一种高性能星载综合电子系统设计

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　　摘  要： 针对传统卫星系统间接口关系复杂、通用能力较弱的问题，文中将传统分系统、单机产品替换为标准模块，从而组成了星载综合电子系统。通过VPX模块化设计，各个模块接口标准化，提高了系统适用性和可扩展性;通过高低速双总线设计，极大地提高了星上数据传输效率;高速总线设计为时间触发以太网（TTE），极大地提高了星上数据传输速率和实时性。实验结果表明，采用文中设计方案的综合电子具有接口简单、通信速度快、可靠性高的特点。该系统已在某卫星综合电子中成功应用，效果良好，对星载综合电子设计具有重要的指导和参考意义。
　　关键词： 星载综合电子系统; 系统设计; 双总线设计; 数据传输; 实时通信; 实验验证
　　中图分类号： TN98?34; TP368.1                  文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）12?0119?03
　　Abstract： In allusion to the complex indirect port relationship and weak general capacity of the traditional satellite system， the traditional subsystem and single machine products are replaced with standard modules to form a satellite?based integrated electronic system. The applicability and extensibility of the system are improved by means of the modular design of VPX and the standardized interface of each module; the transmission efficiency of the satellite?based data is increased vastly by means of the high and low speed dual bus design. In the high speed bus design， the Ethernet is triggered with the time， which can increase the transmission efficiency and the real?time capability of the satellite?based data. The experimental results show that the integrated electronic system in this designed scheme has the characteristics of simple interface， fast communication speed and high reliability. The system has been successfully applied in a satellite integrated electronic system with good effect， which has important guidance and reference significance for the design of satellite integrated electronic system.
　　Keywords： satellite?based integrated electronic system; system design; dual bus design; data transmission; real?time communication; experimental verification
　　0  引  言
　　一般来说，传统航天器多按功能划分为若干分系统，各分系统独立设计，如姿态及推进控制、各种跟踪伺服控制、加热器控制、数据传输控制等，星务计算机仅负责完成遥控、遥测、程控和时间管理等任务，此类航天器设计方案的特点是系统间接口关系复杂、通用能力较弱。
　　综合电子技术是指采用一体化设计，以资源共享和合理分配为手段，将传统意义上各分系统的任务集中处理，旨在提高系统工作效率，减少资源浪费，实现目标系统微小型化的一种技术。它已成为航天器特别是微小型航天器研究领域的重要课题。另外，随着芯片设计与制造工艺的快速发展，单个处理器的能力已经能够满足卫星复杂项任务的需求，这使得采用较高性能的处理器实现综合电子系统成为可能。
　　1  系统架构方案
　　综合电子总线网络是综合电子系统的信息传输中枢，通过数据总线网络，实现分布式的数据采集、数据处理，完成指令输出和控制，从而提高系统处理的效率。
　　本综合电子系统设计了高速、低速两级网络，该网络具有层次分明、系统架构简明的特点。综合电子设备通过高速总线与星内设备连接、空间高速路由、载荷等高速数据传输，通过低速总线实现各分系统遥测量采集处理、总线遥控等数据的传输;综合电子设备内部模块之间同时连接高速和低速总线，以实现综合电子内部、外部各分系统和模块之间的通信，整体结构示意图如图1所示。
　　系统主要设计如下所述：
　　1） 综合电子系统整体基于VPX架构设计，各个功能模块按照模块化思路，设计为标准VPX板卡（6U）。综合电子按照功能划分，主要模块有GNSS模块（可同时接收GPS和北斗导航信号）、测控模块、计算机模块（星务计算机，具备TTE总线）、电源模块和网络交换机模块（TTE交换机）等。作为标准架构设计，VPX机箱内还可根据任务需求增加其他模块化产品。 　　2） 设计专用VPX背板，用于各个模块供电和内部通信互联。VPX板卡与各个功能模块之间通过VPX专用连接器连接。
　　3） VPX机箱内采用统一供电模式。电源模块将星上一次电源转换为二次电源（如+12 V等）后提供各个模块，各个模块内部根据各自需求转换为所需的各种低电压电源。
　　4） 综合电子系统内部高速总线采用时间触发以太网（TTE），低速总线为标准CAN总线（分为内CAN和外CAN）。其中高速总线主要用于传输卫星平台和各类载荷数据率较大的数据，低速总线用于传输各类模块和单机的遥测、指令等数据。
　　5） 为了尽可能将星上设备的接口简化，设计专用智能节点产品，主要用于将星上其他产品接口进行标准化转换，如将同步、异步串行等接口转换为标准的CAN总线（智能节点还可对星上各种模拟信号进行采集和转换），可极大地简化星务计算机的接口种类，同时也有利于星上电缆的布局和简化设计。
　　2  信息流设计
　　一般而言，卫星通过测控模块接收来自地面的各种注入指令数据;同时，通过测控模块向地面发送星上各种遥测数据。
　　星载综合电子以星务计算机为核心和“大脑”进行各类数据、指令的接收和发送，以及内部各个模块之间的信息交换。
　　星载综合电子系统信息流如图2所示。
　　综合电子系统内部各个模块通过内部CAN总线实现数据的传输和分发。其中地面上行数据通过测控模块传输至计算机模块，再由计算机模块处理并通过内CAN总线分发至其他模块和单机;各个单机、模块的遥测数据通过外部/内部CAN总线传输至计算机模块，经计算机模块处理后再发送至测模块下行传输;星上各类单机产生的高速数据通过计算机模块传输至TTE交换机，通过高速路由通道进行下行和传输。
　　TTE交换机模块预留有专用通道（插槽接口），主要以备用于数据量较大的各种星上单机、载荷连接和高速数据传输，可以根据具体任务进行扩展。
　　3  总线设计
　　3.1  高速总线设计
　　随着对飞行数据量以及数据准确性、实时性要求的提高，卫星等飞行器对通信总线的性能要求也越来越高。目前国内在航天器上采用的总线主要是CAN总线和1553B总线，但随着综合电子技术的发展，传统的总线已经不能满足综合电子系统通信的需求，其主要存在以下问题：
　　1） 目前星上存在一级、二级总线等多种总线并存的情况，总线间通信协议不统一且互不兼容，带来系统复杂度增加和资源浪费等问题;
　　2） 随着集成度的增加和总线挂接设备的增多，传统总线1 Mb/s的传输速率很难满足未来大容量通信卫星、遥感卫星和侦察卫星的通信需要;
　　3） 目前星上采用的总线多基于事件触发，而且是基于优先级调度的总线抢占模式，事件触发和优先级抢占虽然增强了总线访问的灵活性，但同时存在着信息传递延迟的不确定性问题。
　　相对而言，TTE网络总线具有高的通信速率（可达1 Gb/s）、严格的实时性（可达10 ns）等优点，可满足卫星在轨高速率、高可靠、高实时性的通信需求。
　　TTE（Time Trigger Ethernet）是在标准以太网基础上开发的一种基于时间触发协议的通信网络，同时具有标准以太网和时间触发通信网络的优点，因此特別适合应用于航空航天领域（通信实时性要求高）。由于该总线技术基于时间触发技术，兼容了时间触发协议和以太网技术的优势，能够在同一个网络平台上兼容以太网数据流、AFDX数据流和时间触发数据流。
　　目前，TTE网络总线在美国龙飞船、战机上等已经成功应用。随着TTE芯片化的成功和应用，TTE总线的应用和推广会越来越广泛。
　　星载综合电子系统高速总线选用TTE总线，网络通信速率达到1 Gb/s。根据TTE总线架构设计，内部设计TTE交换机模块和TTE端节点模块，其中交换机模块作为整个TTE网络的路由和交换，端节点模块作为标准接口与星务计算机模块通信。
　　由于目前国内TTE芯片尚未推广应用，因此本综合电子系统中TTE协议主要通过FPGA实现，由此如果将TTE接口与计算机融合，则系统设计较为冗余。为了简化系统，将TTE端节点分离单独设计标准插卡结构，其与计算机模块之间通过标准高速总线连接（高速总线数据传输速率与TTE速率相当，如PCI总线等）。本综合电子方案中计算机与TTE端节点之间采用32 bit PCI总线（33 MHz，1 Gb）。
　　后续待国内TTE芯片推广应用时可将TTE端节点与计算机模块设计合并，以降低系统资源需求。
　　为了实现高的通信实时性，TTE网络同步精度设计为不高于1 μs。
　　3.2  低速总线设计
　　综合电子系统低速总线主要用于各种模块和单机之间指令、遥测等数据的传输，目前可选总线主要有RS 422，CAN，1553B等，其中CAN总线具有可靠性高、开发成本低等优势。
　　CAN 总线广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。由于具有较高的通信性能和可靠性，同时相对具有开发成本较低的特点，CAN总线也被应用于航天系统。
　　针对综合电子任务特点，选用CAN总线作为综合电子系统低速总线。同时，为了便于任务调度和协调，简化系统设计和软硬件接口，设计内CAN总线和外CAN总线。内CAN总线用于连接综合电子系统内部各个模块，其中计算机模块作为CAN总线主节点，进行模块之间的指令和遥测等数据的传输;外部CAN总线用于综合电子系统与星上其他设备之间的通信，星务计算机也作为主节点，进行综合电子和星上其他设备（如热控单机、姿轨控单机等）之间的指令和数据通信。
　　内、外CAN总线设计可极大地简化星务计算机接口和软件设计，提升系统的集成度和可扩展性（可随着卫星任务的不同而进行内部模块和外部单机产品的删减）。内、外CAN总线通信速率均设置为1 Mb/s。 　　4  测试及验证结果
　　综合电子系统网络总线实测结果见表1。可以看出，高速网络总线TTE实测指标完全满足设计要求。
　　5  结  语
　　本文设计的高性能综合电子系统，通过采用标准VPX架构设计，极大地提高了综合电子系统的适用性和可扩展性。可根据卫星任务的不同，在不改变系统架构设计的基础上对内部模块进行删减;通过高低速双总线设计，可有效提高数据传输效率和实时性;通过采用高速TTE网络总线，可实现大容量数据的高速（通信速率1 Gb/s）、实时传输（实时性优于1 μs）;通过内外CAN总线设计，极大地简化了星务计算机的接口和软件设计，提升了系统的可重用性和可维护性。
　　后续待国内TTE芯片推广应用，本星载综合电子系统将进一步简化设计和性能提升。
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