CN109002049A - 基于模块化设计的卫星平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模块化设计的卫星平台，其包括单元管理模块、供电与测控服务模块、配电与测控服务模块、控温与测温模块、推力器驱动模块、自锁阀与490N发动机驱动模块、火工品驱动模块、SADA机构伺服控制模块、天线机构伺服控制模块及其它功能模块。本发明能够实现卫星平台电子低重量、低功耗、高集成的目标。

Description

基于模块化设计的卫星平台

技术领域

本发明涉及一种卫星平台，具体地，涉及一种基于模块化设计的卫星平台。

背景技术

卫星工程是一类系统性工程，具备构造的复杂性、功能的多样性、高成本、高风险的特点，卫星工程按照不同功能，大体上可划分为供配电分系统、测控与星务分系统、推进与姿控分系统、结构分系统、热控分系统、数传分系统、载荷分系统等，按传统卫星设计技术，卫星平台运行所需的配电、遥控、遥测、控温、推力器控制、自锁阀控制、490N控制、火工品控制、SADA控制、天线控制分别按照单独功能产品配置在分系统内：配电功能对应1～3台配电器，配置在供配电分系统；遥控对应1～2台遥控单元、遥测对应1～2台遥测采样器，配置在测控分系统；控温对应1～2台热控控制箱，配置在热控分系统；推力器、自锁阀、490N发送机对应1～2台推进线路盒、配置在推进分系统；火工品控制对应1～2台火工品管理器，配置在供配电分系统；SADA机构控制对应1～2台伺服控制器，配置在结构分系统；天线控制对应1～2台伺服控制器，配置在天线分系统。

上述传统卫星平台功能配置方案存在一定的弊端，如：一，产品过多，重量、功耗较大；二，接口数量过多，电缆连接复杂；三，接口种类过多，通信协议复杂、信息管理难度大；四，多样性产品管理难度大。

随着卫星技术的不断进步与应用需求牵引的趋势，为满足低重量、低功耗、高集成、通用化的要求，需要突破现有系统划分的隔阂，将原有功能单机模块化、将原有接口电路归一化，建立新的系统与产品架构来解决上述问题。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于模块化设计的卫星平台，其实现了平台各类功能产品的集成，各种模块的物理尺寸、电气接口、协议接口完全一致，采用自顶向下的信息流和能源流架构体系、统一的信息流与能源流接口、一主多从的模块灵活配置方案，能够实现卫星平台电子低重量、低功耗、高集成的目标。

根据本发明的一个方面，提供一种基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述基于模块化设计的卫星平台包括：

单元管理模块：作为卫星平台电子整机的主模块；安装了一个平台测控信息管理器，对外实现与中心管理单元通信、对内实现内总线管理、遥控遥测功能译码、AD采集的功能；平台电子整机一次电源分配枢纽；平台电子整机二次电源产生源头、分配枢纽；

供电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，两路控制供电，四十条控制指令，六十条遥测采集，同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；

配电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，至少八路控制供电，三十条控制指令，五十条遥测采集，同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；

控温与测温模块，单模块可实现对卫星平台二十八路加热片控制、三十路测温点采集；

推力器驱动模块，单模块可实现对单分支八路10N推力器进行单喷、连喷、常喷同时控制，并对各推力器工作温度进行监视；

自锁阀与490N驱动模块，可实现对推进液路、气路中的高压自锁阀、自锁阀进行开关控制，并对管路、储箱、气瓶的压力、温度信息进行监视；

火工品驱动模块，可实现对卫星活动机构解锁火工品、管路电爆阀进行起爆控制；

SADA机构伺服控制模块，单个模块，实现太阳电池阵转动控制，按照不同工作模式进行归零、捕获、跟踪的操作；

天线机构伺服控制模块，单个模块，实现两组机构共四轴同时转动控制；

其它功能模块，按照整星相应的功能要求，按照模块化设计原则，满足机电接口前提下，可与所述平台电子产品整机拼装的其它功能模块。

优选地，所述基于模块化设计的卫星平台采用自顶向下的信息流和能源流架构，所述信息流采用两款ASIC，分别是平台测控信息管理器与平台测控集成电路、所述能源流是集成的一次供电分配机制，以及采用DC/DC模块产生的二次电源集中分配机制。

优选地，所述平台测控信息管理器采用PGA132形式封装，包含了主备两组平台测控信息管理器子电路，两组子电路完全一致，并且相互隔离、独立；平台测控信息管理器具备：将单元外串行总线数据按照约定协议进行解析，按照指令所表达的控制类型与测量类型，对命令数据重新组帧，通过单元内串行总线传输至从模块，如果从模块执行的是测量命令，按照测量命令类型，平台测控信息管理器中的A/D转换器、状态采集器执行相应的测量操作，并将测量数据通过单元外串行总线传输至中心管理单元。

优选地，所述单元外串行总线采用四线制RS422型接口。

优选地，所述单元内串行总线采用CMOS/TTL兼容接口。

优选地，所述平台测控信息管理器采用PGA181形式封装，平台测控信息处理器将单元内串行总线数据按照约定协议进行解析，执行与本模块地址一致命令，命令分别有遥控命令与测量命令，平台测控信息处理器按照遥控命令的类型，分别进行离散或连续的控制信号输出；平台测控信息处理器按照遥测命令的类型，对数字量端口进行采集，对模拟量端口进行选通，以上测量数据均通过单元内串行总线上传至平台测控信息管理器。

优选地，所述遥测命令的类型包括8bit模拟量、1bit状态量、1bit状态捕获、9byte数字量测量。

优选地，所述基于模块化设计的卫星平台采用连续控制信号，连续控制信为9字节连续串行信号，通过该信号在后级扩展FPGA、MCU器件，在测控体系框架约束下，实现数据按协议进行管理与匹配。

优选地，所述基于模块化设计的卫星平台采用离散控制信号，离散控制信号具备单独控制和多路同时控制的功能，而且信号脉宽可控制，具备1～64路单独离散指令控制功能，用于继电器开关、VDMOS开关、OC门指令、射随指令的产生，离散控制信号宽度从1ms～2000ms调整，且可支持锁存功能；具备1～16路同时离散指令控制功能，在同一时间片内对最多16个端口信号分别定宽输出控制。

优选地，所述供电与测控服务模块、配电与测控服务模块属于服务类模块，控温与测温模块、推力器驱动模块、自锁阀与490N发动机驱动模块、火工品驱动模块、SADA机构伺服控制模块、天线机构伺服控制模块及其它功能模块属于功能类模块。单元管理模块与任意功能类、服务类模块组合，可以实现任意任务所需的目标，特点在于通用性、模块化的优势。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

一，采用平台测控信息管理器和平台测控信息处理器两种专用集成电路，对信息流做到了有效掌控，实现了集中管理、分时处理的目标，按照整星配电资源的需求，配置相应数量的供电与配电服务模块；

二，按照整星控温资源的需求，配置相应数量的热控控制模块；

三，按照整星推进控制的需求，配置相应数量的推力器、自锁阀、490N发动机驱动模块；

四，按照整星机构解锁、管路电爆的需求，配置相应数量的火工品驱动模块；

五，按照整星遥控、遥测资源的需求，配置相应数量的测控服务模块；

六，卫星平台电子产品可适用于不同轨道、不同尺寸、不同平台的卫星，按照整星的资源需求，配置相应数量的服务或功能模块即可，技术状态易于管理和固化；

七，各功能模块相互独立，模块之间共用通信总线，能源总线各模块按需获取，遥测上传通道各模块相互独立。；

八，信息流分级执行，测控信息管理器最多可对十六路测控信息处理器的数据与命令进行统一管理，以广播形式发送至各个模块，各模块按命令分别执行；

九，分组电源与地线的设计可以支持强弱电控制在一台产品中稳定运行；

十，采用模块化拼装的设计方式，便于调试、维修和扩展。

十一，本发明通过统一了信息接口、电气接口、机械接口，采用通用化、集成化、模块化技术，降低了实现卫星平台控制的重量、功耗成本，提高了可靠性与通用性，简化了卫星内各电子产品的电缆连接，把各种类型电子产品的接口进行了归一，其灵活、快速的配置与设计方式对成本和进度的减小有明显促进作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于模块化设计的卫星平台的原理框图。

图2为本实例信息流拓扑图。

图3为本实例单元管理模块的设计原理框图。

图4为本实例一种服务/功能模块的设计原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明基于模块化设计的卫星平台包括：

单元管理模块：作为卫星平台电子整机的主模块；安装了一个平台测控信息管理器，对外实现与中心管理单元通信、对内实现内总线管理、遥控遥测功能译码、AD(模数)采集的功能；平台电子整机一次电源分配枢纽；平台电子整机二次电源产生源头、分配枢纽。

供电与测控服务模块、配电与测控服务模块、控温与测温模块、推力器驱动模块、自锁阀与490N发动机驱动模块、火工品驱动模块、SADA机构伺服控制模块、天线机构伺服控制模块，所述八种从模块安装了一个平台测控信息处理器，实现内总线命令的识别、译码、执行，以及根据命令对遥测通道进行选择；

供电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，两路控制供电，四十条控制指令，六十条遥测采集，可同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；

配电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，至少八路控制供电，三十条控制指令，五十条遥测采集，可同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；

控温与测温模块，单模块可实现对卫星平台二十八路加热片控制、三十路测温点采集；

推力器驱动模块，单模块可实现对单分支八路10N推力器进行单喷、连喷、常喷同时控制，并对各推力器工作温度进行监视；

自锁阀与490N驱动模块，可实现对推进液路、气路中的高压自锁阀、自锁阀进行开关控制，并对管路、储箱、气瓶的压力、温度信息进行监视；

火工品驱动模块，可实现对卫星活动机构解锁火工品、管路电爆阀进行起爆控制；

SADA机构伺服控制模块，单个模块，实现太阳电池阵转动控制，可按照不同工作模式进行归零、捕获、跟踪的操作；

天线机构伺服控制模块，单个模块，可实现两组机构共四轴同时转动控制；

其它功能模块，按照整星相应的功能要求，按照模块化设计原则，满足机电接口前提下，可与所述平台电子产品整机拼装的其它功能模块。

单元管理模块作为整机的能源与信息汇总节点，通过内总线分发至各服务模块及功能模块，所述基于模块化设计的卫星平台采用自顶向下的信息流和能源流架构，所述信息流采用两款ASIC，分别是平台测控信息管理器与平台测控集成电路、所述能源流是集成的一次供电分配机制，以及采用DC/DC模块产生的二次电源集中分配机制，具体包括如下内容：信息流采用两款ASIC，分别是平台测控信息管理器与平台测控集成电路；能源流，一次电源分组供电，按照干扰源产品与敏感型产品供电分组隔离的原则进行分配，二次电源采用集中供电，分散管理的使用方案。整星复杂EMC条件下，集中供电及分散管理的使用方案有利于电磁兼容设计。

进一步地，一主多从的模块灵活配置方案，所述“一主”是单元管理模块，“多从”是包括了供电与测控服务模块、配电与测控服务模块、控温与测温模块、推力器驱动模块、自锁阀与490N发动机驱动模块、火工品驱动模块、SADA机构伺服控制模块、天线机构伺服控制模块中的任意数量组合。

进一步地，模块化设计的信息流接口采用了两款ASIC器件，所述两款ASIC器件分别是平台测控信息管理器和平台测控信息处理器。

平台测控信息管理器包括以下性能：平台测控信息管理器采用PGA132形式封装，包含了主备两组平台测控信息管理器子电路，两组子电路完全一致，并且相互隔离、独立；平台测控信息管理器具备：将单元外串行总线数据按照约定协议进行解析，按照指令所表达的控制类型与测量类型，对命令数据重新组帧，通过单元内串行总线传输至从模块，如果从模块执行的是测量命令，按照测量命令类型，平台测控信息管理器中的A/D转换器、状态采集器执行相应的测量操作，并将测量数据通过单元外串行总线传输至中心管理单元。

或者，平台测控信息管理器采用PGA181形式封装，平台测控信息处理器将单元内串行总线数据按照约定协议进行解析，执行与本模块地址一致命令，命令分别有遥控命令与测量命令，平台测控信息处理器按照遥控命令的类型，分别进行离散或连续的控制信号输出；平台测控信息处理器按照遥测命令的类型，对数字量端口进行采集，对模拟量端口进行选通，以上测量数据均通过单元内串行总线上传至平台测控信息管理器。

进一步地，单元外串行总线采用四线制RS422型接口，接口电平包括时钟、命令数据、测控框、遥测数据，采用串行同步通信协议，有利于信息交互的实时性。

进一步地，单元内串行总线采用CMOS/TTL兼容接口，接口电平包括单元时钟、命令数据、测控框、命令框、遥测数据；采用串行同步通信协议，有利于信息交互的实时性。

本发明基于模块化设计的卫星平台采用离散控制信号，离散控制信号具备单独控制和多路同时控制的功能，而且信号脉宽可控制，具备1～64路单独离散指令控制功能，可用于继电器开关、VDMOS开关、OC门指令、射随指令的产生，控制信号宽度可从1ms～2000ms调整，且可支持锁存功能；具备1～16路同时离散指令控制功能，在同一时间片内可对最多16个端口信号分别定宽输出控制，可用于推力器间喷、连喷控制，离散控制信号宽度可从1ms～512ms调整。

本发明基于模块化设计的卫星平台采用连续控制信号，连续控制信为9字节连续串行信号，通过该信号可在后级扩展FPGA、MCU器件，在测控体系框架约束下，实现数据按协议进行管理与匹配。

根据以上控制指令特性的配置，可以实现配电控制、热控控制、推力器控制、自锁阀控制、火工品控制、490N发动机控制、SADA及天线机构伺服控制的功能。

遥测命令的类型包括8bit模拟量、1bit状态量、1bit状态捕获、9byte数字量测量，涵盖了卫星传输的全部数据类型。

平台电子模块产品的尺寸统一为300mm×203mm×20.4mm；

平台电子模块产品的电气连接采用252芯贯穿式连接器，接点包含以下信息：内总线通信：测控框A、同步框A、时钟A、命令数据A、测控框B、同步框B、时钟B、命令数据B共八路信号；遥测数据上传通道：模块1A～16A遥测数据、模块1B～16B遥测数据、共32路信号；二次电源：数字5VA、模拟5VA、模拟+12VA、模拟-12VA、数字5VB、模拟5VB、模拟+12VB、模拟-12VB、基准5V共9路二次电源；一次电源：28V电源分4组、42V电源分4组，在本实例中各组电源的分组情况如下表1至表3：

表1北舱服务单元供配电分配表

表2南舱服务单元供配电分配表

表3底舱服务单元供配电分配表

进一步地，平台测控信息管理器地址宽度为4位，单颗卫星可配置16台卫星平台电子产品，平台测控信息处理器地址宽度为4位，单台卫星平台电子产品可配置16个功能或服务模块，本实例中，平台电子产品共集成了3台服务单元产品，共由18个服务/功能模块构成。

进一步地，除上述模块种类之外，若产生新的控制需求，重新设计模块只需要满足上述信息接口、电气接口、机械接口即可与卫星平台电子产品整机集成。

下面结合附图对本实例实施进一步描述：

图1是本实例在某型号的一款产品应用，由八个模块构成，包括一个单元管理模块、一个专用功能服务模块、一个加热器驱动模块、一个供电与测控服务模块、两个SADA机构伺服驱动模块、两个天线机构伺服驱动模块，采用横向拼装形式组合成一台平台电子产品，不同模块数量对应了不同的产品尺寸，对其模块进行增减后，仅需更换适合长度的固定螺杆即可；

单元管理模块负责本实例平台电子产品的二次电源产生，具有一定的发热量，因此设计了金属结构辅助DC/DC散热框架；

卫星平台电子产品在该型号实例化了三种整机产品，分别是北舱服务单元、南舱服务单元、底舱服务单元，三台产品的对外信息、能源接口采用了单元管理模块进行交互，对内单元管理模块完成了对服务/功能模块的集中管理与调度。模块的配置情况见下表4：

表4

图2是本实例信息流拓扑图，测控信息管理器通过外总线接收中心管理单元发送的遥控指令，首先判断是否为本单元指令，若不是本单元指令，则忽略；若是，则将后面的指令内容直接通过内总线转发给各个测控信息处理器；测控信息处理器通过内总线接收到前，判断是否为本模块指令，若不是本模块指令，则忽略；若是，则执行相应的指令输出和遥测采集的操作，内总线接口最多扩展十六个测控信息处理器，每个测控信息处理器可最多输出六十四路遥控指令以及对六十四路遥测信号进行采集。

图3是本实例单元管理模块的设计原理框图，包括了信息处理和能源处理两个部分，对外面向电源控制器与中心管理电源，对内对能源分组，并对内总线进行管理；

图4是本实例一种服务/功能模块的设计原理图，包括了两部分，分别是测控信息处理器对各类驱动元器件进行控制，并对输入信号进行遥测采集。

本实例通过统一了信息接口、电气接口、机械接口，采用通用化、集成化、模块化技术，降低了实现卫星平台控制的重量、功耗成本，提高了可靠性与通用性，简化了卫星内各电子产品的电缆连接，把各种类型电子产品的接口进行了归一，其灵活、快速的配置与设计方式对成本和进度的减小有明显促进作用，能够适应后续卫星研制开展的趋势要求。

本发明能够实现卫星平台电子的集成化、通用化、轻量化、快速化设计，降低质量进度成本，提升产品可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述基于模块化设计的卫星平台包括：

单元管理模块：作为卫星平台电子整机的主模块；安装了一个平台测控信息管理器，对外实现与中心管理单元通信、对内实现内总线管理、遥控遥测功能译码、AD采集的功能；平台电子整机一次电源分配枢纽；平台电子整机二次电源产生源头、分配枢纽；

供电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，两路控制供电，四十条控制指令，六十条遥测采集，同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；

配电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，至少八路控制供电，三十条控制指令，五十条遥测采集，同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；

控温与测温模块，单模块可实现对卫星平台二十八路加热片控制、三十路测温点采集；

推力器驱动模块，单模块可实现对单分支八路10N推力器进行单喷、连喷、常喷同时控制，并对各推力器工作温度进行监视；

自锁阀与490N驱动模块，可实现对推进液路、气路中的高压自锁阀、自锁阀进行开关控制，并对管路、储箱、气瓶的压力、温度信息进行监视；

火工品驱动模块，可实现对卫星活动机构解锁火工品、管路电爆阀进行起爆控制；

SADA机构伺服控制模块，单个模块，实现太阳电池阵转动控制，按照不同工作模式进行归零、捕获、跟踪的操作；

天线机构伺服控制模块，单个模块，实现两组机构共四轴同时转动控制；

其它功能模块，按照整星相应的功能要求，按照模块化设计原则，满足机电接口前提下，可与所述平台电子产品整机拼装的其它功能模块。

2.根据权利要求1所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述基于模块化设计的卫星平台采用自顶向下的信息流和能源流架构，所述信息流采用两款ASIC，分别是平台测控信息管理器与平台测控集成电路、所述能源流是集成的一次供电分配机制，以及采用DC/DC模块产生的二次电源集中分配机制。

3.根据权利要求1所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述平台测控信息管理器采用PGA132形式封装，包含了主备两组平台测控信息管理器子电路，两组子电路完全一致，并且相互隔离、独立；平台测控信息管理器具备：将单元外串行总线数据按照约定协议进行解析，按照指令所表达的控制类型与测量类型，对命令数据重新组帧，通过单元内串行总线传输至从模块，如果从模块执行的是测量命令，按照测量命令类型，平台测控信息管理器中的A/D转换器、状态采集器执行相应的测量操作，并将测量数据通过单元外串行总线传输至中心管理单元。

4.根据权利要求3所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述单元外串行总线采用四线制RS422型接口。

5.根据权利要求3所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述单元内串行总线采用CMOS/TTL兼容接口。

6.根据权利要求1所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述平台测控信息管理器采用PGA181形式封装，平台测控信息处理器将单元内串行总线数据按照约定协议进行解析，执行与本模块地址一致命令，命令分别有遥控命令与测量命令，平台测控信息处理器按照遥控命令的类型，分别进行离散或连续的控制信号输出；平台测控信息处理器按照遥测命令的类型，对数字量端口进行采集，对模拟量端口进行选通，以上测量数据均通过单元内串行总线上传至平台测控信息管理器。

7.根据权利要求6所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述遥测命令的类型包括8bit模拟量、1bit状态量、1bit状态捕获、9byte数字量测量。

8.根据权利要求1所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述基于模块化设计的卫星平台采用连续控制信号，连续控制信为9字节连续串行信号，通过该信号在后级扩展FPGA、MCU器件，在测控体系框架约束下，实现数据按协议进行管理与匹配。

9.根据权利要求1所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述基于模块化设计的卫星平台采用离散控制信号，离散控制信号具备单独控制和多路同时控制的功能，而且信号脉宽可控制，具备1～64路单独离散指令控制功能，用于继电器开关、VDMOS开关、OC门指令、射随指令的产生，离散控制信号宽度从1ms～2000ms调整，且可支持锁存功能；具备1～16路同时离散指令控制功能，在同一时间片内对最多16个端口信号分别定宽输出控制。

10.根据权利要求1所述的基于模块化设计的卫星平台，其特征在于，所述供电与测控服务模块、配电与测控服务模块属于服务类模块，控温与测温模块、推力器驱动模块、自锁阀与490N发动机驱动模块、火工品驱动模块、SADA机构伺服控制模块、天线机构伺服控制模块及其它功能模块属于功能类模块。