賈衛(wèi)松, 曾連連, 李露銘, 燕洪成, 龐 波, 陳美杉, 郭 瑩

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引言

北斗三號衛(wèi)星的全球組網(wǎng)部署，標(biāo)志著導(dǎo)航領(lǐng)域航天器系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化與智能化的時代。北斗衛(wèi)星與地面運控系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)、星間鏈路運行管理系統(tǒng)常態(tài)化交互支持，為全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的服務(wù)，推動衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)實現(xiàn)從數(shù)據(jù)處理向信息處理中心轉(zhuǎn)變，任務(wù)模式從單個航天器執(zhí)行規(guī)定任務(wù)為主向多個航天器協(xié)同執(zhí)行規(guī)定任務(wù)和自主任務(wù)相結(jié)合轉(zhuǎn)變[1]。

伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星的電子信息系統(tǒng)是單個航天器任務(wù)的典型解決方案[2]——薩瑞公司研制的GIOVE平臺將導(dǎo)航信號處理、激光通信作為基線有效載荷與綜合電子組件分離，僅保留CAN總線低速連接。北斗三號任務(wù)則要求綜合電子高度融合載荷與平臺業(yè)務(wù)信息，基于星間與星地鏈路統(tǒng)一規(guī)劃星座級信息流，支持短報文、運控、遙測與遙控等多類型復(fù)雜特征數(shù)據(jù)在空間段、運控段、用戶段的多種通信實體間共享，為自主導(dǎo)航、衛(wèi)星自主健康管理、天線指向等多任務(wù)協(xié)作提供完善透明的信息服務(wù)。

與傳統(tǒng)單星研制的電子信息系統(tǒng)相比，為實現(xiàn)融合地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)、傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)、中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)3種軌道類型的復(fù)雜星座，北斗衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)還要通過體系結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一個可擴展并支持項目全生命周期改進(jìn)與升級的解決方法，實現(xiàn)短報文、相機等載荷的靈活配置，以及系統(tǒng)資源的靈活擴展，從而提高北斗分組分批設(shè)計開發(fā)、集成測試與在軌升級效率。

此外，作為大型航天器的復(fù)雜任務(wù)電子系統(tǒng)，北斗三號衛(wèi)星的可靠性、健壯性及可維護能力要求更加嚴(yán)格，保證全星座在維持星間鏈路的條件下長期穩(wěn)定自主運行，為用戶提供不間斷的服務(wù)。

本文針對北斗三號衛(wèi)星以上任務(wù)特點，開展綜合電子系統(tǒng)的體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究，分析通信協(xié)議體系與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實現(xiàn)星座級端到端信息協(xié)同；分析軟硬件模塊化設(shè)計方法以支持資源擴展，研究故障檢測與恢復(fù)、功能與信道容錯、可靠重構(gòu)與維護、自主健康管理等技術(shù)以實現(xiàn)安全可靠自主運行。通過北斗三號衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的技術(shù)研究與在軌運行實踐，為未來大型宇航探索任務(wù)的星座級電子信息系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 綜合電子體系架構(gòu)設(shè)計

在實現(xiàn)姿態(tài)與軌道控制、能源管理、配電和火工品管理、熱控等基礎(chǔ)功能的自主性升級外，北斗三號衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)加強與載荷、測控信道的配合，對衛(wèi)星任務(wù)統(tǒng)一調(diào)度并綜合處理信息，支持星間鏈路管理、自主運行管理、有效載荷管理并提供網(wǎng)絡(luò)化遙控與遙測服務(wù)。面對網(wǎng)絡(luò)化、擴展性、高可靠的目標(biāo)，傳統(tǒng)衛(wèi)星的集中式系統(tǒng)架構(gòu)已難以滿足多節(jié)點信息交互融合及復(fù)雜任務(wù)處理等多方面要求。

若在集中式架構(gòu)基礎(chǔ)上升級，仍然以中心計算機為中心，如圖1所示。在星型拓?fù)涞慕K端增加星間鏈路設(shè)備，雖然架構(gòu)簡單僅能解決星間路由問題，航天器內(nèi)部的信息流與星間轉(zhuǎn)發(fā)信息流處于邏輯分離狀態(tài)，中心計算機承擔(dān)集中的流量負(fù)荷與風(fēng)險[3]。因此北斗三號衛(wèi)星采用分級分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，建立星座內(nèi)信息統(tǒng)一處理和共享的一體化電子系統(tǒng),如圖2所示。這種體系結(jié)構(gòu)的特點是采用網(wǎng)狀與星型結(jié)合的復(fù)合拓?fù)浞绞?，以信息路由單元作為衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)化信息中心，測控、運控及星間的通信設(shè)備共同接入信息路由單元，衛(wèi)星管理單元實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制、平臺自主管理等智能控制功能。衛(wèi)星管理單元、信息路由單元、接口服務(wù)單元利用總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)合分布式拓?fù)?，基于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)制定的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實現(xiàn)星地-星間-星內(nèi)信息通信網(wǎng)絡(luò)化。

圖1 配置星間路由的集中式綜合電子架構(gòu)Fig.1 Centralized avionics system architecture with inter-satellite routing

圖2 基于復(fù)合拓?fù)涞姆植际骄C合電子架構(gòu)Fig.2 Distributed avionics system architecture based on compound topology

2 通信網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計

2.1 通信協(xié)議體系

不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星的平臺與載荷分別建立定制化星地測控通信與數(shù)傳通信，網(wǎng)絡(luò)化的綜合電子系統(tǒng)在衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)備之間的總線鏈路、衛(wèi)星之間的通信鏈路、衛(wèi)星與地面之間的測控鏈路及運控鏈路之上構(gòu)建各種類型業(yè)務(wù)信息的統(tǒng)一交互。必須采用開放式架構(gòu)，將衛(wèi)星設(shè)備與地面設(shè)施均作為網(wǎng)絡(luò)的終端接入。因此，北斗三號衛(wèi)星以空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)制定的航天器接口業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)為核心，參照地面網(wǎng)絡(luò)開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(OSI)建立分層空間通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 北斗三號綜合電子通信協(xié)議體系Fig.3 Communication protocol stack of Beidou-3 satellite avionics system

在物理層利用不同通信體制建立星間鏈路、測控鏈路、運控鏈路及器載鏈路，實現(xiàn)不同速率的點到點數(shù)據(jù)幀傳輸；在鏈路層基于高級在軌系統(tǒng)AOS協(xié)議[4]、15553總線協(xié)議、串行協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)化匯聚服務(wù)接口，基于虛擬信道完成流量控制、優(yōu)先級與差錯控制；在網(wǎng)絡(luò)層整合空間包協(xié)議[5]及互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議[6]，以隧道協(xié)議兼容異構(gòu)信道，形成星座統(tǒng)一的空間通信與接入規(guī)范，及統(tǒng)一的星內(nèi)網(wǎng)絡(luò)對象尋址命名機制，為平臺及有效載荷的應(yīng)用過程提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)尋址路由服務(wù)，在北斗星載設(shè)備與地面運行管理系統(tǒng)之間形成天地一體端到端透明信息交換；在應(yīng)用層的智能應(yīng)用訪問下層服務(wù)接口，實現(xiàn)北斗星座全方位的狀態(tài)感知與信息融合處理。

2.2 通信拓?fù)渑c接口

北斗三號衛(wèi)星以信息路由與處理單元為中樞構(gòu)建空間子網(wǎng)， 如圖4所示。信息路由單元通過LVDS、RS422、TLK2711等標(biāo)準(zhǔn)信道接口，支持不同數(shù)量和碼速率的星地星間鏈路終端設(shè)備連接，速率從kbps到Gbps。

信息路由單元利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議ASIC與FPGA與各終端通信，搭建星間接口處理、測控上下行處理、運控接口處理模塊，以輕小型化為原則支持多信源信息的實時處理、多速率合路、分布式分發(fā)機制。遙控、遙測及運控業(yè)務(wù)信息可以通過多路徑接入衛(wèi)星，自動尋址路由至處理中心。當(dāng)微振動參數(shù)采集設(shè)備等載荷與信息路由單元直接連接，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)化標(biāo)準(zhǔn)接口直接路由至高速通道下傳地面。

圖4 北斗三號衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)空間子網(wǎng)與器載子網(wǎng)Fig.4 Beidou-3 satellite avionics system space subnet and intra-satellite subnet

以衛(wèi)星管理單元為中心構(gòu)建器載子網(wǎng)，通過RS422與1553等標(biāo)準(zhǔn)星內(nèi)總線接口，適應(yīng)衛(wèi)星不同種類設(shè)備靈活接入。接口業(yè)務(wù)單元配置模擬量、數(shù)字量和串行總線等輸入輸出接口，與其他載荷設(shè)備一起分布式收集衛(wèi)星狀態(tài)并執(zhí)行指令，預(yù)處理定長與不定長的格式化數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議完成與衛(wèi)星管理單元的交互。

信息路由單元與衛(wèi)星管理單元之間采用兩種不同類型的星內(nèi)總線接口連接，可靠溝通空間子網(wǎng)與星內(nèi)子網(wǎng)。通過不同路徑抵達(dá)目標(biāo)衛(wèi)星的遙控指令自空間子網(wǎng)路由至星內(nèi)子網(wǎng)后，分發(fā)至終端執(zhí)行，終端執(zhí)行效果由星內(nèi)子網(wǎng)終端收集后匯總至衛(wèi)星管理單元，在路由至信息路由單元為核心的空間子網(wǎng)后通過測控鏈路或星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至地面系統(tǒng)，實現(xiàn)星座全面管控。

3 功能擴展性設(shè)計

3.1 硬件模塊化

功能擴展在設(shè)備層級的實施途徑為采用機電熱接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，利用模塊化部件，簡化設(shè)備之間的連接，提高系統(tǒng)的功能與性能擴展能力[7]。將綜合電子的功能規(guī)劃為通用CPU模塊，星間鏈路處理模塊，火工品管理模塊、指令模塊、總線通信模塊、遙測模塊、加熱器管理模塊及配電等標(biāo)準(zhǔn)模塊，利用標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)總線與協(xié)議形成模塊化框架，針對不同軌道的衛(wèi)星在單機配置不同數(shù)量的板級模塊，在系統(tǒng)配置不同數(shù)量的總線終端，提高衛(wèi)星的集成化水平與靈活擴展能力。

3.2 軟件模塊化

網(wǎng)絡(luò)化的通信同時也為軟件模塊化提供了良好的基礎(chǔ)條件。在物理層與鏈路層之間根據(jù)實際情況選取不同的驅(qū)動組件訪問物理接口，在鏈路層之上設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)層模塊，支撐任務(wù)間不同速率、不同類型、不同傳輸服務(wù)質(zhì)量要求。綜合電子軟件系統(tǒng)的應(yīng)用層按自主運行業(yè)務(wù)、常規(guī)平臺業(yè)務(wù)及載荷服務(wù)業(yè)務(wù)的分類決定軟件組件的屬性。如圖5所示，標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)層組件包括低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組件及IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組件，自主運行業(yè)務(wù)組件包括天線指向及自主導(dǎo)航組件，常規(guī)平臺業(yè)務(wù)包括遙測及遙控功能組件，載荷服務(wù)業(yè)務(wù)包括時間廣播及載荷故障處理組件等。層間組件采用消息隊列傳遞消息，底層組件向高層組件提供標(biāo)準(zhǔn)的消息隊列訪問接口；層內(nèi)組件之間采用服務(wù)調(diào)用方式，不同功能的應(yīng)用打包自身的能力并提供引用。軟件線程的調(diào)用與北斗時的秒脈沖嚴(yán)格同步，以保證注冊于系統(tǒng)的軟件組件按序執(zhí)行。

通過確保各種組件可獨立配置，運行于不同軌道的衛(wèi)星根據(jù)系統(tǒng)角色可以選配不同的應(yīng)用軟件業(yè)務(wù)組件，支撐衛(wèi)星的信息流控制與自主控制。

圖5 綜合電子軟件模塊化劃分方法Fig.5 Modularization of avionics system software

4 自主運行安全可靠設(shè)計

為保證導(dǎo)航衛(wèi)星安全可靠的自主運行，需要在故障檢測與恢復(fù)、健壯性容錯設(shè)計、可靠重構(gòu)與維護及自主健康與任務(wù)管理4個方面予以保證[8]，如圖6所示。

圖6 保證安全可靠自主運行的信息系統(tǒng)設(shè)計方法Fig.6 Design method of safety guarantee, reliability and autonomous operation

4.1 分級故障檢測與恢復(fù)

北斗三號衛(wèi)星為自動駕駛、災(zāi)害監(jiān)測等導(dǎo)航用戶提供長期服務(wù)，對服務(wù)中斷事件的敏感程度超過其他類型的衛(wèi)星，因此綜合電子系統(tǒng)分層設(shè)計精細(xì)的整星級、系統(tǒng)級、單機級自主故障檢測與處置，實現(xiàn)用戶無感知的恢復(fù)能力。整星故障檢測與恢復(fù)為載荷、星間鏈路、原子鐘等提供監(jiān)測復(fù)位、監(jiān)測切機、自主加電、完好性通知等保護措施；系統(tǒng)級故障檢測與恢復(fù)實現(xiàn)工作模式切換、總線故障管理、單機主備切換、單機電源監(jiān)視和重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)等保證綜合電子系統(tǒng)穩(wěn)定運行；單機級故障檢測與恢復(fù)基于自主切機、自主復(fù)位、軟件陷阱(TRAP)處理、總線健康檢查處理、存儲器健康檢查等手段保證衛(wèi)星管理單元與信息路由單元等關(guān)鍵單機連續(xù)運行，進(jìn)而保證衛(wèi)星安全。故障檢測與恢復(fù)的過程會形成實時評估報告，作為事件遙測下傳地面，在緊急狀態(tài)下提醒地面干預(yù)。

4.2 健壯性容錯

為實現(xiàn)對衛(wèi)星可靠控制的目標(biāo)，綜合電子系統(tǒng)采用任務(wù)遷移和傳輸路徑重建的功能與信道容錯機制，實現(xiàn)故障情況下的系統(tǒng)重構(gòu)。

1)從任務(wù)遷移角度，綜合電子系統(tǒng)各設(shè)備的計算機模塊均配置遙控分發(fā)、遙測組織及自主健康管理等衛(wèi)星平臺管理功能。當(dāng)主設(shè)備啟動平臺管理任務(wù)時，其他從設(shè)備的平臺管理功能處于休眠狀態(tài)。當(dāng)主設(shè)備失效，從設(shè)備立刻喚醒衛(wèi)星平臺管理功能，收集整星平臺遙測，運行自主健康管理及自主任務(wù)管理，保證平臺安全。

2)從傳輸路徑重建角度，在信息處理中樞支持多路數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度，實現(xiàn)信源無縫切換。在信息處理中樞識別信道來源，按信道分別解析控制指令并統(tǒng)一處理執(zhí)行。通過功能互備和信道互備，顯著提高北斗衛(wèi)星的健壯性和可靠性，避免由于信道或設(shè)備臨時故障導(dǎo)致整星不可挽回的失效。

4.3 可靠重構(gòu)與維護

北斗三號衛(wèi)星的技術(shù)創(chuàng)新與功能持續(xù)演進(jìn)對在軌重構(gòu)與維護提出新的標(biāo)準(zhǔn)，要求通過在軌維護與重構(gòu)重新定義自主控制過程并提升故障檢測與恢復(fù)能力。綜合電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與路由單元與衛(wèi)星管理單元中的CPU軟件及FPGA軟件均可以通過遙控重構(gòu)數(shù)據(jù)塊實施重構(gòu)，并提供參數(shù)級、函數(shù)級、配置項級維護選項。

4.4 自主健康與任務(wù)管理

北斗三號衛(wèi)星采用分布式與集中式并存的方式實現(xiàn)整星狀態(tài)的實時管理。衛(wèi)星載荷及平臺任務(wù)終端均具備狀態(tài)自檢與自主管理能力；同時衛(wèi)星管理單元通過星內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)獲得整星遙測后進(jìn)行信息融合評估，實現(xiàn)整星級的自主熱控管理、自主能源管理及載荷任務(wù)管理。當(dāng)自主健康與任務(wù)管理發(fā)出調(diào)節(jié)指令，表征執(zhí)行效果的狀態(tài)均通過總線網(wǎng)絡(luò)反饋至衛(wèi)星管理單元，實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高了衛(wèi)星的安全性與智能化水平。

5 北斗三號綜合電子系統(tǒng)工程實踐

北斗三號分組發(fā)射，在GEO、IGSO、MEO 3個軌道面部署30顆衛(wèi)星構(gòu)建全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，綜合電子在型號研制與在軌運行階段的工程實踐中提供全方位高可靠的技術(shù)支撐，與傳統(tǒng)綜合電子系統(tǒng)相比體現(xiàn)出如下優(yōu)勢：

1)基于空間子網(wǎng)和星內(nèi)子網(wǎng)建立完整的星座網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遙控遙測及端到端通信，支持一站式測控，通過一顆衛(wèi)星可以實現(xiàn)對北斗星座所有衛(wèi)星的管控，達(dá)到天地一體化通信的效果。

2)在接口標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上統(tǒng)一規(guī)劃模塊化功能，實現(xiàn)設(shè)備小型化、資源復(fù)用和產(chǎn)品化，實現(xiàn)全星座統(tǒng)一信息架構(gòu)下的配置靈活擴展能力與適應(yīng)任務(wù)需求的分批次快速升級能力。不同衛(wèi)星的硬件差異僅體現(xiàn)在接口業(yè)務(wù)單元增加指令模塊及加熱器等模塊，為整星提供更多的控制采集通道；不同衛(wèi)星的軟件差異主要體現(xiàn)在增加組件及配置參數(shù)，以提供高速網(wǎng)絡(luò)或短報文服務(wù)。不同批次衛(wèi)星之間存在差異的軟件組件占總組件數(shù)量的百分比不超過10%。

3)采用分級自主故障處理與恢復(fù)技術(shù)及靈活的容錯與重構(gòu)能力，支持衛(wèi)星功能在軌持續(xù)演進(jìn)，保證北斗衛(wèi)星長期穩(wěn)定運行，在面對惡劣空間環(huán)境導(dǎo)致的單機復(fù)位及在軌功能升級場景，維持星間鏈路持續(xù)連接，提供無間斷的導(dǎo)航服務(wù)。

6 結(jié)論

北斗三號衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)以通信網(wǎng)絡(luò)化、功能擴展性、安全可靠自主運行為技術(shù)路線，基于CCSDS空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計分級分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，建立星座內(nèi)信息統(tǒng)一處理和共享的一體化電子系統(tǒng)。針對通信協(xié)議體系、通信拓?fù)渑c接口、硬件模塊化、軟件模塊化、故障檢測恢復(fù)、健壯性容錯、可靠重構(gòu)與維護及自主健康與任務(wù)管理展開研究，滿足北斗三號衛(wèi)星天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信及服務(wù)連續(xù)性需求。系統(tǒng)所采用的綜合電子技術(shù)以標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)的方式為北斗衛(wèi)星智能化及網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用過程建立高效、靈活的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并通過容錯與糾錯的分級應(yīng)用確保系統(tǒng)在完成復(fù)雜自主運行任務(wù)過程中的安全可靠，為未來大型宇航探索項目的電子信息系統(tǒng)設(shè)計提供參考。