CN111708623B - 一种星务管理和星图处理一体化平台 - Google Patents

一种星务管理和星图处理一体化平台 Download PDF

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Abstract

一种星务管理和星图处理一体化平台，属于卫星电子系统领域。本发明为了解决整星电子系统集成度低，体积及质量大的问题。本发明包括图像采集模块、处理器、指令模块和反熔丝FPGA；处理器包括DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块，且三者之间可实现通信；图像采集模块用于对星图进行图像采集，并将采集到的星图图像发送至DSP处理模块和ZYNQ处理模块；反熔丝FPGA用于对DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的工作状态进行监控，并将监控结果发送至指令模块，指令模块根据接收的监控结果，生成相应的电平指令控制切机模块实现切机工作。本发明主要用于对星图的处理和星务的管理。

Description

一种星务管理和星图处理一体化平台
技术领域
本发明属于卫星电子系统领域，特别涉及一种星上星务管理和星图一体化平台。
背景技术
20世纪90年代初期，微小卫星开始达到应用的水平，因其具有体积小、低成本、快速发射、快速组网等特点，因此，被广泛应用于通信、对地遥感、深空探测和科学技术试验等领域。在微小卫星广泛应用的今天，如何在提高微小卫星星上电子系统的性能同时，降低其体积、质量和功耗成为了微小卫星的设计关键。
星上电子学系统以星载计算机为核心，以星上总线为纽带连接星上其他单机电子单元构成。星载计算机是卫星的“中枢神经”，其主要负责通信、热控、姿轨控等星务管理任务。
星敏感器是目前卫星主要的姿态测量单机，其可实时地为星载计算机提供卫星姿态信息，其由光学、电子学以及遮光罩三部分组成，其中电子学部分的处理过程主要包括星图预处理、星图识别和姿态解算。目前，大部分星敏感器采用光电一体化设计，使用时，星敏感器安装在星体表面，导致星敏感器体积和质量大，其星敏感器的电子学系统所处的空间环境恶劣，因此，对器件等级要求较高。另一方面，为了提高姿态测量精度，星上一般会安装至少两个星敏感器，这种设计方式增加了星上电子单元，限制了整星电子学系统集成度的提升，因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决整星电子系统集成度低，体积及质量大的问题，本发明提供了一种星务管理和星图处理一体化平台。
一种星务管理和星图处理一体化平台，包括图像采集模块、处理器、指令模块和反熔丝FPGA；
处理器包括DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块，且三者之间可实现通信；
图像采集模块用于对星图进行图像采集，并将采集到的星图图像发送至DSP处理模块和ZYNQ处理模块；
反熔丝FPGA用于对DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的工作状态进行监控，并将监控结果发送至指令模块，指令模块根据接收的监控结果，生成相应的电平指令控制切机模块实现切机工作；
(一)当一体化平台处于正常工作模式时，该在该模式下，DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块均处于正常工作状态；
ZYNQ处理模块作为星图预处理平台，执行星图图像预处理任务，并将预处理后提取到的星图信息发送至DSP处理模块；
DSP处理模块作为星图识别与姿态解算平台，执行星图识别和姿态解算任务，并将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块作为星务管理平台，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(二)当一体化平台由正常工作模式转化为ARM处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
ZYNQ处理模块继续执行星图图像预处理任务，同时DSP处理模块将其负责的星图识别与姿态解算任务转移至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块将解算出的卫星姿态信息发送至DSP处理模块；
DSP处理模块替代ARM处理模块执行星务管理任务；
(三)当一体化平台由正常工作模式转化为DSP处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
ZYNQ处理模块继续执行星图图像预处理任务；
星图识别与姿态解算任务转移至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(四)当一体化平台由正常工作模式转化为ZYNQ处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
星图图像预处理任务转移至DSP处理模块，DSP处理模块还继续进行执行星图识别和姿态解算任务，并将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(五)当一体化平台由正常工作模式转化为DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块中有任意两个处理模块失效时，反熔丝FPGA将判定一体化平台失效，并通过指令模块生成相应的切机指令控制切机模块进行切机操作。
优选的是，反熔丝FPGA包括接口模块和系统监控模块；
DSP处理模块和ARM处理模块均通过接口模块读取系统监控模块的信息或对系统监控模块的信息进行配置；
系统监控模块，用于对DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的工作状态进行监控，并将监控结果发送至指令模块。
优选的是，一体化平台还包括模/数信号采集模块；
模/数信号采集模块，用于采集模/数信号，并将采集的模/数信号通过接口模块发送至DSP处理模块和ARM处理模块。
优选的是，一体化平台还包括外设通信模块；
反熔丝FPGA还包括通信内核模块；
外设通信模块通过通信内核模块同时与DSP处理模块和ARM处理模块进行通信，外设通信模块还用于向星上其它单机发送信号或从星上其它单机接收信号。
优选的是，一体化平台还包括其它逻辑模块；
其它逻辑模块通过接口模块同时与DSP处理模块和ARM处理模块进行通信。
优选的是，3个缓存模块、3个存储模块和3个复位及晶振模块；
3个缓存模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
3个存储模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
3个复位及晶振模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
每个缓存模块，用于对与其连接的处理模块的数据进行缓存；
每个存储模块，用于对与其连接的处理模块的数据进行存储；
每个复位及晶振模块，用于对与其连接的处理模块进行复位及提供相应的时钟信号。
优选的是，当一体化平台处于正常工作模式时，在该模式下ARM处理模块定时将复位启动所需的星上数据保存在与ARM处理模块相连接的存储模块中，并通过串行接口发送至与DSP处理模块相连接的存储模块中，由DSP处理模块对ARM处理模块的复位启动所需的星上数据进行备份保存。
优选的是，3个存储模块均采用FLASH实现；
与DSP处理模块连接的缓存模块采用DDR2实现；
与ARM处理模块连接的缓存模块采用SRAM实现；
与ZYNQ处理模块连接的缓存模块采用DDR4实现。
优选的是，一体化平台还包括电源模块；
电源模块，用于对图像采集模块、处理器、指令模块和反熔丝FPGA进行供电。
本发明所带来的有益效果是：本发明根据DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的状态实现对实现星图处理任务和星务管理任务的转移和高效执行，避免相应处理模块失效时星图处理任务和星务管理任务无法执行，使得一体化平台可靠性强，性能得以提高。
将现有技术中的星敏感器中电子学单元与光学单元分离，本发明将电子学单元与星载计算机集成设计，提高了整星电子学系统的集成度，可降低整星电子学系统的质量和体积，还可有效改善其空间环境，同时也便于其进行抗辐射加固。
本发明所述的一种星务管理和星图处理一体化平台具备支持星务管理、星图预处理、星图识别与姿态解算的能力，且具有较强的可扩展性。为了提高系统的可靠性，采用多级容错机制方法；电路级对关键器件和关键功能模块进行了冗余设计；为了使平台可故障重构，加入了系统监控与故障检测机制。本发明通过上述一系列措施，使该平台具有低成本、高性能、高可靠、高集成度等优点。
附图说明
图1和图2均是本发明所述一种星务管理和星图处理一体化平台的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，包括图像采集模块1、处理器2、指令模块3和反熔丝FPGA4；
处理器2包括DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块，且三者之间可实现通信；
图像采集模块1用于对星图进行图像采集，并将采集到的星图图像发送至DSP处理模块和ZYNQ处理模块；
反熔丝FPGA4用于对DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的工作状态进行监控，并将监控结果发送至指令模块3，指令模块3根据接收的监控结果，生成相应的电平指令控制切机模块实现切机工作；
(一)当一体化平台处于正常工作模式时，该在该模式下，DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块均处于正常工作状态；
ZYNQ处理模块作为星图预处理平台，执行星图图像预处理任务，并将预处理后提取到的星图信息发送至DSP处理模块；
DSP处理模块作为星图识别与姿态解算平台，执行星图识别和姿态解算任务，并将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块作为星务管理平台，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(二)当一体化平台由正常工作模式转化为ARM处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
ZYNQ处理模块继续执行星图图像预处理任务，同时DSP处理模块将其负责的星图识别与姿态解算任务转移至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块将解算出的卫星姿态信息发送至DSP处理模块；
DSP处理模块替代ARM处理模块执行星务管理任务；
(三)当一体化平台由正常工作模式转化为DSP处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
ZYNQ处理模块继续执行星图图像预处理任务；
星图识别与姿态解算任务转移至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(四)当一体化平台由正常工作模式转化为ZYNQ处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
星图图像预处理任务转移至DSP处理模块，DSP处理模块还继续进行执行星图识别和姿态解算任务，并将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(五)当一体化平台由正常工作模式转化为DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块中有任意两个处理模块失效时，反熔丝FPGA4将判定一体化平台失效，并通过指令模块3生成相应的切机指令控制切机模块进行切机操作。
本实施方式所述的一种星务管理和星图处理一体化平台共有四种工作模式，如下表：
表1
Figure BDA0002518724530000061
本实施方式中，可根据DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的状态实现对实现星图处理任务和星务管理任务的转移和高效执行，避免相应处理模块失效时星图处理任务和星务管理任务无法执行，使得一体化平台可靠性强，性能得以提高。
具体应用时，图像采集模块1负责控制两路图像传感器并采集图像数据，当ZYNQ处理模块工作正常时，该图像采集模块1将图像数据转发至ZYNQ处理模块，当系统监控模块判定ZYNQ处理模块失效时，该图像采集模块1将图像数据转发至DSP处理模块。
本实施方式中，将现有技术中的星敏感器中电子学单元与光学单元分离，本发明将电子学单元与星载计算机集成设计，提高了整星电子学系统的集成度，可降低整星电子学系统的质量和体积，还可有效改善其空间环境，同时也便于其进行抗辐射加固。
进一步的，参见图1，反熔丝FPGA4包括接口模块4-1和系统监控模块4-2；
DSP处理模块和ARM处理模块均通过接口模块4-1读取系统监控模块4-2的信息或对系统监控模块4-2的信息进行配置；
系统监控模块4-2，用于对DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的工作状态进行监控，并将监控结果发送至指令模块3。
本实施方式中，为了使平台可故障重构，加入了系统监控与故障检测机制。一体化平台具有低成本、高性能、高可靠的优点。
系统监控模块4-2负责监控各处理器状态，并可根据采集模块输入的各关键芯片温度和电压状态联合判断各关键芯片状态，并根据其按照事先设定的各种故障模式对处理器2进行相应的配置管理或切机。
接口模块负责完成ARM和DSP与采集、指令和通信模块之间的数据交互，接口模块与ARM和DSP通过外部存储器总线通信，当ARM作为星务管理支持平台时，接口模块作为ARM与采集、指令和通信模块之间的信息交互桥梁，当ARM失效且DSP正常的情况下接口模块作为DSP与采集、指令和通信模块之间的信息交互桥梁。
更进一步的，参见图1，一体化平台还包括模/数信号采集模块5；
模/数信号采集模块5，用于采集模/数信号，并将采集的模/数信号通过接口模块4-1发送至DSP处理模块和ARM处理模块。
更进一步的，参见图1，一体化平台还包括外设通信模块6；
反熔丝FPGA4还包括通信内核模块4-3；
外设通信模块6通过通信内核模块4-3同时与DSP处理模块和ARM处理模块进行通信，外设通信模块6还用于向星上其它单机发送信号或从星上其它单机接收信号。
本优选的实施方式中，通信内核模块4-3负责同步串口和星地HDLC底层逻辑实现。
外设通信模块6用于实现对外通信，具体实现时，外设通信模块6可包括多路异步串口、多路同步串口、秒脉冲输入输出通道和两路冗余设计的CAN总线。其中，异步串口用于满足星上有异步串口通信需求的单机；同步串口用于满足星上有同步串口通信需求的单机及地测系统；秒脉冲输入通道用来接收GPS导航接收机输入的高精度秒脉冲信息，秒脉冲输出通道用来发送星上时间管理系统生成的秒脉冲信号，作为星上其它单机的计时信号；CAN总线作为星上一级总线实现对星上各单机的信息交互。
更进一步的，参见图1，一体化平台还包括其它逻辑模块4-4；
其它逻辑模块4-4通过接口模块4-1同时与DSP处理模块和ARM处理模块进行通信。
本优选实施方式中，其他逻辑模块可为星上守时模块等。
更进一步的，参见图1，3个缓存模块、3个存储模块和3个复位及晶振模块；
3个缓存模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
3个存储模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
3个复位及晶振模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
每个缓存模块，用于对与其连接的处理模块的数据进行缓存；
每个存储模块，用于对与其连接的处理模块的数据进行存储；
每个复位及晶振模块，用于对与其连接的处理模块进行复位及提供相应的时钟信号。
更进一步的，参见图1，当一体化平台处于正常工作模式时，在该模式下ARM处理模块定时将复位启动所需的星上数据保存在与ARM处理模块相连接的存储模块中，并通过串行接口发送至与DSP处理模块相连接的存储模块中，由DSP处理模块对ARM处理模块的复位启动所需的星上数据进行备份保存。
更进一步的，参见图2，3个存储模块均采用FLASH实现；
与DSP处理模块连接的缓存模块采用DDR2实现；
与ARM处理模块连接的缓存模块采用SRAM实现；
与ZYNQ处理模块连接的缓存模块采用DDR4实现。
本优选实施方式中，ARM处理模块的外围电路包括FLASH、SRAM、复位以及晶振等电路，其中FLASH用作星务管理程序存储空间；SRAM用于星务管理程序运行数据存储空间；复位电路用于对ARM处理模块进行复位；具体应用时，晶振电路为ARM处理模块提供快慢两种时钟，以适应处理模块处理的不同运行状态。
DSP处理模块的外围电路包括FLASH、DDR2、复位以及晶振等电路，其中FLASH用于星库存储、星敏程序存储和备份星务管理程序存储；DDR2用于备份星图缓存、星敏程序运行数据缓存以及星务管理程序运行数据缓存；复位电路用于对DSP处理模块进行复位；具体应用时，晶振电路可为DSP处理模块提供50MHZ的时钟。
ZYNQ处理模块的外围电路包括FLASH、DDR4、复位以及晶振等电路，其中FLASH用于星图预处理程序存储、备份星库存储和备份星图识别姿态解算程序存储；DDR4用于星图缓存、星图预处理程序运行数据缓存等；复位电路用于对ZYNQ处理模块进行复位；具体应用时，晶振电路分别为ZYNQ处理模块的PS端提供33.33MHZ的时钟，PL端提供50MHZ的时钟
更进一步的，参见图1和图2，一体化平台还包括电源模块；
电源模块，用于对图像采集模块1、处理器2、指令模块3和反熔丝FPGA4进行供电。
本优选实施方式中，电源模块用于对一体化平台内各个模块进行供电，包括ARM、DSP、ZYNQ以及其他接口和外围电路。具体应用时，综合考虑各个模块的供电指标，该电源系统输入电平为5V，在电源输入端可设置有防浪涌电路，一方面防止二次母线电压波动对该单机产生破坏性影响，另一方面防止在该单机内部出现问题影响二次母线电压；输出电平为0.6V、0.85V、0.9V、1.2V、1.35V、1.8V、2.5V和3.3V，输出最高功率可达20W。各电平上电顺序需要满足一定的要求，以保证各处理芯片在上电过程中满足内核先与外部IO上电的基本要求。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，包括图像采集模块(1)、处理器(2)、指令模块(3)和反熔丝FPGA(4)；
处理器(2)包括DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块，且三者之间可实现通信；
图像采集模块(1)用于对星图进行图像采集，并将采集到的星图图像发送至DSP处理模块和ZYNQ处理模块；
反熔丝FPGA(4)用于对DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的工作状态进行监控，并将监控结果发送至指令模块(3)，指令模块(3)根据接收的监控结果，生成相应的电平指令控制切机模块实现切机工作；
(一)当一体化平台处于正常工作模式时，在该模式下，DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块均处于正常工作状态；
ZYNQ处理模块作为星图预处理平台，执行星图图像预处理任务，并将预处理后提取到的星图信息发送至DSP处理模块；
DSP处理模块作为星图识别与姿态解算平台，执行星图识别和姿态解算任务，并将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块作为星务管理平台，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(二)当一体化平台由正常工作模式转化为ARM处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
ZYNQ处理模块继续执行星图图像预处理任务，同时DSP处理模块将其负责的星图识别与姿态解算任务转移至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块将解算出的卫星姿态信息发送至DSP处理模块；
DSP处理模块替代ARM处理模块执行星务管理任务；
(三)当一体化平台由正常工作模式转化为DSP处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
ZYNQ处理模块继续执行星图图像预处理任务；
星图识别与姿态解算任务转移至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(四)当一体化平台由正常工作模式转化为ZYNQ处理模块处于失效工作模式时，在该模式下，
星图图像预处理任务转移至DSP处理模块，DSP处理模块还继续进行执行星图识别和姿态解算任务，并将解算出的卫星姿态信息发送至ARM处理模块；
ARM处理模块，根据解算出的卫星姿态信息执行星务管理任务；
(五)当一体化平台由正常工作模式转化为DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块中有任意两个处理模块失效时，反熔丝FPGA(4)将判定一体化平台失效，并通过指令模块(3)生成相应的切机指令控制切机模块进行切机操作。
2.根据权利要求1所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，反熔丝FPGA(4)包括接口模块(4-1)和系统监控模块(4-2)；
DSP处理模块和ARM处理模块均通过接口模块(4-1)读取系统监控模块(4-2)的信息或对系统监控模块(4-2)的信息进行配置；
系统监控模块(4-2)，用于对DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块的工作状态进行监控，并将监控结果发送至指令模块(3)。
3.根据权利要求2所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，一体化平台还包括模/数信号采集模块(5)；
模/数信号采集模块(5)，用于采集模/数信号，并将采集的模/数信号通过接口模块(4-1)发送至DSP处理模块和ARM处理模块。
4.根据权利要求2所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，一体化平台还包括外设通信模块(6)；
反熔丝FPGA(4)还包括通信内核模块(4-3)；
外设通信模块(6)通过通信内核模块(4-3)同时与DSP处理模块和ARM处理模块进行通信，外设通信模块(6)还用于向星上其它单机发送信号或从星上其它单机接收信号。
5.根据权利要求2所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，一体化平台还包括其它逻辑模块(4-4)；
其它逻辑模块(4-4)通过接口模块(4-1)同时与DSP处理模块和ARM处理模块进行通信。
6.根据权利要求1所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，3个缓存模块、3个存储模块和3个复位及晶振模块；
3个缓存模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
3个存储模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
3个复位及晶振模块分别与DSP处理模块、ARM处理模块和ZYNQ处理模块进行通信；
每个缓存模块，用于对与其连接的处理模块的数据进行缓存；
每个存储模块，用于对与其连接的处理模块的数据进行存储；
每个复位及晶振模块，用于对与其连接的处理模块进行复位及提供相应的时钟信号。
7.根据权利要求1所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，当一体化平台处于正常工作模式时，在该模式下ARM处理模块定时将复位启动所需的星上数据保存在与ARM处理模块相连接的存储模块中，并通过串行接口发送至与DSP处理模块相连接的存储模块中，由DSP处理模块对ARM处理模块的复位启动所需的星上数据进行备份保存。
8.根据权利要求6所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，3个存储模块均采用FLASH实现；
与DSP处理模块连接的缓存模块采用DDR2实现；
与ARM处理模块连接的缓存模块采用SRAM实现；
与ZYNQ处理模块连接的缓存模块采用DDR4实现。
9.根据权利要求1所述的一种星务管理和星图处理一体化平台，其特征在于，一体化平台还包括电源模块；
电源模块，用于对图像采集模块(1)、处理器(2)、指令模块(3)和反熔丝FPGA(4)进行供电。
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