹性和性能、提升体系效能。要求从星地一体、通导遥一体等角度出发[12-13]，提升星群好用易用性，这就要求综合电子具备星群信息的处理能力。

4 小卫星星务技术发展展望与建议

结合未来小卫星对星务系统的需求分析，后续小卫星星务系统发展主要有以下几方面的建议。

1)平台综合电子与载荷信息流一体化设计

下一代星务系统体系结构朝着平台载荷信息流一体化的方向发展，需实现平台和载荷数据的融合处理，为整星提供更灵活的信息流解决方案。首先，开展下一代高性能星上电子系统研究，在星上电子系统中扩充基于FPGA、SoC、ASIC的高速载荷数据处理模块，开展在轨载荷数据实时预处理工作，并将处理结果反馈给星务系统，由星务系统根据实时处理结果开展智能自主任务规划，实时生成卫星后续的载荷任务，实现平台和载荷的信息流闭环控制。其次，开展平台综合电子与载荷深度融合设计工作，直接由平台综合电子对载荷进行管理和控制，提高卫星平台对载荷的管控能力。

2)发展天基高速计算技术

下一代高性能星务系统，需包含天基高速计算部组件，从服务用户和支持平台及载荷的数据融合的角度提供有力手段，在系统架构上服务高速数据传输、星内/星间一体化联网、载荷信息融合等支撑大数据服务体系的内在需求。在天基高速计算系统架构的基础上，通过将人工智能算法/芯片与自主任务规划、自主健康管理等需求相结合，提升航天器在智能规划、决策、故障预测与处置方面的能力，通过群体智能等技术实现卫星星群的智能组网、任务协同，提升小卫星系统的整体应用效能。

3)智能技术应用研究

下一代高性能星务系统的核心技术是软件智能，为了支撑智能卫星和星群任务管理需求，重点需完成基于高算平台的智能操作系统、嵌入式数据库及人工智能算法的应用，具备高性能在轨图像实时处理等应用软件APP的开发能力；开展开放式星务软件架构研究，大力发展第三方应用程序，建立卫星与用户之间的应用软件生态，让普通程序员就能开发和上注星载应用APP。通过不断升级软件和算法，逐渐提升小卫星自身的感知能力、自主运行能力、在轨大数据处理能力及智能决策能力。使小卫星能够完成更复杂的在轨任务，发挥更大的应用效能。

5 结束语

经过20多年的迭代升级，我国小卫星星务技术得到了快速的发展，逐步形成了比较完备星务硬件产品体系和软件产品体系。本文对后续小卫星对星务系统的需求进行了详细分析，提出了平台综合电子与载荷信息流一体化设计、发展天基高速计算技术、智能技术应用研究等方面的发展建议，可为小卫星星务系统的创新发展提供参考。