AIAA空間即插即用標(biāo)準(zhǔn)研究

王磊 孫叢林 郭晉媛

（北京空間科技信息研究所，北京，100094）

即插即用（PnP）技術(shù)起源于計算機技術(shù)，通過即插即用技術(shù)能夠自動配置計算機的板卡和其他外圍設(shè)備，使對應(yīng)的設(shè)備無需額外安裝驅(qū)動即能夠正常工作。為解決快速響應(yīng)空間的問題，美國率先提出將PnP技術(shù)引入航天領(lǐng)域。引入即插即用技術(shù)后，衛(wèi)星各分系統(tǒng)均按照標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計，各設(shè)備的自身繼承性良好，與整星的接口匹配性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于衛(wèi)星快速總裝、快速測試，使衛(wèi)星研制周期大為縮短。在星上設(shè)備改型換代時，也由于即插即用接口的標(biāo)準(zhǔn)化，使得新設(shè)備很快可以接入衛(wèi)星系統(tǒng)，減少了接口協(xié)調(diào)帶來的工作量，降低了新設(shè)備的技術(shù)風(fēng)險。

美國空軍研究實驗室提出了空間即插即用電子系統(tǒng)（Space Plug-and-play Architecture，SPA）技術(shù)體系，該體系用于支撐美國提出“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計劃，并成功研制了PnPSat等即插即用衛(wèi)星；俄羅斯SPUTNIX公司也按照“空間即插即用體系結(jié)構(gòu)”集成并測試了星載控制系統(tǒng)設(shè)備?？臻g即插即用技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了航天器機械接口、電源接口、數(shù)據(jù)接口、熱接口的統(tǒng)一，降低了研制成本，縮短了研制周期，實現(xiàn)了航天器快速研制、快速集成、快速發(fā)射。AIAA于2013年發(fā)布了AIAA G-133-1～10-2013《空間即插即用體系標(biāo)準(zhǔn)》，以指導(dǎo)空間即插即用技術(shù)的應(yīng)用。研究借鑒AIAA即插即用標(biāo)準(zhǔn)，對我國空間即插即用技術(shù)的進(jìn)步和快速響應(yīng)航天器的研制具有重要意義。

1 AIAA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程

空間快速響應(yīng)要求的提出為即插即用模塊化衛(wèi)星的研究提供了最根本的源動力。美國空軍研究實驗室（AFRL，Air Force Research Laboratory）在2004年主導(dǎo)的項目“空間快速響應(yīng)高技術(shù)研究”（RSATS）將精力集中于尋求各種可能應(yīng)用在加快空間任務(wù)研發(fā)速度的技術(shù)上，該項研究指出了一批可能應(yīng)用于快速建造空間飛行器的技術(shù)方向，包括微型子系統(tǒng)（微電子，高等封裝技術(shù)，微機電系統(tǒng)的結(jié)合產(chǎn)物），高性能在軌計算能力，可重配置系統(tǒng)方法（例如現(xiàn)場可編程門列陣，適應(yīng)性布線技術(shù)，自定義軟件無線電的概念），RSATS將這些概念與 “適應(yīng)性航電系統(tǒng)試驗（AAE）”結(jié)合了起來。AAE的思想在RSATS的研究中得到了充分的肯定，RSATS對相當(dāng)數(shù)量的AAE理念進(jìn)行了發(fā)展和重新定義。而原本AAE的重點是基于空間飛行器的防護的主題，討論了一系列組件和子系統(tǒng)的重新配置的問題。其中AAE的支柱理念之一是外嵌式傳感器網(wǎng)絡(luò)（魔術(shù)貼式組件），該概念在RSATS的努力下發(fā)展成為空間即插即用電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)也是國際上現(xiàn)有的唯一的公開的衛(wèi)星模塊化即插即用接口標(biāo)準(zhǔn)。

2004年開始，AFRL開始進(jìn)行空間即插即用技術(shù)的研究，并在2004年底得到AIAA的批準(zhǔn)正式開始對空間即插即用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。經(jīng)過10年左右的的探索，目前AFRL在AIAA上已經(jīng)推出了3版標(biāo)準(zhǔn)。

2008年AIAA提出了第一版的SPA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)草案，2008年時SPA的全稱為空間即插即用電子元器件（Space Plug-and-Play Avionics），主要規(guī)定了SPA的架構(gòu)及通用型的標(biāo)準(zhǔn)。并對基于USB擴展的SPA-U接口提出了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)草案。

2011年AIAA對SPA標(biāo)準(zhǔn)做了一定的修正并將SPA的全稱更改為空間即插即用電子系統(tǒng)（Space Plug-and-Play Architecture），2011版的SPA總線標(biāo)準(zhǔn)依然是一個草案，并非正式版的標(biāo)準(zhǔn)。但是在2008年標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了基于SpaceWire總線的SPA-S特性子網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2013年AIAA又對SPA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步完善，對以前的通用型標(biāo)準(zhǔn)和其他特性標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了修訂，使得SPA技術(shù)具有更好的性能。

根據(jù)AIAA官網(wǎng)上的消息，在此之后SPA技術(shù)將會進(jìn)一步發(fā)展，將光纖、無線網(wǎng)也納入到SPA技術(shù)架構(gòu)中來。形成SPA-O（Optical）特性子網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和SPA-W（Wireless）特性子網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，除此之外還有一些專門針對衛(wèi)星上低速部件有可能用到的SPA-I（I2C）進(jìn)行專門的研究。

2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)情況

隨著SPA概念的不斷發(fā)展，空間即插即用標(biāo)準(zhǔn)集也在不斷的增加新的內(nèi)容。目前AIAA發(fā)布了10項與空間即插即用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，見表1。這些標(biāo)準(zhǔn)對組成星上即插即用網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心航天器模型進(jìn)行了總體描述，從不同角度闡述了即插即用如何工作。

表1 AIAA空間即插即用標(biāo)準(zhǔn)

3 AIAA即插即用標(biāo)準(zhǔn)解讀

3.1 AIAA G-133-1-2013

AIAA G-133-1-2013規(guī)定了空間即插即用體系的目標(biāo)、概念、原則和結(jié)構(gòu)，即插即用體系的實現(xiàn)及示例，即插即用體系的工具和對整個空間即插即用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了概述。

a）空間即插即用體系方面，對于整個航天器來說只影響到航天器內(nèi)部，不涉及航天器外部接口。涉及設(shè)計、制造、集成和航天器壽命周期中所有試驗方面。

b）空間即插即用體系的核心目標(biāo)是減少快速衛(wèi)星研制的障礙，核心概念是一旦組件安裝在系統(tǒng)中，就需要具有查找服務(wù)（Lookup Service）注冊的能力，這些組件主要是指在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中產(chǎn)生或使用數(shù)據(jù)的節(jié)點。一旦獲取這些信息，任何有數(shù)據(jù)需求的組件都可以在查找服務(wù)中獲取有用資源，并接受匹配的查詢。隨后，該組件可與任何匹配組件聯(lián)系，直接接受數(shù)據(jù)預(yù)定或利用其數(shù)據(jù)服務(wù)。

c）空間即插即用體系的基本能力包括標(biāo)準(zhǔn)物理接口、自組織網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)信息通信、查詢服務(wù)、SPA-x接口（數(shù)據(jù)通信協(xié)議類接口的統(tǒng)稱）、自描述組件。

d）空間即插即用體系的工具主要包括設(shè)計工具和試驗工具。設(shè)計工具包含按鈕工具流、xTEDS模擬器（允許系統(tǒng)中設(shè)備和傳感器模擬）、即插即用設(shè)備零件序號。試驗工具包括硬件循環(huán)仿真和試驗旁路、飛行軟件循環(huán)試驗。

3.2 AIAA S-133-2-2013

AIAA S-133-2-2013規(guī)定了SPA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要求、分區(qū)輸入程序包保障的要求、SPA網(wǎng)絡(luò)要求等。

a）SPA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要求主要包括拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、動態(tài)拓?fù)渑渲谩⒔M件注冊期間的程序安排、初始發(fā)現(xiàn)之后向CAS發(fā)送一個SM-s表中沒有包含項目的請求、組件之間的路由等。

b）特定的拓?fù)淇紤]包括同一子網(wǎng)的多重SM-x路線和同一子網(wǎng)內(nèi)可利用的多重路線。由于需要多個管理器來連接不同處理器節(jié)點，因此，同一子網(wǎng)的多重SM-x路線是非常常見的配置。一個內(nèi)部有子網(wǎng)的組件可能會有多重路線來實現(xiàn)冗余或其他考慮因素的目的。

c）SPA網(wǎng)絡(luò)要求包括SPA局部總線要求、中心選址服務(wù) （CAS）要求、SPA查找服務(wù)要求、SPA子網(wǎng)管理器要求、通用路由器要求、通用SPA端點要求和SPA校驗碼的生成。

3.3 AIAA S-133-3-2013

AIAA S-133-3-2013規(guī)定了SPA標(biāo)題、組件數(shù)據(jù)能力、組件網(wǎng)絡(luò)能力和組件識別。

a）SPA標(biāo)題主要包括標(biāo)準(zhǔn)的SPA標(biāo)題、擴展的SPA標(biāo)題、保證交付的擴展SPA標(biāo)題、信息順序擴展標(biāo)題、服務(wù)質(zhì)量標(biāo)題、安全標(biāo)題和SPA信息頁腳。

b）組件數(shù)據(jù)能力包括發(fā)現(xiàn)、注冊、數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)預(yù)定、組件間數(shù)據(jù)交換等。

c）組件網(wǎng)絡(luò)能力包括SPA申請SPA查找服務(wù)探針信息、SPA網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)申請信息、SPA網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)回復(fù)信息、健康和狀態(tài)、時間同步、服務(wù)質(zhì)量和安全。其中服務(wù)質(zhì)量包括保證交付、保證交付順序表、保證交付信息和SPA傳輸信息。

d）組件識別包括通用唯一的識別和xTEDS識別。

3.4 AIAA S-133-4-2013

AIAA S-133-4-2013規(guī)定了SPA設(shè)備的機械接口要求、熱接口要求、A型電連接器SPA電連接器和電纜要求、B型電連接器SPA電連接器和電纜要求、C型電連接器SPA電連接器和電纜要求、D型電連接器SPA電連接器和電纜要求。

a）機械接口包括：設(shè)備安裝；動力學(xué)要求；展開、激勵器和可移動機械組件；保護罩；可維護性；設(shè)備物理接口特性報告等。設(shè)備安裝包括安裝方法、推薦的緊固件尺寸、安裝模式、安裝孔數(shù)量、設(shè)備安裝孔尺寸和位置公差、安裝緊固件的途徑、安裝表面平面度、安裝表面電導(dǎo)率、安裝表面特性。設(shè)備物理接口特性報告包括：封裝和安裝；質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量報告；連接器類型和位置報告；視場報告和特殊說明。

b）熱接口包括通用熱接口要求和設(shè)備熱接口特性報告。通用熱接口要求包括SPA設(shè)備熱控方法、熱安裝、設(shè)備熱接口材料、熱控制延伸表面電導(dǎo)率、特殊說明；設(shè)備熱接口特性報告包括熱設(shè)計方法、散熱等級、加熱器和加熱器控制。

c）SPA電連接器和電纜要求（包括A型、B型和C型）分別對3種類型電連接器進(jìn)行概述，并針對A型的SPA 25-針Micro-D電源和數(shù)據(jù)接口電連接器，B型的25-針Micro-D/電源連接器和15-針D-微型30A電源連接器，C型的SPA 15-針HD電源、同步器、試驗和dual quadrax高速串行接口連接器；D型的25-針Micro-D/電源連接器和15-針D-微型50A電源連接器進(jìn)行了規(guī)定。

3.5 AIAA S-133-5-2013

AIAA S-133-5-2013規(guī)定了SPA 28V電源服務(wù)以及通用的電源性能、4.5A電源服務(wù)、30A電源服務(wù)、50A電源服務(wù)、SPA接地和連接等內(nèi)容。

SPA電源系統(tǒng)依靠一塊電池捆綁式的28V電源總線向所有SPA設(shè)備（包括SPA有效載荷）提供電源。電源系統(tǒng)包括一個或多個電源分配模塊來向SPA多個終端連接點提供服務(wù)。通用電源性能包括電源總線電壓、SPA終端電流限制、多種SPA終端使用、總線電壓波動、總線電流波動、總線阻抗、低電壓情況下的總線維持、過電壓情況下的總線維持、電源總線電壓瞬變。

3.6 AIAA S-133-6-2013

AIAA S-133-6-2013適用于在空間即插即用體系結(jié)構(gòu)下運行的系統(tǒng)。系統(tǒng)定時標(biāo)準(zhǔn)是在網(wǎng)絡(luò)SPA組件系統(tǒng)中提供公共定時的常用方法。關(guān)于可用性、延遲、抖動和漂移的討論提供了旨在滿足大多數(shù)系統(tǒng)的時序精度的系統(tǒng)。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了秒脈沖（PPS）同步、彈性時間（TAT）信息、TAT和PPS資源、時間資源優(yōu)先權(quán)、系統(tǒng)時間可用性、時間潛伏、PPS不穩(wěn)定性和PPS漂移。

3.7 AIAA S-133-7-2013

AIAA S-133-7-2013規(guī)定了SPA xTED和XML模式語言的內(nèi)容，包括xTEDS計劃、xTEDS格式、xTEDS句法和通用數(shù)據(jù)詞典，并在附錄A中給出通用數(shù)據(jù)詞典和xTEDS的擴展，包括CDD目的、CDD更新和驗證XML解析器等。

3.8 AIAA S-133-8-2013

AIAA S-133-8-2013規(guī)定了SPA系統(tǒng)的試驗旁路、用途和試驗旁路信息協(xié)議。試驗旁路信息協(xié)議包括NOOP操作、PUT操作、WRITE操作、GET操作、CLRMASK操作、SETECHO操作、CLRECHO操作、ENGAGE操作、DISENGAGE操作、WELENGTH操作、RDFLAGS操作、FLAGMSG操作。

3.9 AIAA S-133-9-2013

AIAA S-133-9-2013規(guī)定了SpaceWire總線適配子層、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)之后的SPA數(shù)據(jù)包的空間線路路由、通信量的區(qū)分、動態(tài)配置、SPA空間線路特定信息格式、要求清單等。

a）拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)主要包括SM-s的路由表格式，SPA終端的路由表格式，相同子網(wǎng)的多個SM-s管理器、相同子網(wǎng)組件的多條路徑、沒有終端的路由。

b）發(fā)現(xiàn)之后的SPA數(shù)據(jù)包的空間線路路由包括從SM-s到SPA組件的路由，從一個SPA端點到SM-s路由一個SPA包，從子網(wǎng)組件到另一個局域網(wǎng)組件路由一個SPA包，SM-s到SM-s的包路由。

c）動態(tài)配置主要包括探測一個已知端點上的新處理，子網(wǎng)拓?fù)涞奶綔y變化等。

d）SPA空間線路特定信息格式包括“SPASpWRouterProbe”、“SPASpWEndpointPing”、“SPASpWEndpointPingReply” 和“SPASpWconfigureTopologyDiscovery”。

e）要求清單包括SM-s要求、空間線路路由要求、空間線路SPA組件要求。

3.10 AIAA S-133-10-2013

AIAA S-133-10-2013規(guī)定了SPA系統(tǒng)的原則和服務(wù)、能力要求。能力要求包括通用能力、標(biāo)準(zhǔn)接口能力、組件“插”能力、組件“用”能力、網(wǎng)絡(luò)能力、通用時間能力、故障冗余能力、安全能力、電源能力和試驗保障能力。SPA系統(tǒng)的空間即插即用體系結(jié)構(gòu)（SPA）的核心思想是，任何聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組件都可以添加到網(wǎng)絡(luò)中，并且能夠與系統(tǒng)通信，而無需單獨安裝驅(qū)動程序、軟件接口，或其他接口機制。

4 結(jié)論及建議

a）AIAA已針對即插即用技術(shù)的應(yīng)用情況，建立了空間即插即用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系（SPA），并從模塊劃分、接口設(shè)計、總線使用、軟件執(zhí)行以及AIT流程等方面對空間即插即用技術(shù)進(jìn)行了規(guī)定。我國尚未形成空間即插即用標(biāo)準(zhǔn)體系，隨著微納衛(wèi)星、快響衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對即插即用技術(shù)的需求越來越迫切，有必要從頂層規(guī)劃上提前考慮，開展空間即插即用標(biāo)準(zhǔn)體系的研究。

b）在接口設(shè)計方面，原有電子系統(tǒng)的接口設(shè)計在支持即插即用的設(shè)計方面考慮較少，典型的特征是對外接插件尚不支持“熱插拔”且各功能模塊的拆裝方式較為復(fù)雜。因此參照AIAA標(biāo)準(zhǔn)、PC104協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)從機箱、結(jié)構(gòu)、機箱、結(jié)構(gòu)、拆裝方式、電氣、熱等接口設(shè)計等方面進(jìn)行重點研究，以支持即插即用的熱插拔接口設(shè)計，以實現(xiàn)真正意義的即插即用。

c）在協(xié)議使用方面，國際上針對目前已有的商用即插即用總線協(xié)議（如USB、SpaceWire總線等），已完成了試驗平臺的驗證。而目前國內(nèi)針對上述協(xié)議的研究已經(jīng)有部分基礎(chǔ)，有型號已經(jīng)搭載USB設(shè)備開展飛行驗證，部分型號已基于CAN總線、SpaceWire總線開展應(yīng)用。但是在總的即插即用標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)下如何使用針對上述總線協(xié)議有待進(jìn)一步研究。

從綜合電子技術(shù)的發(fā)展趨勢可以看出，無論是高度模塊化的快速響應(yīng)衛(wèi)星還是美國的SPA系統(tǒng)，都是通過即插即用技術(shù)增強了綜合電子系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，使得在極短時間內(nèi)設(shè)計、生產(chǎn)、組裝和升級衛(wèi)星系統(tǒng)成為可能，從而使衛(wèi)星研制周期大幅縮短，對于我國的衛(wèi)星發(fā)展具有十分重要的借鑒意義。本文通過對AIAA標(biāo)準(zhǔn)的解讀分析，旨在為我國空間即插即用技術(shù)研究、衛(wèi)星模塊化設(shè)計提供經(jīng)驗與借鑒，進(jìn)而應(yīng)用于微納衛(wèi)星和快響衛(wèi)星，提升我國快速響應(yīng)空間能力。