微小衛星綜合電子系統中的即插即用技術研究

張路 國家新聞出版廣電總局五五四臺

前言

在綜合電子系統作用下，能為微小衛星其他平臺提供調度服務以及信息管理，確保多個系統的穩定運行。隨著空間任務更加復雜化，加快綜合電子系統的研發已經成為重要任務，需要將即插即用技術和綜合電子系統聯系起來，以便滿足衛星空間任務快速響應的要求。在明確即插即用關鍵技術的基礎上，還要注重以即插即用技術為基礎的綜合電子系統的建立，以便取得較好的系統應用效果。

1 即插即用技術在微小衛星綜合電子系統中的應用優勢

即插即用技術是指跳過軟件配置和線路設計等過程，在系統中接入即插即用技術后，能針對運行中的系統進行動態監測和功能的優化。能滿足即插即用的功能部件相較于以往的硬件模塊有著較好的擴展性和靈活性，在具有即插即用功能的電子平臺上接入需要的功能部件，能快速完成電子系統的改造，在微小衛星綜合電子系統中有較好運用優勢。當前國外已經有多顆面對突發任務需要的快速響應微小衛星取得研制成功，最具代表性的便是“戰術星”計劃，能通過已有的衛星平臺和載荷接口等有關技術，在短時間內生產并發射衛星，降低了衛星系統的研制成本，能快速完成衛星發射任務。另外，美國提出了空間即插即用技術，能針對系統功能需要連接相應的功能部件，一定程度提高了衛星平臺的資源管理水平，建立起靈活的微小衛星電子系統體系。而美國Space公司基于模塊化衛星平臺研制的MMB-100衛星使用標準USB接口和以太網，同樣突出了即插即用的功能優勢，保證綜合電子系統功能的不斷優化。從已有即插即用技術研究成果來看，該技術能起到提高綜合系統可拓展性及靈活性，縮短了系統設計、組裝和功能升級的時間，有著重要戰略意義。

2 即插即用技術應用在微小衛星的主要技術

2.1 即插即用基礎上的通訊協議規范

主要包括通訊機制、傳輸機制、握手機制等，在計算機系統上導入固定程序，管理軟件、操作系統和功能部件將按照規范協議完成設計工作，有利于提高系統性能。利用統一的通訊協議規范，使得各個系統模塊間的信息傳遞效果較好，能實現系統集成，簡化了微小衛星綜合電子系統開發步驟。

2.2 功能部件

為了發揮即插即用技術應用優勢，還要注重支持該技術的微小衛星功能部件的設計和研發，能按照即插即用統一協議發揮部件功能，例如太陽敏感器、GPS星敏感器等。這些模塊自身帶有部件參數和設施信息等驅動程序，簡化了衛星研制過程，能在短時間內完成功能部件的組裝和運用。基于即插即用技術的功能部件，為綜合電子系統功能的優化調整提供了有效途徑，突出了系統運行優勢。

2.3 支持即插即用技術的微小衛星

當完成衛星內部電子系統設計和研發后，需要再次考慮微小衛星能否支持即插即用的問題，上文主要闡述了支持即插即用技術的功能部件，除此之外，還要從微小衛星角度出發，使其滿足即插即用技術使用要求。通過為即插即用技術在綜合電子系統中的使用奠定基礎條件，能保證該技術和綜合電子系統研發的有效結合，為今后綜合電子系統發展提供技術支持。

2.4 星務管理軟件

隨著即插即用技術在微小衛星綜合電子系統中的應用，能滿足衛星功能部件隨時接入或移出的要求，利用星務管理軟件能實時檢測系統功能部件配置情況，結合衛星發射的系統需求，動態調整軟件結構，發揮其在綜合電子系統開發上的作用。例如，注銷進程、針對性調整當前進程資源的使用狀況，同時還可在新的功能部件接入后，通知控制軟件實現重構，以便提高軟件測量準確性。實踐表明，星務管理軟件的研發和利用在加強綜合電子系統性能上有重要意義，是實際運用即插即用技術時應關注的重點內容。

2.5 操作系統內核

這一關鍵技術的應用，能快速完成系統開發，降低了開發難度。操作系統內核是通過驅動程序設計、維護驅動程序設置來得到的，適用于部分微小衛星功能部件上。衛星整體設計方案確定后，可根據硬件配置情況進行操作功能的設計，在操作系統內核作用下，完成綜合電子系統的開發，保證系統能完成一些操作指令。

2.6 支持即插即用技術的總線接口

為了保證功能部件在綜合電子系統運行中的即插即用，需要結合即插即用技術使用特點進行總線接口的調整，完成數據總線的改造。例如，CAN和UART由于技術簡單、操作簡便等特點，可在總線進口初始研究階段使用；而USB接口能很好支持下即插即用功能，可利用該接口進行總線改造，具有較好應用前景；藍牙更多注重衛星活動時即插即用功能的實現。將上述接口方式運用到綜合電子系統的總線接口改造中，能取得較好應用效果，進一步達到綜合電子系統動態調整的目的。

3 即插即用系統的實現

對于微小衛星來講，具有質量輕、體積小、功耗低等優勢，在總線設計上，主要采用異步串口的方式。下面將針對即插即用技術在綜合電子系統中的應用進行分析，進行總線接口技術的改造，使其具有即插即用功能。經過改造后的接口系統，在物理層上經過多個綜合電子系統控制器，建立起一對多的拓撲結構，并且在系統層上通過協議棧的方式得到針對多個系統接口的驅動程序，在協議棧作用下，綜合電子系統能對內部數據進行實時管理。串口設備只在需要作業時才通電，避免產生能耗，并且串口設備不工作時，不會對主機發送信號。

根據以上改造思路，可得到基于多個接口的綜合電子系統，這一系統由報文系統、通訊接口和即插即用系統組成。其中即插即用系統主要起到設置標準協議棧的作用，能對總線下游接口進行監控，在發現接口運行故障時，會自動進行設備初始化。根據功能軟件獲取的設備信息，進行數據信息和傳輸渠道等資源的分配，確保各類數據能通過接口及時傳達至主控制室。這一系統設計思路，考慮到系統功能部件驅動機制的實現，以及多種衛星驅動模塊的設計，以便支持即插即用技術的使用。當制定整體方案后，可進行功能部件配置以及工作模式的調整，得到符合應用需要的操作系統。具體來說，即插即用技術的使用，將是未來衛星綜合電子系統主要發展趨勢，需要加大對即插即用關鍵技術的探究，總結該技術在綜合電子系統中功能有效發揮的途徑，以便建立起靈活性、功能性強的綜合電子系統。

4 結論

綜上所述，即插即用技術遵循了航天設計中的通用化、模塊化原則，可根據微小衛星綜合電子系統功能要求，進行衛星總線的技術改造，研發出功能部件和電子平臺，為微小衛星的設計和研制提供有效平臺，使其在通過集成測試后能快速達到發射狀態，以便達到降低成本、縮短衛星研制周期的效果，為我國航天領域發展提供基礎條件。