微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)中的即插即用技術(shù)研究

張路 國家新聞出版廣電總局五五四臺(tái)

前言

在綜合電子系統(tǒng)作用下，能為微小衛(wèi)星其他平臺(tái)提供調(diào)度服務(wù)以及信息管理，確保多個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著空間任務(wù)更加復(fù)雜化，加快綜合電子系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)成為重要任務(wù)，需要將即插即用技術(shù)和綜合電子系統(tǒng)聯(lián)系起來，以便滿足衛(wèi)星空間任務(wù)快速響應(yīng)的要求。在明確即插即用關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，還要注重以即插即用技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合電子系統(tǒng)的建立，以便取得較好的系統(tǒng)應(yīng)用效果。

1 即插即用技術(shù)在微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

即插即用技術(shù)是指跳過軟件配置和線路設(shè)計(jì)等過程，在系統(tǒng)中接入即插即用技術(shù)后，能針對(duì)運(yùn)行中的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和功能的優(yōu)化。能滿足即插即用的功能部件相較于以往的硬件模塊有著較好的擴(kuò)展性和靈活性，在具有即插即用功能的電子平臺(tái)上接入需要的功能部件，能快速完成電子系統(tǒng)的改造，在微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)中有較好運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前國外已經(jīng)有多顆面對(duì)突發(fā)任務(wù)需要的快速響應(yīng)微小衛(wèi)星取得研制成功，最具代表性的便是“戰(zhàn)術(shù)星”計(jì)劃，能通過已有的衛(wèi)星平臺(tái)和載荷接口等有關(guān)技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)并發(fā)射衛(wèi)星，降低了衛(wèi)星系統(tǒng)的研制成本，能快速完成衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。另外，美國提出了空間即插即用技術(shù)，能針對(duì)系統(tǒng)功能需要連接相應(yīng)的功能部件，一定程度提高了衛(wèi)星平臺(tái)的資源管理水平，建立起靈活的微小衛(wèi)星電子系統(tǒng)體系。而美國Space公司基于模塊化衛(wèi)星平臺(tái)研制的MMB-100衛(wèi)星使用標(biāo)準(zhǔn)USB接口和以太網(wǎng)，同樣突出了即插即用的功能優(yōu)勢(shì)，保證綜合電子系統(tǒng)功能的不斷優(yōu)化。從已有即插即用技術(shù)研究成果來看，該技術(shù)能起到提高綜合系統(tǒng)可拓展性及靈活性，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝和功能升級(jí)的時(shí)間，有著重要戰(zhàn)略意義。

2 即插即用技術(shù)應(yīng)用在微小衛(wèi)星的主要技術(shù)

2.1 即插即用基礎(chǔ)上的通訊協(xié)議規(guī)范

主要包括通訊機(jī)制、傳輸機(jī)制、握手機(jī)制等，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上導(dǎo)入固定程序，管理軟件、操作系統(tǒng)和功能部件將按照規(guī)范協(xié)議完成設(shè)計(jì)工作，有利于提高系統(tǒng)性能。利用統(tǒng)一的通訊協(xié)議規(guī)范，使得各個(gè)系統(tǒng)模塊間的信息傳遞效果較好，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，簡(jiǎn)化了微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)開發(fā)步驟。

2.2 功能部件

為了發(fā)揮即插即用技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，還要注重支持該技術(shù)的微小衛(wèi)星功能部件的設(shè)計(jì)和研發(fā)，能按照即插即用統(tǒng)一協(xié)議發(fā)揮部件功能，例如太陽敏感器、GPS星敏感器等。這些模塊自身帶有部件參數(shù)和設(shè)施信息等驅(qū)動(dòng)程序，簡(jiǎn)化了衛(wèi)星研制過程，能在短時(shí)間內(nèi)完成功能部件的組裝和運(yùn)用。基于即插即用技術(shù)的功能部件，為綜合電子系統(tǒng)功能的優(yōu)化調(diào)整提供了有效途徑，突出了系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。

2.3 支持即插即用技術(shù)的微小衛(wèi)星

當(dāng)完成衛(wèi)星內(nèi)部電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)后，需要再次考慮微小衛(wèi)星能否支持即插即用的問題，上文主要闡述了支持即插即用技術(shù)的功能部件，除此之外，還要從微小衛(wèi)星角度出發(fā)，使其滿足即插即用技術(shù)使用要求。通過為即插即用技術(shù)在綜合電子系統(tǒng)中的使用奠定基礎(chǔ)條件，能保證該技術(shù)和綜合電子系統(tǒng)研發(fā)的有效結(jié)合，為今后綜合電子系統(tǒng)發(fā)展提供技術(shù)支持。

2.4 星務(wù)管理軟件

隨著即插即用技術(shù)在微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，能滿足衛(wèi)星功能部件隨時(shí)接入或移出的要求，利用星務(wù)管理軟件能實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)功能部件配置情況，結(jié)合衛(wèi)星發(fā)射的系統(tǒng)需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整軟件結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其在綜合電子系統(tǒng)開發(fā)上的作用。例如，注銷進(jìn)程、針對(duì)性調(diào)整當(dāng)前進(jìn)程資源的使用狀況，同時(shí)還可在新的功能部件接入后，通知控制軟件實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，以便提高軟件測(cè)量準(zhǔn)確性。實(shí)踐表明，星務(wù)管理軟件的研發(fā)和利用在加強(qiáng)綜合電子系統(tǒng)性能上有重要意義，是實(shí)際運(yùn)用即插即用技術(shù)時(shí)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.5 操作系統(tǒng)內(nèi)核

這一關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，能快速完成系統(tǒng)開發(fā)，降低了開發(fā)難度。操作系統(tǒng)內(nèi)核是通過驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、維護(hù)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置來得到的，適用于部分微小衛(wèi)星功能部件上。衛(wèi)星整體設(shè)計(jì)方案確定后，可根據(jù)硬件配置情況進(jìn)行操作功能的設(shè)計(jì)，在操作系統(tǒng)內(nèi)核作用下，完成綜合電子系統(tǒng)的開發(fā)，保證系統(tǒng)能完成一些操作指令。

2.6 支持即插即用技術(shù)的總線接口

為了保證功能部件在綜合電子系統(tǒng)運(yùn)行中的即插即用，需要結(jié)合即插即用技術(shù)使用特點(diǎn)進(jìn)行總線接口的調(diào)整，完成數(shù)據(jù)總線的改造。例如，CAN和UART由于技術(shù)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可在總線進(jìn)口初始研究階段使用；而USB接口能很好支持下即插即用功能，可利用該接口進(jìn)行總線改造，具有較好應(yīng)用前景；藍(lán)牙更多注重衛(wèi)星活動(dòng)時(shí)即插即用功能的實(shí)現(xiàn)。將上述接口方式運(yùn)用到綜合電子系統(tǒng)的總線接口改造中，能取得較好應(yīng)用效果，進(jìn)一步達(dá)到綜合電子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整的目的。

3 即插即用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于微小衛(wèi)星來講，具有質(zhì)量輕、體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，在總線設(shè)計(jì)上，主要采用異步串口的方式。下面將針對(duì)即插即用技術(shù)在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，進(jìn)行總線接口技術(shù)的改造，使其具有即插即用功能。經(jīng)過改造后的接口系統(tǒng)，在物理層上經(jīng)過多個(gè)綜合電子系統(tǒng)控制器，建立起一對(duì)多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且在系統(tǒng)層上通過協(xié)議棧的方式得到針對(duì)多個(gè)系統(tǒng)接口的驅(qū)動(dòng)程序，在協(xié)議棧作用下，綜合電子系統(tǒng)能對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。串口設(shè)備只在需要作業(yè)時(shí)才通電，避免產(chǎn)生能耗，并且串口設(shè)備不工作時(shí)，不會(huì)對(duì)主機(jī)發(fā)送信號(hào)。

根據(jù)以上改造思路，可得到基于多個(gè)接口的綜合電子系統(tǒng)，這一系統(tǒng)由報(bào)文系統(tǒng)、通訊接口和即插即用系統(tǒng)組成。其中即插即用系統(tǒng)主要起到設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧的作用，能對(duì)總線下游接口進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)接口運(yùn)行故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備初始化。根據(jù)功能軟件獲取的設(shè)備信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息和傳輸渠道等資源的分配，確保各類數(shù)據(jù)能通過接口及時(shí)傳達(dá)至主控制室。這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，考慮到系統(tǒng)功能部件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，以及多種衛(wèi)星驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，以便支持即插即用技術(shù)的使用。當(dāng)制定整體方案后，可進(jìn)行功能部件配置以及工作模式的調(diào)整，得到符合應(yīng)用需要的操作系統(tǒng)。具體來說，即插即用技術(shù)的使用，將是未來衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)主要發(fā)展趨勢(shì)，需要加大對(duì)即插即用關(guān)鍵技術(shù)的探究，總結(jié)該技術(shù)在綜合電子系統(tǒng)中功能有效發(fā)揮的途徑，以便建立起靈活性、功能性強(qiáng)的綜合電子系統(tǒng)。

4 結(jié)論

綜上所述，即插即用技術(shù)遵循了航天設(shè)計(jì)中的通用化、模塊化原則，可根據(jù)微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)功能要求，進(jìn)行衛(wèi)星總線的技術(shù)改造，研發(fā)出功能部件和電子平臺(tái)，為微小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和研制提供有效平臺(tái)，使其在通過集成測(cè)試后能快速達(dá)到發(fā)射狀態(tài)，以便達(dá)到降低成本、縮短衛(wèi)星研制周期的效果，為我國航天領(lǐng)域發(fā)展提供基礎(chǔ)條件。