载人月球探测飞行器综合电子系统技术发展研究

刘岩，阎照文，贾雨棽，范松涛，陈瑞勋

（1.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100083；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

随着计算机和芯片技术的不断发展，综合电子系统的功能和性能不断提升，综合电子理念在航天器系统中的应用也愈发广泛，覆盖了遥测遥控、能源管理、热控管理、健康管理等多种功能的控制和管理，在实现信息共享和综合利用、功能集成、资源重组优化，以及信息处理和传输方面发挥了重要作用［1］。

载人月球探测任务复杂、规模庞大，具有数据种类多、数据量大、数据分布远的特点，同时作为载人航天器要求数据通信高可靠性和安全性，对综合电子系统响应实时性、同步性、接口统一性、自主性，以及电子设备标准化、综合化、模块化与轻小型化提出了更高要求。

传统的综合电子系统设计一般采用“自下而上”研制模式，按照单机设计方案-分系统选配-系统集成的流程进行，每个分系统均设置独立的控制器，“各司其责”，造成了重量、体积和计算资源的极大浪费，已无法满足载人登月任务的要求。为了优化资源配置、实现系统整合、提高系统冗余度，亟需建立一套全新的研制模式：需求统一梳理、资源统一分配、功能统一整合、模块统一设计，即实现“电子系统一体化”。

本文以网络一体化、计算通用化、执行集成化、软件APP（应用程序）化为设计目标，根据载人月球探测航天器通用计算、数据交换、采集驱动和航天员支持功能需求，提出一种新型综合电子系统，可有效优化系统配置，实现资源整合，提升系统可靠性。

1 国内外航天器电子系统发展现状

1.1 美国猎户座（Orion）飞船

猎户座（Orion）飞船采用TTE 网络技术，实现了使用统一网络形式完成航天器内不同传输可靠性要求、不同数据带宽业务数据的传输；采用高性能高可靠通用计算机技术，实现了整船控制、人机交互、系统通信的一体化集成；采用标准功率数据单元，根据需求就近配置，实现了整船配电和数据的分布式管理。猎户座飞船电子系统架构［2-3］如图1所示。

图1 猎户座飞船电子系统架构Fig.1 System structure of avionics in Orion spaceship

猎户座飞船采用分时分区操作系统，支持实现系统中大量复杂软件的集成，同时避免不同软件运行导致的系统可靠性降低的问题；支持各分系统的软件单独修改、更新而不影响其他分系统，有助于提高系统的可测试性，同时降低开发和维护成本，也为未来的升级提供便利。猎户座飞船软件系统架构如图2所示［4-6］。

图2 猎户座飞船软件系统架构Fig.2 System structure of software in Orion spaceship

1.2 深空之门（Lunar Gateway）

作为美国载人深空探测的“中转站”，目前已发布了综合电子、通信、环控生保、能源、交会对接、机器人、热控七份互操作性标准，用于指导系统设计。

综合电子标准［7］中明确建议采用基于1000Base-T的双绞线TTE（时间触发）网络作为飞行器骨干网络，支持TT（时间触发）、RC（速率受限）和BE（尽力服务）业务数据传输。深空之门综合电子系统架构如图3所示。

图3 深空之门综合电子系统架构Fig.3 System structure of Avionics in Deep Space Gate

1.3 欧洲阿里安6（Ariane 6）运载火箭

Ariane 6 运载火箭采用双冗余架构，采用TTE实时以太网总线作为全箭主干网络通信数据总线；每级均采用相同架构的模块化集成电子设备，采用通用背板+不同板卡组合的模式；采用激光火工品点火；采用分布式光纤传感器测量温度、应力等参数。Ariane 6 运载火箭电子系统架构［8］如图4所示。

图4 Ariane 6运载火箭电子系统架构Fig.4 System structure of avionics in Ariane 6

1.4 国内航天器

国内载人航天器一般采用以中央计算机为1553B 总线控制器的联合式电子系统，支持1553B总线对接，完成平台通信与控制；采用专用接口完成图像、话音和载荷数据的传输；信息系统采用三层“金字塔”体系架构，各分系统配置独立控制器，采集执行设备按需定制化设计。国内载人航天器电子系统架构［9］如图5所示。

图5 国内载人航天器电子系统架构Fig.5 System structure of avionics in Chinese manned spaceship

北斗三号卫星采用分级分布式网络体系结构，建立星座内信息统一处理和共享的一体化电子系统［10］，如图6 所示。这种体系结构的特点是采用网状与星型结合的复合拓扑方式，以信息路由单元作为卫星的网络化信息中心，测控、运控及星间的通信设备共同接入信息路由单元，卫星管理单元实现卫星姿态与轨道控制、平台自主管理等智能控制功能。卫星管理单元、信息路由单元、接口服务单元利用总线网络构成复合分布式拓扑，基于空间数据系统咨询委员会（CCSDS）制定的空间数据系统标准规范实现星地星间-星内信息通信网络化。

图6 北斗三号基于复合拓扑的分布式综合电子架构Fig.6 Distributed avionics system architecture based on compound topology of BeiDou-3

遥感卫星综合电子系统构建了两种不同速率的分布式信息网络［11-12］。低速信息网络以1553B 总线作为媒介，主要用于传输星载设备之间的遥测遥控信息、注入数据以及设备/部件测量输出数据、系统控制信息等，是星务信息、系统综合控制信息、遥控遥测信息传输、交换的主干网络。高速信息网络以LVDS、TLK2711总线作为媒介，LVDS总线用于数据存储与处理单元和数传分系统间以及数传分系统内部设备间的数据传递，TLK2711 总线用于可见近红外相机、高光谱相机与数传分系统间的数据传递。遥感卫星信息网络体系结构［13］如图7所示。

图7 某卫星综合电子系统体系Fig.7 Avionics system architecture of a kind of satellite

1.5 小结

经调研，国内载人航天器电气系统面临如下问题：

1) 联合式的系统架构扩展性较弱：分系统之间相互独立，功能几乎不综合或较少综合，独享资源；

2) 1553B+专用接口/以太网的网络互连方式复杂：硬线、串口、总线、网络种类众多，互联关系复杂，线缆及接插件占据大量重量和空间；

3) 计算能力不足：数管、GNC、仪表、环控等分系统均配置专用的计算机，计算资源分散；

4) 集成度不高配套单机数量多：受传统研制模式以及各院厂所现有分工、领域限制，低水平重复现象较为严重；

5) 软件和硬件紧耦合、开发难度大：软件规模和数量急剧增加，但各软件研制单位开发出的应用不能实现无缝移植，还需要进一步统一接口。

为了解决国内载人航天器存在的问题，结合国外航天器综合电子系统发展情况，载人月球探测飞行器综合电子系统设计方案得到如下启示：

1) 更开放的系统架构：采用自顶向下的一体化系统设计，实现一个分布式综合模块化的系统架构；

2) 更简化高效的网络互连：采用一种网络实现平台指令遥测数据（可靠性和实时性要求高）与图像话音载荷等高速数据的一体化传输；

3) 更快的星上计算速度：不断提升计算机性能，满足不同功能和任务需求，推动航天器向高智能、高自主发展；

4) 更高集成度的电子设备：采用“单机板卡化、板卡芯片化”方式实现电子设备的“系统顶层优化与集成”；

5) 更好用的软件开发生态：采用分层结构的通用化软件框架、分时分区操作系统，构建支持“多方联合、并行开发”的航天器软件开发生态环境。

2 载人月球探测飞行器综合电子系统研制需求分析

2.1 更高的自主健康管理和任务规划能力需求

相对传统近地轨道载人航天器，载人月球探测飞行器飞行距离更远，数据传输时延更大，遥控指令单次传输时延可达1.3 s，且在月球背面飞行时存在连续测控不可见弧段，给在轨故障处置的及时性和有效性带来了极大的不确定性，要求载人月球探测飞行器需立足于自主飞行，提升自主任务管理和故障处置能力。常用的处理器芯片已无法满足任务需求，飞行器综合电子系统需要更高的处理性能和运算能力［14］。

2.2 更高的功能密度需求

根据初步测算，地月转移轨道的运载能力大约是近地轨道运载能力的1/3。为了完成近地轨道飞行器的同比功能，对于运载火箭的要求达到3 倍之多。这就要求载人月球探测飞行器应具备更高的功能密度，即单位资源消耗情况下单机设备应具备更多的功能。最优的网络拓扑和通用化、集成化、模块化软硬件实现技术是达成这个目标的关键。

2.3 更高的可靠性需求

结合月球探测任务轨道特性，一旦开始地月转移加速，只能采用中途制动返回、近月制动返回等方式，应急返回最少需要3天，将对航天员生命安全造成更大威胁。相对于嫦娥等无人月球探测任务，载人月球探测飞行器可靠性要求更高，冗余设计能力要求更强，且由于地月转移轨道和月球轨道上测控覆盖范围较少，无法满足100%覆盖，一旦故障发生，存在无法及时处置的可能，这就要求飞行器具备更高的可靠性。

2.4 更高的有人参与的闭环控制能力需求

单次载人月球探测任务将持续2 周左右，需要为航天员提供适宜的居住和工作环境。更清晰的监视图像、更清楚的通话质量、更便捷的智能家居以及支持地面商用产品直接在轨应用的能力，都是载人月球探测飞行器综合电子系统的未来发展方向。

此外，受限于测控覆盖率，地面指挥系统对于载人月球探测飞行器干预能力有限。从保证载人安全性的角度出发，载人月球探测活动必须将航天员纳入控制系统闭环，充分发挥人在目标识别、危险感知、任务决策等方面的明显优势，研究人机交互技术，提高有人参与的闭环控制能力，也是对载人月球探测飞行器综合电子系统提出的重要需求。

3 载人月球探测飞行器综合电子系统架构

综合国内外的技术发展差距和载人月球探测飞行器研制需求，后续载人月球探测飞行器综合电子系统设计主要瞄准集成化、轻量化、智能化、便捷化，设备集成度和性能大幅提升，器上电子设备数量、质量、体积可大幅缩减，接口极为简化，电缆显著减少；通过自适应控制、自主故障诊断和容错护理，飞行过程中自主化、智能化、故障适应性大幅提升，最终实现载人航天器电子系统更新换代跨越式发展、引领国际技术方向的目标。

根据需求分析提出载人月球探测飞行器综合电子系统架构，如图8 所示。未来载人月球探测飞行器综合电子系统可划分为5 个功能子系统，分别为通用计算子系统、数据交换子系统、采集驱动子系统、航天员支持子系统和测控通信子系统，各子系统相互配合实现一体化电子系统的功能。通用计算子系统完成根据输入参数和既定策略实施数值计算和逻辑控制，并输出执行结果的计算功能；数据交换子系统完成分系统内设备间、分系统间控制和测量信息的传输，通过TTE 网络、串行接口等形式完成各功能子系统间数据交互；采集驱动子系统完成模拟量遥测采集、温度量遥测采集、传感器数据采集、脉冲式指令驱动、配电控制、火工品引爆控制、加热回路控制、电机驱动、阀门驱动等采集、驱动类功能；航天员支持子系统完成话音、图像、显示、告警和手控支持功能；测控通信子系统完成天地间、航天器间数据通信、跟踪测轨等功能。

图8 未来载人月球探测飞行器综合电子系统架构Fig.8 The structure of avionics system in future manned-lunar spaceship

载人月球探测飞行器信息网络采用统一交换式网络设计思路，由多台TTE 网络交换机通过若干个通用化、标准化高性能计算机和模块化执行业务单元连接完成平台控制任务，将传统载人航天器系统管理-分系统控制-区域执行的三层分级控制结构精简为统一管理-区域执行的两层分级控制结构，压缩控制层级，降低控制信息传递和处理过程发送错误的概率，提高系统可靠性。载人月球探测飞行器分级控制结构演变框图如图9所示。

图9 分级控制结构演变框图Fig.9 Evolution of hierarchical control structure

配置多台高性能计算机，支持计算资源共享和冗余备份，通过TTE 网络接收各分系统设备和载荷输送的状态遥测、传感器数据、载荷试验数据，通过应用策略实施数值计算和逻辑控制，将计算结果通过TTE 网络传输至执行、控制和显示终端，实现系统级统一闭环管理。

根据网络接入需求，按需配置TTE 网络交换机，就近与网络端节点互联，对于有数据交换需求但无法直接入网的设备，通过执行业务单元的数据转换功能进行数据格式转换，实现系统互联互通。根据采集、驱动需求，按需配置执行业务单元。通过时隙划分机制，支持不同时延特性、不同传输速率、不同可靠性要求的平台和载荷业务数据分时传输，在确保互不影响的同时实现“一网多用”。向下兼容以太网协议和WIFI协议，支持商用智能家居产品灵活接入。

执行业务单元采用模块化设计，根据需求情况设计标准化、模块化功能板卡，通过统一接口协议进行拼接、组装，在布局区域就近为各类传感器、敏感器、执行机构提供输入/输出管理。

未 来载人月球探测飞行器信息网络拓扑如图10所示。

图10 未来载人月球探测飞行器信息网络拓扑Fig.10 Information network structure of lunar-manned spaceship in future

4 关键技术发展思路

针对载人月球探测飞行器电子系统集成化、轻量化、智能化、便捷化的研制需求，将针对下列关键技术方向开展研究：

1) 计算通用化：采用高性能计算机升级计算能力，实现各分系统计算和闭环控制功能，提升智能化水平；

2) 网络一体化：基于TTE 实现不同实时性要求、不同业务带宽数据传输，采用标准协议实现一体化传输；

3) 执行集成化：采用模块化、集成化执行业务单元，配置不同模块完成外设就近管理，实现分布式控制；

4) 软件APP 化：采用分时分区操作系统，提供API 及外部环境接口，支持应用软件APP 独立编译和动态加载。

4.1 通用化计算技术

为了满足航天器各分系统的数值计算和逻辑控制需求，实现整器通用计算，需要配置高性能计算机。高性能计算机作为航天器计算中心，实现数管、GNC、仪表、环控、热控、推进、回收等分系统计算功能。采用基于高性能处理器的多模冗余备份和标准模块化设计方案，内部各模块通过多裕度高安全标准背板总线互联［15］，支持模块数量增减和性能升级，为实现系统智能化提供技术支撑。高性能计算机架构框图如图11所示。

图11 高性能计算机架构框图Fig.11 Structure of high-performance computer

4.2 一体化网络技术

载人月球探测飞行器采用TTE 网络实现数据交换，主要任务是使用统一形式网络完成指令、遥测、时间、传感器数据、敏感器数据、控制信息、图像、话音、载荷等数据的可靠交换，并支持天地一体化音视频、文件通信。需要完成的任务包括数据管理、指令管理、运行模式管理、自主管理、图像话音服务、航天员信息服务、手控操作支持等。TTE网络协议体系架构如图12所示。

图12 TTE网络协议体系结构［16-17］Fig.12 System structure of TTE protocol

4.3 集成化执行技术

为了满足航天器各分系统的采集驱动需求，实现整器执行集成化，需要配置模块化的执行业务单元。执行业务单元作为高性能计算机与采集、驱动、负载配电的桥梁，实现数管、GNC、推进、配电、回收、热控、环控、火工、对接机构、测控、载荷等各分系统遥测采集、驱动控制和配电管理功能的系统综合。采用基于ASIC技术［18］的集成化、模块化和标准化板卡式设计方案，按照就近管理原则根据区域需求进行配置，通过标准背板总线和标准机箱进行模块组装形成单机，提升设备功能密度，实现系统优化和减重。

4.4 APP化软件技术

为了满足多个分系统的应用功能需求在统一计算机上安全、可靠、互不干扰的运行，在计算机中配置了分时分区操作系统［19-20］。分时分区操作系统使一个处理器中同时运行多个虚拟分区，分区的运行时间以及使用的存储空间事先进行约定，运行时分区互不干扰；分时分区隔离保护机制使不同分系统的、不同安全等级的软件可以在同一个处理器中运行，即使一个分区出现故障也不会影响其他分区。

分时分区操作系统的应用，支持实现系统中大量复杂软件的集成，同时避免不同软件运行导致的系统可靠性降低的问题；支持各分系统的软件单独修改、更新而不影响其他分系统，有助于提高系统的可测试性，同时降低开发和维护成本，也为未来的升级提供便利。

配置分时分区操作系统之后，载人月球探测飞行器软件体系架构如下图所示。其中，硬件层与计算机内高性能处理器及外围电路相匹配；操作系统层采用分时分区操作系统，支持分时分区；中间件层采用标准协议构件，对各应用软件APP 提供通用接口；应用层则支持各分系统应用软件APP 独立编译和动态加载。

软件体系架构框图如图13所示。

图13 软件体系架构框图Fig.13 The system structure of software

5 技术优势分析

本文提出的载人月球探测飞行器综合电子系统能够满足型号任务要求的同时，在自主健康管理和任务规划能力、功能密度、设计可靠性、有人参与的闭环控制能力等方面均具有一定的优势，具体分析如下：

1) 更高的自主健康管理和任务规划能力：通用化的硬件平台、兼容性和安全性良好的操作系统，为软件定义功能建立了基础。在高性能计算机中装载特定功能应用软件APP，通过TTE 网络业务规划和调度重构实现软件输入输出支持，即可赋予高性能计算机新的应用功能。执行业务单元虽然未采用分时分区操作系统，但因其同样具备一定的计算能力，通过软件在轨维护更新，利用TTE 网络亦可执行新的应用功能。

2) 更高的功能密度：载人月球探测飞行器对计算机业务进行了重新整合，采用分层化、标准化业务规划，所有高速计算、并行计算和闭环控制功能均在高性能计算机中实现，各分系统不配置单独计算机，只研发独立任务应用软件，加载至高性能计算机操作系统的独立分区中，实现系统计算一体化。采用设备集成化理念，除了对整器计算功能进行一体化设计外，还对不同分系统类似的采集驱动功能进行整合，相似的功能采用同类板卡实现，减少电子单机和硬件板卡的种类，实现采集驱动一体化。

3) 更高的设计可靠性：多模高冗余高性能计算机、标准化分布式执行业务单元、TTE 网络的配置，使整器电子设备具有一致的功能和接口，为实现系统任务的迁移和重构提供了基本的技术保障。借助高冗余容错的标准背板总线，使系统的容错颗粒度由单机缩小为硬件模块。

4) 更高的有人参与的闭环控制能力：载人月球探测飞行器基于高带宽高可靠高确定性的TTE 网络开展电子系统设计，实现了不同速率、不同故障容忍度、不同时间敏感度数据采用统一网络进行传输，向下兼容普通以太网和WIFI 协议，支持智能家居产品直接接入，便于航天员参与飞行闭环控制。

6 结束语

本文从国外航天器电子系统发展现状、我国航天器设计差距、载人月球探测飞行器需求分析出发，提出了未来载人月球探测飞行器综合电子系统架构，从通用化计算技术、一体化网络技术、集成化执行技术、APP 化软件技术等方面提出了相关关键技术的发展方向，并总结了技术优势，为我国未来载人月球探测飞行器综合电子系统设计提供参考。