國外航天器電子系統的幾個重要發展趨勢

（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

1 引言

21世紀初十余年來，空間技術發達國家普遍大力建設空間基礎設施，國家政治、軍事和社會經濟生活與空間基礎設施之間存在越來越緊密的依存關系。鑒于此，對空間基礎設施的維護補網需求、技術更新換代要求和新應用領域的拓展，致使對新空間產品的需求迅猛增加，并要求具有更短的投入運營響應時間；但是空間項目的費用依然昂貴，依然是高風險、高投資的工程項目，這使得各國政府、用戶都很難同時承擔多個項目。“較快、較好、較省”的概念，由NASA 于20世紀90年代最先提出來，得到各國和宇航機構的普遍認同，因此，在空間產品的基礎公用部分采用平臺化設計思想，各不同工程項目能共享一部分基礎成果，進而分攤成本和降低風險，這也成為各空間組織在空間項目中的普遍做法。航天器電子系統的研發同樣秉承了這一思想。在21世紀，空間技術發達國家空間項目的研發，大多是20世紀末各國從國家戰略利益高度提出的15～20年發展計劃項目的延續，其成果最初體現在21世紀頭十年歐美的一系列空間探測器平臺項目和載人航天項目中，并陸續向低地球軌道（LEO）和地球靜止軌道（GEO）的航天器推廣。在這一輪的空間產品研發過程中，由于各宇航公司的現有產品（不論是LEO還是GEO 的產品）已經相對成熟，擁有穩定的經濟效益，因此這些宇航公司并不是新一輪產品開發的積極推動者，主要推動力量來自政府主管機構以及政府支持的研究機構，如NASA 及其噴氣推進實驗室（JPL）、戈達德航天飛行中心（GSFC），歐洲的ESA 等，工業界則是在某一專項技術領域提供支撐，扮演積極的參與者角色。

本文在歸納整理20世紀90年代后的有關文獻基礎上，對國外航天器電子技術發展中表現出的共性特點進行總結，提出了幾個需要引起注意的發展趨勢，可供后續電子系統研發工作參考。

2 航天器電子系統的范疇

航天器電子系統是一個相對寬泛的概念，并沒有一個明確的界定（定義），一般是指與機械系統平行的概念，是航天器上實現各種非機械機構類功能和性能的電子設備的統稱。在本文中，討論并未包括有效載荷和傳統供配電的特殊電子設備。目前，航天器各分系統的定義是從功能應用層次給出的，如姿態軌道控制分系統、數據管理分系統等；而航天器電子系統則是指各分系統功能實現所涉及的全部電子設備（含軟件）的總和。不同的宇航公司、組織在航天器電子系統研發中所涉及的電子設備范圍，并不完全一致，這與各具體項目的要求有關，但主要研發工作則集中于航天器平臺或公共服務系統部分的電子系統，有效載荷部分雖然大部分也是由電子設備組成，但用戶需求存在巨大差異，并不在通用研究范圍內。另外，航天器電子系統研究工作的部分內容，也會涉及到傳統的供配電系統，主要集中于對電源產生裝置的管理、控制及電源分配管理控制設備［1］的研究，至于電源的一次及二次生成，則歸屬于供配電相關的專業技術領域，而不是通常意義上航天器電子系統的研究范疇，如新型高效率太陽電池片和電源變換裝置等，都歸屬于供配電專業領域。盡管如此，后面講到的4 個發展趨勢，對它們也是基本適用的。

3 幾個重要的發展趨勢

3.1 基于網絡的分布式模塊化體系結構是航天器電子系統發展的主流方向

分布式電子系統和模塊化都不是新概念，電子系統的分布式結構還是相對老舊的概念。隨著現代數字處理技術的進步，分布式模塊化電子系統固有的體系上的優勢，并與基于信息交換處理的互聯網概念相結合，為其結構賦予了新的活力，成為未來航天器電子系統發展的主流方向。分布式模塊化電子系統的主要優點是：①系統具有開放的可擴展和可裁剪特性，這使系統對不同工程項目具有很大的配置靈活性和適應性，可以支持不同功能模塊設備根據任務需求靈活組合配置，實現不同工程項目共享功能模塊化設備的目的；同時，體系結構確定后，開放性使得系統對未來新技術發展具有足夠的包容性，可以在系統體系結構不變和標準化接口前提下，引入基于新技術的具有標準接口的新設備或升級換代的設備。②縮短系統集成時間。這是由于不同功能模塊或節點設備相對獨立，各模塊的集成、測試結果并不影響系統其他部分的運行。③系統任務由各模塊化節點分擔，任務可靠性、可維護性高。④信息交換、分發和共享依賴總線技術，信號采集、處理等采用就近配置的原則，可有效縮短原始信號的傳輸路徑，避免信號損失、失真和干擾，同時極大地減小電纜網的質量，尤其對于大型航天器優勢明顯。

分布式模塊化電子系統的典型例子，可見GSFC負責的“中型探測器”（MIDEX）［2］項目。此項目在強調進一步減小體積、質量和功耗的同時，特別強調了電子系統要適應未來一系列空間探測器、地球軌道衛星的需求，系統設備可被不同項目重用，以降低成本和縮短研制周期；要廣泛采用現行的工業界標準，具有付出較少的代價就能融合未來新技術的能力，使其研發精力能真正投入到后續空間項目有效載荷的研發中。為此，GSFC 開發了基于AS1773 總線網絡的分布式模塊化電子系統（如圖1所示）。其技術要點是：通過遠程服務節點（Remote Services Node，RSN）概念，將星務管理、測控、姿態與軌道控制、供配電管理、姿態傳感器等功能集成于不同的RSN，每個RSN 具有標準的AS1773接口和電源接口，不同的功能必須在每個具有標準接口的RSN 電路板預留的空間內實現，以保證RSN 接口的標準化。整個系統在物理空間分布上可以靈活組合，但功能模塊間保持分布式網絡結構，使每個RSN 升級換代或采用更新的技術時更為便捷，不同的項目也可以根據需要進行裁剪。

圖1 MIDEX 電子系統結構模塊組成示意Fig.1 Sketch map of MIDEX avionics modular configuration

另一個分布式電子系統的例子，是較早期開始的由JPL負責的X2000微小型空間探測器項目［3］。為應對NASA 在2000年后深空探測任務急劇增加，JPL對新的任務目標和技術能力進行了評估，同樣認為傳統的集中式航天器電子系統，即使采用新的技術也不能滿足使用靈活性的要求，無法支持在不同項目和平臺之間共享成熟技術產品的要求，因此JPL構建了基于工業標準的IEEE1394和I2C雙總線結構的分布式電子系統（如圖2所示）。在此體系結構下，分3個階段實現總線節點電子設備由原型驗證到微系統集成，再到片上系統（SOC）的發展歷程，促進了航天器向微小型化發展。

歐洲目前空間項目中的電子系統，通常將所有數據管理和制導、導航與控制／姿態與軌道控制系統（GNC／AOCS）功能集中在單一的計算處理單元中。ESA 的研究結果表明，這種集中做法存在缺點，即導致了系統集成工作從一個較低層面開始，使得系統集成者（系統總體）不得不對所有軟硬件功能的初始組裝、驗證等負責，從而使集成的費用、周期和復雜性增加［4］；另外，隨著航天器功能要求的增加和隨之而來的飛行軟件復雜性的增加，集中式電子系統導致了測試用例（配置）等數量的爆炸性增長，軟件模塊相互耦合導致的安全問題突出，集成和驗證周期變長，風險高到難以承受。為了解決這種低層次集成問題，同時考慮歐洲大多數航天器電子系統的現狀，ESA 和阿斯特里姆（Astrium）公司開展了聯合研究，借鑒法國宇航領域在Airbus380電子系統（30個模塊，集成了21個功能的分布式網絡系統）中的成功經驗，提出了應用于航天器的空間綜合模塊化電子系統和軟件的時間-空間分割概念［5-6］相結合的方案（IMA-SP），并初步應用于全球星-2（Glogbalstar-2）。該方案的硬件基于1553B 總線或Space-Wire的分布式硬件系統，硬件平臺提供數據計算、處理等數據操作的公共資源，軟件則更強調不同功能的軟件模塊之間隔離，模塊之間只保留數據交換接口，在保證相互獨立、安全的前提下，共享公共資源，其本質上是在兼容現有系統前提下解決緊耦合分布式系統的軟件功能集成和安全問題，也是解決目前歐洲航天器普遍采用集中式電子系統的無奈之舉。

圖2 X2000 電子系統結構示意Fig.2 Sketch map of X2000avionics

3.2 日益注重成熟工業標準和技術在空間領域應用

空間產品所面臨的特殊環境條件，以及航天工業歷史發展過程中與國防工業結合緊密的原因，逐步形成了有別于其他工業部門的相對獨立的標準體系，其中部分標準要高于普通工業標準，這使得空間技術成為了國家高技術的代表，也體現了國家工業技術的綜合能力，但與此同時也形成了一定的局限性和封閉性。現實情況是，作為高技術代表的空間技術，引領技術發展并向其他工業技術領域擴展和推廣的局面已經悄然發生變化。近年來，隨著技術進步，大量成熟的工業技術開始向空間應用領域轉化滲透，空間產品本身所涉及的專業技術領域也逐步擴大，現行的航天標準已經無法覆蓋一些新興技術領域。在文獻［7］中，從空間軍事后勤角度對空間技術領域標準應用現狀和原因進行了反思和分析，認為在空間電子系統研制中之所以缺失對標準的應用，源于下列原因：

（1）早期空間電子系統設計中應用標準化設計，并沒有帶來足夠顯著的效益，特別是對于衛星這種小批量生產的產品更是如此；

（2）在空間技術領域，曾經因大量采用未成熟的技術和不完善的標準體系，反而造成系統集成困難，進度和成本增加；

（3）出于競爭的目的，通過大量采用創新技術設計獨特產品和提供有別于競爭對手的服務，進而有意排斥標準化的兼容設計；

（4）為了滿足用戶提出的以減小質量為目標的特殊要求，采用了大量非標準設計。

同時，空間技術領域以外存在大量成熟完備的工業技術標準可供選用，并且這些標準對相關行業發展起到了巨大的推動作用。特別是航空工業在航空電子系統方面形成的完備的工業標準，有力地推動了航空工業的發展，促使了大型項目的成功，也帶來了巨大的經濟效益，如“空中客車”系列大型客機項目、波音777、787和洛馬公司的F-22項目等，都凸顯了完備的標準體系所帶來的效益；在商用電子產品領域，標準體系的運用對于產品市場拓展、升級和降低成本的作用，更是有目共睹的。一些宇航機構和公司開始逐步認識到成功應用標準體系可能帶來的潛在效益，以及非空間技術領域標準的潛在價值，開始著手研究航天器電子領域標準體系的應用發展策略，并大量借鑒航空領域現行標準，將其向空間應用轉移，強調在航天器電子產品設計中，不論是在大系統、系統級結構，還是在單機內部設計上均充分借鑒現行航空或民用電子系統的標準化設計，適度采用成熟技術和現貨產品，使系統具有良好的兼容性、開放性和靈活性［7］。例如，文獻［8］中提出了可應用于先進航天器電子系統結構的標準族，并給出了Honeywell公司和勞拉（Loral）公司應用標準構建ATIM 單板處理器的例子；ESA 則和歐洲航天技術中心（ESTEC）合作，對基于航空ARINC653的航天軟件標準族進行深入研究，開展了IMA-SP的概念研究，對ARINC653標準在歐洲空間系統中應用的適用性進行了比較分析；另外，NASA 的一系列深空探測器項目、載人航天項目中也逐步探索商用產品和標準的空間應用，并取得了較好的效益，如前述的X2000項目中IEEE1394總線標準和I2C總線標準的應用。

目前，工業標準、成熟現貨產品應用于航天器電子系統的研究，尚處于探索階段，只是取得了初步實驗性成果，隨著空間技術領域以外的工業技術的進步和標準的提高，空間技術與其他工業技術和標準的相互影響滲透，是必然的發展趨勢。

3.3 先進單機與元器件設計制造技術的影響越來越大

電子系統的技術進步和技術先進性，除了體現在系統體系結構外，單機和元器件的設計制造技術始終是一個重要因素。在分布式數字化系統中，當節點接口成為標準化接口后，節點的單機研制水平很大程度上決定于可以獲取或使用的元器件的設計制造水平，而且，隨著微電子技術的發展，這種依托關系更加緊密。歐美國家由于電子工業基礎雄厚，空間電子設備和元器件的制造一直支持并推動著系統設計和實現的不斷進步。對于復雜設備，往往是利用分立元器件進行概念研究和先期驗證，最終將電路中的復雜邏輯組合成專用集成電路芯片（ASIC）的形式實現。這種做法除了能降低單機的體積、質量外，也使設計、生產過程標準化，產品的總體性能指標得到提高。近年來，多芯片組裝封裝技術得到快速發展，使單機的功能密度、集成度得到提高的同時，又進一步減小了體積、質量和功耗。

一個應引起重視的技術發展是，微電子技術和微機械制造技術相融合形成新的技術概念，打破了傳統的單機、元器件的界線。如果說SOC還僅僅是在一塊集成電路芯片上集成了單機系統的大部分功能，那么JPL 開發的質量僅10g 的太陽敏感器、42g的星敏感器，以及集成在集成電路芯片上的慣導組件［9］，則顛覆了傳統的機電部件概念。可以說，微制造技術使機械、光學和微電子產品融為一體。盡管目前這些設備的性能指標與傳統產品相比還有差異，但微電子技術和微機械制造技術相融合，使機、電、光學等設備高度集成和微型化的趨勢是明顯的，而且近年來呈加速推動系統技術進步的態勢。一旦大規模工業化生產成熟，不僅將對未來航天器電子系統的發展產生深遠影響，還會改變傳統的空間飛行應用策略。這種影響體現在兩個方面：一方面是在技術層面，通過SOC、微機電產品，使處理設備（不論是敏感器還是驅動設備）都更臨近現場；分布式系統節點間的處理能力、作用可進一步趨同，為基于網絡的分布式冗余結構提供了技術基礎；系統的體積、質量、功耗進一步減小，系統配置更靈活，系統更可靠，使得航天器的研制費用等能更多地集中于有效載荷和應用方面。另一方面，微系統使大批量、快速、低成本的工業化生產成為可能，利用微系統、微電子系統構造小微衛星、納衛星的成本將極大降低，使得擁有此技術的國家、組織相對其他無此技術的國家、組織具有極大的技術優勢，這對于國際空間政策的影響遠大于技術方面的影響。在美國空軍的“轉化中的空間主動性”提議［10］中，就提出了美國空軍所要具有的3種能力，即：保護（美國）空間基礎設施的能力；阻止敵對方進入空間的能力；快速發射和部署新的或替換的空間基礎設施的能力。其中，第2條如何實現已經超出了工程技術的范疇，但空間微系統至少為這個議題提供了一個選項。

3.4 有效應對數字化設備和軟件在系統中比重不斷增加

數字化設備和軟件在航天器電子系統中所占的比重，很難給出量化指標。傳統的航天器電子系統，從信息傳輸處理過程上可以歸結為信息采集或敏感接收，進行初級變換處理，然后送核心處理單元進行處理，處理結果分發給驅動設備產生實際操作。傳統上，核心處理器采用數字化處理器實現，其他部分由模擬線路等實現。由于微處理器技術的發展，數字信號傳輸所具有的固有的抗干擾能力強和總線技術成熟等特性，使這一局面正在悄然發生變化，整個功能鏈路中數字化設備所占的比重逐步增大，數字化設備已經不僅局限于數據處理，向前端的數據采集數字化和對射頻信號數字化處理的軟件無線電，以及向后端設備數字化驅動擴展的趨勢明顯。例如，在早期設備級提出的SMART 設備概念，就反映了這一發展趨勢。20世紀末，隨著現場可編程器件的發展，SMART 在空間應用領域又被賦予了“小型多目標先進可重配置技術”（Small Multi-object Advanced Reconfigure Technology）的概念［11］。其基本思想是：針對前端的敏感器（或傳感器）和指令接收模塊，中間的處理計算及后端的輸出驅動三部分，分別開發標準化SMART 模塊，使信息采集、接收和執行機構的驅動處理均實現臨近現場數字化，而與中心計算處理模塊的信息傳遞、數據存儲共享等，則通過網絡總線實現。例如GSFC在基礎業務節點（Essential Services Node，ESN）［12］基礎上為MIDEX 開發的RSN，就是這種設計理念下的產物。

系統中大量數字化設備的采用，也使得各設備在硬件上有相當一部分功能趨同，為各設備在硬件結構上由相同硬件實現核心功能、軟件實現個性化差異功能提供了可行性；等同的硬件結構和共享的信息存儲模式，也為實現基于網絡的冗余提供了基礎（目前是基于節點的傳統冗余）。采集和處理更臨近現場，大量使用數字化設備，各異化的功能由不同的軟件實現所決定，使相應的軟件研發工作在系統研發中所占的比重也隨之增大，因此軟件工程化、系統集成測試和軟件安全性需要更多的投入和關注，有必要從方法學上研究解決軟件集成的安全性問題，ESA 借鑒ARINC653提出的IMA-SP也是這一趨勢的體現。

4 啟示與建議

本文前述的4個趨勢并未涉及電子系統具體實現所采用的技術細節，而是相對宏觀的闡述。一個有趣的現象是：21世紀初十余年來，一方面，各國都對空間基礎設施建設表現出極大的興趣，空間系統的規模和應用所覆蓋的領域不斷擴大，新的空間工程項目和與之對應的航天器層出不窮；另一方面，當剖析這些航天器的電子系統時，卻發現所采用的技術概念和技術手段，與前文所述4個方面的技術都似曾相識，似乎并未有全新的技術概念出現，但又確實“巧妙”地滿足了新的應用需求，達到了“較快、較好、較省”的目的。這一現象固然與掌握先進空間技術國家的工業基礎，有密不可分的必然聯系，也與21世紀空間工程項目周期遠短于新技術革新周期，一些新技術尚處于概念研究階段的特點有關。其中，以美國NASA 和歐洲ESA 為代表的宇航組織，在21世紀的航天器電子系統開發中存在一些共同的特點，對于我國目前空間應用需求急劇增長，而相對電子技術工業基礎較弱的局面極具借鑒價值。

（1）重視從系統級進行電子系統的體系結構研究，構建可適應未來技術發展的先進體系結構。盡管微電子技術發展為實現更高集成度的電子系統提供了技術基礎，但從研究結果看，并未放棄傳統的基于總線的分布式模塊化電子系統的概念，而是重新綜合現行的工業標準、微處理器技術發展成果、先進制造技術等，從系統角度以“較快、較好、較省”為驅動，確立了以分布式、基于成熟總線網絡的模塊化結構，作為未來相當長一段時期內航天器電子系統的優選結構。另外，以先進的具有優勢的系統引領單機技術的發展，而又不限制單機技術的發展。縱觀幾個實踐的例子，可以看出，基于總線網絡的模塊化結構航天器電子系統概念，在系統上強調系統資源共享能力和標準接口，減少接口種類，避免單機接口標準的散亂局面，并在標準體系框架下為后續發展提供了足夠的兼容性設計。

（2）空間技術和非空間工業技術領域的相互滲透，是空間技術應用日益廣泛和工業技術水平日益提高的必然結果，突破傳統空間技術領域的局限性，面向工業界開放空間技術領域研發，也是必然的發展趨勢。因此，現行的工業標準向空間技術領域推廣，應當作為一個重要的研究課題，這也是降低成本和風險、適應日益激烈的市場競爭的有效方法之一。

（3）先進的微電子技術的發展始終是空間電子系統技術發展的基礎，特別是打破傳統概念的微機電技術的發展，為新概念的航天器電子系統發展提供了更多的可供革新的選項，而相應的軟件和數字化設備在系統中所占比重的提升，則是微電子技術發展的必然結果。這對于目前空間電子系統的研發工作既是挑戰，也是機遇，因此在航天器電子系統研發中應注意對這些新技術、新概念給予足夠的關注和前瞻性的應用。

（References）

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