中國航天器電子系統發展回顧與展望

高源 張曉明 戴萌 李鵬 田棟

摘? 要：本文首先回顧了我國航天器電子系統的發展歷程。我國的航天器電子系統經歷了獨立分系統、功能集成系統和綜合電子系統三個發展階段。然后介紹了航天器綜合電子系統的體系結構和技術特征。最后討論了航天器電子系統的發展趨勢，進一步優化體系結構，提高模塊化、智能化、可重構性、網絡化及有效集成水平是未來的趨勢。

關鍵詞：航天器? 電子系統? 集中式? 分布式? 模塊化? 綜合電子系統

中圖分類號：F426? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0014-03

Abstract： The development of spacecraft electrical system in China has been reviewed. The electronic system can be divided into stand-alone system， functional integration system， and avionics. Then， the electrical architectures and features of avionics have been introduced. Finally， the development trend of spacecraft electronic system has been discussed. The future trend includes the optimization of architecture， modularity， intelligence， reconfigurability， networking and effective integration.

Key Words： Spacecraft; Electrical system; Concentrated; Distributed; Modular; Integrated electronic system

近年來，空間任務變得越來越復雜多樣，對航天器的要求也越來越高，特別是其核心電子系統。現代電子技術、計算技術、控制技術和信息工程的進步大大促進了航天器電子系統的發展。集成度更高、運行速度更快、功耗更低的先進電子系統非常適合執行太空任務。航天器電子系統相當于航天器的大腦，能夠實現航天器的數據管理、姿態軌跡控制、導航、測控、熱控等功能，是航天器執行所有任務的基礎[1]。航天器電子系統對航天器的設計、測試、軌道維護及空間應用有非常大的影響。然而，航天器電子系統是一個非常寬泛的概念，并沒有明確的標準和定義。通常，航天器電子系統是指與機械系統平行的所有執行非機械功能（例如，控制、通信等）的電子設備（包括軟件）的總和。有效載荷雖然同樣主要由電子設備組成，但由于航天器的具體任務不同，存在巨大的差異，不在本文討論之列。

1? 我國航天器電子系統的發展歷程

從第一顆人造地球衛星到第一個空間實驗室，中國航天從無到有，從小到大，從弱到強。作為航天器核心的電子系統主要經歷了以下3個發展階段。

1.1 獨立分系統

早期的航天器電子系統將相互獨立的電氣和電子系統進行整合，以完成復雜的空間任務。按照功能的不同，航天器被分為各自獨立的系統，每個功能模塊配備了傳感器、處理器、通信模塊等設備。所有設備之間相互獨立，采用點對點連接。所有的設備和數據只用于某個特定功能，并不能與其他功能共享。早期的這種方案被稱為獨立分系統設計。由于各個分系統是相互獨立的，某個系統出現故障不會影響到另一個系統。但是，這種設計增加了設備之間信息交換的困難，降低了系統的靈活性。另外，設備之間大量的電纜帶來非常嚴重的電磁干擾，降低了系統的可靠性。1970年4月24日，我國發射的第一顆人造地球衛星東方紅一號采用的便是獨立分系統設計。

1.2 功能集成系統

獨立分系統設計存在諸多弊端，不能滿足復雜的空間任務的要求。功能集成系統將航天器的每一項功能構成一個系統，采用集中式或總線式的系統結構，將電子系統的數據、信號處理及控制硬、軟件資源合理分配，以完成復雜的空間任務。航天器的各個分系統通過數字總線相互連接，每個分系統都擁有自己的控制器、傳感器和執行器，以實現各種功能，這使得整個系統極其復雜，系統中存在許多重復設備。1999年10月14日，中巴地球資源衛星（CBERS-01）發射成功，在軌運行3年零10個月。CBERS-01借鑒了歐洲的星載數據處理系統（OBDH， On Board Data Handling System）的架構，第一次引入了星載數據管理系統（OBDM， On Board Data Management System）[2]。與獨立分系統相比，功能集成系統的體系結構是一個革命性的進步。但是，各個分系統相互獨立設計，不能充分利用航天器上的資源，使得系統的整體功耗高、體積大、重構能力弱、功能密度低。

1.3 綜合電子系統

為了提高航天器的總體性能，增加航天器的功能密度，有必要采用一體化設計的理念，在航天器電子設備之間使用標準接口和協議規范，構建具有以下特點的電子系統：信息共享和綜合利用、功能集成、資源優化，簡稱為綜合電子系統。綜合電子系統整合了遙測、遙控、數據管理、姿態和軌道控制、電源管理及熱控制等功能。通過規范接口和協議，提高了硬件模塊的通用性。通過對信息流進行整合，可以提高電子系統的功能密度和整體性能。2011年11月8日，螢火一號（YH-1）火星探測器搭乘俄羅斯的福布斯號采樣返回探測器一起發射。螢火一號采用了小型化、集中式的綜合電子分系統方案設計，具有非常高的可靠性和自主性[2]。目前國外公開的綜合電子系統有美國的LM900、歐洲的Avionics4000等。采用一體化設計的綜合電子系統是航天器電子系統的發展趨勢。

2? 航天器綜合電子系統

綜合電子系統（Avionics）是一個基于中央計算機管理的集成電子系統，基于分層的體系結構。綜合電子系統對航天器的各個任務進行管理和控制，監控航天器的整體狀態，協調航天器的工作，管理載荷，實現各個功能模塊的信息處理和共享。航天器綜合電子系統的設計打破了傳統的設備和分系統的界限。與以前的系統相比，綜合電子系統最大的區別在于強調將所有組件放置在完整合理的體系結構中，采用自頂向下的系統工程方法完成系統開發。綜合電子系統建立了通用的體系結構，根據信息流動將系統劃分為標準模塊，這些模塊將根據任務要求與設備結合使用，從而可以顯著提高系統的性能和功能密度。

綜合電子系統強調各個功能模塊能夠充分協調，通常采用基于總線的模塊化架構。如圖1所示，系統由星務管理單元和通過外部總線連接的功能模塊組成。系統硬件設計特別強調模塊的通用性和接口的標準化。這種結構具有很高的靈活性和可擴展性，并且可以根據不同的任務要求靈活地配備功能模塊，可以縮短產品的開發周期，降低開發成本，并提高系統可靠性。目前常用的數據總線包括1553B、CAN、RS485等，此類總線僅能實現對速度要求不高的一些控制和數據的傳輸。對傳輸速率有較高要求的數據，可采用歐洲航天局提出的SpaceWire總線[3-4]。

3? 航天器電子系統的發展趨勢

經過幾十年的發展，當前的航天器電子系統在體系結構、數據處理、傳輸和存儲、功能集成、標準化等方面都得到了顯著提高。但是，系統結構、模塊化、智能化、 網絡化等方面仍有巨大的發展空間[5-7]。我們認為未來航天器電子系統的發展趨勢包括以下幾個方面。

（1）體系結構。前文所述為采用集中管理模式的綜合電子系統，這種體系結構能夠實現非常高的集成度。但是也存在一些弊端，如管理單元和各模塊存在大量數據交互，對管理單元的可靠性要求非常高等。各個航天大國現在重點研究的基于分布式的綜合電子系統既能按照統一的整體實現航天器的功能，也能按照獨立的個體實現獨立的分工、數據和信息處理，能夠大大提升系統的可靠性。然而，其系統集成度略低。目前來看，集中式和分布式體系結構都還存在一定的局限性，還有比較大的提升空間。

（2）模塊化。模塊化系統始終是航天器電子系統的發展趨勢。如何在系統的角度，根據現有的工業標準和現有的電子技術更快、更好、更省的實現模塊劃分，提高模塊的通用性、系統的兼容性是航天器電子系統的發展目標。

（3）智能化。智能管理和調度是實現自主航天器管理的關鍵技術之一。 航天器電子系統作為決策中心發揮著至關重要的作用。電子系統根據指定的飛行任務有效地調度所有的硬件和軟件資源，減少航天器對地面的依賴，并提高完成任務的能力。

（4）可重構。利用可重構技術可以大大提高航天器電子系統核心處理單元的處理能力和可靠性。根據航天器不同運行階段的需求差異，利用可重構技術可以大大降低系統復雜度;另外，在部分模塊故障時，利用可重構技術可以提高系統的容錯性能，提升整個系統的可靠性。

（5）網絡化。單個航天器的功能過于單一，多個航天器相互協作，共同完成一項復雜的任務是未來的發展趨勢。單個航天器充當網絡中的智能節點，各個節點通過網絡交換信息，多個節點相互協作完成某項復雜任務。這就要求航天器電子系統可以通過先進的數據鏈路網絡技術交換實時信息，完成信息共享、信息融合等任務，這與航天器的智能化密不可分。

（6）平臺和有效載荷的集成。航天器的平臺和有效載荷大多是單獨開發的，兩者只有少量數據交換。 隨著技術的發展，通用平臺和有效載荷的集成和優化設計已成為重要的發展方向。航天器電子系統可以提供必要的計算、存儲、處理，通過加載不同的應用軟件來實現所需的功能。因此，載荷的設計者集中于性能的改進和數據處理算法的實現，而航天器電子系統的設計者可以集中于高度可配置、高性能和通用平臺的開發。

4? 結語

本文主要介紹了我國航天器電子系統的發展概況，經過幾十年的發展，取得了非常大的進步。從簡單到復雜，從單機設計、分系統獨立設計到一體化設計。隨著空間應用復雜度的不斷提高，對航天器電子系統提出了越來越高的要求。這些實際需求正加速推動航天器電子技術的下一次變革，更加智能的、微型的、通用的航天器電子系統離我們越來越近。

參考文獻

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