CN110489376B - 卫星整星硬件在轨重构框架系统及重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星整星硬件在轨重构框架系统，包括任务层、主控单元层、资源管理层和资源层：任务层，包括多个卫星载荷任务模块和卫星平台任务模块，根据任务模块的描述，形成所对应的配置文件；主控单元层，由多个主控单元组成，包括载荷主控单元和卫星平台主控单元，依据配置文件，对可配置资源进行具体配置；资源管理层，包括资源信息管理模块和资源信息监控模块，对可配置资源的工作状态进行状态监测；资源层，包括存储资源、计算资源、数字处理资源、通道资源、天线孔径资源。本发明提供的卫星整星硬件在轨重构框架系统解决了传统硬件在轨重构方法不能快速重构载荷功能、无法同步形成所需卫星平台能力的缺陷。

Description

卫星整星硬件在轨重构框架系统及重构方法

技术领域

本发明涉及航天设备技术领域，具体地，涉及一种卫星整星硬件在轨重构框架系统及重构方法。

背景技术

为提升卫星功能密度比，载荷硬件复用成为卫星的发展趋势之一，例如雷达设备、通信设备等微波类卫星载荷，其工作原理相似、硬件设备相近，载荷硬件存在复用的可能性。硬件复用载荷仅用一套载荷硬件即可实现多种载荷功能，从而有效提升卫星功能密度比，提升航天装备的智能化水平。

为重构卫星功能，载荷复用卫星需同时对载荷和卫星平台的部分硬件进行在轨重构：例如，当硬件复用载荷重构为微波成像功能时，由于其对星上数据处理能力需求较高，载荷的数字处理资源和卫星平台的计算资源、存储资源等整星硬件资源需进行相应重构，从而通过硬件资源重新优化配置实现卫星系统级任务重构。

经过对现有技术的检索，申请公布号为CN 105577262A的一种基于星间链路收发设备的星载FPGA重构系统及重构方法，系统包括重构数据接收模块、帧号标记及回传模块、地址译码模块、EDAC校验码生成模块、重构数据写入模块、EDAC循环校验模块、下卸数据读取模块、下卸数据发送模块、EEPROM和星载FPGA。星载FPGA的重构方法是指地面站上注重构数据至卫星，并最终传输至需要进行在轨重构的单机设备，重构数据上注为按块上注，在确保当前重构数据块上注全部正确后，开始上注下一个重构数据块，依次上注全部重构数据。该发明无法实现面向载荷和卫星平台硬件资源的同步在轨重构。

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卫星整星硬件在轨重构框架系统及重构方法。

根据本发明提供的一种卫星整星硬件在轨重构框架系统，包括依次连接的任务层、主控单元层、资源管理层和资源层，其中：

所述任务层，包括多个卫星载荷任务模块和卫星平台任务模块，根据任务模块的描述，在所述任务层形成所对应的配置文件；

所述主控单元层，由多个主控单元组成，包括载荷主控单元和卫星平台主控单元；依据所述任务层形成的配置文件，所述主控单元对可配置资源进行具体配置；

所述资源管理层，包括资源信息管理模块和资源信息监控模块，对可配置资源的工作状态进行状态监测，一旦采集到故障信息，所述资源管理层反馈重构可配置资源；

所述资源层，由多个可配置单元组成，包括存储资源、计算资源、数字处理资源、通道资源、天线孔径资源。

进一步地，所述主控单元包括依次连接的FPGA外部配置端口、FPGA、控制器和片内总线，所述FPGA外部配置端口用于将任务层形成的配置文件下载到控制器中，所述片内总线与所述资源层的多个可配置单元的总线接口连接。

进一步地，所述控制器包括存储器、处理器和PFGA内部配置端口，

所述存储器，与FPGA连接，用于存储配置文件；

所述处理器，与存储器连接，计算数字电路的配置；

所述PFGA内部配置端口，与处理器和片内总线连接，根据处理器的计算结果对可配置硬件资源进行数字电路配置。

进一步地，所述处理器为DSP型，所述存储器为SRAM型。

进一步地，所述FPGA为反熔丝FPGA。

进一步地，所述载荷主控单元包括载荷FPGA，所述卫星平台主控单元包括处理器FPGA和信道关口FPGA。

本发明还提供一种卫星整星硬件在轨重构方法，包括以下步骤：

S1、任务层接收到用户下达的重构指令后，开始分发配置文件；

S2、主控单元层按照步骤S1分发的配置文件对可配置硬件资源进行配置；

S3、待主控单元层的硬件资源配置完成后，资源层中与配置文件对应的整星相硬件资源启动/停止；

S4、资源管理层中的资源信息监控模块显示整星硬件资源工作正常，整星硬件重构完毕。

进一步地，所述可配置硬件资源包括载荷可配置硬件资源和卫星平台可配置硬件资源。

进一步地，当需同时对载荷硬件与卫星平台硬件进行在轨重构，或单独对载荷硬件或卫星平台硬件进行在轨重构时，执行所述步骤S1～S4。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的一种卫星整星硬件在轨重构方法将存储资源、计算资源、数字处理资源、通道资源、天线孔径资源等整星硬件可配置资源分解为若干可配置单元，按需同时配置重构载荷和卫星平台的硬件资源，解决了传统硬件在轨重构方法不能快速重构载荷功能、无法同步形成所需卫星平台能力的缺陷。

2、本发明提供的一种卫星整星硬件在轨重构方法，所采用的主控单元可以适应整星多类硬件资源的重构需求，可实现基于硬件资源重新优化配置的系统级任务重构，从而使卫星功能随任务而在轨重构，提升卫星对用户需求的动态响应能力。

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为本发明的卫星整星硬件在轨重构框架系统结构框图；

图2为本发明的卫星整星硬件在轨重构框架系统中主控单元的结构框图；

图3为本发明的卫星整星硬件在轨重构方法中重构步骤的流程示意图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的一种卫星整星硬件在轨重构框架系统，包括依次连接的任务层、主控单元层、资源管理层和资源层，其中：

任务层，包括多个卫星载荷任务模块和卫星平台任务模块，根据任务模块的描述，在任务层形成所对应的配置文件(即配置比特流，用于描述任务所需硬件资源的配置情况)；

主控单元层，由多个主控单元组成，包括载荷FPGA(Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)等载荷主控单元和处理器PFGA、信道关口FPGA等卫星平台主控单元；依据任务层形成的配置文件，主控单元对可配置资源进行具体配置；

资源管理层，包括资源信息管理模块和资源信息监控模块，对可配置资源的工作状态进行状态监测，一旦采集到故障信息，资源管理层反馈重构可配置资源；

资源层，由多个可配置单元组成，包括存储资源、计算资源、数字处理资源、通道资源、天线孔径资源等整星硬件资源中的可配置部分。

如图2所示，主控单元，用于接收、校验配置文件；校验正确后在星载计算机操作系统的控制下，根据配置文件将该主控单元所对应卫星分系统的可配置硬件资源进行数字电路配置，从而实现所需硬件资源的调度，形成所需的卫星分系统能力。主控单元包括依次连接的FPGA外部配置端口、FPGA、控制器和片内总线，其中：

FPGA为反熔丝FPGA，采用抗辐加固逻辑单元，保证硬件重构过程的可靠性；

FPGA外部配置端口，用于将任务层形成的配置文件下载到控制器的存储器中，

控制器包括存储器、处理器和PFGA内部配置端口。其中，存储器为SRAM(StaticRandom Access Memory，静态随机存储器)型，与FPGA连接，用于存储配置文件；处理器为DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)型，与存储器连接，计算数字电路的配置；PFGA内部配置端口，与处理器和片内总线连接，根据处理器的计算结果对可配置硬件资源进行数字电路配置，从而对可配置硬件资源进行动态分配与管理。

片内总线，传输配置比特流，与资源层的多个可配置单元的总线接口连接。

如图3所示，本发明还提供一种卫星整星硬件在轨重构方法，包括以下步骤：

当需同时对载荷硬件与卫星平台硬件进行在轨重构，或单独对载荷硬件或卫星平台硬件进行在轨重构时，具体过程如下：

S1、任务层接收到用户下达的重构指令后，开始分发配置文件；

S2、主控单元层按照步骤S1分发的配置文件对可配置硬件资源进行配置；

S3、待主控单元层的硬件资源配置完成后，资源层中与配置文件对应的整星相硬件资源启动/停止；

S4、资源管理层中的资源信息监控模块显示整星硬件资源工作正常，整星硬件重构完毕。

上述步骤S1～S4，对可配置资源进行配置的具体执行主要是通过主控单元实现的。

综上所述，本发明提供了一种卫星整星硬件在轨重构方法，该方法的重构对象是存储资源、计算资源、数字处理资源、通道资源、天线孔径资源等整星硬件可配置资源，在用户下达重构指令后，根据配置文件，载荷主控单元和卫星平台主控单元对整星硬件可配置资源进行数字电路配置、调度所需硬件资源，从而同步形成所需的载荷和卫星平台能力，实现整星硬件的快速在轨重构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种卫星整星硬件在轨重构框架系统，其特征在于，包括依次连接的任务层、主控单元层、资源管理层和资源层，其中：

所述任务层，包括多个卫星载荷任务模块和卫星平台任务模块，根据任务模块的描述，在所述任务层形成所对应的配置文件；

所述主控单元层，由多个主控单元组成，依据所述任务层形成的配置文件，所述主控单元对可配置资源进行具体配置；

其中，所述可配置资源包括载荷可配置硬件资源和卫星平台可配置硬件资源；所述主控单元包括载荷主控单元和卫星平台主控单元； 所述载荷主控单元包括载荷FPGA，所述卫星平台主控单元包括处理器FPGA和信道关口FPGA；所述主控单元包括依次连接的FPGA外部配置端口、FPGA、控制器和片内总线，所述FPGA外部配置端口用于将任务层形成的配置文件下载到控制器中，所述片内总线与所述资源层的多个可配置单元的总线接口连接；

所述控制器包括存储器、处理器和PFGA内部配置端口，

所述存储器，与FPGA连接，用于存储配置文件；

所述处理器，与存储器连接，计算数字电路的配置；

所述PFGA内部配置端口，与处理器和片内总线连接，根据处理器的计算结果对可配置硬件资源进行数字电路配置；

所述资源管理层，包括资源信息管理模块和资源信息监控模块，对可配置资源的工作状态进行状态监测，一旦采集到故障信息，所述资源管理层反馈重构可配置资源；

所述资源层，由多个可配置单元组成，包括存储资源、计算资源、数字处理资源、通道资源以及天线孔径资源。

2.根据权利要求1所述的卫星整星硬件在轨重构框架系统，其特征在于，所述处理器为DSP型，所述存储器为SRAM型。

3.根据权利要求1所述的卫星整星硬件在轨重构框架系统，其特征在于，所述FPGA为反熔丝FPGA。

4.一种权利要求1所述的卫星整星硬件框架系统的在轨重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、任务层接收到用户下达的重构指令后，开始分发配置文件；

S2、主控单元层按照步骤S1分发的配置文件对可配置硬件资源进行配置；所述可配置硬件资源包括载荷可配置硬件资源和卫星平台可配置硬件资源；

S3、待主控单元层的硬件资源配置完成后，资源层中与配置文件对应的整星相硬件资源启动/停止；

S4、资源管理层中的资源信息监控模块显示整星硬件资源工作正常，整星硬件重构完毕。

5.根据权利要求4所述的卫星整星硬件框架系统的在轨重构方法，其特征在于，当需同时对载荷硬件与卫星平台硬件进行在轨重构，或单独对载荷硬件或卫星平台硬件进行在轨重构时，执行所述步骤S1～S4。