CN108667507B - 一种卫星智能化开放式综合电子系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星智能化开放式综合电子系统，包括中心控制模块、多级总线数据转换模块、低速遥测采集和遥控分发模块，定义了通用的综合电子系统架构，通过中心控制模块、多级总线数据转换模块、低速遥测采集和遥控分发模块实现了开放式的基础服务平台，能够通过程序上传进行在轨任务的更新和添加，可根据具体型号的特定需求，解决了现有卫星平台不能快速进行在轨任务更新的问题。

Description

一种卫星智能化开放式综合电子系统

技术领域

本发明涉及一种卫星智能化开放式综合电子系统，用于卫星综合电子系统的智能化和开放式设计。

背景技术

航天任务的不断发展对电子系统提出了高性能、高可靠、集成化等方面的要求，综合电子技术是伴随着微电子技术的进步和航天器应用需求发展起来的综合机电技术，是信息的采集、处理、存储的系统。卫星上的综合电子系统采用计算机网络技术将各电子设备互连，实现整星内部信息共享和综合利用，将所有的电子组成部分都置于一个完整、合理的体系结构之下，采用自顶向下的系统工程方法完成系统的研发。星载综合电子系统主要用于完成遥测遥控、热控、能源管理、时间管理、数据网络管理、自主运行管理、载荷管理、软件维护等功能。

现有的卫星综合电子系统主要完成了设备的集成，各设备均由卫星承制方进行专门定制，没有形成接口和协议统一的通用平台，因此系统的可扩展性不强，也不能方便的实现面向用户级的在轨软件任务添加。如申请号为CN201620833483.8、名称为一种一体化的星载综合电子系统的专利，该系统提供了一种一体化的星载综合电子系统，包括综合电子单机和数传发射机，综合电子单机包括星载计算机模块、测控模块、数传模块、电源控制模块，该专利中设备集成度高，但是未能提供通信速率不同的多种形式的总线扩展接口，仅适用中小规模卫星，不能适应容量大、设备多的卫星综合电子系统设计；系统扩展性、灵活性不高，各设备配置在设计初期就必须完全确定，研制过程中如果需求变更则需要重新设计，不利于进行功能扩展。题名为《一种分布式航天器综合电子系统设计》(航天器工程，2016年第12期)文献报道的一种综合电子系统设计方法，该系统提出了1553B总线和ARINC695总线的通用硬件接口设计，各设备遵循统一的硬件模块设计架构，但是由于没有使用开放式的总线设备查询单元，不能实现终端设备的自适应接入；1553B总线和ARINC695总线均为高速传输总线，不能适应载荷设备的低速数据传输需求；综合电子系统开放性不足，程序在发射前已经固化，用户不能方便的进行在轨任务添加，不能实现即插即用的卫星设备需求，无法进行功能扩展。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术中卫星综合电子系统缺少多级总线设计、接口扩展性不好、用户无法利用现有程序进行在轨新任务添加的问题，提出了一种卫星智能化开放式综合电子系统，解决了现有技术的适应性和扩展性缺陷。

本发明的技术解决方案是：

一种卫星智能化开放式综合电子系统，包括中心控制模块、多级总线数据转换模块、低速遥测采集和遥控分发模块，其中：

中心控制模块：接收地面控制中心发送的遥控指令信号并进行信号识别解析处理，若能进行识别解析处理，则将识别解析处理后的星内可执行指令信号发送至高速总线；若不能进行识别解析处理，则对遥控指令信号内容进行缓存，向地面控制中心发送识别解析程序的程序更新请求信号，并接收地面控制中心发送的待更新的识别解析程序，进行模块内的识别解析程序更新，再对缓存的遥控指令信号内容进行识别解析，并将识别解析处理后的星内可执行指令信号发送至高速总线；

多级总线数据转换模块：由高速总线获取中心控制模块发送的星内可执行指令信号，根据终端设备连接位置确定指令发送对象及指令发送数量，将星内可执行指令信号转化为卫星运行设备控制指令及卫星非快速实时控制设备控制指令，利用中速总线将卫星运行设备控制指令下发至卫星运行设备执行机构，同时将卫星非快速实时控制设备控制指令发送至低速遥测采集和遥控分发模块；

其中，所述卫星运行设备为监控卫星在轨运行状态及星内环境的设备，所述卫星非快速实时控制设备为实现信号转换及交互的设备；

低速遥测采集和遥控分发模块：接收多级总线数据转换模块发送的卫星非快速实时控制设备控制指令，并利用低速总线下发至连接于低速总线上的卫星非快速实时控制设备；

其中，高速总线的数据传输速度大于中速总线，中速总线的数据传输速度大于低速总线。

所述中心控制模块包括指令分类通道单元、指令判断单元、智能处理单元、遥测下传单元，其中：

指令分类通道单元：接收地面控制中心发送的包含遥控数据或识别解析程序数据的遥控指令信号，并根据信号内包含的遥控数据标识码进行分类，区分出遥控数据和识别解析程序，将仅包含有遥控数据的遥控指令信号作为A指令信号通过A指令通道发送至指令判断模块，同时将包含有遥控数据及识别解析程序的B指令信号通过B指令通道发送至指令判断模块；

指令判断单元：接收指令分类单元发送的A指令信号，并于智能处理模块内的指令库进行查询，判断A指令信号是否存在于指令库中，若存在，则将该指令信号发送至智能处理模块；若不存在，则向遥测下传单元发送程序更新请求信号，同时接收指令分类通道单元发送的包含有遥控数据及识别解析程序的B指令信号，将其发送至智能处理模块；

智能处理单元：接收指令判断模块发送的A指令信号进行识别解析，将识别解析后得到的星内可执行指令信号发送至多级总线数据转换模块；同时接收指令判断模块发送的B指令信号进行程序更新并对B指令信号内的遥控数据进行识别解析，将识别解析后得到的星内可执行指令信号发送至多级总线数据转换模块；将智能处理单元处理过程中获得的数据进行组帧，得到全帧遥测数据并发送给遥测下传单元；

遥测下传单元：接收指令判读单元的程序更新请求信号并下传至地面控制中心；同时接收智能处理单元的全帧遥测数据并下传至地面控制中心。

所述多级总线数据转换模块数量为n个，低速遥测采集和遥控分发模块数量为m个，m、n均为正整数。

所述多级总线数据转换模块、低速遥测采集和遥控分发模块均包括总线设备查询单元，其中：

总线设备查询单元：多级总线数据转换模块的总线设备查询单元对挂接在中速总线上的各个设备发送特征信息查询信号，接收各个设备返回的特征信息；低速遥测采集遥控分发模块的总线设备查询单元对挂接在低速总线上的各个设备发送特征信息查询信号，接收各个设备返回的特征信息并根据特征信息确定对应总线各个连接设备所需指令数量及接收遥测信息数量，并发送至对应总线设备。

所述特征信息包含同步头、卫星标识、总线类型、终端地址、遥测数量、遥测周期、指令数量、指令间隔、校验和。

所述高速总线数据传输速率为1Mbps～1.5Mbps。

所述多级总线数据转换模块接收指令信号并发送至中速总线的信息响应处理时间为0.5ms～1ms。

所述中速总线数据传输速率为100kbps～1Mbps；

所述低速遥测采集和遥控分发模块接收指令信号并发送至低速总线的信息响应处理时间为0.5ms～1ms。

优选的，所述低速总线数据传输速率为5kbps～100kbps。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用的智能化开放式综合电子系统架构，面向任务开放：不受限于具体的型号任务，通过在通用基础服务平台上集成特定用途的软硬件资源，满足不同任务的需求；面向产业开放：提供开放式体系架构，形成统一的电子工程环境，通信接口和协议规范标准化，允许第三方参与软硬件产品的开发；面向用户开放：提供智能处理单元，允许在轨安装和卸载应用软件模块，提供用户参与卫星应用程序开发的接口；面向空间开放：提供开放的空间数据接入协议，符合该通信标准的空间各类飞行器，可动态组网，实现数据传输。

(2)本发明采用了在轨任务更新和添加的模块，对地面控制中心发送的遥控指令信号进行自动识别，判读其是否能正确的识别解析，如果卫星上无此功能，则对遥控指令信号内容进行缓存，向地面控制中心发送识别解析的程序更新信号，并接收地面控制中心发送的待更新的识别解析程序，进行模块内的识别解析程序更新，方便的实现了在轨任务的更新和添加。

(3)本发明采用了灵活的多级总线架构，适用于高速、中速、低速数据总线终端方便的接入综合电子系统，提供了接口和协议统一的通用硬件服务平台，系统各类接口扩展性好，各类外设可以按照产品化和序列化的模式研制，形成了“通用硬件服务平台+产品化外设”的卫星电子系统集成模式，体现了综合电子系统智能化开放式的特点。

附图说明

图1为本发明提供的综合电子系统通用基础平台架构图；

图2为本发明提供的总线设备查询单元工作原理；

图3为本发明提供的空间数据接入协议架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的进行进一步的详细描述。

如图1所示为本发明的综合电子系统通用基础平台架构，包括中心控制模块、多级总线数据转换模块、低速遥测采集和遥控分发模块。

中心控制模块：接收地面控制中心发送的遥控指令信号并进行信号识别解析处理，若能进行识别解析处理，则将识别解析处理后的星内可执行指令信号发送至高速总线；若不能进行识别解析处理，则对遥控指令信号内容进行缓存，向地面控制中心发送识别解析程序的程序更新请求信号，并接收地面控制中心发送的待更新的识别解析程序，进行模块内的识别解析程序更新，再对缓存的遥控指令信号内容进行识别解析，并将识别解析处理后的星内可执行指令信号发送至高速总线；

多级总线数据转换模块：由高速总线获取中心控制模块发送的星内可执行指令信号，根据终端设备连接位置确定指令发送对象及指令发送数量，将星内可执行指令信号转化为卫星运行设备控制指令及卫星非快速实时控制设备控制指令，利用中速总线将卫星运行设备控制指令下发至卫星运行设备执行机构，同时将卫星非快速实时控制设备控制指令发送至低速遥测采集和遥控分发模块；

其中，所述卫星运行设备为控制卫星在轨运行状态及星内环境的设备，所述卫星非快速实时控制设备为实现信号转换及交互的设备，多级总线数据转换模块信息响应处理时间为0.5ms～1ms；

低速遥测采集和遥控分发模块：接收多级总线数据转换模块发送的卫星实时控制设备控制指令，并利用低速总线下发至连接于低速总线上的卫星非快速实时控制设备，低速遥测采集和遥控分发模块信息响应处理时间为0.5ms～1ms；

其中，高速总线的数据传输速度大于中速总线，中速总线的数据传输速度大于低速总线，高速总线数据传输速率为1Mbps～1.5Mbps，中速总线数据传输速率为100kbps～1Mbps，低速总线数据传输速率为5kbps～100kbps。

多级总线数据转换模块通过中速总线连接遥测采集执行模块、指令发送执行模块、加热器控制执行模块、火工品控制执行模块。其中：遥测采集执行模块采集卫星设备的温度量和模拟量遥测；指令发送执行模块向卫星设备发送指令实现卫星设备的开机、关机和模式转换，加热器控制执行模块向卫星的加热器发送接通和断开的指令实现卫星的温度控制；火工品控制执行模块向卫星的火工品发送起爆指令实现火工品的起爆操作。

低速遥测采集和遥控分发模块实现对卫星非快速实时控制设备的数据交互，如转发器、多功能组件、信号源、固态放大器等设备，接收其遥测数据并向其发送指令信息。

中心控制模块包括指令分类通道单元、指令判断单元、智能处理单元、遥测下传单元，其中：

指令分类通道单元：接收地面控制中心发送的包含遥控数据或识别解析程序数据的遥控指令信号，并根据信号内包含的遥控数据标识码进行分类，区分出遥控数据和识别解析程序，将仅包含有遥控数据的遥控指令信号作为A指令信号通过A指令通道发送至指令判断模块，同时将包含有遥控数据及识别解析程序的B指令信号通过B指令通道发送至指令判断模块；

指令判断单元：接收指令分类单元发送的A指令信号，并于智能处理模块内的指令库进行查询，判断A指令信号是否存在于指令库中，若存在，则将该指令信号发送至智能处理模块；若不存在，则通过遥测下传单元向地面控制中心发送程序更新请求信号，通过指令分类通道单元接收更新后的程序并与A指令信号组成B指令信号发送至智能处理模块；

智能处理单元：接收指令判断模块发送的A指令信号进行识别解析，将识别解析后得到的星内可执行指令信号发送至多级总线数据转换模块；并在A指令信号不存在于指令库的情况下，接收指令判断模块发送的B指令信号进行程序更新并对B指令信号内的遥控数据进行组帧处理，得到整星全帧遥测数据并发送给遥测下传单元；

遥测下传单元：接收指令判读单元的程序更新请求信号并下传地面控制中心；同时接收智能处理单元的整星全帧遥测数据，转换为星内可执行指令信号下传到多级总线数据转换模块。

如图2所示为本发明的总线设备查询单元工作原理。每个总线终端设备均存储着总线终端特征信息，总线设备查询单元不预存每个终端的信息，在终端接入总线后总线设备查询单元读取终端的特征信息，获取终端的遥测遥控基本信息，按照特性信息的情况与终端设备进行数据交互，实现终端设备灵活的自适应接入。

所述特征信息包括同步头、卫星标识、总线类型、终端地址、遥测数量、遥测周期、指令数量、指令间隔、校验和，长度均为2个字节，一共为18个字节。同步头各终端设备一致，均为EB90H；卫星标识表明该设备接入的卫星型号，每个卫星均分配了一个特定标识；总线类型表征该设备为第几级总线，高速总线为01H，中速总线为02H，低速总线为03H；终端地址表征该设备的终端地址号，三级总线的终端地址范围均为1～30；遥测数量表征该设备需要由总线设备查询单元采集的遥测个数，单位为字节；遥测周期表征该设备遥测上传的周期，即总线设备查询单元每隔多长时间采集一次该设备的遥测，单位为毫秒；指令数量表征该设备可接收的最长指令长度，单位为字节；指令间隔表示总线设备查询单元向该设备发送2次指令的最短时间间隔，单位为毫秒；校验和为前14个字节的奇校验和。

终端设备接入过程如下：总线设备查询单元周期性发送查询指令，检测总线上是否有终端设备接入；如果有终端设备接入总线，总线设备查询单元读取该终端的特征信息；如果终端特征信息格式不正确，则舍弃该终端，重新检测是否有新设备接入总线；如果终端特征信息格式正确，总线设备查询单元判断终端特征信息中的总线类型信息；当总线类型为01时，存储终端设备的其它特征信息，向该终端发送高速总线通信成功建立标志，并根据终端特征信息中的遥测数量和遥测周期采集终端遥测信息，完成高速总线终端设备接入；当总线类型为02时，存储终端设备的其它特征信息，向该终端发送中速总线通信成功建立标志，并根据终端特征信息中的遥测数量和遥测周期采集终端遥测信息，完成中速总线终端设备接入；当总线类型为03时，存储终端设备的其它特征信息，向该终端发送低速总线通信成功建立标志，并根据终端特征信息中的遥测数量和遥测周期采集终端遥测信息，完成低速总线终端设备接入。

如图3所示为本发明的空间数据接入协议架构图，以四颗卫星空间组网为例进行说明。对卫星A来说，仅可见卫星B和卫星C，卫星D不可见，因此卫星A可以与卫星B、卫星C直接进行遥测遥控通信，卫星A与卫星D的遥测遥控通信信息需要由卫星B或卫星C进行路由转发；对卫星B来说，仅可见卫星A和卫星D，卫星C不可见，因此卫星B可以与卫星A、卫星D直接进行遥测遥控通信，卫星B与卫星C的遥测遥控通信信息需要由卫星A或卫星D进行路由转发。两颗卫星进行传输遥测信息需遵循遥测传输协议，传输遥控指令信息需遵循遥控传输协议。遥控传输协议包括同步头、本星标识、路由星标识、目标星标识、指令标识、指令长度、指令内容、校验和。同步头为组网卫星共同使用的特征字；本星标识为本卫星的序列号，组网卫星星座中为每颗卫星定义了独有的序列号；路由星标识为星间数据通信需要经过的路由卫星序列号，如果两颗卫星可直接通信，直接填写目标卫星的序列号；目标星标识为该遥控指令最终到达的目标卫星的序列号；指令标识代表该条信息传输的是遥控指令；指令长度为指令内容的长度信息，单位为字节；指令内容长度可变，为遥控指令的数据域内容；校验和为前面所有字节的奇校验和。

遥控传输协议包括同步头、本星标识、路由星标识、目标星标识、遥测标识、遥测长度、遥测内容、校验和。其中同步头、本星标识、路由星标识、目标星标识的定义与遥控传输协议中相同。遥测标识代表该条信息传输的是遥测信息；遥测长度为遥测内容的长度信息，单位为字节；遥测内容长度可变，为遥测信息的数据域内容；校验和为前面所有字节的奇校验和。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：包括中心控制模块、多级总线数据转换模块、低速遥测采集和遥控分发模块，其中：

中心控制模块：接收地面控制中心发送的遥控指令信号并进行信号识别解析处理，若能进行识别解析处理，则将识别解析处理后的星内可执行指令信号发送至高速总线；若不能进行识别解析处理，则对遥控指令信号内容进行缓存，向地面控制中心发送识别解析程序的程序更新请求信号，并接收地面控制中心发送的待更新的识别解析程序，进行模块内的识别解析程序更新，再对缓存的遥控指令信号内容进行识别解析，并将识别解析处理后的星内可执行指令信号发送至高速总线；

多级总线数据转换模块：由高速总线获取中心控制模块发送的星内可执行指令信号，根据终端设备连接位置确定指令发送对象及指令发送数量，将星内可执行指令信号转化为卫星运行设备控制指令及卫星非快速实时控制设备控制指令，利用中速总线将卫星运行设备控制指令下发至卫星运行设备执行机构，同时将卫星非快速实时控制设备控制指令发送至低速遥测采集和遥控分发模块；

其中，所述卫星运行设备为监测卫星在轨运行状态及星内环境的设备，所述卫星非快速实时控制设备为实现信号转换及交互的设备；

低速遥测采集和遥控分发模块：接收多级总线数据转换模块发送的卫星非快速实时控制设备控制指令，并利用低速总线下发至连接于低速总线上的卫星非快速实时控制设备；

其中，高速总线的数据传输速度大于中速总线，中速总线的数据传输速度大于低速总线。

2.根据权利要求1所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述中心控制模块包括指令分类通道单元、指令判断单元、智能处理单元、遥测下传单元，其中：

指令分类通道单元：接收地面控制中心发送的包含遥控数据或识别解析程序数据的遥控指令信号，并根据信号内包含的遥控数据标识码进行分类，区分出遥控数据和识别解析程序，将仅包含有遥控数据的遥控指令信号作为A指令信号通过A指令通道发送至指令判断模块，同时将包含有遥控数据及识别解析程序的B指令信号通过B指令通道发送至指令判断模块；

指令判断单元：接收指令分类单元发送的A指令信号，并于智能处理单元内的指令库进行查询，判断A指令信号是否存在于指令库中，若存在，则将该指令信号发送至智能处理单元；若不存在，则向遥测下传单元发送程序更新请求信号，同时接收指令分类通道单元更新后的程序并与A指令信号组成B指令信号发送至智能处理单元；

智能处理单元：接收指令判断模块发送的A指令信号进行识别解析，将识别解析后得到的星内可执行指令信号发送至多级总线数据转换模块；同时接收指令判断模块发送的B指令信号进行程序更新并对B指令信号内的遥控数据进行组帧处理，得到整星全帧遥测数据并发送给遥测下传单元；

遥测下传单元：接收指令判读单元的程序更新请求信号并下传至地面控制中心；同时接收智能处理单元的整星全帧遥测数据，转换为星内可执行指令信号下传到多级总线数据转换模块。

3.根据权利要求2所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述多级总线数据转换模块数量为n个，低速遥测采集和遥控分发模块数量为m个，m、n均为正整数。

4.根据权利要求1～3任一所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述多级总线数据转换模块、低速遥测采集和遥控分发模块均包括总线设备查询单元，其中：

总线设备查询单元：对多级总线数据转换模块、低速遥测采集遥控分发模块接收到的星内可执行指令信号进行特征信息检测，根据特征信息确定对应总线连接设备所需指令数量及接收遥测信息数量，并发送至对应总线。

5.根据权利要求4所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述特征信息包含同步头、卫星标识、总线类型、终端地址、遥测数量、遥测周期、指令数量、指令间隔、校验和。

6.根据权利要求1所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述高速总线数据传输速率为1Mbps～1.5Mbps。

7.根据权利要求6所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述多级总线数据转换模块接收指令信号并发送至中速总线的信息响应处理时间为0.5ms～1ms。

8.根据权利要求7所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述中速总线数据传输速率为100kbps～1Mbps。

9.根据权利要求1所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述低速遥测采集和遥控分发模块接收指令信号并发送至低速总线的信息响应处理时间为0.5ms～1ms。

10.根据权利要求9所述的一种卫星智能化开放式综合电子系统，其特征在于：所述低速总线数据传输速率为50kbps～100kbps。

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