CN106445674A - 具有自主运行管理功能的卫星架构 - Google Patents

Abstract

一种具有自主运行管理功能的卫星架构，包括分别与总线连接的星务管理模块、载荷、姿轨控单机，自主管理单元，所述自主管理单元包括：供电模块、处理器、时钟单元、看门狗、存储器和驱动接口电路，所述供电模块向各部分提供工作电压；时钟单元与处理器连接，提供当前时钟，并提供周期性的中断信号；处理器与数据总线、地址总线连接，负责数据处理；存储器与数据总线、地址总线连接，用于实现代码存储、数据存储和代码运行；所述驱动接口电路与数据总线、地址总线以及外部总线连接，作为自主管理单元与其他模块的接口，包括信号的数模转换和数据缓存；所述看门狗与处理器连接，用于监控系统运行情况。上述卫星架构提升了微纳卫星的自主管理能力。

Description

具有自主运行管理功能的卫星架构

技术领域

本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种具有自主运行管理功能的卫星架构。

背景技术

目前的微纳卫星的构架一般采用总线的方式将各单机连接，请参考图1，微纳卫星的架构包括星务管理模块11、载荷12、测控单机13、姿轨控单机14和其他模块15，各部分通过总线10连接。整个架构中以星务管理模块11为管理和数据交互的核心。微纳卫星运行模式为被动的模式，即任务的执行完全依靠地面上注，地面上注相关指令后，星务管理模块11接收指令，并根据指令内容执行。

这种被动模式主要依靠地面，但随着微纳卫星数目的日益增多，地面管控的工作量也相应增多，相应的人力、物力成本增大，这就造成了与微纳卫星的低成本相抵触的问题。

解决当前问题的途径之一就是实现微纳卫星的自主管理，将地面管控的工作上移至星上，从而减轻地面工作量。

因此需要提供一种具有自主管理功能的卫星综合电子架构，实现微纳卫星的自主管理，以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有自主运行管理功能的卫星架构，实现微纳卫星的自主管理。

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有自主运行管理功能的卫星架构，包括分别与总线连接的星务管理模块、载荷、姿轨控单机，其特征在于，还包括：自主管理单元，所述自主管理单元包括：供电模块、处理器、时钟单元、看门狗、存储器和驱动接口电路，其中所述供电模块向各部分提供工作电压；所述时钟单元与处理器连接，提供当前时钟，并提供周期性的中断信号；所述处理器与数据总线、地址总线连接，负责数据处理；所述存储器与数据总线、地址总线连接，用于实现代码存储、数据存储和代码运行；所述驱动接口电路与数据总线、地址总线以及外部总线连接，作为自主管理单元与其他模块的接口，包括信号的数模转换和数据缓存；所述看门狗与处理器连接，用于监控系统运行情况。

可选的，所述存储器包括PROM和SRAM，其中，PROM用于代码存储，SRAM用于数据存储和代码运行。

可选的，当系统出现异常时，所述看门狗实时系统复位重启。

可选的，实时自主管理单元能够获取总线上的所有模块的信息，作为后续任务规划的输入状态。

可选的，所述自主管理单元产生的指令序列与地面注入的指令序列格式相同。

可选的，所述自主管理单元的处理器中运行自主管理单元软件，所述自主管理单元软件包括启动ROOT、底层驱动模块和应用层，其中：所述启动ROOT用于完成初始化、代码装载和主控程序启动；所述底层驱动为应用层提供处理操作和数据接口；所述应用层由启动ROOT控制启动，用于生成任务进程。

可选的，所述底层驱动模块包括：底层硬件接口模块和中断服务例程。

可选的，所述应用层包括：主控模块、接口处理模块、状态检测模块、指令执行模块、任务规划模块、任务调度模块，分别用于形成主控进程、接口处理进程、状态检测进程、指令执行进程、任务规划进程和任务调度进程。

可选的，还包括专家模块，所述专家模块被状态检测模块、指令执行模块、任务规划模块、任务调度模块调用。

可选的，所述进程优先级从高到低为：主控进程、接口处理进程、状态检测进程、指令执行进程、任务规划进程和任务调度进程，采用混合调度方式进行进程的调度。

本发明的优点在于提出一种具有自主运行管理功能的卫星架构，通过增加自主管理单元，与星务管理模块协同运行，并采用混合调度的策略，提升了微纳卫星的自主管理的能力，减轻地面工作量，从而降低微纳卫星的成本。

附图说明

图1为本发明现有技术的微纳卫星架构示意图；

图2为本发明实施例的具有自主运行管理功能的卫星架构示意图；

图3为本发明实施例的自主管理单元的模块结构示意图；

图4为本发明实施例的自主管理单元软件架构示意图；

图5为本发明实施例的自主管理单元软件进程调度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具有自主运行管理功能的卫星架构的具体实施方式做详细说明。

请参考图2，为所述具有自主运行管理功能的卫星架构的示意图。

所述卫星架构包括:分别与总线100连接的星务管理模块101、载荷102、姿轨控单机106，特别的，所述卫星架构还包括自主管理单元108。作为本发明的一个实时例，所述总线100为现场总线(CAN总线)。

所述星务管理模块101用于数据收集与分发、状态控制、任务协调等卫星管理作用；所述载荷102包括执行特定卫星任务的仪器、设备或分系统；所述姿轨控单机106用于控制卫星的姿态、轨迹，作为本发明的一个实施例，所述姿轨控单机106控制星敏感器116、陀螺126、反作用轮136。

作为本发明的一个实施例，所述卫星架构还包括连接至主线100的自主导航单元107、数据管理单元103，以及与所述数据管理单元103连接的发射/接收机104，所述载荷102获取的数据传输给数据管理单元103进行存储和管理。还包括其他模块109，所述其他模块109可以根据卫星的功能需求进行合理配置。

所述自主管理单元108用于实现微纳卫星的自主管理。

所述卫星架构以星务管理模块101为管理和数据交互的中心，星务管理模块101向其他所有的模块发送控制指令，其他所有模块返回遥测数据。

请参考图3，为本发明一个实施例的自主管理单元108的模块结构示意图。

所述自主管理单元108包括：供电模块118、处理器128、时钟单元138、自主管理单元108以处理器128为运行的大脑，所述处理器128与自主管理单元108内部的数据总线、地址总线连接，负责整个系统数据的处理。

所述供电模块118根据各模块需求提供各种工作电压，例如3.3V、1.8V。

所述时钟单元138与所述处理器128连接，提供当前时钟，并提供周期性的中断信号。

所述存储器与数据总线、地址总线连接，用于实现代码存储、数据存储和代码运行，作为本发明的一个实施例，所述存储器包括PROM158a和SRAM158b，其中，PROM用于代码存储，SRAM用于数据存储和代码运行。

所述驱动接口电路168与数据总线、地址总线以及外部总线连接，作为自主管理单元与卫星架构其他模块的接口，包括信号的数模转换和数据缓存。

所述看门狗148与处理器128连接，用于监控系统运行情况。例如，当系统出现异常时，所述看门狗148实时系统复位重启，防止系统死机。

所述自主管理单元108为总线节点，所以，能够侦听到总线上所有数据，即能获取总线上的所有模块的信息，各模块的信息可以作为后续任务规划的状态输入。

在运行过程中，星务管理模块101通过总线100发送高级任务指令，而自主管理单元108根据高级指令进行解析，并进一步规划为任务序列，返回星务管理模块101进行执行。

上述卫星架构采用与地面兼容的运行模式，即自主管理单元108生产的指令序列与地面注入的指令序列格式相同，在地面使能的情况下，可将自主管理单元108生成的序列作为地面的遥控注入，实现星上自主任务与地面注入任务的兼容。

在所述自主管理单元108的处理器128中运行自主管理单元软件，以实现自主任务规划、任务调度和状态检测等功能。

请参考图4，为所述自主管理单元软件架构示意图。所述自主管理单元软件架构包括：启动ROOT201、底层驱动模块202和应用层203，其中：所述启动ROOT201用于完成初始化、代码装载和主控程序启动；所述底层驱动模块202为应用层201提供处理操作和数据接口；所述应用层203由启动ROOT201控制启动，用于生成任务进程。

启动ROOT201主要完成初始化、代码装载和主控程序启动等功能，软件代码存储在ROM，需要通过引导程序进行代码装载，并跳转至指定位置运行。启动ROOT201加电之后启动应用层203。

所述底层驱动模块202为硬件和应用层203之间的媒介，提供处理操作和数据接口，作为本发明的一个实施例，所述底层驱动模块202包括：底层硬件接口模块212和中断服务例程222。其中硬件接口模块212提供处理器寄存器初始化、中断控制器、总线寄存器初始化和系统时钟寄存器初始化等操作接口；中断服务例程212包括实时时钟中断和总线中断，其中实时时钟中断用于软件周期控制，总线中断用于总线数据接收。

应用层203与底层驱动203连接，进行数据交换。所述应用层203包括：主控模块213、接口处理模块223、状态检测模块233、指令执行模块243、任务规划模块253、任务调度模块263。

作为本发明的一个实施例，所述应用层203还包括专家模块273，所述专家模块273被状态检测模块233、指令执行模块243、任务规划模块253、任务调度模块263调用。其他模块按照信号调度形成周期运行，对应生成任务进程。主控模块213、接口处理模块223、状态检测模块233、指令执行模块243、任务规划模块253、任务调度模块263分别用于形成主控进程、接口处理进程、状态检测进程、指令执行进程、任务规划进程和任务调度进程。

所述主控进程主要包括系统初始化，完成接口处理、任务规划、状态检测、任务调度进程的启动、停止，并对各进程运行情况进行监控。

所述接口处理进程主要完成输入、输出数据处理，包括总线数据解帧、遥测数据组帧等。

所述状态检测进程主要包括对单机、系统状态进行判定，当发生异常时，向任务规划模块发送异常处理任务。

所述指令执行进程主要包括执行指令序列中满足条件的指令条件，包括执行时刻和指令的前提条件。

所述任务规划进程主要对地面上传到的任务进行规划，得到对应的指令序列。

所述任务调度进程对规划得到的指令序列进行调度，消除指令间的冲突。

所述自主管理单元108的加断电均由外部控制，加电后，由启动ROOT201完成代码装载和软件启动，主控进程模块213由时间片中断定期启动后，启动其他进程。所述进程优先级从高到低为：主控进程、接口处理进程、状态检测进程、指令执行进程、任务规划进程和任务调度进程。

由于每个运行周期中主控模块213、接口处理模块223、状态检测模块233、指令执行模块243的运行时间基本固定，能保证在当前周期完成，而任务规划模块253与任务调度模块263根据任务不同运行需要的时间长短也不一定，有时甚至需要几十个周期。

为了解决不同进程运行时间不均匀的问题，作为一个实施例，所述自主管理单元软件采用混合调度的方法解决上述问题。

请参考图5，为所述自主管理单元软件进程调度示意图。

主控进程、接口处理进程、状态检测进程、指令执行进程均进行周期调度，而任务规划进程和任务调度进程若在周期结束仍未执行完成，则挂起至其他高优先级任务执行完再继续执行。

由于任务规划进程和任务调度进程关系密切，为了简化流程，作为一个实施例，规定任务规划进程和任务调度进程之间不允许相互抢占，即只有等当前进程运行结束后，另外一个进程才可以启动运行。而软件首次启动则按照优先级，即任务规划进程优先运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有自主运行管理功能的卫星架构，包括分别与总线连接的星务管理模块、载荷、姿轨控单机，其特征在于，还包括：自主管理单元，所述自主管理单元包括：供电模块、处理器、时钟单元、看门狗、存储器和驱动接口电路，其中：

所述供电模块向各部分提供工作电压；

所述时钟单元与处理器连接，提供当前时钟，并提供周期性的中断信号；

所述处理器与数据总线、地址总线连接，负责数据处理；

所述存储器与数据总线、地址总线连接，用于实现代码存储、数据存储和代码运行；

所述驱动接口电路与数据总线、地址总线以及外部总线连接，作为自主管理单元与其他模块的接口，包括信号的数模转换和数据缓存；

所述看门狗与处理器连接，用于监控系统运行情况。

2.根据权利要求1所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，所述存储器包括PROM和SRAM，其中，PROM用于代码存储，SRAM用于数据存储和代码运行。

3.根据权利要求1所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，当系统出现异常时，所述看门狗实时系统复位重启。

4.根据权利要求1所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，实时自主管理单元能够获取总线上的所有模块的信息，作为后续任务规划的输入状态。

5.根据权利要求1所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，所述自主管理单元产生的指令序列与地面注入的指令序列格式相同。

6.根据权利要求1所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，所述自主管理单元的处理器中运行自主管理单元软件，所述自主管理单元软件包括启动ROOT、底层驱动模块和应用层，其中：所述启动ROOT用于完成初始化、代码装载和主控程序启动；所述底层驱动为应用层提供处理操作和数据接口；所述应用层由启动ROOT控制启动，用于生成任务进程。

7.根据权利要求6所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，所述底层驱动模块包括：底层硬件接口模块和中断服务例程。

8.根据权利要求6所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，所述应用层包括：主控模块、接口处理模块、状态检测模块、指令执行模块、任务规划模块、任务调度模块，分别用于形成主控进程、接口处理进程、状态检测进程、指令执行进程、任务规划进程和任务调度进程。

9.根据权利要求8所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，还包括专家模块，所述专家模块被状态检测模块、指令执行模块、任务规划模块、任务调度模块调用。

10.根据权利要求8所述的具有自主运行管理功能的卫星架构，其特征在于，所述进程优先级从高到低为：主控进程、接口处理进程、状态检测进程、指令执行进程、任务规划进程和任务调度进程，采用混合调度方式进行进程的调度。