基于TOPSIS法的皮衛星計算機系統設計

袁曉峰,高德遠,高 武

(西北工業大學計算機學院,西安710072)

基于TOPSIS法的皮衛星計算機系統設計

袁曉峰,高德遠,高 武

(西北工業大學計算機學院,西安710072)

皮衛星具有成本低、反應靈敏等特點,是航天領域的研究熱點。由于體積和質量的限制,大衛星復雜的星載計算機系統結構并不適用于皮衛星。介紹基于COTS器件的皮衛星星載計算機系統模塊化設計技術,將多準則決策方法TOPSIS排序法應用于皮衛星的芯片選型。研制2版基于不同低功耗微控制單元的計算機原理樣機,并通過大量實驗測試比較2版原理樣機的速度、功耗、運行溫度等性能。當工作溫度為27℃,主頻為8 MHz時,基于MSP430芯片和ATxmega芯片的原理樣機的MIPS值分別為7.449和6.781;運行加法運算的時間分別為0.613 μs和1.381μs,功耗分別為38.224 mW和54.411mW。在-40℃～85℃時,原理樣機均可正常工作。

皮衛星;星載計算機;低功耗微控制器;商用器件;TOPSIS方法;可靠性

1 概述

人造衛星已廣泛應用于通信、導航、環境監測等領域,微小衛星因其體積小、成本低、研發周期短等優點,成為航天領域的研究熱點。根據微小衛星的質量,又可分為小型衛星、超小衛星、微型衛星、納衛星、皮衛星和立方體衛星等。皮衛星的質量一般不超過5 kg[1]。

本文提出一種基于低功耗微控制器(Micro Control Unit,MCU)的皮衛星星載計算機系統結構,通過TOPSIS方法選擇合適的COTS芯片,基于選擇的低功耗MCU設計并制作出2版星載計算機(On-Board Computer,OBC)原理樣機。通過對OBC原理樣機的實驗測試,對TOPSIS方法的有效性及所選擇COTS芯片的功能進行驗證。

2 背景介紹

世界上最早發射并成功工作的皮衛星是Aerospace公司在2000年2月發射的2顆繩系皮衛星[2]。隨后,歐洲、日本等國家和地區相繼進行公斤級衛星的研發。2010年9月22日10時42分,2顆完全由我國自主研制的“皮星一號A”衛星在酒泉衛星發射中心搭載“長征二號丁”運載火箭發射成功,這是我國首次成功發射皮衛星[3]。“皮星一號A”僅重3.5 kg,正常工作功率為3.5 W,在太空中成功完成了試驗任務[4]。2012年5月10日,我國發射由國防科技大學研制的9.3 kg重的“天拓一號”,這是我國發射的首顆微納衛星。“天拓一號”的集成度高、功能強大,已完成多項科學實驗[5]。1999年,加州理工大學和斯坦福大學提出了一種皮衛星架構標準——CubeSat標準[6],衛星的結構框架大小分為0.5 U(5 cm×10 cm×10 cm)、1U(10cm×10 cm× 10 cm)、2 U(20 cm×10 cm×10 cm)和3U(30 cm× 10 cm×10 cm)。截止到2012年8月,全球已有大約75顆CubeSat標準的衛星發射入軌[7]。PUMPKIN公司已經將生產CubeSat皮衛星市場化,提供開發皮衛星的一整套軟硬件工具。QB50工程計劃則是由50顆CubeSat標準衛星組成的網絡,用于低熱大氣層探測和重返大氣層研究,我國有多家高校參與QB50計劃的研究[8]。高速信息時代和經濟全球化的到來,采用商用現成芯片(COTS)設計的皮衛星具有開發周期短和成本低廉的優勢,正成為各國航天技術發展的熱點。

星載計算機(OBC)系統是皮衛星的重要組成部分,主要功能是運行皮衛星的關鍵算法,與皮衛星其他分系統進行數據通信和命令交互,其中微控制器(MCU)是星載計算機系統的核心。丹麥科技大學設計的CubeSat標準的1U皮衛星DTUSat,采用的是ATMEL的ARM處理器,ARM處理器雖然性能較強,但相比超低功耗設計的MCU,ARM處理器無疑會增加OBC的功耗。浙江大學的“皮星一號A”星載計算機采用雙處理器架構,其中,2個處理器OBCA和OBCB之間需要用FPGA實現的橋接器進行邏輯仲裁[4]。這種雙處理器架構可以提高皮衛星的可靠性,但是芯片的增多會增加OBC的重量、面積以及系統軟硬件的復雜度。三模冗余設計需要復雜的仲裁電路和算法,面積和功耗較大,不適合用于皮衛星計算機系統的設計。

皮衛星在體積、質量和功耗等方面有嚴格的限制,所以傳統大衛星復雜的星載計算機結構并不適用于皮衛星。在OBC系統設計過程中,用適當的方法選擇功能芯片是非常重要的。選擇一款功能芯片是一個多準則決策問題(Multiple Criteria Decision Making,MCDM),常見的MCDM算法有TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution)算法、AHP(AnalyticHierarchy Process)算法和SAW(Simple Additive Weighting)算法等[9]。與其他算法相比,TOPSIS分別通過對象距最優解和最差解的距離進行評價,此外算法的過程可以通過簡單的程序實現[10]。

3 皮衛星計算機系統的結構

皮衛星多采用立方體結構,主要由計算機系統、通信系統、姿控系統、電源系統、微推進系統和有效載荷等組成。通信系統負責皮衛星與地面的數據通信以及皮衛星之間的wifi通信。姿控系統主要采集皮衛星姿態和軌道控制所需要的數據,包括陀螺儀、磁強計、GPS的數據等。電源系統則為皮衛星各系統提供所需電源。通過微推進系統,可以對皮衛星的姿軌進行調整。皮衛星主要的有效載荷是相機,相機拍照的照片經過壓縮后傳至地面,可以驗證皮衛星各系統功能的正確性。

皮衛星的研發和制造成本低,且多以集群網絡的方式進行工作,因此,可以采用多個皮衛星進行整機備份來提高整體皮衛星網絡的可靠性。本文提出的基于MCU的計算機系統結構如圖1所示。

圖1中星載計算機系統各模塊的主要功能如下:

(1)計算處理模塊,以一款低功耗MCU為核心,用于運行姿態控制和狀態仲裁等算法,并且向皮衛星的其他分系統發送控制指令。

(2)內置電源模塊,為OBC上的功能芯片提供工作所需的電壓。電源模塊具有靈活的輸入電源范圍,在接入皮衛星電源系統輸出的電壓(0～4.2 V)后,轉換為穩定的供電電壓(3.3 V和5 V)。

(3)存儲模塊,主要包括大容量的FLASH芯片和小容量的PROM芯片。FLASH存儲器主要存儲OBC通過總線接口接收到其他分系統的數據,如通過UART接口接收的姿控系統磁強計、陀螺儀及GNSS等器件采集到的數據等。PROM芯片具有較好的抗單粒子翻轉能力,用于存儲皮衛星初始化時的重要參數,如各寄存器的值等。

(4)總線調度模塊,是OBC與皮衛星其他分系統進行通信的樞紐,主要包括UART總線和I2C總線等。

(5)電路調試模塊,用于皮衛星發射前在地面對OBC進行調試操作,方便觀察調試結果,使OBC的調試更有針對性,主要包括代碼調試接口(JTAG、BSL等)、測試點、測試開關和LED燈等。

(6)電路保護模塊,用于OBC和其他外圍分系統的故障處理,提高OBC的可靠性,主要元器件有溫度傳感器、看門狗定時器(WDT)等。

圖1 星載計算機系統結構框圖

4 基于TOPSIS方法的芯片選型

在選擇功能芯片時,每一種功能芯片有不同的性能指標,而不同型號芯片的指標參數也不同。MCU是星載計算機的核心,通過運行星務管理軟件保證皮衛星正常執行任務,所以MCU器件的選擇是皮衛星星載計算機設計的關鍵。本文介紹用TOPSIS進行低功耗MCU的選型過程,此方法也可用于其他功能芯片的選型。

考慮到皮衛星的功能需求、運行環境以及功耗、體積和質量等方面的限制,應用于星載計算機系統的MCU應符合以下條件:

(1)工作溫度滿足皮衛星的工作環境溫度范圍;

(2)滿足低功耗需求,節省能源;

(3)支持皮衛星分系統需求的總線規范,如I2C總線、CAN總線等;

(4)有足夠的IO引腳和USART接口資源,滿足OBC外圍功能模塊和皮衛星其他子系統的需求;

(5)處理性能滿足需求,可以即時處理皮衛星的數據和通信;

(6)友好的編程調試環境,方便系統程序和應用程序的代碼編寫。

為了滿足皮衛星的性能需求,選擇16位的MCU作為OBC的處理器。通過芯片數據手冊提供的參數,可以初步判斷MCU的功耗、性能及工作溫度。動態電流可以評估MCU的功耗,MIPS可以評估MCU的執行速度,存儲器的容量大小則可以評估MCU的存儲能力。調研了各大主流廠商的16位MCU系列,并選擇一個樣品進行比較。各系列MCU的特點和外圍資源如表1所示。

表1 商用MCU的參數比較

使用TOPSIS方法對備選芯片進行排序選型的步驟如下[11]。

步驟1 構建原始決策矩陣A={aij},其中,包含m個備選方案和n個決策指標。A={aij}表示MCU的參數集合,其中有5個備選方案和4個決策指標:

步驟2構造規范決策矩陣B={bij}。在原始矩陣中,有的指標為效益型指標,即越高越好,有的指標則為成本型指標。式(2)和式(3)分別為效益型指標和成本型指標的規范公式。經過規范后的矩陣,所有指標參數將在0～1的區間內,從而方便比較。

步驟3構造權重矩陣w={wj}以及加權矩陣X={xij},其中,xij=ωj·bij。在實際應用中,皮衛星功能的復雜度較低,但電能資源稀缺,所以,MCU的功耗性能權重更大。將MIPS、程序存儲器和RAM容量、動態電流的權重分別設為0.3,0.15,0.15和0.4,即權重矩陣w={0.3 0.15 0.15 0.4}T,則MCU性能評價的加權矩陣X={xij}如下所示:

步驟4確定正理想解A+={v+j}和負理想解A-={v-j}。

步驟5計算各系列MCU與正負理想解的距離,可以利用歐氏距離進行計算:

各系列MCU至正負理想解的距離如表2所示。

表2 各MCU到正負理想解的距離

步驟6計算備選芯片到理想解的相對接近度相對接近度越大,表示該芯片的性能越優。式(9)為的計算公式。

步驟7根據相對接近度對備選MCU進行排序選型。表3為備選MCU芯片使用TOPSIS算法所得的排序結果。

表3 各系列MCU的相對接近度排序

經過TOPSIS排序法可以得出TI的MSP430系列和ATMEL的ATxmega系列MCU的性能更符合OBC的需求。本項目以這2款MCU為控制器,設計了2版OBC原理樣機,并通過大量實驗比較和驗證了2版OBC的性能,從而驗證TOPSIS應用于皮衛星芯片選型的有效性。OBC的樣機圖片如圖2所示。2版OBC的存儲芯片均在系統板背面。

圖2 皮衛星星載計算機的原理樣機

5 實驗結果及討論

在不同溫度環境下,使2版OBC樣機以同一主頻(8 MHz)運行不同的算法,從而比較2版OBC的性能和功耗。為了確保結果的精確性,2版OBC運行的源代碼是一致的。在運行算法的操作前后,分別將MCU的一個引腳置高和置低,通過示波器測得的方波間隔時間即為操作所運行的時間。功耗則可通過萬用表測量OBC板的輸入電壓和電流來計算。

MIPS是衡量MCU性能的一個指標,通過統計每秒運行空操作指令的數目[12],可以獲得MCU最大的MIPS值。在27℃時,測得MSP430的MIPS值為7.449,ATxmega的MIPS為6.781。從圖3可以看出MIPS值與溫度變化的關系。

圖3 不同溫度下的MIPS值

OBC的性能也可通過運行基本操作算法所用時間來評估,如加減乘除等算法。圖4和圖5展示了2版OBC在典型溫度下運行不同操作所用的時間和功耗對比。其中,冒泡算法是對20個無符號整數進行冒泡排序。由實驗可以看出,2版OBC在運行不同操作算法時性能各有優勢,但是以MSP430為核心的OBC功耗明顯更低,更適合用作OBC的處理器,實驗結果與TOPSIS算法所得的排序結果一致。同時,本系統在太空的溫度環境下可正常工作。在-40℃～85℃的溫度范圍內,2版星載計算機在運行16位加法運算時所用的時間和功耗曲線如圖6所示。

圖4 2版OBC運行時間比較

圖5 2版OBC功耗比較

圖6 OBC在-40℃～85℃的參數趨勢

6 結束語

本文通過比較現有衛星的星載計算機系統結構,提出一種適合皮衛星OBC的模塊化系統結構,并將多準則決策算法TOPSIS應用于皮衛星的芯片選型中。通過TOPSIS排序法選擇高性價比的商用器件,并采用PCB布局布線以及輻射屏蔽防護等設計,完成了2版計算機原理樣機的設計和測試。實驗結果表明,本文提出的模塊化系統結構功能正確,且可以成功地與皮衛星其他分系統進行數據通信和控制,性能滿足皮衛星需求。同時,通過大量實驗比較了2版計算機原理樣機的性能,其中,基于MSP430的原理樣機性能相對更優,與表3中的TOPSIS排序結果一致,從而證明TOPSIS算法用于皮衛星商用器件選型的有效性。在后續工作中,將研發基于MSP430的三模冗余低功耗抗輻射皮衛星計算機系統。

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編輯 顧逸斐

Design of Computer System for Pico-satellite Based on TOPSIS Method

YUAN Xiaofeng,GAO Deyuan,GAO Wu
(School of Computer,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

Pico-satellite,which features low cost and flexiblity,is a hot topic in aerospace applications.Due to the limitation of size and weight,design of On-Board Computer(OBC)for pico-satellite systems is different with that in the larger satellites.This paper introduces the modular design techniques of an OBC based on Commercial Off-the-Shelf (COTS)devices for pico-satellites.The chip selection is important for electronic system design.The selection of the suitable COTS devices is performed by using Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution(TOPSIS) method.Two versions of prototype OBC systems based on different types of low power MCUs which are selected by TOPSIS method are implemented.The running speed,power consumption,and operational temperature of two OBC systems are tested and compared.When operational temperature is 27℃and main frequency is 8 MHz,the MIPS of OBC system based on MSP430 and ATxmega are 7.449 and 6.781,respectively.The running times of addition are 0.613 μs and1.381μs,respectively.The power consumptions of addition are 38.224 mW and 54.411mW,respectively.The performance of the OBC system based on MSP430 is better.Two OBC systems can work correctly at-40℃to 85℃.

pico-satellite;On-board Computer(OBC);low power Micro Control Unit(MCU);Commercial Off-theshelf(COTS)device;Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution(TOPSIS)method;reliability

袁曉峰,高德遠,高 武.基于TOPSIS法的皮衛星計算機系統設計[J].計算機工程,2015,41(2):287-291,297.

英文引用格式:Yuan Xiaofeng,Gao Deyuan,Gao Wu.Design of Computer System for Pico-satellites Based on TOPSIS Method[J].Computer Engineering,2015,41(2):287-291,297.

1000-3428(2015)02-0287-05

:A

:TP368.2

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.02.055

國家自然科學基金資助項目(61101190)。

袁曉峰(1988-),男,碩士研究生,主研方向:嵌入式系統;高德遠,教授、博士生導師;高 武(通訊作者),副教授、博士。

2013-12-10

:2014-02-19E-mail:gaowu@nwpu.edu.cn