CN112073277A - 一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法，该设计方法采用自顶向下的系统工程设计方法，包括：确定卫星综合电子系统的体系架构；基于卫星综合电子系统的业务功能构建标准模块；及规范卫星综合电子系统的内接口和外接口。本发明中，通过构建集成化、标准模块化的卫星综合电子系统，实现卫星综合电子体系在软件控制下的高度综合化，简化了平台与有效载荷的接口，平台载荷管理控制一体化，从而达到平台和载荷AIT简化的目的。进一步地，构建的标准模块，在卫星综合电子系统处理器模块的控制下，能够适应长寿命卫星的自主管理需求，并对不同的卫星需求进行扩展，拓宽了应用领域。

Description

一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法

技术领域

本发明涉及空间技术领域。更具体地，涉及一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法。

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的系统。卫星综合电子系统是航天器中与姿轨控、热控、能源、结构与机构系统并列的平台系统之一，除了完成传统的遥控、遥测、程控、星上自动控制、校时等任务外，还为平台和有效载荷提供全面、综合的服务与管理。

近年来，随着网络技术、通信技术和集成电路技术的进步，卫星综合电子技术得到了快速的发展。为了进一步吸收和借鉴其他综合电子技术的优势，卫星综合电子技术一般采用综合电子设计理念，进行一体化设计，从而建立卫星综合开放型电子系统架构，提供空间部卫星综合电子系统的综合能力。

目前，卫星综合电子系统的设计过程中，还需要满足以下要求：

1)通用化要求

随着我国航天事业的蓬勃发展，卫星的研制数量激增，需求呈现出多样化。因此，要求卫星综合电子系统能够适应不同卫星载荷的需求，实现通用化的货架式产品。

2)可扩展性要求

为了适应不同卫星需求变化较大的特点，卫星综合电子系统需考虑设备的可扩展性、可组合性，同时充分借鉴国外卫星平台研制的成熟技术，吸收航天电子新技术研究的成果，从而最终实现高可靠、高效的卫星电子标准化模块。

3)小型化要求

为满足未来型号的应用，应降低目前已开展的卫星综合电子系统的体积、重量、功耗等指标，缩短系统研制周期，提升系统性能，并进一步开展综合电子标准化模块的高性能、小型化和智能化等方面的研究。

因此，为了满足上述需求，需要提供一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法，通过建立标准模块，综合电子优化，提升卫星电子产品的功能集成度，优化产品重量、功耗、体积，建立开放型卫星综合电子系统架构，使产品具有支持多分系统相互融合、信息资源共享的能力，并通过一体化设计标准、通用的内部接口，兼容平台载荷一体化信息处理。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法，设计方法采用自顶向下的系统工程设计方法，包括：

确定卫星综合电子系统的体系架构；

基于卫星综合电子系统的业务功能构建标准模块；及

规范卫星综合电子系统的内接口和外接口。

本发明中，通过构建标准模块，提升了卫星电子产品的功能集成度，优化了产品重量、功耗、体积。进一步地，通过配置不同的标准模块集成系统所需的功能，通过增加或减少相同功能的标准模块来控制系统所应有的规模，进而，在实现星载电子产品的性能提升的基础上，进一步提升了星载电子产品的智能化、集成化、敏捷化、轻量化、高可靠的能力。另外，通过综合开放型电子系统架构设计的实现，简化了平台与有效载荷的接口，平台载荷管理控制实现一体化，从而达到平台和载荷卫星总装集成测试(AIT)简化的目的。

可选地，确定所述卫星综合电子系统的体系架构包括：

确定卫星综合电子系统采用分布式总线架构；和

确定卫星综合电子系统采用分层数据处理模式。

进一步可选地，分层数据处理模式包括中心管理单元和通用接口单元，其中

中心管理单元用于管理功能、控制策略的运算功能和自主健康管理功能；和

通用接口单元用于接口功能，所述接口功能包括区域配电、电压转换、遥测采集、指令控制、温度采集、加热输出、功率驱动和火工品管理。

可选地，基于所述卫星综合电子系统的业务功能构建标准模块包括：

在卫星综合电子系统中筛选具有共性的多个业务功能；及

综合所述具有共性的多个业务功能构建标准模块。

本发明中，通过对卫星综合电子系统的业务功能进行综合，打破了分系统间、单机间的界面，将共性的业务汇总成一种功能模块，从而形成系列、可选配的功能模块。卫星综合电子系统采用模块化设计思想，可较好的实现功能裁减与扩充，并且多种功能集中在一台设备中，使得整星电子设备数量减少、重量减轻，并可有效减少电缆网的数量。

可选地，标准模块具有标准的接口，遵循统一的规范，并执行与所述卫星综合电子系统兼容的协议。

可选地，卫星综合电子系统的业务功能包括测控、过程/运动控制和控制管理。

可选地，卫星综合电子系统采用星上网的方式，形成星上信息总线和供电母线。

可选地，总线架构包括主干网总线和二级总线，其中，星务计算机、遥控、遥测和全球卫星定位系统(GPS)单元通过主干网总线进行连接，载荷管理单元通过载荷网关与二级总线连接。

进一步可选地，主干网总线为控制器局域网络(CAN)总线。

进一步可选地，二级总线为RS-485或1553B总线。

本发明的有益效果如下：

本发明中的基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法，通过构建集成化、标准模块化的卫星综合电子系统，实现卫星综合电子体系在软件控制下的高度综合化，简化了平台与有效载荷的接口，平台载荷管理控制一体化，从而达到平台和载荷AIT简化的目的。进一步地，构建的标准模块，在卫星综合电子系统处理器模块的控制下，能够适应长寿命卫星的自主管理需求，并对不同的卫星需求进行扩展，拓宽了应用领域。另外，构建的标准模块还可适应各类高、中轨道的军、民用卫星。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。

图1示出一种基于标准模块的卫星综合电子系统的设计方法步骤图。

图2示出一种基于标准模块的卫星综合电子系统的组成示意图。

图3示出一种基于标准模块的卫星综合电子系统的信号连接示意图。

图4示出一种基于标准模块的卫星综合电子系统的组成框图。

图5示出一种基于标准模块的卫星综合电子系统的原理框图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及以上附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区分类别的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解，这样使用的对象在适当的情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一些列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的那些步骤或单元。

如图1所示，本发明公开一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法，设计方法采用自顶向下的系统工程设计方法，包括：S1确定卫星综合电子系统的体系架构；S2基于卫星综合电子系统的业务功能构建标准模块；及S3规范卫星综合电子系统的内接口和外接口。

本发明中的基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法，通过构建集成化、标准模块化的卫星综合电子系统，形成在软件控制下的高度综合化的卫星综合电子体系，并通过严格定义和控制各标准模块的硬软件及其接口，将许多独立功能的设备综合到一个或几个机箱内，机箱内的标准模块通过背板总线互连，共享计算资源、容错处理、供电和I/O接口，各个机箱再通过总线(如航空无线电ARINC总线或高速交换网络)形成开放型卫星综合电子系统体系架构，实现整星星载电子设备的功能。

在一个实施例中，确定所述卫星综合电子系统的体系架构包括：确定卫星综合电子系统采用分布式总线架构；和确定卫星综合电子系统采用分层数据处理模式。其中，分层数据处理模式包括中心管理单元和通用接口单元，中心管理单元用于管理功能、控制策略的运算功能和自主健康管理功能，通用接口单元用于接口功能，所述接口功能包括区域配电、电压转换、遥测采集、指令控制、温度采集、加热输出、功率驱动和火工品管理。

本发明实施例中，基于所述卫星综合电子系统的业务功能构建标准模块包括：在卫星综合电子系统中筛选具有共性的多个业务功能；及综合所述具有共性的多个业务功能构建标准模块。其中，标准模块具有标准的接口，遵循统一的规范，并执行与所述卫星综合电子系统兼容的协议。

应说明的是，硬件模块化设计是综合电子开放架构的重要支撑技术之一，系统中的硬件采用模块的形式封装相对独立的功能，通过配置不同的模块集成系统所需的功能，通过增加或减少相同功能的模块控制系统所应有的规模。通过硬件模块化达到以下目的：

a.硬件模块具有标准的接口，可以插入系统实现互连、互通和互操作；

b.硬件模块遵循统一的规范，相同功能的模块可以相互替换、相互兼容；

c.硬件模块执行与系统兼容的协议，通过相应的驱动软件接入系统；

d.硬件模块是综合开放型电子系统架构的基本硬件产品，可以独立研制、独立

e.测试、独立验收，从而实现综合开放型电子系统架构的产品化、产品的货架化。

本发明实施例中，通过对卫星综合电子系统的业务功能进行综合，打破了分系统间、单机间的界面，将共性的业务汇总成一种功能模块，从而形成系列、可选配的功能模块。卫星综合电子系统采用模块化设计思想，可较好的实现功能裁减与扩充，并且多种功能集中在一台设备中，使得整星电子设备数量减少、重量减轻，并可有效减少电缆网的数量。

本发明实施例中，卫星综合电子系统的业务功能包括测控、过程/运动控制和控制管理。卫星综合电子系统采用星上网的方式，形成星上信息总线和供电母线。

本发明实施例中，总线架构包括主干网总线和二级总线，其中，星务计算机、遥控、遥测和GPS单元通过主干网总线进行连接，载荷管理单元通过载荷网关与二级总线连接。在一个实施例中，主干网总线为CAN总线，二级总线为RS-485或1553B总线。

下面通过一个具体实施进行说明。

如图2所示，一种基于标准模块的卫星综合电子系统包括供电内总线、二次电源和设备内总线，其中设备内供电用于设备一次电源供电，二次电源用于设备二次电源供电，设备内总线用于传输内总线信号、内部指令信号和内部遥测信号。该卫星综合电子系统包括各功能单元，如电源转换单元、电源分配(PDU)单元、火工单元、配电单元、热控单元、遥测单元、指令单元、处理单元、测控单元和扩展单元。其中，电源转换单元设置于供电内总线和二次电源之间，PDU单元、火工单元、配电单元、热控单元、遥测单元、指令单元、处理单元、测控单元和扩展单元设置于二次电源和设备内总线之间。另外，火工品连接所述火工单元，加热器连接所述热控单元，PDU单元、配电单元、遥测单元、指令单元、处理单元、测控单元和扩展单元分别连接外部设备。应说明的是，火工单元、配电单元和热控单元还直接连接供电内总线。

上述卫星综合电子系统的信号连接如图3所示。载荷管理单元包括火工控制、配电控制、射频检测、电源保障、信号测量、总线通讯和系统管理。其中，火工控制用于控制火工通路，配电控制用于控制配电输出，射频检测还包括天线。具体地，火工电源为火工控制供电，一次电源为配电控制、射频检测和电源保障供电，系统管理与CAN总线之间进行信号传输，总线通讯提供信号至平台422总线和载荷422总线，并与载荷485总线之间进行信号传输，信号测量获取开关量和模拟量。

图4示出了一种基于标准模块的卫星综合电子系统的组成框图，该卫星综合电子系统包括作为主干网的CAN总线和作为二级网线的485或1553B。GPS、遥控单元、应答机、星务计算机、多个智能传感器、智能温控仪、电源控制器、载荷管理(网关)、多个智能执行器和其他智能设备均与CAN总线相连，其中，智能温控仪还与一级线相连，电源控制器还与供电母线相连，载荷管理(网关)还与485或1553B二级总线相连。多个有效载荷与485或1553B二级总线相连。

在该卫星综合电子系统中，将星上原本分离的测控和过程/运动控制合并在一起，将卫星测控的作业和控制的管理结合起来，形成卫星的测、控、管统一的综合电子平台。采用星上网的方式，形成星上信息总线和供电母线，从而简化布线，有利于卫星的生产、运行和管理。

本发明实施例汇总采用CAN总线作为主干网总线，星务计算机、遥控、遥测和GPS单元都通过CAN总线进行连接。载荷管理单元加入载荷管理网关，通过载荷网关与二级总线相连，二级总线可以采用RS-485或1553B总线结构。有效载荷单元(图像载荷)通过二级总线和载荷网关与星务计算机进行信息交互。

图5示出一种基于标准模块的卫星综合电子系统的原理框图。数传模块(星间/星地通信)通过高速信息网获取多个传感器模块的信息，多个传感器模块与CAN总线相连，传输的信息存储于大容量存储器中。调度模块(星务中心机)、共享工程数据库和数据处理模块、导航模块(GPS)、应答机(星地调制解调器)及数传模块(星间/星地通信)均通过CAN总线进行数据传输。遥控视频模块和测距单元与应答机(星地调制解调器)之间进行数据传输，地面支持系统和CAN总线监视器用于监视地面支持并对CAN总线进行监视。

基于上述架构，在小卫星研制开发过程中，把卫星综合电子系统划分为两个层面。第一层面称之为卫星事务管理系统，实现从上到下的监督控制。第二层面的控制称之为现场控制，它由星务管理执行单元和各类控制系统原始设备组成。采用分层次的测、控、管，旨在使星上各个设备处于“并行化”的工作方式。星上信息实现“并行化”处理，从而提升整星性能，降低对中心调度单元的严苛要求，确保全星可靠性和安全性。

在一个具体实施方式中，设计卫星综合电子系统包括：

1)采用芯片级星上设备

采用“芯片级星务主机”研制的可行性及技术路线。基于“SoC+SiP”构建星务主机，使星务系统主机从箱体设备，到板级设备，再到芯片级设备，即从“体设备”到“面设备”再到“点设备”的发展，能够提高系统的集成度、性能，降低系统的体积和重量。

2)开展综合集成系统设计

将遥测，遥控、姿控等系统集成为卫星综合电子系统。

3)进行小卫星整体控制

基于星上网络将星上所有的系统信息融合、融合共享，形成全星大系统控制。

4)整星平台统一软硬件方法

从各设备和分系统中抽出共同部分作为统一硬件，形成标准构件，各种设备由这些标准构件和特殊附加构件组成。统一软件平台，构建统一的操作系统，可以重复使用的卫星测控管的方法库、软件代码和环境数据库等。综合系统的原理框图如图4所示。

在一个具体实施中，卫星综合系统主要由以下部分组成：数据管理调度单元；数据管理执行单元机(MEU)；)星上网络；星地和星间射频通道；数据系统应用软件及各种协议。

综合电子数据处理借助于射频通道与地面计算机配合，形成虚拟键盘和虚拟显示器，构成在轨卫星的星地无线联网。射频通道充当星地计算机之间的无线调制解调器，实现星地紧密地耦合，既提高了用户应用自主权，又构造了遥操作的闭合回路。遥测下行构建“地面显示器”，遥控上行构建“地面键盘”。在星上配置一套优化“地面显示器”和“地面键盘”的接口驱动软件。这是星地接口的关鍵，是实施人星集成的切入点。

综合电子数据管理执行单元嵌入在星上各任务模块中，实现星务中心计算机对其监测、指令控制、供电、保护、管理、通信、遥操作、过程控制等诸多功能，形成综合系统的多台管理单元。

本发明中，构建了标准模块，并基于标准模块的卫星综合电子系统，通过严格定义和控制各模块的硬软件及其接口，实现模块的标准化、重复使用和可互换；采用开放式的体系结构设计，形成标准化模块；模块化体系结构具有一致性，建立通用的应用程序操作硬件与总线资源，系统功能重组更灵活。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于标准模块的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述设计方法采用自顶向下的系统工程设计方法，包括：

确定所述卫星综合电子系统的体系架构；

基于所述卫星综合电子系统的业务功能构建标准模块；及

规范所述卫星综合电子系统的内接口和外接口。

2.根据权利要求1所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述确定所述卫星综合电子系统的体系架构包括：

确定所述卫星综合电子系统采用分布式总线架构；和

确定所述卫星综合电子系统采用分层数据处理模式。

3.根据权利要求2所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述分层数据处理模式包括中心管理单元和通用接口单元，其中

所述中心管理单元用于管理功能、控制策略的运算功能和自主健康管理功能；和

所述通用接口单元用于接口功能，所述接口功能包括区域配电、电压转换、遥测采集、指令控制、温度采集、加热输出、功率驱动和火工品管理。

4.根据权利要求1所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述基于所述卫星综合电子系统的业务功能构建标准模块包括：

在所述卫星综合电子系统中筛选具有共性的多个业务功能；及

综合所述具有共性的多个业务功能构建所述标准模块。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述标准模块具有标准的接口，遵循统一的规范，并执行与所述卫星综合电子系统兼容的协议。

6.根据权利要求1所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述卫星综合电子系统的业务功能包括测控、过程/运动控制和控制管理。

7.根据权利要求1所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述卫星综合电子系统采用星上网的方式，形成星上信息总线和供电母线。

8.根据权利要求2所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述总线架构包括主干网总线和二级总线，其中，星务计算机、遥控、遥测和GPS单元通过所述主干网总线进行连接，载荷管理单元通过载荷网关与所述二级总线连接。

9.根据权利要求8所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述主干网总线为CAN总线。

10.根据权利要求8所述的卫星综合电子系统设计方法，其特征在于，所述二级总线为RS-485或1553B总线。

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