基于軟件定義的微納衛(wèi)星綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃佳 陳夏 李宗德

關(guān)鍵詞： 軟件定義; 微納衛(wèi)星; 高功能密度; 綜合電子系統(tǒng); 可擴(kuò)展體系; SpaceVPX

中圖分類(lèi)號(hào)： TN99?34; TP336 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）02?0030?03

Design and realization of micro/nano?satellite synthesized electronic

system based on software definition

HUANG Jia， CHEN Xia， LI Zongde

（Shanghai Micro?satellite Engineering Center， Shanghai 200210， China）

Abstract： In order to improve the utilization rate of micro/nano?satellite resources， and comprehensively consider the limitation and requirements in the aspects of volume， weight and power consumption， a implementation scheme of the high function density micro/nano?satellite synthesized electronic system based on software definition is put forward. The software technology is used to improve the reliability and index of micro/nano?satellite synthesized electronic system and expand the in?orbit application， so as to implement the new task mode of "one?satellite multi?mission"， and give full play to small， fast， good， economic advantages of the micro/nano?satellite. A standardized extensible architecture is adopted in the system to decouple and integrate the communication， navigation， energy， control， load management and other functions. The universalized hardware platform， multi?tasking software architecture and reconstruction method of the synthesized electronic system are elaborated. A prototype was formed， whose weight is about 1.3 kg， power consumption is about 14 W， processing capacity is greater than 200 MIPS， and inter?module communication rate is greater than 6.25 Gb/s. It can be expanded to the application of other micro/nano?satellites.

Keywords： software definition; micro/nano?satellite; high function density; synthesized electronic system; extensible architecture; SpaceVPX

0 ?引 ?言

近些年，以MEMS、商業(yè)貨架產(chǎn)品等技術(shù)為基礎(chǔ)的微納衛(wèi)星，成為空間系統(tǒng)的重要組成部分和技術(shù)熱點(diǎn)[1?2]。微納衛(wèi)星以低成本、短周期等優(yōu)勢(shì)，活躍了航天市場(chǎng)，使普通個(gè)人、商業(yè)公司以及地方政府機(jī)構(gòu)等進(jìn)入衛(wèi)星領(lǐng)域成為可能。

微納衛(wèi)星雖然發(fā)展迅速，成本下降明顯，步入市場(chǎng)化發(fā)展[3]，但星載綜合電子系統(tǒng)，仍沒(méi)有突破傳統(tǒng)衛(wèi)星電子學(xué)的基本特征，在軌應(yīng)用受到限制，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1） 系統(tǒng)普遍在軌壽命短，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于新技術(shù)驗(yàn)證;

2） 系統(tǒng)沒(méi)解決衛(wèi)星的任務(wù)模式，各分系統(tǒng)互相嵌套、互相約束，屬于一次使用的缺乏可維修的設(shè)計(jì);

3） 系統(tǒng)的壽命提高以采用高等級(jí)元器件，增加模塊冗余備份為主要手段，可靠性提高措施較薄弱。

本文從軟件定義角度出發(fā)，重新詮釋微納衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)，用軟件技術(shù)提升系統(tǒng)可靠度和技術(shù)指標(biāo)，運(yùn)用FPGA，ASIC等大規(guī)模集成電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化、輕量化和低功耗，提供低成本的解決方案。

1 ?基于軟件定義的綜合電子系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)微納衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)解耦集成[4]，硬件平臺(tái)分解為配電管理模塊、星務(wù)通信模塊、高速總線交換模塊、高速數(shù)傳固存模塊，各模塊集成到一個(gè)機(jī)箱中，遵循SpaceVPX（VITA 78）標(biāo)準(zhǔn)[5]，通過(guò)背板通信，支持軟件、軟件無(wú)線電重構(gòu)。各模塊CPU分布式配置，處理能力均不低于40 MIPS，完成整星計(jì)算功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1） 配電管理模塊。在衛(wèi)星壽命期間各運(yùn)行階段，對(duì)星上各設(shè)備供電健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，均衡鋰離子電池組充放電深度[6]。核心為基于SoC型FLASH FPGA設(shè)計(jì)的峰值功率追蹤系統(tǒng)（Maximum Power Point Tracking，MPPT），以提高太陽(yáng)能電池陣的能量利用率?？赏ㄟ^(guò)軟件注入?yún)?shù)，調(diào)整太陽(yáng)帆角度，從而調(diào)整電壓控制閾值[7]。

2） 星務(wù)通信模塊。綜合電子核心模塊[8?9]，整個(gè)系統(tǒng)采用雙CPU+FPGA的架構(gòu)，處理能力≥200 MIPS，CPU內(nèi)運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。雙CPU通過(guò)公共RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CPU默認(rèn)代碼、重要配置參數(shù)如地磁場(chǎng)表、地面測(cè)控站位置信息等存儲(chǔ)在PROM中，重構(gòu)代碼通過(guò)地面注入或預(yù)先存儲(chǔ)于FLASH中，實(shí)現(xiàn)軟件任務(wù)配置、通信體制配置、控制邏輯配置等。

3） 高速總線交換模塊。采用雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的RapidIO總線[10]完成各模塊間的高速通信，兩組I/O全工作模式，通信速率≥6.25 Gb/s。

4） 固存高速數(shù)傳模塊。通信算法在Xilinx K7 FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)[11]，工作在X頻段，可根據(jù)任務(wù)需求設(shè)置調(diào)制方式、工作頻點(diǎn)、信道編碼等，數(shù)傳速率≥450 Mb/s;存儲(chǔ)部分采用SLC FLASH介質(zhì)，容量≥2 TB。模塊僅在載荷任務(wù)和數(shù)傳任務(wù)時(shí)開(kāi)機(jī)。

為進(jìn)一步提高微納衛(wèi)星功能密度，綜合電子機(jī)箱可以與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在以往多個(gè)微納星上也已充分驗(yàn)證，風(fēng)險(xiǎn)較低。

2 ?基于軟件定義的綜合電子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.1 ?面向多任務(wù)的可重構(gòu)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件化定義微納衛(wèi)星有靈活的重構(gòu)顆粒度劃分，既可以進(jìn)行整星的功能與任務(wù)轉(zhuǎn)換，也可實(shí)現(xiàn)部分功能重構(gòu)，以滿足不同類(lèi)型任務(wù)需求[12]。軟件系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)建立模型，配置軟硬件參數(shù)，如零動(dòng)量/偏置動(dòng)量、磁控/輪控磁控混合、固定指向/機(jī)動(dòng)跟蹤、測(cè)控/數(shù)傳、熱控閉環(huán)/開(kāi)環(huán)、母線調(diào)節(jié)/不調(diào)節(jié)等。雖然衛(wèi)星任務(wù)不同，但其功能組成基本相同，可分為BSP、操作系統(tǒng)、應(yīng)用層。應(yīng)用層按照功能配置不同的進(jìn)程模塊，如軌道處理、軌控管理、星務(wù)管理、遙測(cè)遙控管理、能源管理、姿態(tài)確定和控制、載荷管理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理等。

對(duì)不同配置需求的微納衛(wèi)星，將其軟件體系分解為通用架構(gòu)和差異部分，進(jìn)一步將各種差異部分進(jìn)行融合，并將不可融合部分變?yōu)檫x擇項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)軟件體系架構(gòu)可配置重構(gòu)，如圖2所示。每個(gè)軟件模塊均可分為通用模塊和配置參數(shù)兩部分，如姿態(tài)確定和控制功能模塊分為通用姿態(tài)確定和控制模塊以及配置參數(shù)，配置參數(shù)包括單機(jī)標(biāo)定系數(shù)、安裝矩陣和控制系數(shù)等。通過(guò)任務(wù)級(jí)可配置研究，將模塊分為通用模塊和配置參數(shù)實(shí)現(xiàn)了軟件模塊的可配置，完成了軟件系統(tǒng)的可配置和重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)基于軟件定義的綜合電子系統(tǒng)。

2.2 ?軟件定義的綜合電子系統(tǒng)重構(gòu)方法

結(jié)合在軌軟件化定義技術(shù)特點(diǎn)，將系統(tǒng)重構(gòu)流程分為三個(gè)步驟[13]：任務(wù)規(guī)劃輸入、軟件模式配置、底層接口配置，如圖3所示。原有姿態(tài)與軌道控制各單機(jī)狀態(tài)、整星能源情況、時(shí)統(tǒng)信息等平臺(tái)軟硬件資源，以及衛(wèi)星飛行計(jì)劃、載荷自主運(yùn)行等與指令相關(guān)軟件資源均被映射到任務(wù)規(guī)劃步驟中，通過(guò)自主任務(wù)規(guī)劃模塊產(chǎn)生指令序列。載荷管理軟件對(duì)其分解，將各配置參數(shù)傳遞給星務(wù)管理軟件，如任務(wù)中需要的通信模式、姿態(tài)控制、指向機(jī)動(dòng)、數(shù)據(jù)接口等。

可重構(gòu)系統(tǒng)典型應(yīng)用案例：衛(wèi)星巡航模式下，綜合電子工作在測(cè)控模式，姿態(tài)指向?yàn)閼T性對(duì)日模式，星?地通信采用USB體制，碼速率為8 192 b/s;當(dāng)自主任務(wù)規(guī)劃模塊識(shí)別目標(biāo)后，綜合電子工作切換為數(shù)傳模式，姿態(tài)指向?yàn)閷?duì)地模式，星?地通信采用QPSK體制，碼速率為2 Mb/s。

3 ?綜合電子系統(tǒng)工程樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

綜合考慮微納衛(wèi)星成本、體積等因素，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)均以商用元器件COTS為主[14]，核心器件如FPGA、晶振、電源模塊等采用普軍以上等級(jí)器件;產(chǎn)品采用板級(jí)篩選模式，前期通過(guò)加速老化試驗(yàn)，剔除不合格品。目前該產(chǎn)品參加了整星桌面聯(lián)試、環(huán)模試驗(yàn)、星地對(duì)接、應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)試等大型試驗(yàn)，系統(tǒng)均工作正常。工程樣機(jī)重量為1.3 kg，功耗為14 W，處理能力大于200 MIPS，模塊間通信速率大于6.25 Gb/s，具有行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

針對(duì)微納衛(wèi)星功能密度高、研制周期短、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于軟件定義的微納衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備星務(wù)管理、姿軌計(jì)算、測(cè)控?cái)?shù)傳和電源管理等功能，并可通過(guò)軟件、軟件無(wú)線電動(dòng)態(tài)重構(gòu)，充分有效地提高硬件和軟件等各種資源的復(fù)用程度。在技術(shù)和理論基礎(chǔ)上加以工程實(shí)踐，研制了基于COTS器件的工程樣機(jī)，可推廣至各類(lèi)型微納衛(wèi)星應(yīng)用中。

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