CN111891398A - 一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构，解决卫星硬件体系架构缺乏通用性及弹性的问题，降低卫星的开发和集成成本，实现卫星快速设计及制造。首先，将卫星的计算、存储、网络、传感和执行模块分离，由具备智能处理的计算模块将计算、存储、通信、传感和控制一体化，具备动态可重构、自主智能化、资源网络化等特点。然后，将维持卫星运行的姿轨控、热控、测控和星务功能加入BIOS模块，提供高可靠和高安全级别的防护措施。最后，由数据、配置和控制总线连通各部分，完成各模块的快速集成和高效通信。本发明对于卫星的快速设计与集成、提高卫星的通用性方面都有具有广阔的应用前景。

Description

一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体是一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构。

背景技术

在卫星发展的60多年间，卫星设计思想演变主要划分以下四个阶段。

第一阶段：分立设计方法。在上世纪80现代之前，受到硬件器件的水平限制，大规模数字集成电路还没得到发展，器件多集中在分立式元器件。软件层面多使用较低级语言，如C、汇编等。因此卫星根据空间飞行任务，采用各分系统逐个设计，之后叠加起来的方法。当空间飞行任务要求和约束条件确定后，分别设计电源、姿轨控、推进等卫星分系统。这种设计方法的能够很好的满足所承担任务要求。但缺点就是花费时间、人力和财力太大。卫星成本很高，研制周期长。

第二阶段：平台式设计方法。上世纪80至90年代，卫星设计逐渐过渡到将航天器分为公用平台和有效载荷两大模块进行设计。平台软件和载荷软件可以分别设计，通过预留好的接口进行数据交互。这种共用平台适应性有限，只能满足有限几种有效载荷，而且过渡依赖硬件的特点，硬件电气性能、接口函数的改变都会导致上层软件无法使用。因此基于平台的软件开发总是要等到所有硬件设备到齐、接口函数编写完成之后在进行，这是一种瀑布式的开发方式，其效率低下，费时费力。

第三阶段：模块化设计方法。此方法为最近十几年才正式出现，它是在平台化设计方法基础上，通过对卫星平台进行功能分析，将其划分并设计一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的卫星平台来满足不同的有效载荷的需求。这其中出现了一些新设计概念，例如通用接口、模块化、标准化平台与部件。但是对于目前的卫星而言，各模块之间的标准接口虽有一定研究但还未统一，暂时还无法达到类似PC机一般各部件即插即用、快速定制和更新换代。

第四阶段：软件化设计方法。虽然目前卫星还未完全实现模块化设计，但卫星软件化设计的思想目前得到了发展。而对于卫星系统而言，在完成模块化设计之后，单星的模块化程度也达到了顶点，为了适应更复杂的环境、完成更复杂的任务，卫星逐渐被赋予软件定义的功能，软件化设计方法在此背景下为卫星系统提供了新的能力，模块化的概念也将从静态向动态转变。

发明内容

针对现有技术中卫星硬件体系架构缺乏通用性及弹性的问题，本发明提供一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构，能够实现卫星的快速设计集成。

智能卫星目前没有明确的定义，一般认为是区别于传统的卫星，类似智能手机一样，是面向下一代的卫星，可能具备软件定义、网络化和智能化等特点。本发明在于解决智能卫星硬件体系架构的通用性问题，基于此，本发明所采用的技术方案为：

一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构，包括：

计算模块，为卫星所有处理器的集合，以对卫星的计算处理进行统一的管理，满足星载处理的需求；

存储模块，为卫星所有存储器的集合，以对卫星的存储能力进行统一的管理，满足星载数据存储的需求；

网络模块，为卫星的网络载荷，以用于与其他卫星建立网络连接；

传感模块，为卫星采集和获取数据的前端；

执行模块，为卫星所有执行器的集合，以用于为卫星提供执行能力；

BIOS模块，为卫星提供最底层、直接的硬件控制和状态维持，管理卫星的测控、星务、姿轨控以及热控功能；

卫星总线，以用于完成卫星各模块之间的交互与控制。

进一步地，所述计算模块中的处理器包括但不限于CPU、ARM与FPGA。

进一步地，通过统一的接口将卫星所有存储器集成为存储模块。

进一步地，所述网络模块包括但不限于星载微波模组、星载激光模组与路由。

进一步地，所述传感模块包括但不限于陀螺仪、加速度计、相机。

进一步地，所述执行模块包括但不限于反力轮、磁力矩、推力器。

进一步地，所述卫星总线包括数据总线、基本配置总线与控制总线，其中:

数据总线用于卫星模块之间进行数据传输；

基本配置总线用以对卫星的各模块进行参数配置，完成对各个模块的初始化配置等功能；

控制总线则用以实现各模块的实时控制，满足星载应用对强实时、弱实时等应用的需求。

进一步地，所述数据总线提供低等、中等、高等三个等级的数据传输速率，以用于满足多种场景需求。

本发明提供的一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构，通过从体系架构上对卫星进行重新设计，分成计算、存储、网络、传感、执行及BIOS六部分，通过标准通用总线连接，全面提高了卫星硬件的通用性和弹性，同时还整合卫星资源，有效提高卫星资源利用率。另外一方面，弹性通用的智能卫星硬件体系架构可以实现卫星的快速集成。由于各模块独立，通过通用接口集成，可使得各模块使用成熟通用的标准模块，减少重新研制模块的时间。而通用、即插即用的接口设计可以实现模块的快速集成，避免大量花费在重新设计及调试接口的时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中弹性通用的智能卫星硬件体系架构的结构示意图；

图2为本发明实施例的示例中的结构示意图；

图3为本发明实施例的示例中的通用处理模块的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例公开的弹性通用的智能卫星硬件体系架构，包括计算、存储、通信、传感控制、BIOS和总线。不同于传统的卫星平台加载荷的模式，本实施例将卫星的计算、存储、网络、传感和执行模块分离，由计算模块将计算、存储、通信、传感和控制统一集中管理，计算模块执行的功能由软件定义，通过软件或硬件动态重构技术，能够实现功能的动态重构；在进行处理时可加入机器学习等人工智能算法，实现自主智能化处理；将各模块分离后，卫星内的多个模块之间或者多个卫星间的网络配置同样可实现软件定义，通过软件定义网络技术实现支持多样的网络连接。然后，将维持卫星运行的姿轨控、热控、测控和星务功能加入BIOS模块，提供高可靠和高安全级别的防护措施，以保证卫星最基本的状态能够保持而不至于卫星失效。最后，由数据总线、基本配置总线和控制总线连通各部分，每种总线完成各自承担的数据传输、配置及控制功能，实现各模块的快速集成和高效通信。

本实施例所公开的弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其通用性体现在硬件的模块化和和总线的标准化设计上，由计算模块、存储模块、网络模块、传感模块、执行模块、卫星总线与BIOS模块组成，具体的：

计算模块是卫星所有处理器的集合，包括CPU、ARM和FPGA等处理器类型，将处理器集成为计算模块，可以对卫星的计算处理进行统一的管理，满足星载处理的需求。同类型处理器可集成为片上多核处理器，异构处理器通过PCIE等总线集成为处理器组。

存储模块是卫星所有存储器的集合，包括固态存储器、DRAM和FLASH等易失性和非易失性存储器，通过统一的接口将存储器集成为存储，可以对卫星的存储能力进行统一的管理，满足星载数据存储的需求。

网络模块是卫星的网络载荷，包括典型的比如星载微波模组、星载激光模组、路由等网络硬件。网络模块用于和其他卫星建立网络连接，是和其他卫星或者星地之间进行信息交互的关键核心。

传感模块是卫星搭载的各类采集信号、获取数据的传感器或者其他信号接收设备，比如陀螺仪、加速度计、相机等。传感模块是卫星采集和获取数据的前端，完成自身状态数据或者承担的专用业务数据获取，不包括后续的数据处理。

执行模块是卫星搭载的各类执行器或具备信号输出能力的设备，主要包括反力轮、磁力矩、推力器等设备。执行模块为卫星提供执行能力，根据需求调整、保持卫星姿态，满足卫星维持自身运行、轨道机动及保持、执行任务等需求。

在卫星总线设计上，将卫星总线设计为数据总线、基本配置总线和控制总线。数据总线专用于卫星模块之间进行数据传输，提供低等、中等、高等三个不同等级的数据传输速率，满足多种场景需求。基本配置总线用以对卫星的各模块进行参数配置，完成对各个模块的初始化配置等功能。控制总线则用以实现各模块的实时控制，满足星载应用对强实时、弱实时等应用的需求。在本实施例的体系架构中，只进行总线功能的逻辑定义，没有限定具体的总线类型，是满足通用性及可拓展性的需求。

BIOS模块的功能是为卫星提供最底层、直接的硬件控制和状态维持，由于卫星发射入轨，必须通过远程遥控才能完成对卫星进行控制，而姿轨控和热控是卫星自身维持姿态和热平衡所需的基础功能，所以将测控、星务以及姿轨控和热控功能固化到BIOS中。

需要注意的是，本实施例所提供的一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其硬件体系架构的弹性是指体系架构对于变化的响应能力。本实施例的硬件架构将卫星硬件分为六大模块：计算、网络、存储、传感、执行及BIOS，每一模块通过数据总线、基本配置总线和控制总线进行交互。根据功能逻辑进行的模块划分很好的对各个模块进行了隔离，赋予了模块独立性，同时也增加了系统的健壮性、重组性和可恢复性。每个模块的规模实际上可大可小，能力可强可弱，根据卫星功能需求进行配置。这样就能够在进行卫星硬件设计的时候，应对多种卫星应用场景，满足各式各样的需求。比如计算模块中，处理器可配置高性能的CPU，也可以只使用计算能力较弱的单机，对于应用而言，只是计算处理速度的差别，而不会造成不可用的情况，体现了本实施例智能卫星硬件体系架构具备的弹性能力。

需要注意的是，本实施例所提供的一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构还是一种面向资源整合的体系架构。区别于传统卫星一颗卫星一个架构或者是平台加载荷的架构，本实施例的卫星硬件体系架构按照卫星的逻辑功能分成计算、存储、网络、传感、执行和总线六部分资源，将各类资源由计算模块进行统一的管理，通过网络和其他卫星进行资源共享，最大化地提高整星的资源利用效率，解决传统的卫星载荷分离、处理分离，卫星之间也没有实现资源共享造成资源使用效率低下等问题。

下面结合具体的示例对本实施例中的弹性通用的智能卫星硬件体系架构进行进一步的说明。

图2所示的是基于本实施例中的弹性通用的智能卫星硬件体系架构设计的具体示例结构图，该示例将本实施例智能卫星硬件体系架构中的各模块进行实例化，设计一个具有智能化协同处理、软件可重构、一星多能的智能卫星，具体分为时频模块、姿轨控模块、能源配置模块、通用处理模块、通用接口模块、通用存储模块、专用传感器模块、射频模块及协处理器等模块，其中，时频模块和专用传感器模块属于传感模块；姿轨控模块和能源配置模块属于执行模块；通用处理模块和协处理模块属于计算模块，由通用处理统一管理调度通用处理和协处理模块的计算资源；通用存储模块属于存储模块；通用接口模块通过总线提供通用的模块拓展能力。

时频模块用于时频生成与保持系统产生卫星载荷可用的时频信号，给卫星提供基本的时间基准和时钟网络。在导航卫星中更是核心部分，其性能好坏直接影响到系统导航、定位和授时精度。

将姿轨控模块、能源配置模块划分为独立的模块，主要是这两部分的传感器和执行器较多，而且是关系卫星运行的关键环节。这两部分主要完成内部传感器的采集，输出执行机构的控制信号，设置通用接口完成内部资源的软件，建立与外部数据通信。

将星务、热控和姿轨控、能源的计算部分与平台载荷射频部分的信息处理功能合并为通用处理模块，可以使用多个处理器和存储器共同完成，实现整星的总线、资源、能源的统一管理、信息处理与存储等。

通用接口模块使用即插即用等技术实现软硬件接口的标准化，为系统预留多种可拓展的接口，便于集成具备标准接口的固件和硬件，提高系统的弹性和灵活性。

通用存储模块存储卫星的数据、文件等内容，其通过统一的接口为通用处理器提供统一的存储服务，满足卫星越来越多的存储需求。

专用传感器模块为卫星搭载的专用传感器，此部分为卫星提供专用的业务能力，比如搭载了导弹探测的红外探测器，则该卫星可以提供导弹的探测能力。

射频模块和其对应的协处理模块可构成综合射频模块。将平台测控、数传、星间和电子微波载荷等无线电射频部分合并为综合射频模块，综合射频资源包括天线、射频信道、信号处理资源，按照一定的资源进行综合，如相同工作频段、不同工作时段、相似处理算法等，形成覆盖广宽带的射频信道、综合信号处理，实现一体化的共享和复用。

综合射频模块参考空间通信无线电系统(STRS)开放式架构标准，STRS继承SCA通用开放的架构优势，消除CORBA要求等对内存的极大消耗等不足，不但能够适应测控、通信、载荷类基本波形文件，而且其开放、统一、优化的系统架构能够兼容平台控制应用软件的运行。

综合射频模块分为协处理模块和射频模块，射频模块处理射频功能，为信号处理模块提供经过滤波、放大和数字格式化的信号。协处理模块主要用于信号处理的实现，用于处理将接收到的数字格式信号转换为数据包，将数据包转换为传输的数字格式信号，以及航天器数据接口。

参考图3为通用处理模块的功能组成，通用处理模块由BIOS模块为关键基础模块，其他核心功能有时间控制、时空基准维持、接口管理、能源管理、相机应用、协处理管理、射频管理和存储管理组成。具体功能如下：

BIOS模块的功能关系到卫星最关键的基础功能，具体为星务、姿轨控、测控及热控。该模块能够维持卫星最基本的状态而不至于失联及失效，而且该部分的功能经加密加固保护，避免被普通用户随意更改，造成卫星的损失甚至永久损坏。

时间控制：该功能是指对卫星本地时间进行控制管理，避免卫星时间发生较大偏差或错误，并根据需要和其他卫星进行时间同步。前文所述的时频模块的功能处理，通过该功能完成。

时空基准维持：该功能是指维持卫星的时间和轨道状态管理，为卫星实现星间测量、自主定轨及自主运行等需要时间和轨道信息的应用提供时空基准服务。该功能利用时频模块提供时间信息和姿轨控模块提供的空间信息，来维持卫星的时空基准。

接口管理：该功能是指管理卫星接入的载荷等设备的接口，动态监测这些接口的接入状态，管理接口收发的信息。在卫星集成阶段还负责设备的即插即用，动态管理接口资源使用。前文所述的通用接口模块的功能处理，通过该功能完成。

能源管理：该功能是指管理卫星的能源，包括太阳能帆板、存储的电量及其他设备的能源，负责和星务进行交互，对卫星的能源进行合理的分配，实现卫星能源的最大化高效利用。前文所示的能源配置模块的功能处理，通过该功能完成。

相机应用：该功能是指管理卫星搭载的相机，包括相机角度的控制、相机数据的采集及处理。相机可作为载荷设备进行相关图像信息的采集，也可以作为系统设备采集卫星状态，作为对卫星状态维护的依据。前文所示的传感模块的功能处理，由该相机应用为实例完成传感功能。

协处理管理：该功能支持通用处理和协处理模块进行高速数据协同处理。通用处理模块处理卫星通用的功能，对于图像处理、信号处理、机器学习训练等高速处理应用可配置专用处理器，实现高速高效的数据处理。前文所述的协处理模块的功能处理，通过该功能完成。

射频管理：该功能是指管理卫星的射频应用，基于软件无线电的思想统一管理综合射频前端，有效利用卫星射频通道和频率资源。前文所述的射频模块的功能处理，通过该功能完成。

存储管理：该功能是指对卫星的数据、文件等进行统一的存储管理，为卫星系统、载荷等进行有效的存储空间分配、状态维护。前文所述的存储模块的功能处理，通过该功能完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，包括：

计算模块，为卫星所有处理器的集合，以对卫星的计算处理进行统一的管理，满足星载处理的需求；

存储模块，为卫星所有存储器的集合，以对卫星的存储能力进行统一的管理，满足星载数据存储的需求；

网络模块，为卫星的网络载荷，以用于与其他卫星建立网络连接；

传感模块，为卫星采集和获取数据的前端；

执行模块，为卫星所有执行器的集合，以用于为卫星提供执行能力；

BIOS模块，为卫星提供最底层、直接的硬件控制和状态维持，管理卫星的测控、星务、姿轨控以及热控功能；

卫星总线，以用于完成卫星各模块之间的交互与控制。

2.根据权利要求1所述弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，所述计算模块中的处理器包括但不限于CPU、ARM与FPGA。

3.根据权利要求1所述弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，通过统一的接口将卫星所有存储器集成为存储模块。

4.根据权利要求1所述弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，所述网络模块包括但不限于星载微波模组、星载激光模组与路由。

5.根据权利要求1所述弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，所述传感模块包括但不限于陀螺仪、加速度计、相机。

6.根据权利要求1所述弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，所述执行模块包括但不限于反力轮、磁力矩、推力器。

7.根据权利要求1所述弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，所述卫星总线包括数据总线、基本配置总线与控制总线，其中:

数据总线用于卫星模块之间进行数据传输；

基本配置总线用以对卫星的各模块进行参数配置，完成对各个模块的初始化配置等功能；

控制总线则用以实现各模块的实时控制，满足星载应用对强实时、弱实时等应用的需求。

8.根据权利要求7所述弹性通用的智能卫星硬件体系架构，其特征在于，所述数据总线提供低等、中等、高等三个等级的数据传输速率，以用于满足多种场景需求。

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