以綜合電子技術構筑航天器智能化的坦途

趙和平

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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以綜合電子技術構筑航天器智能化的坦途

趙和平

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

未來航天任務要求航天器具備在軌智能處理的能力，而綜合電子系統是航天器智能化的中心。一種為未來智能化應用開發的航天器綜合電子系統，將傳統的遙控、遙測和數據管理功能集成為一個簡便易用的標準服務功能包，同時在具有統一信息網絡服務的通信能力，以及支持分布并行計算、模塊化擴展升級、系統重構的計算能力和存儲能力等，為在軌智能處理建立了所需的硬件和軟件支持。利用這些基礎結構，應用過程可以專注于航天器智能處理的實現，從而完成各種復雜任務。

航天器綜合電子系統；智能化；空間通信；標準化

1 引言

未來應用對航天器能力提出了新的需求。軍用方面，現代戰爭的模式轉變為作戰體系的較量。作戰體系由情報偵察、預警探測、指揮控制、通信網絡、導航定位等部分組成，提供信息獲取、傳遞、處理、存儲、分發和使用的功能。在作戰體系中，以全球信息柵格(GIG)為特征的綜合電子信息系統，將起到粘合劑和倍增器的作用[1]。因此，天基信息系統是全軍綜合電子信息系統的重要組成部分。民用方面，國民經濟發展進入了轉型、創新的新時期。航天領域須要整合通信、遙感、導航、氣象等各方面的能力和資源，提升正常情況下和極端情況下的航天應用能力和效率，為國民經濟的發展提供服務和支撐。

新的任務要求航天器在體系應用中發揮重要作用，做到能用、好用、夠用。以遙感衛星為例，目標觀測時效要達到實時或準實時，衛星系統將遙感數據在軌實時處理成圖像產品并直傳給用戶，允許用戶定制所需的遙感產品，實現多用戶與衛星遙感系統的實時交互操作。因此，航天器系統必將進入智能化和網絡化的時代[2-3]。

為了滿足這些新的需求，未來航天器電子信息系統的發展必須實現兩個轉變：①從以數據處理為中心向以信息處理為中心轉變；②任務模式從單個航天器執行規定任務為主向多個航天器協同執行規定任務和自主任務相結合轉變。支撐這兩個轉變的基石是滿足未來航天器智能化任務要求的通信能力、計算能力和存儲能力，以及確保系統在復雜度顯著增加后仍能夠穩定可靠運行的綜合保障措施。大力發展綜合電子技術的根本目的，正是為航天器系統的智能化、網絡化建立穩固的技術基礎。

2 通信能力

2.1 統一的信息網絡服務

未來航天器系統的智能化、網絡化需要完善的通信功能提供支撐，其中包括與傳統的航天器通信不同的新要求。

(1)多航天器、航天器內多應用過程與多用戶之間的任務協同，需要器內、器間和器地一體化的網絡通信。

(2)智能化的系統或算法(如多智能體系統、神經元網絡等)需要在多種通信實體間進行信息交換，實現信息共享。

(3)智能系統可根據任務要求進行擴展和重構，并迅速建立新的通信機制，需要靈活的設備接入方法。

(4)為應用過程提供完善、透明的通信服務功能，以使其專注于信息的處理，而不必關注信息的傳遞過程。

(5)為天地一體化的通信網絡提供可靠的網絡運行管理。

在為未來智能化、網絡化應用開發的航天器綜合電子系統(以下簡稱綜合電子系統)，為航天器平臺和有效載荷提供滿足上述要求的統一的信息網絡服務。

2.2 支持空間網絡服務的通信協議

綜合電子系統在現有相關國際和國內標準的基礎上，以空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)制定的航天器接口業務(SOIS)標準[4]為核心，整合和規范空間子網和器載子網的通信協議體系，建立統一的空間通信協議標準體系結構，如圖1所示。

圖1 空間通信協議標準體系結構Fig.1 Architecture of space communication protocols

該體系結構特點如下：

(1)以歐洲航天標準化合作組織(ECSS)的遙控遙測包應用標準(PUS)[5]和CCSDS的相關標準為基礎，確定應用支持層的標準業務，包括遙測遙控、航天器運行監視、設備訪問和信息交換等，為應用過程提供標準化通信服務。

(2)建立統一的器載網絡對象尋址命名機制，通過網絡層和傳輸層協議為航天器平臺和有效載荷應用過程提供統一的信息網絡尋址路由服務。應用過程采用這一機制，可在由多航天器和地面系統組成的全網范圍內實現端到端的透明信息交換。

(3)整合CCSDS的空間鏈路業務領域和空間互聯網業務領域系列標準，如信道編碼和同步、空間遙測遙控、高級在軌系統(AOS)、空間網絡互聯[6-8]，形成了統一的空間子網通信規范。

(4)采用SOIS標準中推薦的在器載子網中設置匯聚協議的技術，通過匯聚協議將1553B、SpaceWire等常用器載外部總線、串行數據傳輸接口、專用硬件接口等通信設備匯聚成具有相同對上業務接口的組件，根據系統的實際需要進行組裝、增加、刪除和替換。

2.3 器載通信硬件接口

綜合電子系統對各種硬件接口進行歸納和分類，根據各類接口的特點分別進行規范化設計，實現了接口的標準化和即插即用。

(1)專用硬件接口用于連接應答機等專用硬件設備，通過標準化設計適應系統配置組成的變化和重構要求。①標準化信道接口支持不同數量和碼速率的應答機靈活接入，支持器地和器間鏈路連接；②前向通道支持遙控指令通道的模塊化擴展，注入數據可以多路徑接入系統指定的處理中心，支持系統重構；③返向通道支持多信源動態調度，支持系統重構。

(2)通用硬件接口包括串行輸入輸出接口、并行輸入輸出接口等，為各類硬件設備接入系統提供標準化的接口。①存儲器加載接口(即串行輸出接口)和串行輸入接口(SDI)具有4線制自動應答控制機制，自適應各種數據長度和傳輸速率；②設備驅動程序可將接口配置成定長數據、不定長數據、有格式數據和無格式數據等多種工作模式，適應不同種類的設備接入；③支持接收數據單元的自動尋址路由。

(3)外部總線硬件接口、設備驅動程序和匯聚軟件組成相對獨立的總線組件，可在系統中組裝、刪除和替換，用于設備間的信息交換。1553B總線組件為設備間通信提供了時間觸發的通信機制。

2.4 標準化通信服務機制

通過采用CCSDS制定的異步消息業務(AMS)[9]，信息網絡服務為用戶提供一系列通用的基礎服務機制，支持智能處理過程中的信息交換過程，其主要功能如下。

(1)邀約-傳送：一個節點可以發出一個邀約請求原語，表示它愿意接收來自原語中指定節點的特定主題的私人消息；若該請求通過認證批準，受邀節點在有消息時向給其發出過邀約的節點發送相關主題私人消息。其中，私人消息是指特定節點間傳送的消息，是相對于用于發布的公開消息而言。

(2)邀約-群發：一個節點可以發出一個群發請求原語，請求向其中指定的向其發出過邀約的多個節點發送指定的消息；若該請求通過認證批準，AMS按照要求將該消息發送到指定的每個節點。

(3)訂閱-發布：一個節點可以發出一個訂閱請求原語，表示它請求訂閱公開發布的特定主題的消息；每個節點在有消息發布時向AMS發出一個發布請求原語，請求發布特定主題的消息，若該請求通過認證批準，AMS將該消息發送給每一個訂閱該主題消息的節點。

2.5 網絡管理

采用CCSDS制定的AMS標準，使器載網絡具有自組織能力。系統中的所有模塊都可以在任何時候加入系統，也可以在任何時候退出系統，而不影響系統其他部分的工作。由于上述特點，系統可以在任何必要的時候進行重構。

3 計算能力和存儲能力

3.1 智能處理的要求

計算智能是各種智能系統的核心部分，具有分布、并行、自學習、自組織、自適應等特性[10]。綜合電子系統應為器載智能處理提供所需的硬件和軟件支持，其最基礎的部分是支持分布并行計算、模塊化升級、系統重構的計算能力和存儲能力。具體包括：支持更換更高性能的模塊化部件提升系統的計算和存儲性能；支持通過模塊擴展、以足夠多的模塊分布并行地實現各種智能算法；支持系統重構完成不同類型的任務及故障修復。

3.2 接口重定向機制

系統擴展、重構和任務動態遷移必須解決計算單元和相關接口的動態連接，即接口重定向。接口重定向的實現方法如圖2所示。

注：m和n分別表示接口和計算機總數。圖2 接口重定向的實現方法Fig.2 Method of interface re-allocation

(1)空間域的接口重定向以系統連接矩陣為核心，由重定向指令控制矩陣連接節點的通斷，使接口正確連接到相應的計算單元；

(2)時域的接口重定向通過時間觸發總線規劃系統各部件(包括接口和計算單元)的通信時段，按照幀周期重復，實現計算單元和接口之間的交叉訪問。

3.3 總線體系

根據功能要求、通信速率、容錯和重構能力，構建了由CPU總線、局部總線、I/O通道總線和外部總線組成的4級航天器綜合電子系統總線體系，能夠滿足通用化、高效合理、高可靠的要求，如圖3所示。

注：SoC為片上系統；CPCI為緊湊型外設組件互聯標準；AMBA為高級微控制器總線架構。圖3 分層的綜合電子系統總線體系結構Fig.3 Architecture of layered avionics system data bus

3.4 硬件模塊化

(1)硬件模塊統一規劃設計。通過對綜合電子系統功能的詳細分析、抽象和綜合，將綜合電子系統的硬件規劃為通用計算機、總線與時間同步、數據存儲與復接、信道關口、遙控指令譯碼、大電流指令驅動、功率驅動、火工品管理、遙測采集9種基本模塊，制定了擴展模塊設計準則。形成以模塊為基本產品的器載硬件設計規范，支持基于模塊化產品的系統升級和重構。

(2)硬件模塊通用框架。提出由通用框架加特定功能組件組成不同硬件模塊的設計方法。其中：模塊通用框架包括供電管理、標準總線接口、操作協議、模塊測試容錯等通用支持功能；功能組件在通用框架的支持下完成模塊規定的功能。另外，完成通用框架的設計驗證，研制了通用框架核心接口協議處理芯片。

(3)模塊功能設計。完成以提高集成度和可靠性為中心的硬件模塊功能組件設計，使指令譯碼、遙測采集、功率驅動(熱控)、火工品管理等模塊功能密度和可靠性顯著提高。

3.5 軟件構件化

(1)標準化軟件體系結構。采用CCSDS制定的SOIS標準將綜合電子系統的基本功能劃分為一系列標準業務，對上為PUS業務提供支撐服務，對下為硬件模塊提供驅動連接。SOIS業務采用分層遞次支持服務的形式，各個業務相對獨立，可以根據需要和系統實際情況實現和組裝。

(2)構件化設計技術。將功能接口、程序代碼、數據和內部變量等封裝成一個可獨立配置、與外部環境分離的原子化軟件單元，稱為軟件構件。由軟件構件組成不同層次的標準業務，最終形成構件化、層次化的器載軟件。軟件構件化與業務、協議標準化相結合，從根本上解決器載軟件復用、適應用戶需求多變和在軌維護等問題，降低復雜系統開發的復雜度。同時，隨著不斷地復用和維護，器載軟件的可靠性也能夠不斷提高。

(3)基于信息流分析的軟件設計方法。將系統信息流分析作為基本方法，貫穿于需求分析、概要設計、詳細設計、測試驗證的全過程，并將軟件構件資源與可視化設計方法相結合，探索一種高效、高可靠的器載軟件設計新方法。

4 綜合保障技術

智能化、網絡化功能必然使系統的復雜度顯著增加。為了使系統仍然能夠可靠地工作，須要采用多方面的綜合保障技術，其中包含可測試性設計、容錯與系統重構設計、產品化設計、軟硬件資源的復用設計、專用集成電路設計等。

4.1 可測試性設計

采用從元器件固有失效模式出發，基于電路仿真的客觀化故障模式及其影響分析(FMEA)技術，解決長期以來FMEA準確度和完備性嚴重依賴于分析者經驗和主觀認識水平的問題，對輸入的原理圖進行性能仿真、故障掃描、影響結果分析歸納，最終自動輸出FMEA報表，通過客觀分析的方法保證FMEA的準確度和完備性。基于FMEA分析結果，將可測試性理論和技術應用于硬件模塊設計和專用集成電路設計，實現元器件級的故障檢測和故障隔離。

探索軟件在線測試技術，實時監測軟件系統運行結果，通過在線和離線測試、實時和事后分析定位軟件故障并實施在軌維護。

通過分級測試、報告、分析，實現系統故障測試診斷，為故障情況下的系統重構提供依據。

4.2 容錯與系統重構設計

上行注入任務可由系統中的任何一個通用計算機模塊接收執行，由系統自主管理，從而實現任務動態遷移和故障情況下的系統重構，提高系統的可靠性。信道關口模塊支持多路下行數據的動態調度，當一路信源故障時，可自動無縫切換到其他信源。

基于系統體系結構的支持，重要接口、模塊與多個通用計算機模塊可交叉連接，必要時可完成重構。

以上述技術為基礎，實現系統主控功能可轉移設計，系統中的各設備(如衛星管理單元、數據接口單元等)在一定程度上功能對等，可相互替代，故障情況下系統可重構，系統管理功能可自動從故障單元遷移到正常單元，使系統功能恢復。

4.3 產品化設計和資源復用技術

建立包括設計規范、硬件設計、軟件構件、現貨產品在內的系統設計資源庫，為后續航天器工程設計提供支撐。

確定以硬件模塊為基本硬件產品，制定模塊和機箱設計規范、兼容ARINC659總線和CPCI總線的底板設計規范，建立綜合電子硬件產品化的基礎。

完成涵蓋綜合電子系統基本功能的通用計算機、總線與時間同步、數據存儲與復接、信道關口、遙控指令譯碼、大電流指令驅動、功率驅動、火工品管理、遙測采集9種基本模塊產品研制。以9種基本模塊產品為核心，組成滿足任務要求的器載設備，保障系統的可靠性持續增長。

4.4 專用集成電路研制

以提高綜合電子硬件產品的功能密度和可靠性，并解決核心器件國產化問題為目標，規劃并研制ARINC659總線協議、ARINC659總線驅動、信道關口、分包遙控指令譯碼、模塊接口協議處理、遙測采集系統級封裝(SIP)、功率驅動SIP共7類8種專用集成電路，完成設計、流片和試驗驗證，與“十一五”期間完成研制并先期投入航天器應用的2種遙控指令驅動專用集成電路和已有的計算機類國產芯片產品一起，構成基本完整的器載綜合電子硬件核心芯片系列產品。

5 結束語

綜合電子系統技術在通信能力、計算能力和存儲能力等方面以標準化服務的方式為航天器智能化、網絡化應用過程建立了方便、高效、靈活的系統基礎結構，并通過綜合保障技術的應用確保系統在完成復雜任務的過程中安全可靠。

綜合電子系統將傳統的遙控、遙測和數據管理功能集成為一個簡便易用的標準服務功能包(通過PUS接口)，同時大大提升支持器載智能處理的性能，應用過程可專注于任務相關的智能化信息處理，而將下層的事務性工作完全交給服務系統完成。采用這種方法，航天器將能夠完成高度智能的復雜任務，如由多顆遙感衛星聯合完成在軌目標識別和高分辨率自主成像。

References)

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Tong Zhipeng，Liu Xing.Integrated electronic information system[M].Beijing: National Defense Industry Press，2010 (in Chinese)

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Lv Hong，Su Yun，Chen Xiaoli，et al.A scheme of satellite remote sensing payloads based on artificial intelligence [J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2014，35(3)：43-49 (in Chinese)

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Zhang Wenyu，Xue Huifeng,Xue Yu,et al.Knowledge discovery and intelligent decision [M].Beijing: Science Press,2014 (in Chinese)

(編輯：夏光)

To Build a Highway to Spacecraft Intelligentization with Avionics Technology

ZHAO Heping

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

Future space missions require that spacecraft has the capability of on-orbit intelligent process and the on-board avionics system is the center of spacecraft intelligentization. An avionics system developed for future intelligent applications integrates the traditional telecommand, tele-metry and data handling into a flexible service package while a unified infrastructure required by the on-orbit intelligent process is built. The infrastructure includes communication capability that provides common information and network service, computing and storage capability that supports distributed and parallel computing, module level expansion and upgrade, as well as system reconfiguration. With the infrastructure the applications can focus on on-orbit intelligent process to implement various complex missions.

spacecraft avionics system；intelligentization；space communication；standardization

2015-11-19；

2015-12-03

趙和平，男，研究員，從事航天器電子信息系統和信息安全方面的設計和研究工作。Email：zhpcast@hotmail.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.001