陶濤 汪路元 于敏芳 楊小瑞 程博文 劉偉偉 竇鈉 幺飛

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

一種衛(wèi)星通用遙控指令譯碼器設(shè)計(jì)

陶濤 汪路元 于敏芳 楊小瑞 程博文 劉偉偉 竇鈉 幺飛

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

針對(duì)衛(wèi)星傳統(tǒng)遙控指令譯碼器已經(jīng)無(wú)法滿足通用性、適應(yīng)性、好用易用及批量生產(chǎn)的要求，提出了一種新型遙控指令譯碼器設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)遙控指令譯碼器相比，新型遙控指令譯碼器能夠同時(shí)適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(PCM)遙控體制和空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)分包遙控體制的兩種標(biāo)準(zhǔn)；并且配置了兩種輸入接口，既能直接接收地面發(fā)送的直接指令幀進(jìn)行譯碼輸出，又能接收星載計(jì)算機(jī)發(fā)出的間接指令幀進(jìn)行譯碼輸出。新型遙控指令譯碼器配置的與星載計(jì)算機(jī)的接口以及具備的自主健康管理功能，非常適用于有智能化自主運(yùn)行管理需求的衛(wèi)星。該譯碼器通用性和適應(yīng)性強(qiáng)，非常適用于高集成度的抗輻照專用集成電路(ASIC)器件研制，以及高可靠性和長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。新型遙控指令譯碼器設(shè)計(jì)已在新遙感平臺(tái)及相應(yīng)的衛(wèi)星研制中得到驗(yàn)證。與傳統(tǒng)遙控指令譯碼器相比，新型遙控指令譯碼器的功能、性能均得到顯著提高。

衛(wèi)星遙控指令譯碼器；通用設(shè)計(jì)；雙遙控體制；輸入接口；自主健康管理

1 引言

航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)航天產(chǎn)品在長(zhǎng)壽命、高可靠要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了通用性、適應(yīng)性、好用易用及批量生產(chǎn)的新要求。近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，為衛(wèi)星自主運(yùn)行管理的智能化設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，并發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用[1-2]。衛(wèi)星的自主運(yùn)行管理主要是星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)星上測(cè)量信息及設(shè)計(jì)規(guī)定的算法規(guī)則進(jìn)行自主決策[3-4]，對(duì)衛(wèi)星設(shè)備或部件進(jìn)行操作控制，維護(hù)自身健康管理或執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)功能。綜合電子技術(shù)的發(fā)展，為自主運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)衛(wèi)星任務(wù)處理及自主健康管理提供了可能性。

衛(wèi)星指令包括直接指令、間接指令和數(shù)據(jù)指令，一般意義下的直接指令和間接指令的譯碼輸出均為單個(gè)脈沖信號(hào)，而數(shù)據(jù)指令一般是需要星載計(jì)算機(jī)軟件處理和解析的功能指令。直接指令是由星載遙控設(shè)備不經(jīng)過(guò)任何軟件處理而直接從上行遙控通道接收、識(shí)別和譯碼輸出的高優(yōu)先權(quán)指令；間接指令是星載計(jì)算機(jī)發(fā)出并由間接指令譯碼器識(shí)別、譯碼和輸出的指令。傳統(tǒng)的星載譯碼器分為直接指令譯碼器與間接指令譯碼器，兩種譯碼器互不兼容、不能通用，因其輸入接口不同，指令碼格式也不同，導(dǎo)致不同衛(wèi)星的遙控指令譯碼器的狀態(tài)各異，不利于技術(shù)狀態(tài)的統(tǒng)一。因此，有必要設(shè)計(jì)新型的譯碼器，既能直接接收地面發(fā)送的直接指令幀進(jìn)行譯碼輸出，又能接收星載計(jì)算機(jī)發(fā)出的間接指令幀進(jìn)行譯碼輸出。另外，現(xiàn)在運(yùn)行的大多數(shù)衛(wèi)星采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)遙控體制，而隨著星載設(shè)備智能化程度的提高，越來(lái)越多的衛(wèi)星開始使用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)協(xié)議的分包遙控體制。為了實(shí)現(xiàn)指令譯碼器通用性、適應(yīng)性及批量生產(chǎn)的要求，遙控指令譯碼器應(yīng)滿足雙遙控體制的需求。

針對(duì)新形式下的新要求，本文闡述了一種新型遙控指令譯碼器的實(shí)現(xiàn)方案，它能同時(shí)適應(yīng)PCM遙控體制和CCSDS協(xié)議的分包遙控體制的兩種標(biāo)準(zhǔn)；配置了兩種輸入接口，既能適應(yīng)直接指令幀的譯碼輸出，又能適應(yīng)間接指令幀的譯碼輸出。其中，所配置的與星載計(jì)算機(jī)的接口，以及具有的自主健康管理功能，非常適宜于有智能化自主運(yùn)行管理需求的衛(wèi)星使用，以利于衛(wèi)星的好用易用設(shè)計(jì)。該譯碼器的通用性和適應(yīng)性強(qiáng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高集成度抗輻照專用集成電路(ASIC)器件的研制，并在遙感公用平臺(tái)及幾顆不同衛(wèi)星的應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

2 衛(wèi)星自主運(yùn)行模式對(duì)遙控指令譯碼器的新需求

(1)對(duì)雙遙控體制的適應(yīng)性[5]。目前，多數(shù)在軌以及部分在研衛(wèi)星采用PCM遙控體制，而越來(lái)越多的新研衛(wèi)星開始采用CCSDS分包遙控體制。體制不同，指令的格式及其處理方式不同。為了能夠適應(yīng)當(dāng)前在研衛(wèi)星，通用的譯碼器應(yīng)能同時(shí)適應(yīng)上述雙遙控體制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)實(shí)現(xiàn)雙指令源接收指令。衛(wèi)星自主運(yùn)行模式下，譯碼器需要設(shè)計(jì)兩個(gè)指令源接收通道，保證既能接收地面上注的指令，又能接收星載計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令。

(3)開關(guān)指令按時(shí)序規(guī)則執(zhí)行。衛(wèi)星自主運(yùn)行模式下，對(duì)于地面上注開關(guān)指令和星載計(jì)算機(jī)自主發(fā)送的開關(guān)指令，到達(dá)譯碼器的時(shí)間是隨機(jī)的，或先后或同步到達(dá)。這就要求這兩個(gè)通道的指令能夠按照次序及優(yōu)先權(quán)規(guī)則順序執(zhí)行，不能出現(xiàn)漏指令。

(4)生成指令執(zhí)行的狀態(tài)報(bào)告。在衛(wèi)星自主運(yùn)行模式下，遙控指令譯碼器在執(zhí)行指令后，要反映將指令執(zhí)行的過(guò)程、結(jié)果以及譯碼器自身的健康狀態(tài)的遙測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)狀態(tài)檢測(cè)接口主動(dòng)發(fā)送給星載計(jì)算機(jī)。

3 遙控指令譯碼器的設(shè)計(jì)

如前文所述，衛(wèi)星自主運(yùn)行模式對(duì)遙控指令譯碼器的需求包括：適應(yīng)雙遙控體制、雙指令源指令應(yīng)能按序執(zhí)行、應(yīng)提供表征自身健康狀態(tài)的狀態(tài)報(bào)告等。針對(duì)這些需求，遙控指令譯碼器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)。

(1)設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的指令通道，分別接收地面上注和CPU發(fā)送的指令。兩個(gè)通道均不能出現(xiàn)漏指令的情況。

(2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)支持PCM遙控體制和CCSDS分包遙控體制。

(3)采用模塊化設(shè)計(jì)，由一個(gè)或數(shù)個(gè)模塊組成；在工作過(guò)程中應(yīng)能生成遙控指令譯碼器自身狀態(tài)報(bào)告。

(4)考慮到遙控指令譯碼器在衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)中應(yīng)用的通用性，應(yīng)保證其既能適用于系統(tǒng)管理單元使用，又能適用于數(shù)據(jù)接口單元(DIU)使用。

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本文設(shè)計(jì)的遙控指令譯碼器內(nèi)部電路共包括接口及通道選擇電路、指令接收及處理電路、芯片狀態(tài)報(bào)告產(chǎn)生電路以及合路電路。下面從遙控指令譯碼器的工作環(huán)境和接口關(guān)系、譯碼器在系統(tǒng)管理單元和數(shù)據(jù)接口單元中的應(yīng)用、雙遙控體制的處理、雙指令源的時(shí)序處理以及狀態(tài)報(bào)告的設(shè)計(jì)來(lái)闡述遙控指令譯碼器的設(shè)計(jì)。

3.1遙控指令譯碼器工作環(huán)境和接口關(guān)系

遙控指令譯碼器的工作環(huán)境如圖1所示。地面上注指令經(jīng)過(guò)應(yīng)答機(jī)后進(jìn)入系統(tǒng)管理單元(SMU)。系統(tǒng)管理單元的信道關(guān)口模塊對(duì)應(yīng)答機(jī)的信號(hào)進(jìn)行通道識(shí)別、信道解碼和選擇，經(jīng)過(guò)選擇的信號(hào)送至指令模塊后進(jìn)入譯碼器。進(jìn)入譯碼器的直接指令由譯碼器直接執(zhí)行；進(jìn)入譯碼器的注入數(shù)據(jù)幀由譯碼器轉(zhuǎn)發(fā)。譯碼器將需要轉(zhuǎn)發(fā)的注入數(shù)據(jù)幀與自身產(chǎn)生的狀態(tài)報(bào)告進(jìn)行合路后順序處理，經(jīng)過(guò)CPU接口容錯(cuò)模塊后送至CPU模塊。對(duì)于間接指令，由CPU發(fā)出，經(jīng)CPU接口容錯(cuò)模塊后送至指令模塊的譯碼器。

圖1 遙控指令譯碼器工作環(huán)境Fig.1 Working environment of telecommand decoder

3.2遙控指令譯碼器在系統(tǒng)管理單元中的應(yīng)用

系統(tǒng)管理單元中遙控指令譯碼器的電原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)管理單元譯碼器電原理框圖Fig.2 Electric diagram of SMU telecommand decoder

遙控指令譯碼器的輸入有兩個(gè)源：一個(gè)是地面上注的遙控傳送幀，一個(gè)是CPU發(fā)送的幀。地面上注指令格式采用PCM遙控體制或CCSDS分包遙控體制，CPU發(fā)送的指令格式采用PCM遙控體制。地面上注數(shù)據(jù)由應(yīng)答機(jī)接收后輸出至系統(tǒng)管理單元；系統(tǒng)管理單元的信道關(guān)口模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步和信道解碼處理，然后以明文標(biāo)準(zhǔn)遙控幀的格式輸出至遙控指令譯碼器，其中明文遙控幀可以包括直接指令和注入數(shù)據(jù)兩種遙控幀。對(duì)于地面上注的直接指令幀，遙控指令譯碼器接收后直接執(zhí)行，其中直接指令譯碼部分繼承了傳統(tǒng)遙控高可靠設(shè)計(jì)方案。對(duì)于地面上注的注入數(shù)據(jù)幀，遙控指令譯碼器將其與自身產(chǎn)生的狀態(tài)報(bào)告合路后發(fā)送給CPU。對(duì)于CPU發(fā)送的間接指令，遙控指令譯碼器直接進(jìn)行譯碼輸出，譯碼正確后輸出指令脈沖給指令用戶。

3.3遙控指令譯碼器在數(shù)據(jù)接口單元中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)接口單元中遙控指令譯碼器的電原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接口單元譯碼器電原理框圖Fig.3 Electric diagram of DIU telecommand decoder

間接指令在系統(tǒng)管理單元與數(shù)據(jù)接口單元之間，以及數(shù)據(jù)接口單元內(nèi)部的CPU與遙控指令譯碼器之間傳送，傳送格式均采用PCM遙控體制。間接指令首先由系統(tǒng)管理單元通過(guò)1553B總線發(fā)送到數(shù)據(jù)接口單元的CPU模塊，再由CPU模塊發(fā)送到遙控指令譯碼器。間接指令的處理方式與在系統(tǒng)管理單元中的處理方式相同。

3.4雙遙控體制開關(guān)指令碼的處理

目前在軌及在研衛(wèi)星使用遙控體制主要有PCM遙控體制[6]和CCSDS分包遙控體制[7-8]兩種。無(wú)論哪種體制，本文設(shè)計(jì)的遙控指令譯碼器為保持兩種體制的兼容性，對(duì)于類型為開關(guān)指令的傳送幀，其數(shù)據(jù)域中的指令碼長(zhǎng)度統(tǒng)一規(guī)定為PCM遙控格式中的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，即72 bit。

1)PCM遙控體制

PCM遙控體制的傳送幀格式見圖4。PCM遙控體制分為地址同步字(16 bit)、方式字(8 bit)和數(shù)據(jù)域。其中：方式字用于區(qū)分遙控幀的類型，數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度與方式字相關(guān)聯(lián)，當(dāng)方式字標(biāo)識(shí)為直接指令時(shí)，數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度為72 bit。以系統(tǒng)管理單元為例，處理順序?yàn)椋孩俚孛嫔献⒌臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)應(yīng)答機(jī)接收后進(jìn)入系統(tǒng)管理單元。②系統(tǒng)管理單元內(nèi)的信道關(guān)口模塊完成數(shù)據(jù)解擾，以及密文數(shù)據(jù)的解密，然后將明文數(shù)據(jù)傳送至譯碼器。③遙控指令譯碼器對(duì)接收的遙控幀進(jìn)行識(shí)別，對(duì)識(shí)別為PCM遙控體制的傳送幀，則搜索指令幀的地址同步字(16 bit)和方式字(8 bit)，并通過(guò)方式字來(lái)區(qū)分指令幀類型。如果幀類型為直接指令，則提取72 bit指令碼送至指令譯碼電路，并根據(jù)指令碼的編碼規(guī)則進(jìn)行譯碼，譯碼正確后輸出對(duì)應(yīng)通道的指令脈沖給指令用戶；如果是幀類型為注入數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至CPU模塊，由CPU處理。

圖4 PCM遙控體制傳送幀格式Fig.4 Format of PCM telecommand system

2)CCSDS 分包遙控體制

CCSDS分包遙控體制的傳送幀格式見圖5。開關(guān)指令封裝在相應(yīng)遙控傳送幀的數(shù)據(jù)域內(nèi)。以系統(tǒng)管理單元為例，遙控傳送幀處理順序?yàn)椋孩俚孛嫔献⒌臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)應(yīng)答機(jī)接收后進(jìn)入系統(tǒng)管理單元。②系統(tǒng)管理單元的信道關(guān)口模塊完成信道解碼、解擾以及密文數(shù)據(jù)的解密，然后送至遙控指令譯碼器。③遙控指令譯碼器對(duì)遙控傳送幀的主導(dǎo)頭進(jìn)行解析，通過(guò)虛擬信道標(biāo)識(shí)來(lái)區(qū)分遙控傳送幀類型。如果幀類型是直接指令幀，則從相應(yīng)遙控傳送幀的數(shù)據(jù)域中提取72 bit的指令碼送譯碼電路進(jìn)行譯碼，譯碼正確后輸出對(duì)應(yīng)通道的指令脈沖給指令用戶[9-10]；如果幀類型是注入數(shù)據(jù)幀，則將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至CPU模塊，由CPU處理。

圖5 CCSDS分包遙控體制傳送幀格式Fig.5 Format of CCSDS packet telecommand system

3.5雙指令源的時(shí)序處理

考慮到衛(wèi)星在自主運(yùn)行模式下的開關(guān)指令來(lái)源有兩個(gè)，且兩個(gè)源是獨(dú)立的，所以遙控指令譯碼器應(yīng)設(shè)計(jì)兩個(gè)指令入口。為了保證兩個(gè)通道指令到達(dá)時(shí)能夠執(zhí)行，不出現(xiàn)漏指令的情況，考慮到最苛刻的情況(兩個(gè)通道的指令同時(shí)到達(dá))，遙控指令譯碼器要分別對(duì)兩個(gè)通道的指令進(jìn)行接收和處理。如果遙控指令譯碼器只有一個(gè)通道的指令接收完畢，則將這個(gè)通道的指令發(fā)送到指令譯碼電路進(jìn)行處理；如果兩個(gè)通道的指令均接收完畢，就要根據(jù)優(yōu)先級(jí)的設(shè)定進(jìn)行仲裁判決。本文設(shè)計(jì)中，設(shè)定地面上注指令優(yōu)先處理，待地面上注指令處理完畢后，再處理CPU的指令。處理電路工作流程見圖6。遙控指令譯碼器的兩個(gè)指令接收電路處理方式相似，以地面上注的指令通道為例，指令接收電路搜索指令的同步頭，緩存中收到完整指令后，判決電路判決結(jié)果為可以輸出時(shí)，將指令轉(zhuǎn)移至發(fā)送區(qū)，待譯碼電路空閑時(shí)，將指令發(fā)送到譯碼電路。

經(jīng)過(guò)仲裁判決之后，將通道優(yōu)先級(jí)高的指令送到指令譯碼電路。指令譯碼電路接收指令包括指令碼和脈沖寬度設(shè)置指令碼。對(duì)于指令碼，譯碼電路根據(jù)規(guī)定的編碼規(guī)則進(jìn)行指令合法性驗(yàn)證。如果驗(yàn)證結(jié)果正確，則將結(jié)果送至指令脈沖輸出電路；如果編碼規(guī)則不正確，則結(jié)束此條指令的處理工作，回到空閑(IDLE)狀態(tài)。對(duì)于脈沖寬度設(shè)置指令碼，譯碼電路從中提取出脈沖寬度的信息，并將此信息送至指令脈沖輸出電路。指令脈沖輸出電路根據(jù)長(zhǎng)度信息，在指令碼譯碼結(jié)果正確的情況下輸出設(shè)定長(zhǎng)度的指令脈沖，輸出完成后，回到IDLE狀態(tài)。處理電路工作流程見圖7。

圖6 接收緩存處理流程Fig.6 Flow of receiving buffer

圖7 指令處理流程Fig.7 Flow of command processing

3.6遙控指令譯碼器狀態(tài)報(bào)告設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星自主運(yùn)行模式下，當(dāng)指令發(fā)送完成后，CPU要通過(guò)遙控指令譯碼器芯片的狀態(tài)來(lái)判斷指令的執(zhí)行情況。如果發(fā)送成功，則可以進(jìn)行下一步工作；如果指令發(fā)送失敗，則考慮重新發(fā)送該條指令。因此，遙控指令譯碼器自身的狀態(tài)報(bào)告要及時(shí)回傳給CPU，供CPU及時(shí)判斷。本文設(shè)計(jì)中，當(dāng)指令譯碼結(jié)束后，遙控指令譯碼器主動(dòng)產(chǎn)生本次指令處理的狀態(tài)報(bào)告，內(nèi)容包括指令源、譯碼結(jié)果及指令計(jì)數(shù)等。狀態(tài)報(bào)告格式按照?qǐng)D5中遙控傳送幀的格式，芯片的狀態(tài)報(bào)告放在遙控傳輸幀的數(shù)據(jù)域中。狀態(tài)報(bào)告幀與地面上注的注入數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)合路后，通過(guò)遙控指令譯碼器與CPU的接口送至CPU，由CPU進(jìn)行解幀處理。

4 遙控指令譯碼器的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

目前，遙控指令譯碼器已經(jīng)完成原型設(shè)計(jì)以及ASIC流片，以及ASIC的各項(xiàng)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)[11]。該款A(yù)SIC產(chǎn)品在單板、單機(jī)測(cè)試、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)以及整星測(cè)試的過(guò)程中，工作穩(wěn)定，功能、性能滿足使用要求?；谠摽預(yù)SIC的遙控指令譯碼器模塊以及系統(tǒng)管理單元單機(jī)，已在多顆衛(wèi)星的綜合電子分系統(tǒng)單機(jī)中得到應(yīng)用。如表1所示，與傳統(tǒng)單遙控體制譯碼器相比，本文設(shè)計(jì)的遙控指令譯碼器可以適應(yīng)兩種不同的遙控體制，同時(shí)處理直接指令和間接指令，傳送速率顯著提高，能夠更好地適應(yīng)不同衛(wèi)星的需求。

表1 兩種遙控指令譯碼器設(shè)計(jì)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)衛(wèi)星自主運(yùn)行時(shí)應(yīng)用的需求和特點(diǎn)，完成了一種通用遙控指令譯碼器的方案設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)適用于直接指令和間接指令的處理，有效解決了衛(wèi)星自主運(yùn)行時(shí)雙指令源指令同時(shí)發(fā)送，以及遙控指令譯碼器自主健康診斷等問(wèn)題，具有通用性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，可滿足目前在研衛(wèi)星對(duì)遙控指令譯碼器的需求，為未來(lái)高可靠、高通用遙控指令譯碼器的設(shè)計(jì)提供參考。

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Design of Universal Telecommand Decoder for Satellite

TAO Tao WANG Luyuan YU Minfang YANG Xiaorui CHENG Bowen LIU Weiwei DOU Na YAO Fei

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

The traditional satellite telecommand decoder has been unable to meet the requirements of versatility, adaptability, easy use and mass production. In this paper, a new telecommand decoder design is proposed. Compared with the traditional telecommand decoder, the new telecommand decoder can adapt to PCM telecommand system and CCSDS layered telecommand system； it provides two input interfaces to receive the direct command frame sent by the ground directly to decode and output, and also recevive the indirect command frame sent by the on-board computer to decode and output. The configuration of the interface with the computer and the function of self health diagnosis are very suitable for the use of satellites with intelligent operation and management requirements. The decoder is so versatile and adaptable that it is very suitable for the development of highly integrated antiradiation ASIC devices and mass production of reliability and long life products. The design is verified by the satellite of new remote sensing paltform and corresponding model satellites. Compared with the traditional telecommand decoder, the function and perfor-mance of the new telecommand decoder have been greatly improved.

satellite telecommand decoder； universal design； two telecommand systems； input interface； self health diagnosis

TN492

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.014

2017-06-05；

2017-07-24

國(guó)家重大航天工程

陶濤，男，碩士，研究方向?yàn)樾禽d綜合電子系統(tǒng)、遙控?cái)?shù)據(jù)處理。Email：ttjolly@126.com。

(編輯：夏光)