CN110471341A - 一种星载智能化菜单式综合电子系统 - Google Patents

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Abstract

一种星载智能化菜单式综合电子系统，该方法综合电子系统设计是由一个星务管理计算机为核心，通过总线网络控制具有标准总线接口的平台与载荷菜单式模块，实现姿轨控、遥测遥控、供配电、热控管理、火工品管理、FDIR等功能；同时菜单式模块采用模块化菜单式设计思想，各功能模块通过内总线与总线接口管理模块连接，菜单式模块主要由总线接口管理模块、矩阵指令与矩阵遥测模块、信息采集与输出模块等组成。各个功能模块采用统一、标准的接口，不同科研单位或生产商生产的功能模块在机械、电气、热和数据接口上可以相互兼容，能方便地进行组装，从而大大降低卫星的研制成本和研制周期。

Description

一种星载智能化菜单式综合电子系统
技术领域
本发明涉及一种星载智能化菜单式综合电子系统，适用于卫星综合电子系统总体设计。
背景技术
卫星综合电子系统是星上采用计算机网络技术将星载电子设备互连，实现卫星内部信息共享和综合利用、功能集成、资源重组优化的信息处理和传输系统。是以多种不同的功能模块组成的集成系统，在统一的任务调度和管理下，完成卫星的所有管理功能(遥测遥控管理、数据管理、姿轨控管理、热控管理、能源管理、时间管理以及有效载荷管理等)。
随着各种卫星技术快速发展和普及应用，采用模块化菜单式设计是实现空间快速响应和提高卫星智能化水平的重要途径。模块化菜单式设计是利用机器智能和软硬件结合来简化外围设备的插入和移除的技术。几十年来，它在计算机领域引起了深刻变革，这也促进了它在航天领域的应用。用于卫星系统的模块化菜单式设计技术，在空间系统的快速构建与恢复、卫星在轨维修与功能扩展、支持地面信息快速响应的卫星等领域，都具有十分重要的意义。模块化菜单式卫星无论是技术、设计理念，还是体系结构，都与以往的卫星不同，而且需要采用新技术、新设计方法和新设计标准。随着卫星电子设备产生的数据量不断增加，大量的数据处理需求对卫星信息处理能力提出了更高的要求。综合电子系统作为整星的信息核心，尤其是面向智能化新一代卫星系统的要求，研究实现综合电子系统的高性能计算是必然要求，为提升综合电子系统的计算能力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载智能化菜单式综合电子系统，实现了卫星综合电子系统的总体设计，提高了卫星系统的快速响应能力。
本发明的技术解决方案是：一种星载智能化菜单式综合电子系统，包括星务管理计算机和菜单式模块；星务管理计算机和菜单式模块通过数据总线进行数据传输，实现姿轨控、遥测遥控、供配电、热控管理、火工品管理、故障检测与恢复；所述星务管理计算机周期性的保存并维护卫星各分系统的重要数据，当相关分系统内部配置发生变化、或者相应的计算机重启时，星务管理计算机将内部存储的重要数据发送至相应单机，同时，当星务管理计算机自身发生复位或切机时，星务管理计算机通过自身保存的重要数据恢复当前工作状态。
所述星务管理计算机为卫星FDIR提供运行平台，同时为自身提供FDIR功能；当星务管理计算机自身健康时，星务管理计算机应监视整星能源、热控等方面的关键信息；及时检测和发现各种异常情况，并通过直接遥控指令接口或通过1553B总线通知菜单式模块进行故障处理。
所述菜单式模块包括数信息采集与输出模块-A型、信息采集与输出模块-B型、矩阵指令与矩阵遥测模块、高压加热器配电模块、低压加热器配电模块、混合加热器模块和火工品管理模块。
所述信息采集与输出模块-A型实现指令的输出，并提供对信息的采集功能；接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关；收集设备的开关状态和设备的工作状态数据，通过总线传到星务管理计算机；所述信息采集与输出模块-A采集的数据是连续的数值；所述信息采集与输出模块-B型实现指令的输出，并提供对信息的采集功能；接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关；收集设备的开关状态和设备的状态数据，通过总线传到星务管理计算机；所述信息采集与输出模块-B采集的数据是离散的状态。
所述矩阵指令与矩阵遥测模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关；同时收集设备的开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机；所述矩阵指令与矩阵遥测模块采用矩阵的形式进行管理，每个矩阵有x行和y列，控制的设备开关数量为x×y。
所述高压加热器配电模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星高电压加热器配电的开关；同时收集高电压加热器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机；所述低压加热器配电模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星低电压加热器配电的开关；同时收集低电压加热器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机；
所述混合加热器模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星低电压加热器和敏感器配电的开关；同时收集低电压加热器和敏感器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
所述火工品管理模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星火工品的开关；同时收集火工品开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
当一个任务由多种模块组合形式完成时，通过数据量、计算时间、能耗和重量参数进行效能计算，寻优得到最终解，具体为：设系统共有IG类模块，G＝1，2，……，i，……；每类模块根据数据量、处理时间、功耗、重量的不同分为L个型号，那么Ii模块就有Li个型号；每个型号具有的数据量为D(i，Li)，处理时间为t(i，Li)，功耗为p(i，Li)，重量为w(i，Li)；每一种组合根据模块的求和，根据任务需要先选定所需模块类型，再根据各模块中的不同型号分别得到能够完成任务的所有的组合形式，计算得到每种组合形式的D，t，p，w；
再通过以下公式计算每种组合的参考价值per：
其中kt、kp、kw是时间、功耗和重量参数的权值；最终选定per值最高的对应的那种组合形式作为真正完成任务的型号。
当多个任务需共用一个模块时，计算得到模块i在执行多个任务时，每个任务所需要的适应度值cal如下式：
其中p(i)为i模块在执行某任务时的功耗，w(i)为i模块的重量，cap为该任务需要的所有模块；α＝0.25，β＝0.55；模块i选择执行cal最大值对应的任务。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明根据模块化的划分标准，将卫星整体划分成多个功能模块，每个功能模块都是一个独立、封闭的整体，能够独立完成一项或多项任务。各个功能模块采用统一、标准的接口，不同科研单位或生产商生产的功能模块在机械、电气、热和数据接口上可以相互兼容，能方便地进行组装，从而大大降低卫星的研制成本和研制周期。
(2)本发明基于模块化的能够快速设计和组装的新型卫星设计理念，通过制定标准的系统级机械接口、电气接口、热接口、数据接口和数据协议，使得满足该软硬件要求的单机设备可以直接使用。
附图说明
图1为综合电子系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
实现的主要功能为全冗余的星务管理计算机，支持在轨重构；支持CCSDS协议的遥测/遥控；与外部单元的接口；对外部单元提供二次配电和离散指令。针对信息处理需求的提升，采用高性能处理器的结构，其特征是基于SPARC V8体系结构，最高处理频率达到100MHz以上。针对高性能高流量处理器的需求，采用PowerPC双核结构的高性能宇航用抗辐照产品，集成SRAM器件、FLASH器件、扩展各种收发器、电压转换器等外围电路。
通用接口芯片ASIC作为处理器外设部件，通过与处理器总线接口，实现通用位口GPIO、脉冲计数、脉冲计数、可变长度脉冲输出、通用同步串口、周期信号输出、星时计数及锁存、异步串口等功能。
通过1553B总线实现星务管理计算机与菜单式模块等设备之间的数据交换。采用1553B总线主从式应答模式，传送平台指令数据和遥测采集数据，满足用于平台测控的关键、高可靠性数据传输任务要求。在一级总线的数据交换过程中，星务管理计算机始终作为1553B总线控制器(BC)，发起总线的通信；菜单式模块等设备作为RT端，在BC激励和触发下，接收指令、以及将采集的遥测数据发送至星务管理计算机，用于星务管理/自主控制，并组织遥测数据用于下传地面系统。
本发明设计的综合电子系统采用星务管理计算机、菜单式模块和数据总线的组成框架，如图1所示。综合电子系统主要有高性能星务管理计算机、菜单式模块以及总线组成，其中高性能星务管理计算机具备高性能的计算硬件体系、研究主要单机的菜单式设计，满足卫星智能化信息处理的需求。
实现的主要功能为全冗余的星务计算机，支持在轨重构；支持CCSDS协议的遥测/遥控；与外部单元的接口；对外部单元提供二次配电和离散指令。针对信息处理需求的提升，采用高性能处理器的结构，其特征是根据模块化的划分标准，将分系统整体划分成多个功能模块，每个功能模块都是一个独立、封闭的整体，能够独立完成一项或多项任务。各个功能模块采用统一、标准的即插即用接口，不同科研单位或生产商生产的功能模块在机械、电气、热和数据接口上可以相互兼容，能方便地进行组装，从而大大降低卫星的研制成本和研制周期。
通用接口芯片ASIC作为处理器外设部件，通过与处理器总线接口，实现通用位口GPIO、脉冲计数、脉冲计数、可变长度脉冲输出、通用同步串口、周期信号输出、星时计数及锁存、异步串口等功能。
该方法的实现流程为：
1、星务管理计算机设计
星务管理计算机进行了优化设计及功能扩充。主要完成以下菜单式功能：
1)遥控功能：星务管理计算机接收来自遥测遥控计算机的遥控指令，完成指令分发；
2)遥测功能：采集自身遥测量、通过1553B总线接收总线终端设备采集的间接遥测参数，按照CCSDS标准完成组帧处理后，通过串口传送给遥测遥控计算机；
3)星务自主管理功能：通过运行在星务管理计算机上的应用软件，实现能源自主管理、热控自主管理、总线管理、载荷管理、火工品管理等功能；
4)在轨维护功能：针对在轨任务执行时控制参数的临时调整，修改软件的控制参数。支持星载软件在轨维护功能，能够实现对软件模块的修复、软件模块的新增、软件模块的全覆盖修复等；
5)重要数据保存功能：星务管理计算机能够周期性的保存并维护卫星各分系统的重要数据，当相关分系统内部配置发生变化、或者相应的计算机重启时，星务管理计算机将内部存储的重要数据发送至相应单机，同时，当星务管理计算机自身发生复位或切机时，星务管理计算机通过自身保存的重要数据恢复当前工作状态；
6)FDIR功能：星务管理计算机为卫星FDIR提供运行平台，同时为自身提供FDIR功能。当星务管理计算机自身健康时，星务管理计算机应监视整星能源、热控等方面的关键信息；及时检测和发现各种异常情况，并通过直接遥控指令接口或通过1553B总线通知菜单式模块进行故障处理。
2、菜单式模块设计
菜单式模块主要由矩阵指令与矩阵遥测模块、信息采集与输出模块等组成。模块的设计结果也都是固定的，按照条目化的需求，选用相关的模块。首先根据任务功能，确定固定生产的模块，模块菜单如下表所示。
信息采集与输出模块-A型(IA)：该模块实现指令的输出，并提供对信息的采集功能。接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关(比如敏感器等)。收集设备的开关状态和设备的工作状态数据(包括电流、电压、工作温度等)，通过总线传到星务管理计算机。采集的数据是连续的数值。
信息采集与输出模块-B型(IB)：该模块实现指令的输出，并提供对信息的采集功能。接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关(比如敏感器等)。收集设备的开关状态和设备的状态数据(包括开关的通断状态、设备的健康状态等)，通过总线传到星务管理计算机。采集的数据是离散的状态(0或1)。
矩阵指令与矩阵遥测模块(IC)：接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关(比如敏感器等)。收集设备的开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。由于星上设备增多，通过一条指令和一条遥测控制一个设备的开关太过复杂，采用矩阵的形式进行管理，每个矩阵有x行和y列，那么控制的设备开关就是x乘以y这么多。
高压加热器配电模块(ID)：接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星高电压加热器配电的开关。收集高电压加热器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
低压加热器配电模块(IE)：接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星低电压加热器配电的开关。收集低电压加热器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
混合加热器模块(IF)：接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星低电压加热器和敏感器配电的开关。收集低电压加热器和敏感器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
火工品管理模块(IG)：接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星火工品的开关。收集火工品开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
各模块具有一定功能，具体能力也是菜单化的，各模块能力菜单如下表所示。
模块设计完成后，根据任务需求，选择相应的模块，确定模块的数量，生成模块数量菜单，最后按照标准接口完成组装。模块的数量菜单如下表所示。
3、数据总线网络设计
综合电子分系统数据总线网络是综合电子分系统的信息传输中枢，通过数据总线网络，实现分布式的数据采集及指令输出、集中式运算与控制，从而提高系统处理的效率。综合电子分系统一级总线为1553B总线。
通过1553B总线实现星务管理计算机与菜单式模块等设备之间的数据交换。采用1553B总线主从式应答模式，传送平台指令数据和遥测采集数据，满足用于平台测控的关键、高可靠性数据传输任务要求。在一级总线的数据交换过程中，星务管理计算机始终作为1553B总线控制器(BC)，发起总线的通信；菜单式模块等设备作为RT端，在BC激励和触发下，接收指令、以及将采集的遥测数据发送至星务管理计算机，用于星务管理/自主控制，并组织遥测数据用于下传地面系统。
当一个任务由多种模块组合形式完成时，通过数据量、计算时间、能耗和重量参数进行效能计算，寻优得到最终解，具体为：目前有IA、IB……IG 7类模块，每类模块根据数据量、处理时间、功耗、重量的不同分为L个型号，一般L的取值为2-5之间，那么Ii模块有Li个型号；每个型号具有的数据量为D(i，Li)，处理时间为t(i，Li)，功耗为p(i，Li)，重量为w(i，Li)，每一种组合根据模块的求和，根据任务需要先选定所需模块类型，再根据各模块中的不同型号分别得到能够完成任务的所有的组合形式，计算得到每种组合形式的D，t，p，w；比如：组合形式为A3，B4，C2，D1，E3，F2，G4。那么w＝w(A，3)+w(B，4)+w(C，2)+w(D，1)+w(E，3)+w(F，2)+w(G，4)，同理，D，t，p都可以这样算出。
每种组合的D，t，p，w算出之后，，再通过以下公式计算每种组合的参考价值per
计算公式如下：
其中kt、kp、kw是时间、功耗和重量参数的权值，具体根据任务需要确定，取值范围0.1～0.9，步进0.1。
最终选定per值最高的对应的那种组合形式。
当多个任务需共用一个模块时，计算得到模块i在执行多个任务时，每个任务所需要的适应度值cal如下式：
其中p(i)为i模块在执行某任务时的功耗，w(i)为i模块的重量，cap为该任务需要的所有模块；α＝0.25，β＝0.55。
模块i选择执行cal最大值对应的任务。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：包括星务管理计算机和菜单式模块；星务管理计算机和菜单式模块通过数据总线进行数据传输，实现姿轨控、遥测遥控、供配电、热控管理、火工品管理、故障检测与恢复；所述星务管理计算机周期性的保存并维护卫星各分系统的重要数据，当相关分系统内部配置发生变化、或者相应的计算机重启时，星务管理计算机将内部存储的重要数据发送至相应单机，同时，当星务管理计算机自身发生复位或切机时，星务管理计算机通过自身保存的重要数据恢复当前工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：所述星务管理计算机为卫星FDIR提供运行平台，同时为自身提供FDIR功能；当星务管理计算机自身健康时，星务管理计算机应监视整星能源、热控等方面的关键信息；及时检测和发现各种异常情况，并通过直接遥控指令接口或通过1553B总线通知菜单式模块进行故障处理。
3.根据权利要求1任一所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：所述菜单式模块包括数信息采集与输出模块-A型、信息采集与输出模块-B型、矩阵指令与矩阵遥测模块、高压加热器配电模块、低压加热器配电模块、混合加热器模块和火工品管理模块。
4.根据权利要求3所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：所述信息采集与输出模块-A型实现指令的输出，并提供对信息的采集功能；接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关；收集设备的开关状态和设备的工作状态数据，通过总线传到星务管理计算机；所述信息采集与输出模块-A采集的数据是连续的数值；所述信息采集与输出模块-B型实现指令的输出，并提供对信息的采集功能；接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关；收集设备的开关状态和设备的状态数据，通过总线传到星务管理计算机；所述信息采集与输出模块-B采集的数据是离散的状态。
5.根据权利要求3所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：所述矩阵指令与矩阵遥测模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，然后控制卫星设备的开关；同时收集设备的开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机；所述矩阵指令与矩阵遥测模块采用矩阵的形式进行管理，每个矩阵有x行和y列，控制的设备开关数量为x×y。
6.根据权利要求3所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：所述高压加热器配电模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星高电压加热器配电的开关；同时收集高电压加热器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机；所述低压加热器配电模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星低电压加热器配电的开关；同时收集低电压加热器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
7.根据权利要求3所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：所述混合加热器模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星低电压加热器和敏感器配电的开关；同时收集低电压加热器和敏感器配电开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
8.根据权利要求3所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：所述火工品管理模块接收从星务管理计算机通过总线传过来的指令，控制卫星火工品的开关；同时收集火工品开关状态和设备的数据，通过总线传到星务管理计算机。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：
当一个任务由多种模块组合形式完成时，通过数据量、计算时间、能耗和重量参数进行效能计算，寻优得到最终解，具体为：设系统共有IG类模块，G＝1，2，……，i，……；每类模块根据数据量、处理时间、功耗、重量的不同分为L个型号，那么Ii模块就有Li个型号；每个型号具有的数据量为D(i，Li)，处理时间为t(i，Li)，功耗为p(i，Li)，重量为w(i，Li)；每一种组合根据模块的求和，根据任务需要先选定所需模块类型，再根据各模块中的不同型号分别得到能够完成任务的所有的组合形式，计算得到每种组合形式的D，t，p，w；
再通过以下公式计算每种组合的参考价值per：
其中kt、kp、kw是时间、功耗和重量参数的权值；最终选定per值最高的对应的那种组合形式作为真正完成任务的型号。
10.根据权利要求1-8任一所述的一种星载智能化菜单式综合电子系统，其特征在于：当多个任务需共用一个模块时，计算得到模块i在执行多个任务时，每个任务所需要的适应度值cal如下式：
其中p(i)为i模块在执行某任务时的功耗，w(i)为i模块的重量，cap为该任务需要的所有模块；α、β为常数；模块i选择执行cal最大值对应的任务。
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