AIAA空間即插即用標準研究

王磊 孫叢林 郭晉媛

（北京空間科技信息研究所，北京，100094）

即插即用（PnP）技術起源于計算機技術，通過即插即用技術能夠自動配置計算機的板卡和其他外圍設備，使對應的設備無需額外安裝驅動即能夠正常工作。為解決快速響應空間的問題，美國率先提出將PnP技術引入航天領域。引入即插即用技術后，衛星各分系統均按照標準化接口設計，各設備的自身繼承性良好，與整星的接口匹配性好、標準化程度高，便于衛星快速總裝、快速測試，使衛星研制周期大為縮短。在星上設備改型換代時，也由于即插即用接口的標準化，使得新設備很快可以接入衛星系統，減少了接口協調帶來的工作量，降低了新設備的技術風險。

美國空軍研究實驗室提出了空間即插即用電子系統（Space Plug-and-play Architecture，SPA）技術體系，該體系用于支撐美國提出“作戰響應空間”計劃，并成功研制了PnPSat等即插即用衛星；俄羅斯SPUTNIX公司也按照“空間即插即用體系結構”集成并測試了星載控制系統設備。空間即插即用技術的應用，實現了航天器機械接口、電源接口、數據接口、熱接口的統一，降低了研制成本，縮短了研制周期，實現了航天器快速研制、快速集成、快速發射。AIAA于2013年發布了AIAA G-133-1～10-2013《空間即插即用體系標準》，以指導空間即插即用技術的應用。研究借鑒AIAA即插即用標準，對我國空間即插即用技術的進步和快速響應航天器的研制具有重要意義。

1 AIAA相關標準發展過程

空間快速響應要求的提出為即插即用模塊化衛星的研究提供了最根本的源動力。美國空軍研究實驗室（AFRL，Air Force Research Laboratory）在2004年主導的項目“空間快速響應高技術研究”（RSATS）將精力集中于尋求各種可能應用在加快空間任務研發速度的技術上，該項研究指出了一批可能應用于快速建造空間飛行器的技術方向，包括微型子系統（微電子，高等封裝技術，微機電系統的結合產物），高性能在軌計算能力，可重配置系統方法（例如現場可編程門列陣，適應性布線技術，自定義軟件無線電的概念），RSATS將這些概念與 “適應性航電系統試驗（AAE）”結合了起來。AAE的思想在RSATS的研究中得到了充分的肯定，RSATS對相當數量的AAE理念進行了發展和重新定義。而原本AAE的重點是基于空間飛行器的防護的主題，討論了一系列組件和子系統的重新配置的問題。其中AAE的支柱理念之一是外嵌式傳感器網絡（魔術貼式組件），該概念在RSATS的努力下發展成為空間即插即用電子系統標準，該標準也是國際上現有的唯一的公開的衛星模塊化即插即用接口標準。

2004年開始，AFRL開始進行空間即插即用技術的研究，并在2004年底得到AIAA的批準正式開始對空間即插即用標準進行研究。經過10年左右的的探索，目前AFRL在AIAA上已經推出了3版標準。

2008年AIAA提出了第一版的SPA系統的標準草案，2008年時SPA的全稱為空間即插即用電子元器件（Space Plug-and-Play Avionics），主要規定了SPA的架構及通用型的標準。并對基于USB擴展的SPA-U接口提出了詳細的標準草案。

2011年AIAA對SPA標準做了一定的修正并將SPA的全稱更改為空間即插即用電子系統（Space Plug-and-Play Architecture），2011版的SPA總線標準依然是一個草案，并非正式版的標準。但是在2008年標準的基礎上，增加了基于SpaceWire總線的SPA-S特性子網標準。

2013年AIAA又對SPA標準進行進一步完善，對以前的通用型標準和其他特性標準都進行了修訂，使得SPA技術具有更好的性能。

根據AIAA官網上的消息，在此之后SPA技術將會進一步發展，將光纖、無線網也納入到SPA技術架構中來。形成SPA-O（Optical）特性子網標準和SPA-W（Wireless）特性子網標準，除此之外還有一些專門針對衛星上低速部件有可能用到的SPA-I（I2C）進行專門的研究。

2 現有標準情況

隨著SPA概念的不斷發展，空間即插即用標準集也在不斷的增加新的內容。目前AIAA發布了10項與空間即插即用相關的標準，見表1。這些標準對組成星上即插即用網絡的數據中心航天器模型進行了總體描述，從不同角度闡述了即插即用如何工作。

表1 AIAA空間即插即用標準

3 AIAA即插即用標準解讀

3.1 AIAA G-133-1-2013

AIAA G-133-1-2013規定了空間即插即用體系的目標、概念、原則和結構，即插即用體系的實現及示例，即插即用體系的工具和對整個空間即插即用標準進行了概述。

a）空間即插即用體系方面，對于整個航天器來說只影響到航天器內部，不涉及航天器外部接口。涉及設計、制造、集成和航天器壽命周期中所有試驗方面。

b）空間即插即用體系的核心目標是減少快速衛星研制的障礙，核心概念是一旦組件安裝在系統中，就需要具有查找服務（Lookup Service）注冊的能力，這些組件主要是指在網絡系統中產生或使用數據的節點。一旦獲取這些信息，任何有數據需求的組件都可以在查找服務中獲取有用資源，并接受匹配的查詢。隨后，該組件可與任何匹配組件聯系，直接接受數據預定或利用其數據服務。

c）空間即插即用體系的基本能力包括標準物理接口、自組織網絡、標準信息通信、查詢服務、SPA-x接口（數據通信協議類接口的統稱）、自描述組件。

d）空間即插即用體系的工具主要包括設計工具和試驗工具。設計工具包含按鈕工具流、xTEDS模擬器（允許系統中設備和傳感器模擬）、即插即用設備零件序號。試驗工具包括硬件循環仿真和試驗旁路、飛行軟件循環試驗。

3.2 AIAA S-133-2-2013

AIAA S-133-2-2013規定了SPA系統的網絡要求、分區輸入程序包保障的要求、SPA網絡要求等。

a）SPA系統的網絡要求主要包括拓撲發現、動態拓撲配置、組件注冊期間的程序安排、初始發現之后向CAS發送一個SM-s表中沒有包含項目的請求、組件之間的路由等。

b）特定的拓撲考慮包括同一子網的多重SM-x路線和同一子網內可利用的多重路線。由于需要多個管理器來連接不同處理器節點，因此，同一子網的多重SM-x路線是非常常見的配置。一個內部有子網的組件可能會有多重路線來實現冗余或其他考慮因素的目的。

c）SPA網絡要求包括SPA局部總線要求、中心選址服務 （CAS）要求、SPA查找服務要求、SPA子網管理器要求、通用路由器要求、通用SPA端點要求和SPA校驗碼的生成。

3.3 AIAA S-133-3-2013

AIAA S-133-3-2013規定了SPA標題、組件數據能力、組件網絡能力和組件識別。

a）SPA標題主要包括標準的SPA標題、擴展的SPA標題、保證交付的擴展SPA標題、信息順序擴展標題、服務質量標題、安全標題和SPA信息頁腳。

b）組件數據能力包括發現、注冊、數據請求、數據預定、組件間數據交換等。

c）組件網絡能力包括SPA申請SPA查找服務探針信息、SPA網絡狀態申請信息、SPA網絡狀態回復信息、健康和狀態、時間同步、服務質量和安全。其中服務質量包括保證交付、保證交付順序表、保證交付信息和SPA傳輸信息。

d）組件識別包括通用唯一的識別和xTEDS識別。

3.4 AIAA S-133-4-2013

AIAA S-133-4-2013規定了SPA設備的機械接口要求、熱接口要求、A型電連接器SPA電連接器和電纜要求、B型電連接器SPA電連接器和電纜要求、C型電連接器SPA電連接器和電纜要求、D型電連接器SPA電連接器和電纜要求。

a）機械接口包括：設備安裝；動力學要求；展開、激勵器和可移動機械組件；保護罩；可維護性；設備物理接口特性報告等。設備安裝包括安裝方法、推薦的緊固件尺寸、安裝模式、安裝孔數量、設備安裝孔尺寸和位置公差、安裝緊固件的途徑、安裝表面平面度、安裝表面電導率、安裝表面特性。設備物理接口特性報告包括：封裝和安裝；質量、質心和轉動慣量報告；連接器類型和位置報告；視場報告和特殊說明。

b）熱接口包括通用熱接口要求和設備熱接口特性報告。通用熱接口要求包括SPA設備熱控方法、熱安裝、設備熱接口材料、熱控制延伸表面電導率、特殊說明；設備熱接口特性報告包括熱設計方法、散熱等級、加熱器和加熱器控制。

c）SPA電連接器和電纜要求（包括A型、B型和C型）分別對3種類型電連接器進行概述，并針對A型的SPA 25-針Micro-D電源和數據接口電連接器，B型的25-針Micro-D/電源連接器和15-針D-微型30A電源連接器，C型的SPA 15-針HD電源、同步器、試驗和dual quadrax高速串行接口連接器；D型的25-針Micro-D/電源連接器和15-針D-微型50A電源連接器進行了規定。

3.5 AIAA S-133-5-2013

AIAA S-133-5-2013規定了SPA 28V電源服務以及通用的電源性能、4.5A電源服務、30A電源服務、50A電源服務、SPA接地和連接等內容。

SPA電源系統依靠一塊電池捆綁式的28V電源總線向所有SPA設備（包括SPA有效載荷）提供電源。電源系統包括一個或多個電源分配模塊來向SPA多個終端連接點提供服務。通用電源性能包括電源總線電壓、SPA終端電流限制、多種SPA終端使用、總線電壓波動、總線電流波動、總線阻抗、低電壓情況下的總線維持、過電壓情況下的總線維持、電源總線電壓瞬變。

3.6 AIAA S-133-6-2013

AIAA S-133-6-2013適用于在空間即插即用體系結構下運行的系統。系統定時標準是在網絡SPA組件系統中提供公共定時的常用方法。關于可用性、延遲、抖動和漂移的討論提供了旨在滿足大多數系統的時序精度的系統。

本標準規定了秒脈沖（PPS）同步、彈性時間（TAT）信息、TAT和PPS資源、時間資源優先權、系統時間可用性、時間潛伏、PPS不穩定性和PPS漂移。

3.7 AIAA S-133-7-2013

AIAA S-133-7-2013規定了SPA xTED和XML模式語言的內容，包括xTEDS計劃、xTEDS格式、xTEDS句法和通用數據詞典，并在附錄A中給出通用數據詞典和xTEDS的擴展，包括CDD目的、CDD更新和驗證XML解析器等。

3.8 AIAA S-133-8-2013

AIAA S-133-8-2013規定了SPA系統的試驗旁路、用途和試驗旁路信息協議。試驗旁路信息協議包括NOOP操作、PUT操作、WRITE操作、GET操作、CLRMASK操作、SETECHO操作、CLRECHO操作、ENGAGE操作、DISENGAGE操作、WELENGTH操作、RDFLAGS操作、FLAGMSG操作。

3.9 AIAA S-133-9-2013

AIAA S-133-9-2013規定了SpaceWire總線適配子層、拓撲發現、發現之后的SPA數據包的空間線路路由、通信量的區分、動態配置、SPA空間線路特定信息格式、要求清單等。

a）拓撲發現主要包括SM-s的路由表格式，SPA終端的路由表格式，相同子網的多個SM-s管理器、相同子網組件的多條路徑、沒有終端的路由。

b）發現之后的SPA數據包的空間線路路由包括從SM-s到SPA組件的路由，從一個SPA端點到SM-s路由一個SPA包，從子網組件到另一個局域網組件路由一個SPA包，SM-s到SM-s的包路由。

c）動態配置主要包括探測一個已知端點上的新處理，子網拓撲的探測變化等。

d）SPA空間線路特定信息格式包括“SPASpWRouterProbe”、“SPASpWEndpointPing”、“SPASpWEndpointPingReply” 和“SPASpWconfigureTopologyDiscovery”。

e）要求清單包括SM-s要求、空間線路路由要求、空間線路SPA組件要求。

3.10 AIAA S-133-10-2013

AIAA S-133-10-2013規定了SPA系統的原則和服務、能力要求。能力要求包括通用能力、標準接口能力、組件“插”能力、組件“用”能力、網絡能力、通用時間能力、故障冗余能力、安全能力、電源能力和試驗保障能力。SPA系統的空間即插即用體系結構（SPA）的核心思想是，任何聯網系統的組件都可以添加到網絡中，并且能夠與系統通信，而無需單獨安裝驅動程序、軟件接口，或其他接口機制。

4 結論及建議

a）AIAA已針對即插即用技術的應用情況，建立了空間即插即用技術標準體系（SPA），并從模塊劃分、接口設計、總線使用、軟件執行以及AIT流程等方面對空間即插即用技術進行了規定。我國尚未形成空間即插即用標準體系，隨著微納衛星、快響衛星技術的發展，對即插即用技術的需求越來越迫切，有必要從頂層規劃上提前考慮，開展空間即插即用標準體系的研究。

b）在接口設計方面，原有電子系統的接口設計在支持即插即用的設計方面考慮較少，典型的特征是對外接插件尚不支持“熱插拔”且各功能模塊的拆裝方式較為復雜。因此參照AIAA標準、PC104協議等標準從機箱、結構、機箱、結構、拆裝方式、電氣、熱等接口設計等方面進行重點研究，以支持即插即用的熱插拔接口設計，以實現真正意義的即插即用。

c）在協議使用方面，國際上針對目前已有的商用即插即用總線協議（如USB、SpaceWire總線等），已完成了試驗平臺的驗證。而目前國內針對上述協議的研究已經有部分基礎，有型號已經搭載USB設備開展飛行驗證，部分型號已基于CAN總線、SpaceWire總線開展應用。但是在總的即插即用標準體系結構下如何使用針對上述總線協議有待進一步研究。

從綜合電子技術的發展趨勢可以看出，無論是高度模塊化的快速響應衛星還是美國的SPA系統，都是通過即插即用技術增強了綜合電子系統的靈活性和可擴展性，使得在極短時間內設計、生產、組裝和升級衛星系統成為可能，從而使衛星研制周期大幅縮短，對于我國的衛星發展具有十分重要的借鑒意義。本文通過對AIAA標準的解讀分析，旨在為我國空間即插即用技術研究、衛星模塊化設計提供經驗與借鑒，進而應用于微納衛星和快響衛星，提升我國快速響應空間能力。