CN106411571B - 一种可重构星载电子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可重构星载电子系统。使用本发明能够解决星载电子系统的信息共享、重构能力和容错性能，提升系统的信息共享能力、重构能力和可用性。本发明以交换式网络代替原共享式总线网络或点对点连接，以网络和信息为核心，并通过冗余设计提升系统的可靠性。本发明的可重构星载电子系统中，各设备通过星载网络交换机进行数据交互；所述星载网络交换机由载荷交换机和平台交换机组成，平台交换机通过载荷网络接口与载荷交换机连接；其中，星载电子系统中载荷相关的设备与载荷交换机连接，星载电子系统中平台设备与平台交换机连接。

Description

一种可重构星载电子系统
技术领域
本发明涉及星上综合电子与测控技术领域，具体涉及一种可重构星载电子系统。
背景技术
目前，星载电子系统架构多采用基于总线的多级分布式系统架构和基于星型结构的集中式系统架构。基于总线的多级分布式系统架构可扩展性好，设备间通过系统控制总线进行组网，传输星载遥测、遥控信息，然而，目前广泛应用的155B总线和CAN总线最高速率只有1Mbps，实际应用中还需要考虑降额使用，低带宽越来越不能满足未来星载电子系统高速数据交换与传输的需求。星务计算机或控制计算机一般作为星载总线的管理者，系统采用主从式的运行控制方式，出于可靠性考虑，总线上的节点设备各自考虑自身冗余备份设计，而冗余的资源在设备间和分系统层面不能共享，在一定程度上造成了资源的重复和浪费。基于星型的集中式系统架构多用于微小型航天器，多以星载计算机为核心，扩展各类接口以连接各类传感器和执行器，使得星载计算机处于系统的核心地位，一旦故障会造成整个系统的瘫痪，由于在系统架构设计上不支持系统资源的共享，即使卫星上仍存在能够满足任务要求的计算资源，也得不到使用，给卫星系统的应用灵活性、健壮性、抗毁性、智能性能力提升带来了很大的挑战。
未来航天装备从战略应用为主逐步向战略、战术应用并重转变，多颗卫星间组网编队或组成星座，协同完成某项任务已经成为未来卫星应用的发展方向。要求卫星能够快速响应新的任务需求，对自主运行能力要求很高，这对卫星系统任务的灵活性、抗毁性、智能性和网络化等提出了较高的要求。星载电子系统作为整星的信息获取、处理、控制、信息交换与传输的核心，决定着卫星的系统性能，要求星载电子系统能够支持高速的信息交换与传输、支持灵活重构、具备较强的故障检测和恢复能力。而传统的基于总线的多级分布式系统架构和基于星型结构的集中式系统架构都不能满足以上需求。因此，需要从系统架构方面解决星载电子系统的信息共享、重构能力和容错性能，提升系统的信息共享能力、重构能力和可用性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可重构星载电子系统，能够解决星载电子系统的信息共享、重构能力和容错性能，提升系统的信息共享能力、重构能力和可用性。
本发明的可重构星载电子系统中，各设备通过星载网络交换机进行数据交互；所述星载网络交换机由载荷交换机和平台交换机组成，平台交换机通过载荷网络接口与载荷交换机连接；其中，星载电子系统中负责载荷相关的设备与载荷交换机连接，星载电子系统中其他设备与平台交换机连接；
其中，从星载电子系统中负责计算的多台通用计算机中，通过竞争机制选举出一台作为重构管理计算机；所述重构管理计算机对系统的运行状态进行监控，并对系统配置进行管理。
较佳的，还包括1个以上星载网络交换机，星载电子系统中各设备均与2个以上星载网络交换机连接；多个星载网络交换机的载荷交换机和平台交换机交互连接，构成冗余数据通道。
有益效果：
(1)本发明提出星载网络以交换式网络代替原共享式总线网络或点对点连接，以网络和信息为核心，并通过冗余设计提升系统的可靠性；
(2)提出软件模块作为系统资源冗余的、分布的存在与网络中，支持基于本地存储资源加载和网络存储资源加载软件的方法；
(3)提出系统故障后系统重构的流程与方法，支持计算任务的动态加载和迁移。
附图说明
图1为本发明可重构星载电子系统架构示意图。
图2为本发明任务动态迁移示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种可重构星载电子系统，主要适用于中小型卫星星载电子系统构建，指导设备间的互连、星载网络和信息流设计，目的是解决如下技术问题：
1)针对星载电子系统广泛应用的共享式总线网络传输速率低，使用效率低等问题，本发明提出基于高速交换式网络构建星载电子系统；
2)针对星载计算机作为系统总线的管理者或星载电子系统的核心，一旦故障，将带来严重的后果，如总线瘫痪的问题，本发明提出综合整星计算资源，采用分布式的处理计算机负责整星计算、控制和处理任务；
3)针对星载电子系统设备各自备份，造成星载资源的浪费，缺乏系统设备间的备份的问题，本发明提出从系统级考虑冗余设计，充分利用星载资源。
具体的，本发明的可重构星载电子系统以星载网络交换机、重构管理计算机为核心，将通用计算机等、存储设备、平台管理设备、数据存储设备、数据处理设备、载荷管理设备、执行器、传感器等有机联成一个整体，提供星载电子设备统一的接口接入星载网络，各设备通过星载网络交换机接入星载网络，其中，可以设置多台星载网络交换机，各设备至少与2台星载网络交换机连接，形成冗余备份通道，如图1所示。星载网络交换机由载荷交换机(主)、载荷交换机(备)、平台交换机&网桥(主)、平台交换机&网桥(备)组成，各交换机之间互联，构成冗余数据通道。载荷交换机负责载荷相关的设备，如载荷仪器、数据处理设备、数据存储设备、载荷管理类设备、数据传输设备等的接入和互联；平台交换机负责其他设备，如通用计算机、重构管理计算机、平台管理设备、测控应答机等设备、敏感器、执行器等设备的接入和互联。
重构管理计算机通过竞争机制从通用计算机中选举产生，执行系统运行状态监控和系统配置管理任务。通用计算机作为系统通用的计算资源提供者，向系统提供计算服务。数据存储设备作为系统的存储资源向系统提供数据存储、检索和传输服务。星载网络交换机作为系统的核心设备，提供数据交换与传输服务，需要根据卫星数据交换和传输对带宽的需求确定所采用的具体数据接口。另外要充分考虑空间环境对设备的影响，不能直接应用地面上的交换机。
可重构星载电子系统架构采用交换式网络代替传统共享式总线网络，载荷交换机根据载荷速率需求，可选用的接口一般包括RS422(1kbps～10Mbps)、SpaceWire(1Mpbs～400Mbps)、Ethernet(10Mbps～1Gbps)、TLK2711(200Mbps～2Gbps)、RapidIO(≥2.5Gpbs)等。平台交换机根据平台电子设备速率需求，可选用的接口一般包括RS422(1kbps～10Mbps)、SpaceWire(1Mpbs～400Mbps)、Ethernet(10Mbps～1Gbps)等，同时为了和载荷交换机网络构成统一互联的星载网络，平台交换机还需要设置载荷网络接口，因此还需要具备网络数据帧格式转换的网桥功能。
在传统星载电子系统中，设备各自备份，但是资源又是专用的，因此造成星载资源的浪费，无法共享资源。在该系统架构中，星载设备作为星载信息网络信息的生产者和消费者，是面向整个星载网络提供信息服务，设备间通过星载网络交换信息，是一种松耦合的连接关系。如通用计算机作为星载信息网络的计算资源，可向整个信息网络发出计算请求的节点提供计算服务，数据存储设备可面向整个信息网络发出存储请求的节点提供存储服务，并通过数据请求服务来检索请求的信息，并提供该信息。该系统架构的核心是网络和信息，网络是信息共享的媒介，信息是网络的核心服务要素。
传统共享总线式系统架构中，星载计算机往往作为系统总线的管理者或星载电子系统的核心，一旦故障，将带来整个系统的瘫痪。该系统架构通过星载交换式网络的设计，通过系统重构可以实现故障的恢复。重构管理计算机是在通用计算机中通过竞争产生，作为系统运行状态的监控者和配置管理者，一旦发现某个设备故障，可以将其从网络中隔离，防止故障传播。如果是通用计算机故障，则可以通过计算任务的动态迁移实现系统功能的重构，使得任务从故障计算机转移到非故障计算机，从而屏蔽故障计算机的影响，从系统的角度看对计算任务没有任何影响。系统任务迁移的过程如下：
(1)重构管理计算机通过系统运行参数监控发现通用计算机1故障；
(2)重构管理计算机向电子系统配电设备发出断电指令，将故障计算机1从网络中隔离；
(3)重构管理计算机向星载电子系统存储类设备提交数据请求，要求存储类设备将数据传输给任务运行候选通用计算机2；存储类设备按照要求执行；
(4)重构管理计算机向通用计算机2发送命令，要求加载收到的重构任务，并运行；从而实现了任务的动态迁移，屏蔽了通用计算机模块1故障对系统的影响。
系统迁移的流程如图2所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可重构星载电子系统，其特征在于，星载电子系统中各设备通过星载网络交换机进行数据交互；所述星载网络交换机由载荷交换机和平台交换机组成，平台交换机通过载荷网络接口与载荷交换机连接；其中，星载电子系统中载荷相关的设备与载荷交换机连接，星载电子系统中平台设备与平台交换机连接；
其中，从星载电子系统中负责计算的多台通用计算机中，通过竞争机制选举出一台作为重构管理计算机；所述重构管理计算机对系统的运行状态进行监控，并对系统配置进行管理；
若所述通用计算机故障，则通过计算任务的动态迁移实现系统功能的重构，所述计算任务的迁移过程具体为：
所述重构管理计算机通过系统运行参数监控发现一台通用计算机故障，记为故障计算机；
所述重构管理计算机向所述星载电子系统的配电设备发出断电指令，将所述故障计算机从网络中隔离；
所述重构管理计算机向所述星载电子系统的存储类设备提交数据请求，要求所述存储类设备将数据传输给任务运行预先选定的候选通用计算机；所述存储类设备接收到所述数据请求之后，将数据传输给所述候选通用计算机；
所述重构管理计算机向所述候选通用计算机发送重构命令，要求加载收到的重构任务，并运行；所述候选通用计算机接收到所述重构命令之后，加载收到的重构任务，并运行。
2.如权利要求1所述的可重构星载电子系统，其特征在于，还包括1个以上星载网络交换机，星载电子系统中各设备均与2个以上星载网络交换机连接；多个星载网络交换机的载荷交换机和平台交换机交互连接，构成冗余数据通道。
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