一種高集成小衛(wèi)星測控系統(tǒng)的綜合設(shè)計

趙笛 劉朋 李紅寶 韓孟飛

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

一種高集成小衛(wèi)星測控系統(tǒng)的綜合設(shè)計

趙笛 劉朋 李紅寶 韓孟飛

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

在傳統(tǒng)小衛(wèi)星測控系統(tǒng)的S頻段應(yīng)答機、中繼測控單元、遙控單元及星務(wù)管理單元的設(shè)計基礎(chǔ)上，對小衛(wèi)星測控系統(tǒng)進行了綜合設(shè)計。設(shè)計中采用低溫共燒陶瓷（LTCC）、微組裝工藝、鍵合技術(shù)、片上系統(tǒng)（SOC）微型芯片等新技術(shù)，將小衛(wèi)星測控系統(tǒng)各功能單元融合在一臺高集成、多功能的小型化測控產(chǎn)品中，實現(xiàn)星上資源的統(tǒng)一利用和測控任務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度管理。與傳統(tǒng)的小衛(wèi)星測控系統(tǒng)相比，體積減小70%，質(zhì)量減小80%，功耗降低35%，可滿足小衛(wèi)星體積小、質(zhì)量小、功耗低的產(chǎn)品需求。文章提出的設(shè)計可為后續(xù)集成測控系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

小衛(wèi)星；測控系統(tǒng)；集成設(shè)計

1 引言

“機箱與纜線”（Box-and-harness）一直是國內(nèi)外衛(wèi)星測控系統(tǒng)的主流設(shè)計方法。這種設(shè)計方法使各獨立功能模塊之間保持明顯的界線，具有試驗和交叉搭接容易等優(yōu)點。然而，分立設(shè)計方式會導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸、質(zhì)量、費用增加。我國傳統(tǒng)小衛(wèi)星測控系統(tǒng)設(shè)計由于考慮可靠性及成熟度等因素，也多采用具有獨立功能的單機產(chǎn)品來實現(xiàn)測控系統(tǒng)的各項功能，設(shè)備數(shù)量較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜。隨著微電子技術(shù)、微機械、微光學(xué)等微機電技術(shù)的進步，以及深空探測任務(wù)的推動，未來的星載測控系統(tǒng)將采用數(shù)字化的復(fù)合型設(shè)計體制，具有多功能、多通道、小型化等特點［1］。

本文在傳統(tǒng)小衛(wèi)星測控系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了一種高集成測控系統(tǒng)設(shè)計方案，在一臺單機產(chǎn)品內(nèi)集成了傳統(tǒng)設(shè)計中測控與星務(wù)2個分系統(tǒng)，可實現(xiàn)星地測控及測距測速、中繼測控、遙控指令譯碼、遙控注入數(shù)據(jù)解密解擾、整星任務(wù)調(diào)度管理、遙測數(shù)據(jù)管理、有效載荷狀態(tài)采集和管理、整星溫度測量和控制等諸多功能。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，本文的設(shè)計將具有獨立功能的設(shè)備集合體演變?yōu)閷⑷蝿?wù)、功能、資源統(tǒng)一調(diào)度管理的集成系統(tǒng)，不僅使體積、質(zhì)量、功耗明顯減小，還使功能分配更加合理。

2 測控系統(tǒng)的綜合設(shè)計

衛(wèi)星測控系統(tǒng)與測控地面站配合完成衛(wèi)星的跟蹤測軌、遙測、遙控等上下行測控通信功能，以及測控信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)、星上信息的處理與管理功能。

本文對傳統(tǒng)小衛(wèi)星測控系統(tǒng)設(shè)計中的S頻段應(yīng)答機/中繼測控單元、星務(wù)中心計算機、遙控單元、有效載荷下位機、熱控下位機進行綜合設(shè)計，在不減少原有功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)小衛(wèi)星測控系統(tǒng)的小型化、集成化、多功能性設(shè)計。測控系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 測控系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of TT&C system

由圖1可見，在本文的設(shè)計中，重新整合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用先進技術(shù)和工藝，將原有分散的單機產(chǎn)品統(tǒng)一設(shè)計，劃分成應(yīng)答機模塊、中繼測控模塊及測控綜合管理模塊3部分。應(yīng)答機模塊具有解擴解調(diào)上行射頻信號、接收轉(zhuǎn)發(fā)遙控指令/數(shù)據(jù)及擴頻調(diào)制下行遙測數(shù)據(jù)等功能；中繼測控模塊具有解擴解調(diào)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的射頻信號、接收轉(zhuǎn)發(fā)遙控指令/數(shù)據(jù)及擴頻調(diào)制返向遙測數(shù)據(jù)等功能；測控綜合管理模塊具有衛(wèi)星所有遙控間接指令的處理及分發(fā)、衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)管理、衛(wèi)星時間管理、衛(wèi)星熱控管理等功能。

下面對應(yīng)答機模塊與測控綜合管理模塊的優(yōu)化設(shè)計分別進行詳細說明。由于中繼測控模塊與應(yīng)答機模塊在小型化設(shè)計方面類似，因此中繼測控模塊的設(shè)計不再介紹。

2.1 應(yīng)答機設(shè)計

傳統(tǒng)S頻段應(yīng)答機由射頻通道、數(shù)字基帶處理器及下位機組成。射頻通道部分由分立式微波器件搭建，體積較大［2］。數(shù)字基帶處理器選用數(shù)字信號處理器（DSP）＋處理FPGA方案［3］，電路設(shè)計較為復(fù)雜。因此，本文的應(yīng)答機小型化設(shè)計主要從射頻通道及數(shù)字基帶處理器兩方面入手。

1）射頻通道的小型化設(shè)計

對于射頻通道，在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上引入低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)及微組裝工藝，選用微型元器件，采用微細間距、微小結(jié)構(gòu)、微連接等新工藝設(shè)計微波電路，從技術(shù)及工藝角度突破射頻組件小型化設(shè)計瓶頸，實現(xiàn)射頻通道小型化。

LTCC技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖型，并將多個無源元件與組件（如電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入陶瓷基板中［4］。

微組裝工藝采用微焊接等工藝技術(shù)，將各種半導(dǎo)體集成電路芯片和微型化片式元器件組裝在高密度、多層互聯(lián)基板上，形成高密度、功能集成、高可靠性的三維立體結(jié)構(gòu)的高級微電子組件［5］。

采用微小型化設(shè)計措施后，與具有同樣功能的表面貼裝技術(shù)（SMT）電路構(gòu)成的整機相比，在質(zhì)量、體積、接口數(shù)量上均有顯著減少，如圖2所示。

2）數(shù)字基帶處理器設(shè)計

數(shù)字基帶處理器硬件設(shè)計以處理FPGA芯片為核心，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的FPGA＋DSP芯片，減少核心處理芯片數(shù)量及外圍電路，節(jié)省印制板面積，縮小產(chǎn)品外形尺寸。

數(shù)字基帶采用軟件無線電理念，選用70 MHz中頻接口，在FPGA內(nèi)實現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計中擴頻信號的解調(diào)解擴［6］。同時，增加遙控信息處理功能，取消遙控單元設(shè)備，減少單機數(shù)量，優(yōu)化傳統(tǒng)應(yīng)答機單一的通道特性。

圖2 傳統(tǒng)設(shè)計與微小型化設(shè)計對比Fig.2 Comparison between traditional-design and micro-design

2.2 測控綜合管理集成設(shè)計

在傳統(tǒng)的星上測控管理設(shè)計中，以星務(wù)中心計算機為整星測控調(diào)度核心，進行衛(wèi)星任務(wù)的調(diào)度管理和遙測編碼組織，結(jié)合遙控單元進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)的加解密管理；內(nèi)務(wù)下位機進行衛(wèi)星重要數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)；有效載荷下位機對衛(wèi)星有效載荷狀態(tài)進行采集和管理；熱控下位機對整星溫度進行測量和控制。各分系統(tǒng)通過接口管理單元與衛(wèi)星平臺進行測控管理任務(wù)交互，每個接口單元上設(shè)計諸多接口總線芯片及模數(shù)控制芯片，這不僅增加了整星質(zhì)量、體積，還增加衛(wèi)星功耗［7］。

在本文的設(shè)計中，將各功能控制器和CPU集成到一個芯片中，通過單片取代單板的方式提高衛(wèi)星功能密度［8］。測控綜合管理設(shè)計由系統(tǒng)封裝SIP計算機及下位機綜合管理單元兩部分實現(xiàn)。

1）SIP計算機設(shè)計

SIP計算機內(nèi)嵌高性能Sparc-V8架構(gòu)處理器，構(gòu)建星上測控調(diào)度中心替代傳統(tǒng)的星務(wù)中心計算機，設(shè)計采用鍵合技術(shù)，將微處理器、遙測（TM）模塊、遙控（TC）模塊、CAN總線模塊、Flash存儲器，SRAM存儲器集成為單片的高性能混合電路。其工作主頻為80 MHz，尺寸為60 mm×60 mm× 12 mm，質(zhì)量為155 g，如圖3所示。

2）下位機綜合管理單元設(shè)計

下位機綜合管理單元采用一塊智能化MEU混合電路構(gòu)建，通過擴展多路選擇開關(guān)，采集整星電氣模擬量（電壓、電流）和整星溫度模擬量；通過OC電路驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)對衛(wèi)星單機和部組件開關(guān)狀態(tài)的控制；通過溫控場效應(yīng)晶體管（MOS管）控制加熱器功率，實現(xiàn)對整星溫度范圍的控制。因此，集成傳統(tǒng)的有效載荷下位機、熱控下位機、遙控單元、測控應(yīng)答機下位機的功能，以實現(xiàn)各功能單機的高度整合。

MEU內(nèi)部以高速混合信號C8051F040 MCU為內(nèi)核，采用CIP-51微處理器，與MCS-51TM指令集完全兼容，由于采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比，其指令執(zhí)行速度有很大的提高。MEU的基本特性包括：高速8051的微控制器內(nèi)核，峰值處理能力可達25 Mbit/s，在相同時鐘頻率下是80C31的12倍；64 kbyte的Flash內(nèi)部程序存儲器；64 kbyte的SRAM內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器；1 Mbyte的SRAM數(shù)據(jù)存儲器；豐富的外部接口；可以通過JTAG進行編程。其外形尺寸為32.52 mm× 32.52 mm×7.15 mm，質(zhì)量僅為18 g，如圖4所示。

下位機綜合管理單元軟件由底層操作系統(tǒng)和頂層應(yīng)用程序組成。底層操作系統(tǒng)基于嵌入式星載實時操作系統(tǒng)；頂層應(yīng)用軟件在此操作系統(tǒng)框架上編寫，可以根據(jù)需要靈活應(yīng)用。

圖3 封裝和鍵合的SIP計算機Fig.3 Packed and bonded SIP computer

圖4 封裝和鍵合的MEU電路Fig.4 Packed and bonded MEU circuit

2.3 其他設(shè)計措施

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用鎂鋁合金替代傳統(tǒng)的鋁合金，鎂鋁合金密度約為1.8 g/cm3，鋁合金密度約為2.7 g/cm3，質(zhì)量減少約1/3。

（2）連接器設(shè)計：選用小型化彎針型接插件和板間接插件，可以減少內(nèi)部線纜數(shù)量及質(zhì)量，同時提高電裝效率。

3 設(shè)計驗證與設(shè)計特點

3.1 設(shè)計驗證

本文設(shè)計的測控系統(tǒng)，集成應(yīng)答機、中繼測控模塊、遙控單元、星務(wù)調(diào)度管理、內(nèi)務(wù)下位機、有效載荷下位機、熱控下位機、星上狀態(tài)、溫度采集與控制、星上單機組件管理等功能，同時加入健康狀態(tài)自主監(jiān)測及恢復(fù)、自主測試等功能，可以完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)流層面的自主測試。綜合考慮國內(nèi)傳統(tǒng)測控系統(tǒng)設(shè)計的各項參數(shù)［2，9］，與本文設(shè)計進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種設(shè)計對比Table 1 Comparison between two kinds of design

由表1可以看出，與傳統(tǒng)測控系統(tǒng)設(shè)計相比，本文的測控系統(tǒng)設(shè)計在功能上更加完善，在體積、質(zhì)量、功耗方面有明顯的減小。經(jīng)過與衛(wèi)星供電系統(tǒng)聯(lián)試，本文設(shè)計產(chǎn)品功能正常，性能指標(biāo)滿足要求，并且適用于載荷平臺比要求高、研制周期短的小衛(wèi)星任務(wù)。

3.2 設(shè)計特點

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和驗證結(jié)果，總結(jié)本文設(shè)計關(guān)鍵點如下。

（1）小型化設(shè)計：從系統(tǒng)層面對資源統(tǒng)一分配管理，最大程度進行功能集成，從先進工藝技術(shù)、接插件、結(jié)構(gòu)材料等多方面入手，減小設(shè)備體積和質(zhì)量。

（2）熱設(shè)計：在本文的設(shè)計中，功耗減小程度不如體積減小程度，會導(dǎo)致產(chǎn)品的溫度平衡點較高。為很好地解決散熱問題，采用大功耗器件通過接觸面接觸導(dǎo)熱，或通過螺栓和引腳導(dǎo)熱到印制板，再利用印制板和螺栓導(dǎo)熱到機箱殼體的方式。

（3）單粒子翻轉(zhuǎn)防護設(shè)計：在傳統(tǒng)單粒子翻轉(zhuǎn)防護措施的基礎(chǔ)上，增加自主監(jiān)測恢復(fù)功能，可以恢復(fù)單粒子翻轉(zhuǎn)問題，甚至在發(fā)生單粒子功能中斷（SEFI）時，也能夠自主斷電重新加電，在無地面干預(yù)的情況下實現(xiàn)自主管理維護。

（4）測控軟件通用框架設(shè)計：通過提供統(tǒng)一的軟件協(xié)議規(guī)范，使通用的衛(wèi)星設(shè)備能夠快速接入星上網(wǎng)絡(luò)，通過提供統(tǒng)一的多任務(wù)實時開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)通用的任務(wù)擴展與調(diào)度，從而保障衛(wèi)星各分系統(tǒng)測控管理的統(tǒng)一性和可靠性，大大提高整星研制和測試進度；形成標(biāo)準(zhǔn)的軟件，多次重復(fù)使用，減少開發(fā)費用，提高可靠性。

（5）集權(quán)管理安全性設(shè)計：衛(wèi)星測控系統(tǒng)資源全部由測控綜合管理模塊統(tǒng)一調(diào)度管理，因此具有集成度高、資源分配更合理等優(yōu)點。不過，一旦測控綜合管理模塊出現(xiàn)異常，衛(wèi)星測控系統(tǒng)將面臨災(zāi)難性的后果。為了避免這種情況發(fā)生，本文設(shè)計了測控綜合管理模塊安全模式，除自主切換備份策略外，還設(shè)計有應(yīng)急上行通道，在應(yīng)急情況下，可不通過測控綜合管理模塊調(diào)度，直接由應(yīng)答機模塊和中繼測控模塊通過互聯(lián)總線給衛(wèi)星分各系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)指令，同時，由應(yīng)答機模塊和中繼測控模塊對測控綜合管理模塊實施恢復(fù)操作，全面保障整星安全。

4 結(jié)束語

本文的小衛(wèi)星測控系統(tǒng)設(shè)計具有多功能集成化、體積質(zhì)量輕小型化及低功耗特性，可滿足目前國內(nèi)小衛(wèi)星對載荷平臺比逐漸提高的要求，為未來測控系統(tǒng)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供參考。后續(xù)將深入開展基于SOC技術(shù)的測控系統(tǒng)小型化研究，為研制更高性能、更微小型化的測控系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，利用微電子和微機械技術(shù)不斷提升小衛(wèi)星設(shè)計能力。

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（編輯：夏光）

A Highly Integrated Design for TT&C System of Small Satellite

ZHAO Di LIU Peng LI Hongbao HAN Mengfei
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

Based on the traditional design in S-band transponder，relay TT&C unit，TC unit and data management unit of small satellite，TT&C system is redesigned synthetically.In this design，the various functional units are designed to form a highly integrated，multifunctional and pint-sized TT&C product by using LTCC technology，micro-package techniques，bonding techniques，SOC technology etc.And the multiplicate TT&C missions，functions and resource are managed unifiedly.Compared with the traditional design，the new product is reduced 70%in cubage，80%in weight and 35%in consumption.And this design satisfies the requirements of small satellite for smaller cubage，lighter weight and lower consumption.Also，the paper provides a reference for the subsequent integrated TT&C system design.

small satellite；TT&C system；integrated design

V443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.013

2014-12-02；

：2015-04-24

國家重大航天工程

趙笛，女，碩士，工程師，研究方向為衛(wèi)星測控通信總體設(shè)計。Email：didi_email@sina.com。