國外航天電子系統模塊化架構發展概述

劉紅軍 方芳

（1 中國電子科技集團有限公司第十研究所 2 中國電子科技集團有限公司電子科學研究院）

近年來，多個國家曾提出通過促進商業航天來推動航天系統和應用的發展。盡管小衛星系統等相對廉價的衛星系統的快速發展和成熟在一定程度上可以作為推動商業航天發展的契機，但阻礙商業航天發展的根本問題還是在于航天系統的專用和定制特性。衛星根據特定任務和需求專門設計和制造，衛星平臺通常是定制的，且與載荷系統之間緊密耦合，系統集成商與元器件供應商緊密依存，無法形成真正的市場競爭環境下的航天系統產業鏈。有鑒于此，目前美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）分別提出了“航天通用模塊化架構”（SUMO）和“航天電子開放接口體系架構”（SAVOIR）計劃，以開發適用于航天系統領域的開放模塊化架構，通過標準化和模塊化設計，滿足航天任務對響應性、靈活性、可伸縮性和模塊化的迫切需求，促進國際航天市場的競爭，充分發揮全球航天產業的工業能力，使工業單位能夠以更低的成本向用戶提供更多的功能性。

1 美國SUMO計劃

美國政府部門2013年發起并主導SUMO研究計劃，旨在通過為航天系統建立模塊化的架構，在降低航天系統開發和研制成本的同時不降低甚至提高系統性能和系統可靠性，促進航天領域的國際市場競爭，形成更加合理和完善的航天系統產業鏈，促進創新。

SUMO計劃組織結構

SUMO計劃由美國國防部（DoD）和國家偵察主管辦公室（ODNI）、NASA、空軍航天和導彈系統中心（SMC）、國家偵察局（NRO）和空軍研究實驗室（AFRL）協同眾多工業單位開展，這些工業單位包括主承包商、分包商和元器件供應商等。該計劃試圖通過建立行業認可的標準實現降低航天系統開發成本、縮短研制周期的目標。美國政府成立了“綜合過渡團隊”（ITT）推動SUMO計劃的實施，并制定了相應的過渡計劃。ITT團隊由來自SMC、NASA和NRO的高級政府代表共同執掌，他們代表政府為計劃的實施提供相應的支持。在其推動下，2014年6月成立了由工業單位主導的航天行業標準聯盟（CSIS），負責支持SUMO相關行業標準的制定。這些標準的制定是以工業單位為主導、政府參與并提供輸出。

建議的SUMO標準體系架構

SUMO計劃工作任務

SUMO計劃確定的概念體系架構包含硬件連接和邏輯接口，從功能性角度主要包含四層：組件、組件互連（數據和電氣）、軟件基礎結構/服務（連接組件與飛行軟件應用）和軟件應用。分配給上層的組件類使用下層的接口，以便使其行為與航天電子系統的其他硬軟件組件的特性去耦合。

SUMO架構分層概念

該體系架構的互操作性主要通過制定接口規范實現。目前，在CSIS的指導下，已確定了SUMO所需的標準體系，而SUMO計劃目前的主要任務就是支持這些標準的制定，即：①開發和實現模塊化、標準化的數據和電氣接口；②建立能夠涵蓋多種發射和任務環境的通用測試環境標準。

（1）數據接口標準

SUMO計劃借鑒“航天數據系統咨詢委員會”（CCSDS）以及其他現有標準，將主要定義電子數據表（EDS）、軟件參考架構和數據模型。

EDS—AFRL的“空間即插即用體系架構”（SPA）為各種組件設計的EDS目前已經得到了CCSDS的“航天器載接口服務”（SOIS）工作的采納，而SUMO計劃也借鑒了相關的設計。EDS支持在衛星數據總線上自動化地插入組件，加快集成過程，增強總線的可重配置能力。它是一個有關設備指標的機器可讀的表格，其標準化的數據支持任務自動化地實現，且可避免轉錄誤差。SUMO的EDS將基于電氣和電子工程師協會（IEEE）的“傳感器電子數據表”（TEDS）和SPA的“基于可擴展標記語言的傳感器電子數據表”（xTEDS）實現，并確保能與CCSDS SOIS制定的相關標準兼容。

EDS航天任務應用

軟件參考架構—SUMO還會定義一個包含軟件抽象分層的通用軟件參考架構，它將采用標準化的接口以降低集成成本和引入新技術的難度。目前已有的軟件體系架構模型眾多，包括NASA的“核心飛行系統”（cFS）、美海軍“開放體系架構”（OA）、SOIS、“未來機載能力環境”（FACE）等，它們都采用分層結構，強調各層之間隔離，重點關注軟件組件之間的通信，并利用抽象層來實現組件重用。SUMO也借鑒這些經驗設計了通用軟件參考架構，綜合考慮了地面和星上軟件。

數據模型—SUMO主要利用數據模型來確保數據定義的一致性，并因此提高軟件復用能力。目前在航空領域廣泛采用基于模型的開發，定義完善的數據模型也有助于在航天領域引入這種開發模式。

此外，在SUMO架構開發的過程中，還會考慮網絡安全/信息保證能力問題，確保制定的相應標準能夠滿足不同風險等級的需求，并明確組件或航天認證的主體。

（2）電氣與物理接口標準

電氣與物理接口標準主要考慮物理和信號標準，目前相關的成熟標準已經很多，SUMO需要根據自身的需求選擇可用的接口標準，盡可能地利用少量標準滿足多種需求，例如廣泛使用“低電壓差分信號傳輸”（LVDS）和MIL-STD-1553電氣信號傳輸標準等。此外，NASA和DoD還在合作開發應用于航天電子系統背板的“下一代航天互聯標準”（NGSIS）。

（3）環境檢驗標準

對于航天電子系統組件而言，SUMO未來實現的主要轉變之一是使當前組件接口根據應用定義轉變為組件接口，根據行業認可標準定義，將原有的系統定制總線轉變為具有開放接口的模塊化總線。而在此過程中，需要有官方機構來鑒定組件是否符合相應的標準，SUMO需要確定組件檢驗鑒定環境，包括根據不同應用需求如震動、散熱、輻射等確定相應的測試等級，建立標準化的測試環境等。

SUMO計劃相關研究基礎

美國SUMO計劃并非是要從頭開始開發開放模塊化的航天電子系統體系架構及相關標準和協議，而是以現有國際和美國已有相關組織及機構開發的架構、標準和協議為基礎開展相關研究，特別是美國已有相關研究成果，比較典型的是AFRL開發的“空間即插即用體系架構”（SPA）以及NASA、DoD和工業部門聯合開發的“下一代航天互聯標準”（NGSIS）。

（1）SPA

AFRL開發的航天即插即用架構示意圖

為了縮短航天器設計、制造、集成和測試周期，將衛星的開發階段從幾個月甚至幾年縮短至幾天，AFRL于2004年開始開發航天領域適用的“即插即用”（PnP）技術，目前已完成了SPA的初步研究，并且SPA草稿已通過了美國航空與航天學會（AIAA）認證。2011年，AFRL對SPA概念進行了優化并重新命名為“模塊化開放網絡體系架構”（MONA），簡化SPA技術的實現，并針對大型、高可靠性航天應用進行了優化，不再過度強調快速開發。MONA繼承了SPA的技術基礎，它利用電子數據表把設備組件變成自描述和自組織網絡和硬件，進而實現模塊化衛星零部件之間的互通，最終目標是在航天系統領域實現類似個人電腦外設的即插即用能力。

SPA的核心支撐技術包括：

1）單點接口與協議。目前已開發的協議包括基于USB成熟的自發現和自動配置協議的SPA-U協議，基于SpaceWire網絡的SPA-S協議，以及基于針對低開銷應用的I2C通信標準的SPA-I協議等。

2）“應用傳感器接口模塊”（ASIM）。ASIM類似于USB的接口芯片，用于簡化即插即用設備的創建。ASIM內加載的關鍵軟件包括：xTEDS—描述了硬軟件模塊可用數據產品；“SPA服務管理器”（SSM）—用于支持發現和訂閱/推送功能；“通用數據字典”（CDD）—為整個系統定義了相對穩定的術語集合。

AFRL目前仍在進一步使SPA技術成熟化。相比SPA，SUMO主要目標是降低衛星開發成本，對大幅縮短開發周期的要求不高，因而SUMO最終形成的標準并不要求使用SPA中最關鍵的即插即用單元—自配置和自組織組件。

（2）NGSIS

NGSIS是NASA、DoD和工業部門合作開展的項目，目標是定義一組航天電子系統組件互聯的標準，以降低未來航天系統研制的成本并提高開發效率。該項目初期的重點是開發電子背板級內部互聯標準。

NGSIS團隊目前已經選定VMEbus國際商業協會（VITA）的OpenVPX系列標準作為物理基線，并且還選定了RapidIO協議作為數據傳輸的基礎協議。OpenVPX和RapidIO是NGSIS設想的航天電子系統模塊化架構的基礎框架。

NGSIS標準是要利用開放式和模塊化架構以及互聯標準為航天電子系統提供足夠的靈活性，使用戶可以實現各種系統配置的同時，滿足互操作性和可靠性要求。

SUMO過渡計劃

SUMO過渡計劃主要分三個階段。

第一階段：通用組件選定—選定符合寬泛性能和環境要求包絡的組件集合，確定相應的性能要求、“通用檢驗環境”（CQE）、測試方法以及相關的零部件/材料/過程。

第二階段：標準組件接口開發，它又分為四個子階段。

2a：確定SUMO標準體系，主要是標準接口定義，該階段工作將會參考CCSDS或其他相關標準體系。

2b：開發EDS，它是一種通用語言的、機器可讀的文檔接口，該階段工作將會借鑒AFRL和CCSDS已有的研究成果。

2c：實施組件認證，確保通用組件與SUMO的兼容性，即在通用組件中應用SUMO標準化的電氣和數據接口，同時作為過渡方案，還要考慮開發一種適配器設備，用于通過認證的組件與特殊總線間的轉換。

2d：SUMO演示驗證，對通過認證的組件進行演示驗證。

第三階段：標準航天器接口開發，它分為兩個子階段。

3a：啟動原型系統飛行試驗項目，在必要時可能會使用少量適配器。

3b：啟動正式采辦項目，開發符合SUMO要求的總線。

SUMO過渡計劃進度安排

SUMO計劃將會融合現有標準中精華部分以及最新的技術和方法，構建一個行業認同的標準化、模塊化體系架構，最終目標是向CCSDS推薦美國的體系架構方案，在CCSDS工作組達成一致并建立相應的國際標準，然后再向國際標準化組織（ISO）推薦。

2 歐洲SAVOIR計劃

在意識到航天電子系統領域需要提高標準化水平以提高效率、降低成本和縮短研制周期之后，歐洲航天工業界和航天機構于2007年成立SAVOIR咨詢小組，并啟動了SAVOIR計劃，整合歐洲航天領域的相關研究工作，開發通用SAVOIR。

SAVOIR計劃實施流程

SAVOIR從航天產業生態鏈的角度出發，讓航天電子系統用戶、系統集成商、航天電子系統和技術供應商，以及相關標準化組織等，共同參與體系架構開發，使用戶方能夠實現航天電子系統采辦流程流水線化，使系統集成商能夠促進航天電子系統的采辦和集成，使供應商可以為高效產品線規劃準備技術條件。

SAVOIR希望利用各方認可的參考體系架構改進航天系統交付的方式，降低風險，縮短研制周期，降低成本并促進行業競爭。其實施途徑是：確定各方一致認可的參考體系架構，基于該架構制定相應的功能規范，供應商基于這些功能規范開發產品。

SAVOIR實施流程

基于上述的流程，SAVOIR計劃確定了其輸出的主要成果將包括涵蓋軟硬件和通信的航天電子參考體系架構、硬件和通信功能體系架構、軟件體系架構、S/A功能接口，以及業務模型。

SAVOIR計劃組織架構

SAVOIR計劃由SAVOIR咨詢小組負責協調，該小組由來自政府機構[ESA、法國航天局（CNES）、德國航空航天局（DLR）]、大型衛星集成商（空客防務與航天公司、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司和OHB公司），以及航天電子硬軟件供應商（RUAG、塞萊斯·伽利略和TERMA公司）的代表組成。在SAVOIR咨詢小組下面設立了8個工作組：

1）軟件工作組，負責開發軟件參考體系架構；

2）“綜合模塊化航天電子系統”（IMA）工作組，負責配置分區的時間和空間資源，該項工作目前已完成；

3）傳感器傳動裝置電氣接口工作組，負責確定傳感器/傳動裝置電氣接口，該項工作目前已完成；

4）傳感器傳動裝置功能接口工作組，負責確定傳感器/傳動裝置功能接口，該項工作目前已完成；

5）大容量存儲器工作組，負責開發大容量存儲訪問接口和服務；6）航天電子網絡工作組，負責開發功能鏈接；7）故障檢測、隔離、恢復工作組，負責開發相關的故障檢測、隔離、恢復機制；

8）自動化編碼生成工作組，負責研究自動化代碼生成技術。

SAVOIR計劃已開展多年，目前一些工作的任務已經完成。

SAVOIR計劃航天電子參考體系架構

SAVOIR的主要產物之一是定義一個滿足多個任務領域需求的航天電子系統參考體系架構，該架構設計考慮了航天電子系統開發一系列相關需求，包括天地通信、星上通信、可靠性、故障管理、自主性需求、星上功能和性能、設計限制以及可操作性需求等。

該參考體系架構主要包括：

1）星上通信鏈路，是航天電子體系架構的基礎骨干，它將航天器的主要電子功能連接到一起，一般會分成多條串行鏈路以隔離數據流并支持不同數據率的通信鏈路；

2）遙測/遙控（TM/TC）功能，用于與地面之間進行雙向射頻通信，它通常包括遙測/遙控收發信機、天線和射頻導線，該功能還會考慮相關的安全能力；

3）大容量存儲器，主要用于存儲大容量的數據，即“遙測內務處理數據”（HKTM）和科學數據；

4）星上計算機，包括處理器及其軟件，計算機軟件以及其他航天電子系統軟件從系統的角度可以劃分為基礎系統部分和應用部分；

5）遠程終端單元/遠程接口單元（RTU/RIU），用于連接非智能設備（如傳感器和傳動裝置）和主通信總線，收集來自航天器的離散數據（如熱敏電阻數據、狀態數據等）以及把離散指令發送給航天器；

6）“姿態與軌道控制子系統”（AOCS）傳感器和傳動裝置，其選擇是基于軌道特性、航天器尺寸、任務所需的指向精度/敏捷性以及可靠性要求確定；

7）載荷和儀表是作為外部功能，它們需要利用數據處理接口并要對資源進行處理以便管理。

SAVOIR計劃硬件和通信功能體系架構

根據上述航天電子參考體系架構，可以從硬件的角度劃分成幾個硬件設備群。通過將這些功能映射到實際物理設備上有助于設備供應商明確其產品線范圍，對于供應商來說，功能架構相對穩定可靠，設備增減對其影響較小，然后可以將每個功能與其具有可變參數的通用規范相關聯。

目前的趨勢是利用少量的硬件實現多個功能，比較明顯的是越來越多的功能匯聚到兩個主要設備：星上計算機（OBC）和RTU/RIU。為此，SAVOIR目前正為這兩種設備制定相應的通用規范，在此過程中會借鑒現有或未來的接口標準，特別是航空電子系統總線協議，如MIL-STD-1553、SpaceWire、CAN總線以及適用航天標準化歐洲協調組織（ECSS）的串行鏈路等。

SAVOIR計劃星上軟件參考體系架構

該軟件參考體系架構是基于組件模型概念實現。其中，應用軟件實現使用的組件無需特別了解其執行環境，組件通過執行平臺提供的服務運行。組件在執行平臺上的映射是通過執行平臺最上面的交互層內實現的設計規則集合完成，而該交互層可以利用所謂的軟件總線（自動化工具集合）自動生成。

應用軟件利用組件實現平臺功能鏈。該軟件體系架構將信息學問題（如通信、軟件機制等）與功能子系統需求（如AOCS、散熱、功率等）隔離開，使系統可以與底層軟件問題去耦合，提高了軟件壽命周期的靈活性和響應性。這種靈活性的典型例子是在執行平臺上引入時空分割，只需增加分割內核并將部分構建塊移到相應的分區就能實現。

SAVOIR計劃進展情況

SAVOIR主要分為三個階段：

第一階段：確定研發技術路線圖。SAVOIR在2009年和2010年就確定了一系列高優先級航天電子構建塊，并成立了三個工作組，即軟件體系架構工作組、傳感器與傳動裝置電氣接口工作組和傳感器與傳動裝置功能接口工作組，這三個工作組已分別在2010年和2011年完成相關的研究工作。

第二階段：從概念到實現。根據第一階段確定的技術路線圖，明確了具有標準化接口的參考體系架構和構建塊的需求，并開始定義構建塊、參考體系架構和相關流程。

第三階段：從實現到部署。目前正在進行的第三階段主要工作是發布相關文檔，部署相關的具體工程。

3 結語

在商業航天戰略的推動下，以小衛星為代表的低成本航天系統快速發展，近期涌現的以太空探索技術公司（SpaceX）等為代表的小衛星星座計劃部署的衛星數量多達上萬顆，衛星也有了批量生產的需求，迫切需要發展標準化、模塊化的體系架構，并基于這類架構推動航天系統的標準化、模塊化開發和研制。在此背景下，NASA和ESA都啟動了相關研究工作，并已經取得了相應的進展。

盡管近期美國提出要加強太空軍事力量，但是航天領域技術發展的基礎仍是民用航天，因而無論NASA還是ESA在開展開放化、模塊化航天電子系統架構研究時都大量參考了CCSDS的相關協議和標準，并將其研究成果得到CCSDS的確認和采納作為目標。就像移動通信領域的技術體制標準在3GPP組織的推廣下得到快速發展一樣，航天領域的這類模塊化體系架構也有望在CCSDS組織的推動下形成類似的全球航天產業，美歐都希望能夠搶占技術先發優勢。