CN108199760A - 一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构，将卫星电子系统划分为六个区，综合管理控制区,负责卫星最基本的管理与控制功能；接口驱动区,由传感器接入模块和执行机构的驱动模块构成；数据存储区,由具备文件管理能力的大容量存储器构成,负责数据存储；数据处理区,由多个配置相同的高性能处理器模块组成,每个处理器模块可以按照需要加载与移除应用波形，从而实现其功能的动态配置；射频综合区和光频综合区则分别与微波天线阵列和光学天线阵列相连。本发明提供的适应在轨动态配置的卫星电子系统架构能够适应应用场景的变化、在轨动态地变更功能，从而实现一星多用，提高卫星资源利用率。

Description

一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构

技术领域

本发明属于航天器技术领域，特别涉及一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构。

背景技术

星载数据管理系统这一技术已经普遍应用在已经发射的卫星上，我国星载数据管理系统已经形成了统一标准。航天器数据管理系统，其主要由中央处理单元(CTU，CentralTerminal Unit)、遥控单元、遥测单元以及若干远置单元(RTU，Remote Terminal Unit)等设备及软件组成。这些设备通过串行数据总线互相连接，共同完成航天器上数据的传输、处理、存储以及管理等功能。大型航天器，如载人飞船的数管分系统与大卫星的数管分系统采用基本相同的架构，区别只是RTU的数量；小型航天器，如小卫星的星务分系统与大卫星的数管分系统的区别是大卫星选取1553B总线、小卫星选取CAN总线作为各单机的互连纽带，大卫星中央计算机下面挂着多个远置单元、小卫星的星务主机下面挂着多个下位机。有些小卫星在其基础上做了改进，将RTU嵌入到各有效载荷或测控平台分系统内部。这种电子系统架构主要包括时分多路传输的数据总线、标准机载计算机、标准开发语言以及标准外挂单元RTU，为了实现分系统的各种功能，每个分系统均需要拥有自己的控制器、传感器和执行机构，这就容易导致整个系统极端复杂，也会导致系统中存在大量不必要的重复设备，资源利用率也因此被降低，而且一旦设计定性，卫星完成的功能不能实现在轨变换，存在功能单一、不能适应用户不断变化的需求、用户体验较低的缺陷。

因此，为了满足用户不断变化的应用需求，需要设计一种卫星电子系统架构以适应应用场景的变化，能在轨动态地变更功能，实现一星多用，提高了卫星资源利用率。

发明内容

为了满足上述要求，同时解决上述技术问题，本发明提供一种适应多种应用场景、可灵活在轨动态配置的卫星电子系统架构。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构，其包括为六个区：综合管理控制区、数据计算处理区、数据存储区、射频综合区、光频综合区和接口驱动区，其中，综合管理控制区、数据计算处理区、数据存储区通过数据交换网络进行互联；

具体而言：

(1)综合管理控制区，用于负责卫星基本的管理和控制功能；

包括管理控制计算机、程序存储器与总线接口，用户可以通过运行在管理控制计算机上的应用程序完成相应功能；

其中程序存储器主要用于存储操作系统与应用程序，总线接口是综合管理控制区与数据存储区、数据计算处理区进行数据交互的接口，而综合管理控制区主要负责管理和控制星上各任务模块的运行、完成卫星的信息处理任务、监视全星状态、协调整星工作、规划整星任务、调度和分配资源与功能动态重构这些工作；

(2)数据计算处理区中主要是载荷数据处理计算机，该计算机由多个数据处理模块组成。根据加载在数据处理模块上的不同应用波形数据执行相应的数据处理算法，进而完成对应的数据处理，数据处理模块上的应用波形可以在综合管理控制区的调配下进行动态加载和移除；

(3)数据存储区主要用于存储应用波形数据、数据计算处理区处理的结果数据以及载荷的原始数据，数据存储区由具有数据管理性的存储介质组成，可以根据需要进行存储、查询、读取、擦除。

(4)接口驱动区

接口驱动区主要包括传统卫星平台的传感器和执行机构的接口驱动电路；

(5)射频综合区

卫星将微波天线接收到的射频模拟信号送入射频综合区，通过下变频得到中频信号，经过高速ADC采样后变为数字信号，发送至数据计算处理区进行处理；反之，数据计算处理区计算处理得到数字信号经过DAC之后变为中频信号，经过上变频得到射频模拟信号，再经微波天线发射出去；射频综合区能适应重要参数的在线实时配置；

(6)光频综合区

卫星将光学天线接收的光频模拟信号送入光频综合区，通过光电探测器转换为数字信号，发送至数据计算处理区进行处理；反之，数据计算处理区计算处理得到数字信号经过电光调制器转换为光频模拟信号，经过光学天线发射出去。光频综合区能够满足光频模拟信号主被动探测、激光通信的需求；

自此，就完成了适应在轨动态配置的卫星电子系统架构。

有益效果

第一，本发明提出了一种区别于传统卫星电子系统的卫星电子系统架构，该架构由六个区构成，其中数据计算处理区的多个处理器模块可以在综合管理控制区的管理下按需要加载和移除应用波形，从而能实现卫星功能的在轨动态配置，较传统星载数据管理系统在功能重构、资源利用率上都得到了大幅提升，可以满足用户灵活多变的应用需求；

第二，本发明将卫星用于处理资源的计算机划分为两类，分别是综合管理控制区的管理控制计算机和数据计算处理区的载荷数据处理计算机，两类计算机可以按照具体的应用要求动态加载应用软件，做到硬件标准化、软件构件化，从而实现软硬件设计分离，方便软硬件资源的移植与复用。

第三，本发明将传统卫星平台各分系统的电子设备综合成接口驱动区，打破分系统的概念，有利于任务调度自主规划与资源统一调度。

第四，本发明将卫星平台收到的电磁模拟信号按照频率划分为射频模拟信号与光频模拟信号两种模拟信号，分别由射频综合区和光频综合区进行接收，从体系上可以纳入所有频段的电磁模拟信号，较传统软件无线电而言，本发明在应用领域方面进行了拓展。

第五，交换网络打破传统卫星总线式结构，解决了时分固定式的一对一的资源分配。通过交换网络，按需分配资源和动态迁移工作负载，减少硬件资源的冗余和浪费，提升了资源利用率。

附图说明

图1为一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构。

图2为卫星在轨运行轨迹

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。

实施例1：

一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构，其包括为六个区：综合管理控制区、数据计算处理区、数据存储区、射频综合区、光频综合区和接口驱动区，其中，综合管理控制区、数据计算处理区、数据存储区通过数据交换网络进行互联。

具体而言：

(1)综合管理控制区，包括管理控制计算机、程序存储器与总线接口，用户可以通过运行在管理控制计算机上的应用程序完成相应功能；

其中程序存储器主要用于存储操作系统与应用程序，总线接口是综合管理控制区与数据存储区、数据计算处理区进行数据交互的接口，而综合管理控制区主要负责管理和控制星上各任务模块的运行、完成卫星的信息处理任务、监视全星状态、协调整星工作、规划整星任务、调度和分配资源与功能动态重构这些工作。

(2)数据计算处理区中主要是载荷数据处理计算机，该计算机由多个数据处理模块组成。根据加载在数据计算处理模块上的不同应用波形完成具体的功能，数据计算处理模块上的应用波形可以在综合管理控制区的调配下进行动态加载和移除。

(3)数据存储区由具有数据管理性的存储介质组成，可以根据需要进行存储、查询、读取、擦除。数据存储区主要用于存储应用波形数据、数据计算处理区处理的结果数据以及载荷的原始数据。

(4)接口驱动区

接口驱动区主要包括传统卫星平台的传感器接入模块和执行机构驱动模块。

(5)射频综合区

卫星将微波天线接收到的射频模拟信号送入射频综合区，通过下变频得到中频信号，经过高速ADC采样后变为数字信号，发送至数据计算处理区进行处理；反之，数字信号经过DAC之后变为中频信号，经过上变频得到射频模拟信号，再经微波天线发射出去；射频综合区能适应重要参数的在线实时配置；

(6)光频综合区

卫星将光学天线接收的光频模拟信号送入光频综合区，通过光电探测器转换为数字信号，发送至数据计算处理区进行处理；反之，数字信号经过电光调制器转换为光频模拟信号，经过光学天线发射出去。光频综合区能够满足光频模拟信号主被动探测、激光通信的需求。

实施例2：

本实施例提供一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构，将卫星电子系统划分为六个区：综合管理控制区、接口驱动区、数据存储区、数据计算处理区、射频综合区和光频综合区，综合管理控制区、数据存储区和数据计算处理区的模块均通过交换网络进行数据的交互，交换网络是一个全双工的网络，具备多个数据交换接口，数据计算处理区通过高速数据总线分别与射频综合区、光频综合区相连。射频综合区、光频综合区分别与微波天线阵列和光学天线阵列相连。

具体实现过程为：综合管理控制区的管理控制计算机负责卫星最基本的管理与控制功能，因此具有最高的可靠性，相对数据计算处理区的计算能力可以弱一些，一般以高等级的具有飞行经历的可靠处理器为主；综合管理控制区的计算机具备一定的程序存储器，采用双冗余的设计模式，避免因为模块故障造成整星任务的失败。接口驱动区由两个基本的功能模块组成：传感器接入模块和执行机构的驱动模块。数据存储区是由具备文件管理能力的大容量存储器构成，可以实现文件的存储、擦除、查询、读取、回放等功能，数据存储区具备坏块管理能力，确保存储数据的安全。数据计算处理区由多个配置相同的高性能数据处理模块组成，每个数据处理器模块可以按照需要加载与移除应用波形，从而实现其功能的动态配置，其配置功能是由综合管理控制区进行管理。卫星将微波天线接收到的射频模拟信号送入射频综合区，通过下变频得到中频信号，经过高速ADC采样后变为数字信号，发送至数据计算处理区进行处理；反之，数字信号经过DAC之后变为中频信号，经过上变频得到射频模拟信号，再经微波天线发射出去；射频综合区能适应重要参数的在线实时配置。卫星将光学天线接收的光频模拟信号送入光频综合区，通过光电探测器转换为数字信号，发送至数据计算处理区进行处理；反之，数字信号经过电光调制器转换为光频模拟信号，经过光学天线发射出去。光频综合区能够满足光频模拟信号主被动探测、激光通信的需求。

其工作方式如下：

(1)参数采集

卫星发射入轨后，其运行所必须的参数采集功能是由接口驱动区的传感器接入模块实现的，如陀螺仪、星敏感器、温度传感器、电压、电流传感器等产生的参数经过传感器接入模块采编整理后直接发送到综合管理控制区的管理控制计算机，作为控制决策的依据。测控盲区的遥测数据送数据存储区的保存，在经过测控站时经数据传输系统下传到地面。

(2)执行机构动作

综合管理控制区的管理控制计算机发出的命令经过接口驱动区的执行机构驱动模块解析并执行，以此来实现执行机构的动作。

(3)任务规划与控制

依据卫星携带载荷类型的不同可以实现不同的功能，如可见光探测、电子侦察、通信等。因此，卫星的具体应用离不开任务规划与资源优化分配。卫星的任务规划与控制功能是由综合管理控制区的计算机实现的。运行在计算机上的任务规划系统在得到属于自己的任务计划方案后，按照卫星系统构成、功能和约束条件，将任务序列进一步分解成详细的有效载荷控制指令序列，并控制卫星各类资源直接执行。

(4)应用程序与应用波形上注

运行在综合管理控制区计算机上的应用程序和加载在数据处理区处理器模块上的应用波形，均可以由地面上注到卫星上，并存储在数据存储区的大容量存储器里。在实现具体功能时，由综合管理控制区计算机调用并加载运行。

实施例3：

为了对该架构有更清楚的描述，下面针对目前卫星常用的功能实现，对一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构进行举例说明。

如图2所示，卫星在轨依次经过A、B、C、D四个区域，A区域为境外、B区域为远海、C区域为近海、D区域为境内。在四个区域分别赋予卫星不能的功能，如表所示。

表：卫星不同飞行阶段功能表

首先，综合管理控制计算机根据每个区域要执行的任务进行任务规划，形成任务计划方案，按照卫星系统构成、功能和约束条件，将任务序列进一步分解成详细的控制指令序列。

在经过A区域时，管理控制计算机通过交换网络调取中继测控波形和光学详查波形加载到数据处理区的处理器模块1和处理器模块2执行，同时控制中继天线和光学相机的指向，分别执行光学详查和中继测控任务。局部区域光学详查产生的数据经过交换网络传输到数据存储区进行存储。重要的遥测参数由管理控制计算机抽取送给数据处理区的处理器，经过测控通信波形的处理由中继天线发射出去。卫星接收中继卫星发射的遥控指令，经过中继测控波形发送给综合管理控制计算机执行，同时将光学详查图像存储到数据存储区。

在经过B区域时，中继测控功能同A区域。管理控制计算机卸载处理器模块2上的光学详查波形，同时通过交换网络调取电子侦察波形加载到数据处理区的处理器模块3执行，对微波天线接收到的信号进行分析计算，得到信号特征和目标方位坐标。接着，管理控制计算机通过交换网络调取光学探测波形加载到数据处理区的处理器模块2执行，获取目标的光学探测图像，并对目标进行在轨识别。电子侦察与光学探测的结果经过中继测控传回国内，同时将光学探测图像存储到数据存储区。

在经过C区域时，管理控制计算机卸载处理器模块1上的中继测控波形、处理器模块2上的光学探测波形和处理器模块3上的电子侦察波形，同时通过交换网络调取对地测控波形、激光探潜波形和综合侦收波形加载到数据处理区的处理器模块1、处理器模块2和处理器模块3执行。同时把激光探潜与侦收结果通过测控下传。

在经过D区域时，管理控制计算机卸载处理器模块2上的激光探潜波形和处理器模块3上的综合侦收波形，同时通过交换网络调取对激光数传波形和微波数传波形加载到数据处理区的处理器模块2和处理器模块3执行。通过数传波形将数据存储区的光学详查、光学探测等原始数据通过激光和(或者)微波数传下传到地面进行处理。

当然，本发明还可能有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构，其特征在于，包括六个区：综合管理控制区、数据计算处理区、数据存储区、射频综合区、光频综合区和接口驱动区，综合管理控制区、数据计算处理区、数据存储区通过数据交换网络进行互联；

综合管理控制区，用于负责卫星基本的管理和控制功能；

数据计算处理区，主要由多个数据处理模块组成，根据加载在数据处理模块上的不同应用波形完成相应的数据处理，数据处理模块上的应用波形数据可在综合管理控制区的调配下进行动态加载和移除；

数据存储区，用于存储应用波形数据、数据计算处理区处理的结果数据以及载荷的原始数据；

射频综合区，用于对微波天线接收的射频模拟信号进行下变频、A/D转换后，传输给数据计算处理区，数据计算处理区计算处理得到的数字信号进行D/A转换、上变频后，传输给微波天线；

光频综合区，用于将光学天线接收的光频模拟信号转换为数字信号，发送至数据计算处理区进行处理；反之，数据计算处理区计算处理得到的数字信号转换为光频模拟信号，发送给光学天线；

接口驱动区主要包括卫星平台的传感器接入模块和执行机构的接口驱动模块。

2.根据权利1所述的一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构，其特征在于，所述综合管理控制区由管理控制计算机、程序存储器和总线接口组成；其中，程序存储器用于存储操作系统与应用程序，总线接口是综合管理控制区与数据存储区、数据计算处理区进行数据交互的接口，综合管理控制区主要负责管理和控制星上各任务模块的运行、完成卫星的信息处理任务、监视全星状态、协调整星工作、规划整星任务、调度和分配资源与功能动态重构。

3.根据权利1所述的一种适应在轨动态配置的卫星电子系统架构，其特征在于，数据存储区由具有数据管理性的存储介质组成，可以根据需要进行存储、查询、读取、擦除。