小衛星星務技術發展現狀及展望

李志剛 李軍予 李超 閆國瑞

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

在導航、遙感、通信、深空等空間技術領域，相比大型衛星，小衛星以其技術更新能力強、體系綜合能力強、成本控制能力強的后發優勢實現了快速發展，目前已經成為中國空間體系建設的重要力量，同時也是各國加速突破、積極搶占的科技競爭制高點[1-2]。

文獻[3]首先提出星務(Satellite Keeping)概念，在小衛星體系架構中，星務系統(含綜合電子系統[4])是以嵌入式計算機為節點構建拓撲結構，集計算機、軟件、智能控制為一體的可靈活配置的管理和控制系統，如同人的大腦和神經網絡，實現整星運行事務管理、自主控制和信息融合，因此，星務系統是整星的信息管理與信息處理的核心[5]，負責整星的遙測管理、遙控管理、總線通信、程控/相對程控管理、健康管理、任務管理等。隨著近20年的蓬勃發展，小衛星星務系統經歷了4代發展，第一代星務系統主要特征是采用集中供電方式、總線網絡采用RS485總線，采用脈沖編碼調制(PCM)格式遙測體制，星務系統功能相對簡單；第二代星務系統主要特征是電子設備獨立供電，采用CAN總線，星務系統采用分包遙測體制，支持程控、相對程控及衛星安全模式管理等功能；第三代星務系統采用國產系統級封裝(SIP)技術處理器及內嵌管理執行單元(MEU)下位機架構的電子系統，將遙測采集、熱控管理等功能進行了集成；目前發展到第四代星務系統即綜合電子系統，具有星務管理、遙控指令分發、遙測數據存儲分發、熱控管理、載荷管理、高速數據上行、高速總線網絡及衛星自主管理等特征。

本文概括了國內外小衛星星務技術的歷史和現狀，總結了國內小衛星星務技術的發展與創新成果，對后續小衛星對星務技術的需求進行了分析，并提出了小衛星星務技術的展望和建議。

1 國內外小衛星星務技術歷史和現狀

在小衛星領域高技術群中，電子信息技術起到了關鍵性的支撐作用。星務系統作為電子信息技術的典型代表，其研制過程完整覆蓋了電子產品涉及的所有業務領域：芯片、硬件和軟件，全面集成了芯片、嵌入式系統、操作系統、總線網絡、數據庫、軟件定義、高速計算、人工智能等所有軟硬件先進技術，可謂是技術密度高、功能密度高，它的發展歷程充分展現了現代電子信息技術的演進路線。

尤其是近年來，隨著電子信息技術向更快、更強的方向飛速發展，星務系統充分吸收先進電子系統的設計技術，在可擴展性、可靠性、安全性、管用好用易用方面呈現出極具鮮明的特色，使衛星用戶的應用模式發生了根本性的變革，取得了顯著的經濟社會效益。而且，技術層面的進步也得到了政策層面的關注和支持，這也為小衛星星務系統的技術發展指明了方向，提供了發展的新動力。

國內外星務系統設計總體呈現出以下發展趨勢。

1)更加注重星務系統架構體系設計

空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)提出了航天器星載標準接口業務(SOIS)，其目標是促進軟硬件在各種航天器上使用的協調能力，提升軟硬件可移植性及可復用能力。歐洲成立空間電子開放接口體系架構(SAVIOR)研究組，推廣基于開放接口的航天電子產品，致力于實現歐洲航天系統的標準化，對參考架構、接口標準、功能規范等內容進行研究。

我國也推出了類似的系統業務及協議體系架構[6]。大型衛星、航天器多采用分布式布局，小衛星以往也多是通過外總線方式連接多個信息節點，組成主從式、可配置的網絡拓撲[7]。隨著綜合電子技術的發展，小衛星星務系統架構從分布式多節點逐步向集中式內總線發展，如外部總線被設備內部高速總線替代，模塊化結構節省出的空間和質量可以更好地支持載荷設計和整星設計。

2)星上星務系統更加注重組網設計

2018年，美國國防部先進研究計劃局(DAPAR)發起“黑杰克”項目計劃提供全球持續覆蓋星群，通過通用衛星平臺搭載軍用通信、導航、偵察等多類載荷。星群安裝相同的星上計算控制單元，運行智能軟件使星群中各節點協同，保證整個星群不需人員干預，長期自主智能運行。國內由中國航天科技集團有限公司提出的“鴻雁”星座，由300多顆低軌衛星組成，整個星座將實現移動通信、寬帶接入、物聯網、熱點信息廣播、導航增強、航空監視等業務。

作為支持星座組網關鍵系統的星務系統具有眾多的接口，只有更加注重協議、規范、接口的標準化設計，才能更好地滿足星群網絡系統建設的需要，如星間、星地、星內信息互聯互通的數據融合、數據共享、任務協作的業務要求和服務要求。

3)星上星務系統更多采用自主技術

從單星角度看，隨著衛星用戶的對地成像需求多樣性、自主性的要求不斷增加，衛星的自主技術受到各衛星大國的高度重視[8]。衛星自主技術主要包括：自主感知、自主決策、自主協同技術，對于增強衛星應對突發事件的快速響應能力、突破測控瓶頸、提升復雜任務執行能力具有重要的意義。美國國家航空航天局(NASA)的星載規劃/調度系統(RAX-PS)、負責地球觀測1號(EO-1)小衛星管控的自動規劃與調度系統(ASPEN)以及滾動活動調度規劃執行與重規劃框架(CASPER)，歐洲航天局(ESA)的星載自主計劃(PROBA)及法國航天局的自動化通用體系結構-測試和應用(AGATA)等。

2015年，國內高分九號小衛星星務系統首次實現了基于元任務的指令設計，配合地面任務規劃，實現了載荷任務的靈活管控，大幅提高了衛星的好用易用性。2021年，北京三號小衛星在軌實現了動中成像自主任務規劃技術，取得了較好的應用效果。

從星群角度看，單星向星群轉變、同構星群向異構星群轉變、小規模星群向大規模星群轉變，使得自主衛星應用場景不斷拓寬，把機器學習與衛星自主任務規劃相結合，讓衛星自主獲取知識，提高自主性能[9]。

2 我國小衛星星務技術發展與創新

小衛星星務系統朝著集成化、標準化、智能化、網絡化的方向發展，硬件處理能力越來越強，集成度越來越高，傳統單機完成的功能得以用單板實現，傳統單板實現的功能得以用芯片實現。星務軟件也從傳統的遙測、遙控、總線、載荷任務管理等功能逐步擴展到應用軟件系統重構、信息處理、自主任務規劃、智能健康管理等多種復雜的功能。本節將從星務體系結構、星載數據總線、星載計算機處理器、星務軟件架構及星務信息協議等方面闡述我國小衛星星務技術的發展與創新。

2.1 星務體系結構

小衛星務體系結構主要有分布式體系結構和集中式體系結構兩種。分布式體系結構依托總線技術，將星務主機與各下位機通過總線互聯實現數據傳輸，可以柔性地適應不同平臺和載荷的變化，實現快速設計、測試和集成，簡化接口協調。實踐五號小衛星首次提出并驗證了分布式體系結構的星務系統。

典型的分布式星務體系結構如圖1所示，星務主機、遙控單元等多臺設備通過總線連接成網絡。

圖1 星務分布式體系結構

隨著技術發展，設備集成度越來越高，處理能力越來越強，總線帶寬也越來越大，小衛星星務體系結構逐步從分布式多節點向集中式內總線發展。集中式體系結構是由中心處理模塊和多個執行模塊組成，是把傳統由多臺星務單機實現的功能集成到一臺綜合電子設備來完成。例如北京三號衛星平臺綜合電子集成了采用國產處理器BM3803的星務核心處理模塊、多功能數據存儲模塊、熱控管理模塊、指令和遙測模塊、高速總線管理等模塊。在微納衛星平臺上實現星務和姿軌控集成設計，由星務計算機實現星務和姿軌控功能并通過控制接口板采集姿軌控部組件信息和執行姿軌控控制輸出。在小型化方面，通過研發包含測控基帶、星務處理及各種對外接口的片上系統(SoC)芯片實現平臺綜合電子集成度的提升。

2.2 星載數據總線

衛星多采用分布式網絡結構，以星載計算機為核心，通過總線進行數據交換，目前應用較多的總線主要有CAN總線、1553B總線、SpaceWire總線等。

自2000年試驗二號小衛星首次應用CAN總線以來，絕大部分在軌在研小衛星都采用了CAN總線作為整星的通信總線，并逐步推出了平臺CAN總線和載荷CAN總線相互獨立的拓撲架構。2009年天繪一號小衛星上首次采用了主從和多主相結合的通信方式，遙測參數的采集、從節點的廣播以及上行指令數據的注入采用主從式，對于實時性較高的全球導航定位設備(GNSS)秒脈沖時間廣播數據采用多主方式，自主完成數據發送。在微納衛星平臺，星務系統通過采用現場可編程門陣列(FPGA)集成軟核CAN總線控制器的方式，進一步提高了星務系統的集成度。

隨著通信量的增大，小衛星對總線碼速率提出了更高的要求，北京三號小衛星在星務與姿控之間采用了SpaceWire總線，其通信速率可到200 Mbit/s，星務綜合電子應用軟件同步實現了SpaceWire總線通信功能，完成SpaceWire總線通信容錯設計，提高了總線通信的可靠性。

無線通信技術不但可以實現衛星艙段間信息交互、設備間靈活組網以及星上設備的即插即用，同時有利于開展衛星無線測試、快速組裝、星內無纜化等。新技術試驗五號衛星開展了基于紫蜂(zigbee)無線技術的在軌試驗，通信速率優于500 kbit/s，為后續無線通信技術在綜合電子系統中的應用奠定了基礎。

2.3 星載計算機處理器

星載計算機不斷向高集成度、高性能方向發展，星載計算機的處理器決定了計算機的性能。小衛星在處理器選用方面覆蓋了x86、ARM、SPARC、PowerPC、龍芯以及面向信息處理的寒武紀、GPU、高性能FPGA等。

早些年，x86系列處理器在小衛星上有著廣泛的應用，但其處理性能相對較低，目前逐步被國產SPARC處理器替代。ARM處理器具有低成本、高性能的特點，生態較為豐富，但由于ARM系列處理器質量等級低，需要進行可靠性設計，目前主要應用于低成本的微納衛星上。SPARC系列處理器具有高可靠性的特點，典型處理器包括TSC695，AT697，BM3803，LCSoC3233等，在國內航天領域應用較多。

近年來，隨著微電子技術的發展，星載計算機的集成度得到了進一步提高，國產化SoC、系統級封裝(SIP)器件大量被用于小衛星計算機中，商業遙感衛星高景一號星務綜合管理單元大量采用了國產SIP模塊，包含星務主機SIP模塊、溫控SIP模塊、指令SIP模塊以及模擬量采集SIP模塊，傳統的單板完成的功能得以用單芯片實現。

2.4 星務軟件架構

經過多年發展，星務軟件已逐步發展為分層架構，分層設計能夠有效地隱藏每層的實現及技術細節，具有良好的可復用性及平臺移植性。如圖2所示，星載標準軟件架構分為操作系統、板級支持包(BSP)層、平臺抽象層、傳遞層、應用支持層以及應用層等。

圖2 星務軟件架構

同時，通過研究星載軟件功能共性，抽象形成通用功能模型，研制通用構件，使其具有規范接口和確定的上下文依賴的標準化組裝單元，軟件構件能夠被獨立部署及組織，實現功能級復用，能夠跨型號、跨平臺、在不同類型處理器上運行[10]，滿足平臺及型號任務需求。

在操作系統方面，為了滿足衛星管控的實時性要求，小衛星一般采用實時嵌入式操作系統，隨著GPU、多核高性能ARM等處理器在航天高速數據處理方面的應用的需求越來越多，嵌入式Linux操作系統也得到了越來越多的應用。智能遙感小衛星中首次使用了嵌入式Linux操作系統，通過對開源的嵌入式Linux操作系統的改進，實現航天的高可靠應用，并在應用層實現類似于手機APP的應用軟件的開發和上注，實現衛星軟件的智能化應用。

2.5 星務信息協議

對于空間鏈路，小衛星在網絡層采用了基于CCSDS協議體系的分包遙測及分包遙控體制。在鏈路層，對于下行遙測采用了遙測空間鏈路層協議或AOS鏈路層協議，對于上行遙控，鏈路層采用遙控空間鏈路層協議，并開展了統一鏈路層協議研究。對于星內通信，制定了小衛星CAN總線通信協議，當前，已針對CCSDS空間包傳輸，對該協議進行了升級。

此外，小衛星在軌實現了多路徑遙控遙測信息流設計。通過高速上行數據分發協議制定、軟件設計和分發狀態監控實現各單機設備的軟件在軌注入和在軌重構，通過引入CCSDS包長和包副導頭等定義，支持高速傳輸需求以及不少于4 Gbyte的數據上傳，使得FPGA等大規模軟件在軌重構簡單易行。通過北斗短報文通道上下行數據協議的制定、上行數據的分發管理、下行關鍵遙測搜集實現了使用北斗短報文終端進行應急任務注入、實時在軌任務結果下傳。通過引入遙控包，未來具備在CAN總線實現按包傳輸數據的能力，其格式與遙測遙控的包格式統一設計。

針對小衛星在遙控、遙測信息處理傳遞過程中面臨的設計不統一、結構不規范、處理周期長、交互難度大等問題，參照CCSDS的可擴展標記語言的遙測遙控信息交換(XTCE)標準，建立通用、統一、開放的小衛星遙測遙控信息描述標準，減少各方遙測遙控信息傳遞與集成的成本，降低任務風險，打通單機、分系統、整星以及總裝、測試與試驗(AIT)、衛星測控中心間的信息接口，完成信息數字化流轉。

3 后續小衛星對星務技術的需求

隨著衛星技術的發展，高分辨率遙感小衛星已經在國家安全、經濟建設和大眾民生等諸多領域擁有巨大的市場價值。縱觀國內外遙感衛星的發展趨勢，小衛星正向高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高機動能力和高集成化的方向發展，這些都對作為星上控制管理的核心的綜合電子系統提出了新的需求，主要表現在以下幾方面。

1)需要具備實時、高精度的綜合信息管理與服務能力

對于高分辨率遙感衛星，其對地觀測信息的精確程度及有效性在很大程度上依賴于精確的衛星平臺時空基準信息，如姿態信息、軌道信息、時間信息等，這不僅要求衛星平臺配置足夠精度的時空基準傳感器，還要求星上綜合電子系統能夠具備實時、高精度的信息采集、處理、傳遞、同步及融合能力。另外，高分辨率遙感衛星的敏捷機動也對整星控制的信息傳遞實時性提出了很高的要求。這些都需要通過新型星載綜合電子系統架構設計、信息傳遞模式設計及實時高可靠星上網絡來保證。

2)需要具備輕小型化、集成化的特征

由于現代小衛星系統的功能越來越多地依賴于電子系統實現，新一代高分遙感小衛星要向著輕量化方向發展就必須要求綜合電子系統具備集成化、輕小型化的特征。為此，一方面需要在綜合電子系統架構設計中對于現有的系統及分系統進行功能優化、重組及整合，以減少平臺電子設備數量，減輕設備質量，并通過FPGA、專用集成電路(ASIC)、SoC等技術來提高設備功能密度。另一方面，當前新型小衛星的設計理念已從原有的載荷適配平臺的方式發展為以載荷為中心的整星一體化融合優化設計的方式，因此衛星平臺綜合電子設計需與載荷電子系統開展信息流一體化設計，實現資源兼顧，達到電子系統最優組合。

3)需要具備通用性和可擴展性特征

高分辨率衛星遙感覆蓋光學、微波、電子等多個領域，不同的遙感載荷對平臺及星載綜合電子系統有著不同的需求，為了使新型星載綜合電子系統具備良好的任務適應性和可重用性，要求新型的星載綜合電子系統必須具備通用性和可擴展性特征。為此，需要在綜合電子系統的架構設計中采取合理的功能模塊劃分，還需要在系統實現中融入標準化和模塊化的設計理念。

4)需要提升星上數據智能處理能力

在衛星防災、減災及救災應用中，用戶期望的是遙感衛星能夠將“有用”信息實時高效地傳遞至應急救災指揮部，這就要求衛星對載荷信息的處理要有最高的時效性。因此，針對高時效性衛星的特點及應用需求開展星上數據壓縮、智能判別、災情監測等技術不僅是降低存儲、傳輸壓力的需求，更重要的是提升衛星信息快速服務能力的需求。

5)需要具備星群組網的信息處理能力

在以深度學習技術為代表的人工智能第三次浪潮席卷著各行各業的背景下，各個行業都在研究如何采用這些技術賦能行業應用；用戶提出航天領域的發展，以網絡化[11]、綜合化、一體化為核心，優化體系結構、增強系統彈性和性能、提升體系效能。要求從星地一體、通導遙一體等角度出發[12-13]，提升星群好用易用性，這就要求綜合電子具備星群信息的處理能力。

4 小衛星星務技術發展展望與建議

結合未來小衛星對星務系統的需求分析，后續小衛星星務系統發展主要有以下幾方面的建議。

1)平臺綜合電子與載荷信息流一體化設計

下一代星務系統體系結構朝著平臺載荷信息流一體化的方向發展，需實現平臺和載荷數據的融合處理，為整星提供更靈活的信息流解決方案。首先，開展下一代高性能星上電子系統研究，在星上電子系統中擴充基于FPGA、SoC、ASIC的高速載荷數據處理模塊，開展在軌載荷數據實時預處理工作，并將處理結果反饋給星務系統，由星務系統根據實時處理結果開展智能自主任務規劃，實時生成衛星后續的載荷任務，實現平臺和載荷的信息流閉環控制。其次，開展平臺綜合電子與載荷深度融合設計工作，直接由平臺綜合電子對載荷進行管理和控制，提高衛星平臺對載荷的管控能力。

2)發展天基高速計算技術

下一代高性能星務系統，需包含天基高速計算部組件，從服務用戶和支持平臺及載荷的數據融合的角度提供有力手段，在系統架構上服務高速數據傳輸、星內/星間一體化聯網、載荷信息融合等支撐大數據服務體系的內在需求。在天基高速計算系統架構的基礎上，通過將人工智能算法/芯片與自主任務規劃、自主健康管理等需求相結合，提升航天器在智能規劃、決策、故障預測與處置方面的能力，通過群體智能等技術實現衛星星群的智能組網、任務協同，提升小衛星系統的整體應用效能。

3)智能技術應用研究

下一代高性能星務系統的核心技術是軟件智能，為了支撐智能衛星和星群任務管理需求，重點需完成基于高算平臺的智能操作系統、嵌入式數據庫及人工智能算法的應用，具備高性能在軌圖像實時處理等應用軟件APP的開發能力；開展開放式星務軟件架構研究，大力發展第三方應用程序，建立衛星與用戶之間的應用軟件生態，讓普通程序員就能開發和上注星載應用APP。通過不斷升級軟件和算法，逐漸提升小衛星自身的感知能力、自主運行能力、在軌大數據處理能力及智能決策能力。使小衛星能夠完成更復雜的在軌任務，發揮更大的應用效能。

5 結束語

經過20多年的迭代升級，我國小衛星星務技術得到了快速的發展，逐步形成了比較完備星務硬件產品體系和軟件產品體系。本文對后續小衛星對星務系統的需求進行了詳細分析，提出了平臺綜合電子與載荷信息流一體化設計、發展天基高速計算技術、智能技術應用研究等方面的發展建議，可為小衛星星務系統的創新發展提供參考。