一種敏捷衛(wèi)星高集成數(shù)傳控制單元設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王元樂(lè)，張建華，楊玉辰，楊新權(quán)，袁素春，邸劍峰，張守娟，侯舒維

(1.西安交通大學(xué) 微電子學(xué)院，西安 710049；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著航天技術(shù)持續(xù)發(fā)展和用戶需求不斷提升，敏捷衛(wèi)星研制方興未艾，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界均開(kāi)展了針對(duì)敏捷衛(wèi)星的相關(guān)技術(shù)研制和應(yīng)用實(shí)踐。國(guó)外，美國(guó)新一代衛(wèi)星平臺(tái)WorldView-4(2019年)和法國(guó)新一代衛(wèi)星平臺(tái)Pleiades NEO(2021年)均支持敏捷成像能力；國(guó)內(nèi)，已發(fā)展到第二代敏捷衛(wèi)星，敏捷機(jī)動(dòng)能力和穩(wěn)像水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，可實(shí)現(xiàn)任意航跡成像、正南正北正反掃成像、垂直軌道方向正反掃、多條帶拼幅成像、星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)等應(yīng)用[1]。光學(xué)敏捷遙感衛(wèi)星在一次過(guò)境時(shí)可以實(shí)現(xiàn)有效的全區(qū)域覆蓋，使得衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)能力得到大幅的提升，其在遙感偵察、抗震救災(zāi)、資源調(diào)查和監(jiān)測(cè)等應(yīng)急任務(wù)中能夠發(fā)揮觀測(cè)能力強(qiáng)、時(shí)效性高等優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)了一種新型的高速數(shù)傳控制單元，產(chǎn)品硬件具備高集成度，軟件采用模塊化架構(gòu)，具備易用性、高可靠、長(zhǎng)壽命、抗輻照等特點(diǎn)。數(shù)傳控制單元作為衛(wèi)星有效載荷的核心設(shè)備之一，其能力提升將有效支持敏捷衛(wèi)星自主任務(wù)執(zhí)行等業(yè)務(wù)功能,提高敏捷衛(wèi)星開(kāi)展業(yè)務(wù)化遙感服務(wù)能力。

1 現(xiàn)狀與需求

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，在全球范圍內(nèi)極大擴(kuò)展了遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用與影響，基于互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，不斷拓展著遙感數(shù)據(jù)的供給面與需求面。歐美航天制造商在航天發(fā)展領(lǐng)域提供了更具有挑戰(zhàn)的創(chuàng)新實(shí)踐，如COTS器件應(yīng)用、高功能密度比集成化技術(shù)、多功能小型化技術(shù)等，國(guó)外不斷涌現(xiàn)以IT 公司為背景的新興商業(yè)航天公司，組建對(duì)地遙感衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)，推動(dòng)衛(wèi)星敏捷化、智能化與自主化發(fā)展[2]。

中科院張兵研究員[3]2011年提出一種智能高光譜衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)。武漢大學(xué)李德仁院士[4]2017年提出了“對(duì)地觀測(cè)腦”的概念，設(shè)想在對(duì)地觀測(cè)腦中，遙感、導(dǎo)航衛(wèi)星星座作為對(duì)地觀測(cè)腦的視覺(jué)，通信衛(wèi)星星座作為對(duì)地觀測(cè)腦的聽(tīng)覺(jué)，對(duì)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理分析獲取用戶需求的數(shù)據(jù)信息。

隨著衛(wèi)星遙感結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、5G、云計(jì)算等技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在航天技術(shù)領(lǐng)域不斷應(yīng)用實(shí)踐新技術(shù)，未來(lái)敏捷衛(wèi)星易用性將不斷結(jié)合新技術(shù)創(chuàng)新，將為用戶提供高質(zhì)量定量化實(shí)時(shí)遙感信息服務(wù)[5]。面向敏捷衛(wèi)星發(fā)展需求，衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)需要具備時(shí)間管理、數(shù)傳任務(wù)自主執(zhí)行、系統(tǒng)重構(gòu)功能、自主安全模式、批指令開(kāi)關(guān)機(jī)、靈活支持在軌處理與傳輸業(yè)務(wù)等多項(xiàng)功能。

1.2 功能需求

敏捷小衛(wèi)星數(shù)傳控制單元一般需要支持CAN總線協(xié)議，具備接收?qǐng)?zhí)行整星指令、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)塊、衛(wèi)星星時(shí)、平臺(tái)姿態(tài)和GNSS廣播數(shù)據(jù)；支持分系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備或相關(guān)單元開(kāi)關(guān)機(jī)、工作模式指令；采集分系統(tǒng)遙測(cè)并按要求返回給星務(wù)等功能。同時(shí)，除了執(zhí)行單條指令外，支持?jǐn)?shù)傳自主任務(wù)執(zhí)行，根據(jù)當(dāng)前工作模式、前一任務(wù)結(jié)束狀態(tài)以及后一任務(wù)的狀態(tài)，自主生成相應(yīng)的執(zhí)行指令序列，并按照預(yù)先設(shè)置的指令執(zhí)行時(shí)間及間隔定時(shí)發(fā)送。數(shù)傳控制單元主要需求如表1所列。

表1 數(shù)傳控制單元功能需求Tab.1 Function requirements of control unit for data transmission subsystem

1.3 易用性需求

數(shù)傳分系統(tǒng)一般包含設(shè)備較多，設(shè)備操作和指令類型較多，在軌應(yīng)用模式較多，特別是指令與應(yīng)用模式組合起來(lái)后，產(chǎn)生的控制指令序列會(huì)更多，且指令間有嚴(yán)格的順序和時(shí)間間隔要求，用戶一般情況下對(duì)指令編排難于掌握。同時(shí)，指令中還包含多條帶參數(shù)指令，更增加了系統(tǒng)使用的復(fù)雜性，給數(shù)傳分系統(tǒng)測(cè)試與在軌使用帶來(lái)諸多不便，交互性不夠友好，給用戶使用帶來(lái)了不便，操作控制易用性不足[6-7]。

針對(duì)敏捷衛(wèi)星的運(yùn)控模式要求，兼顧整星任務(wù)靈活、在軌處理等服務(wù)需求，開(kāi)展新型數(shù)傳控制單元研制，面向計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)傳弧段資源、衛(wèi)星能源等制約短板，支持定義面向業(yè)務(wù)的通用“數(shù)傳任務(wù)”，從靜態(tài)任務(wù)規(guī)劃向動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)變，滿足敏捷衛(wèi)星用戶易用性需求，開(kāi)展面向業(yè)務(wù)的通用“數(shù)傳任務(wù)”。需要在不考慮資源約束條件下，得到初始的任務(wù)規(guī)劃隊(duì)列；再根據(jù)地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，根據(jù)衛(wèi)星方提供的“數(shù)字化模型”，動(dòng)態(tài)計(jì)算任務(wù)隊(duì)列對(duì)應(yīng)的可用計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、容量、數(shù)傳弧段長(zhǎng)度、衛(wèi)星能源、天線預(yù)置時(shí)長(zhǎng)、成像姿態(tài)預(yù)置時(shí)長(zhǎng)等，修正約束條件；最終通過(guò)約束條件和任務(wù)隊(duì)列之間的閉環(huán)迭代優(yōu)化，避免傳統(tǒng)運(yùn)控模式過(guò)渡保守的資源約束制約衛(wèi)星使用效能[8]。

2 工程化實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件單元設(shè)計(jì)

針對(duì)產(chǎn)品高功能密度比、高可靠性指標(biāo)、小型化需求[9]，數(shù)傳控制單元主備份功能需要集成在一塊單板實(shí)現(xiàn)，支持冷備份及總線冗余、接口交叉?zhèn)浞菰O(shè)計(jì)，選用高集成硬件模塊單元。設(shè)計(jì)具備CAN總線接口，秒脈沖及時(shí)間接口、與伺服控制器RS422串行接口，其中RS422串行接口支持4路RX、TX接口，滿足兩臺(tái)伺服控制器主備接口[7]。硬件模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件模塊化設(shè)計(jì)框架Fig.1 Hardware modular design architecture

數(shù)傳控制單元實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

1)CAN總線通訊：完成姿控、GNSS、星時(shí)廣播數(shù)據(jù)接收、智能處理遙測(cè)反饋、感興趣區(qū)域位置或者目標(biāo)信息等用戶接口、固存和伺服控制器的上行數(shù)據(jù)塊接收、應(yīng)用軟件上注。

2)直接遙控功能：接收CAN總線命令，通過(guò)數(shù)傳控制單元產(chǎn)生分系統(tǒng)內(nèi)部的OC型遙控指令，通過(guò)數(shù)傳控制單元軟件解析，完成數(shù)傳分系統(tǒng)內(nèi)部單元模塊的遙控和使能控制。

3)RS485通信：接收CAN總線命令，通過(guò)數(shù)傳控制單元產(chǎn)生分系統(tǒng)內(nèi)部的總線型遙控指令，發(fā)送給分系統(tǒng)各個(gè)單元；接收各個(gè)單板內(nèi)部RS485總線返回的各個(gè)單板遙測(cè)，完成分系統(tǒng)內(nèi)部遙測(cè)接收，將分系統(tǒng)內(nèi)部遙測(cè)轉(zhuǎn)換為數(shù)傳控制單元的CAN總線類型遙測(cè)。

4)RS422通信：數(shù)傳控制單元從整星CAN總線獲得數(shù)據(jù)包，從中提取伺服控制器通信數(shù)據(jù)，分別組幀發(fā)送給伺服控制器。數(shù)傳控制單元與伺服控制器采用RS422異步半雙工串行方式通信，波特率為19.2Kbps±1%。支持天線跟蹤完成后，啟動(dòng)關(guān)機(jī)流程，數(shù)傳控制單元通過(guò)向伺服控制器發(fā)送“伺服控制器工作模式指令：停止”，按照約定時(shí)間≥50ms后完成伺服控制器關(guān)機(jī)。

5)秒脈沖及時(shí)間接口：秒脈沖接口采用RS422接口電平，時(shí)間廣播接口采用CAN總線廣播，具備秒脈沖對(duì)時(shí)校時(shí)功能，根據(jù)秒脈沖和內(nèi)部計(jì)時(shí)器形成內(nèi)部時(shí)間(UTC時(shí))，作為數(shù)傳任務(wù)指令執(zhí)行的高精度時(shí)間參考。

6)加密功能：具備可選的密態(tài)、明態(tài)傳輸，支持加密信息傳輸給數(shù)傳分系統(tǒng)調(diào)制適配單元，完成X對(duì)地?cái)?shù)據(jù)的加密?？刂茊卧獙?shí)物如圖2所示。

圖2 數(shù)傳控制單元實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Real photos of control unit for data transmission subsystem

2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)傳控制單元通過(guò)CAN總線與星務(wù)分系統(tǒng)進(jìn)行通信，接收星務(wù)分系統(tǒng)發(fā)送的總線指令、衛(wèi)星廣播數(shù)據(jù)、上注程序等，并向星務(wù)分系統(tǒng)返回分系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)、固存文件列表數(shù)據(jù)包等。通過(guò)RS485總線完成數(shù)傳分系統(tǒng)的遙控遙測(cè)管理，并通過(guò)RS422總線與伺服控制器進(jìn)行通信。數(shù)傳控制單元除可以接收?qǐng)?zhí)行單條指令(數(shù)據(jù)塊)外，面向敏捷衛(wèi)星需求，需要具備數(shù)傳自主任務(wù)執(zhí)行功能；當(dāng)接收到121byte的程控?cái)?shù)據(jù)塊后，根據(jù)相應(yīng)字節(jié)及比特，解析執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)需要的信息，生成相應(yīng)的指令序列后，按照設(shè)置的時(shí)間及間隔定時(shí)發(fā)送指令，最終固化在數(shù)傳控制單元的高可靠抗輻照非易失存儲(chǔ)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)傳易用性。數(shù)傳控制單元僅在收到“進(jìn)入自主安全模式”指令后開(kāi)始計(jì)時(shí)，對(duì)數(shù)傳設(shè)備加電時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，20min后相應(yīng)執(zhí)行數(shù)傳設(shè)備關(guān)機(jī)操作，此時(shí)數(shù)傳控制單元不再響應(yīng)CAN總線指令。軟件模塊化框圖如圖3所示。

圖3 軟件模塊化設(shè)計(jì)框架Fig.3 Software modular design architecture

2.3 結(jié)構(gòu)、力、熱仿真與設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，單板采用VPX行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單元機(jī)械尺寸為6U標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊外形尺寸為250.75mm×146.6mm，重量<1.5kg(含散熱結(jié)構(gòu))。主要由主盒體，前蓋板，后蓋板等組成，如圖4所示。結(jié)構(gòu)考慮滿足工藝性、連接可靠性等方面要求，采用了重量輕、剛度高、精度好的盒體式結(jié)構(gòu)型式[10]。結(jié)構(gòu)緊湊、重量小、質(zhì)心低，達(dá)到輕而剛，且強(qiáng)度滿足要求的目的。

圖4 數(shù)傳控制單元盒體Fig.4 the box with control unit for data transmission subsystem

熱設(shè)計(jì)方面，單板中左右兩部分互為冷備份，總熱耗約為6.4W，采用Flotherm軟件作為分析工具，熱仿真時(shí)只對(duì)主份進(jìn)行仿真計(jì)算。設(shè)備工作在45℃工作溫度下，數(shù)傳控制單元隨單機(jī)設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算時(shí)僅考慮熱傳導(dǎo)和輻射散熱，仿真分析溫度結(jié)果如圖5所示，最高溫度75℃，可以滿足航天器產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)一級(jí)降額要求。

圖5 數(shù)傳控制單元溫度仿真結(jié)果Fig.5 Temperature simulation results of control unit for data transmission subsystem

2.4 可靠性設(shè)計(jì)

針對(duì)高可靠、長(zhǎng)壽命需求，數(shù)傳控制單元需要選用抗輻照宇航元器件，其應(yīng)具備熱設(shè)計(jì)、力學(xué)設(shè)計(jì)、抗輻照、長(zhǎng)壽命等要求。國(guó)產(chǎn)器件嚴(yán)格按照相關(guān)航天器用國(guó)產(chǎn)元器件選用目錄進(jìn)行選擇，進(jìn)口元器件盡量為相關(guān)航天器用進(jìn)口元器件選用目錄內(nèi)器件。產(chǎn)品的原材料、工藝保證執(zhí)行相關(guān)航天產(chǎn)品材料、機(jī)械零件和工藝保證要求。

針對(duì)衛(wèi)星任務(wù)特點(diǎn)，采用充分、合理的硬件冗余設(shè)計(jì)、功能冗余設(shè)計(jì)和軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)，消除系統(tǒng)單點(diǎn)故障；軟件設(shè)計(jì)方面采用模塊化軟件，合理高效的處理流程，開(kāi)展充分的軟件仿真，保證軟件健壯性；同時(shí)采用關(guān)鍵部分三模冗余設(shè)計(jì)，提高抗單粒子能力保證長(zhǎng)壽命可靠工作[10]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

產(chǎn)品完成相關(guān)設(shè)計(jì)后，開(kāi)展了完備的功能覆蓋性測(cè)試和強(qiáng)度測(cè)試：

1)開(kāi)展CAN總線通信測(cè)試，通過(guò)外部CAN總線設(shè)備模擬星務(wù)完成通信，具備接收9、57、121、249byte上行數(shù)據(jù)塊通信，正常接收星務(wù)時(shí)間廣播、GNSS廣播、姿態(tài)廣播、遙測(cè)輪詢、間接指令等。

2)開(kāi)展秒脈沖功能測(cè)試：通過(guò)秒脈沖對(duì)時(shí)功能后，可將數(shù)傳內(nèi)部相關(guān)時(shí)間功能的定時(shí)精度提高到10ms量級(jí)，對(duì)敏捷成像后續(xù)定量化處理提供有力支撐。

3)開(kāi)展RS422總線通信測(cè)試，完成了與伺服控制器1、2的主備份功能測(cè)試，包括天線展開(kāi)、小角度轉(zhuǎn)動(dòng)、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)、與AOCC主備通信等功能性能均正確。

4)開(kāi)展單機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備46條直接指令和76條模擬遙測(cè)直接采集測(cè)試：完成單機(jī)內(nèi)部的路由單元、計(jì)算單元、固存單元、調(diào)制適配單元的開(kāi)關(guān)機(jī)功能測(cè)試，完成分系統(tǒng)內(nèi)部伺服控制器和調(diào)制發(fā)射機(jī)等設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)功能測(cè)試。

5)開(kāi)展單機(jī)內(nèi)部RS485總線測(cè)試：具備與單機(jī)內(nèi)部的路由單元、計(jì)算單元、固存單元、調(diào)制適配單元共12大類135條長(zhǎng)度可變的帶參遙控指令，支持?jǐn)?shù)傳分系統(tǒng)快遙、慢搖、取FAT表、智能處理類共四大類遙測(cè)，支持密鑰上注數(shù)據(jù)塊，支持智能處理上行9byte、12byte數(shù)據(jù)塊，支持應(yīng)用軟件定義功能中上注刷新重構(gòu)數(shù)據(jù)幀、指令幀、返回幀的通信功能，支持智能處理軟件定義功能中上注重構(gòu)操作。

數(shù)傳控制單元全功能隨單機(jī)設(shè)備整機(jī)級(jí)完成了隨機(jī)振動(dòng)、正弦振動(dòng)、沖擊、加速度的力學(xué)試驗(yàn)，熱真空、熱循環(huán)等環(huán)境試驗(yàn)，完成了EMC、磁試驗(yàn)、熱平衡等研制試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明功能工作正常、性能穩(wěn)定、可靠性高，可以滿足單機(jī)、分系統(tǒng)、整星的功能性能要求。

4 結(jié)論

介紹了敏捷衛(wèi)星數(shù)傳控制單元的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用需求，基于“地面任務(wù)規(guī)劃+星上指令模板執(zhí)行”的傳統(tǒng)運(yùn)控體制已不能很好的滿足敏捷衛(wèi)星應(yīng)用需求，需要開(kāi)展面向敏捷衛(wèi)星高集成易用性數(shù)傳控制單元研制，通過(guò)合理的技術(shù)途徑，開(kāi)展了高可靠工程化實(shí)現(xiàn)方案，完成了充分有效的力、熱、強(qiáng)度測(cè)試等試驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：采用該數(shù)傳控制單元的數(shù)傳分系統(tǒng)可以滿足遙感敏捷衛(wèi)星易用性、高可靠和高集成等需求。該數(shù)傳控制單元已在工程任務(wù)中應(yīng)用，大幅提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和傳輸效能，特別在數(shù)傳任務(wù)自主執(zhí)行功能、在軌智能處理任務(wù)支持方面有效提升了衛(wèi)星應(yīng)用的靈活性和自主性，將衛(wèi)星每軌成像任務(wù)提升到優(yōu)于20個(gè)任務(wù)，可為今后的衛(wèi)星高速數(shù)傳技術(shù)應(yīng)用發(fā)展提供有益參考。