CN112859684A - 一种卫星综合电子系统及其在轨维修方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种卫星综合电子系统，包括主处理单元以及多个协处理单元，主处理单元和/或各协处理单元之间通过总线连接，形成网络拓扑。其中主处理单元包括数据处理模块以及通信控制模块,协处理单元包括任务处理模块、总线接口以及IO接口模块。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种卫星综合电子系统及其在轨维修方法。
背景技术
卫星综合电子系统作为卫星平台核心电子学系统，涵盖卫星平台遥测遥控、轨道计算、姿态控制、热控、能源管理、健康管理、载荷管理等多种在轨任务；同时实现信息共享和综合利用、功能集成和资源优化重组等重要功能。
由于卫星综合电子系统一旦发生故障，将导致整个电子学系统失效，不具备可维修属性，因此，对于卫星综合电子系统的可靠性要求较高。
在轨可维修能力是判断卫星综合电子系统的一种重要指标，其与卫星综合电子系统的处理能力、设备扩容能力、总线响应速度等密切相关。如何实现卫星综合电子系统在轨可维修设计是保证电子学系统必不可少的关键措施，对提高卫星在轨寿命和可靠性至关重要。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种卫星综合电子系统，包括：
主处理单元，包括：
数据处理模块，包括CPU及存储单元，所述处理模块用于计算任务资源、调度分配存储资源；以及
通信控制模块，用于建立与协处理单元之间的通信；以及
多个协处理单元，其与所述主处理单元和/或各协处理单元之间通过总线连接，形成网络拓扑，所述协处理单元包括：
任务处理模块，包括CPU及存储单元，形成多个任务容器；
总线接口，用于与主处理单元及其他协处理单元通信；以及
IO接口模块，用于实现I/O、计算以及存储。
进一步地，所述总线为实时即插即用EtherCAT总线。
进一步地，所述协处理单元包括：姿控协处理单元、载荷协处理单元、测控协处理单元、电源协处理单元、自主健康协处理单元以及备份协处理单元。
进一步地，所述通信控制模块包括时钟同步控制模块，用于提供分布式时钟同步控制，所述时钟同步控制模块包括分布时钟控制器，以及同步控制/锁存单元，其中，所述分布时钟控制器根据系统基准时间以及误差计数器、时延计数器的输出生成同步信号，所述同步控制/锁存单元根据制定周期触发所述同步信号，形成同步信号A、同步信号B、锁存信号A以及锁存信号B。
进一步地，所述同步信号B在所述同步信号A触发后预设时长后触发，且所述同步信号B的周期为所述同步信号A的整数倍。
基于所述卫星综合电子系统，本发明另一方面提供一种卫星综合电子系统的在轨修复方法，包括：
通过主处理单元对协处理单元进行在线诊断，若存在故障且无法自主恢复，则根据授权启动协处理单元扩容，通过主处理单元将故障协处理单元的软件热迁移至备份协处理单元，并对其外部接口逻辑进行重构映射。
进一步地，所述授权包括在轨自主授权或地面遥控授权。
进一步地，所述在轨修复方法还包括借助外部辅助装置进行协处理单元扩容，所述外部辅助装置通过实时即插即用EtherCAT总线与协处理单元通信。
本发明提供的一种卫星综合电子系统，首先通过星载高速实时即插即用总线，建立基于网络拓扑的综合电子系统，主处理单元通过星载高速实时即插即用总线可以进行多个协处理单元的扩容，实现可扩容的星载协处理单元同步接入服务，对协处理单元的任务进行动态规划，且一旦发生故障，还可将星载处理单元的软件进行热迁移，对接口逻辑重映射，进而实现综合电子系统的在轨修复。此外，还可实现服务滚动升级和在线扩容、可扩展的资源自动调度机制以及多粒度的资源配额管理。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的一种卫星综合电子系统的结构示意图；
图2示出本发明一个实施例的一种处理单元的功能组成示意图；
图3示出本发明一个实施例的分布式时钟同步原理示意图；以及
图4示出本发明一个实施例的热迁移示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
卫星综合电子系统在轨可维修设计是保证电子学系统必不可少的关键措施，对提高卫星在轨寿命和可靠性至关重要。实现综合电子系统的在轨可维修服务，电子学系统需具备在轨自主诊断功能，能够对卫星平台故障进行具体定位分析；根据诊断结果，通过自主重构或维修设备接入的方式进行在轨维修服务。
通过对综合电子系统在轨可维修以及自主智能互联技术需求分析，本发明提供了一种卫星综合电子系统，实现应用软件与底层驱动、硬件逻辑解耦，为在轨自主维修和地面遥控维修提供技术架构基础设施，实现综合电子系统模块化、插件化、可挂载、可组合，为在轨维修开展提供接入服务。实现在轨维修服务中，软件自动化部署、自动重启、自动复制、自动扩容。所述卫星综合电子系统根据可扩展的综合电子并行I/O体系结构，构建去中心化的分布式综合电子系统计算集群，并采用具备高速实时即插即用功能的星载总线，使得星载处理单元具备软件热迁移、接口逻辑重映射的功能，最终实现以在轨自主授权或地面遥控授权方式进行智能互联、自主扩容的柔性电子学系统。
如图1所述，所述卫星综合电子系统包括主处理单元和协处理单元。
所述主处理单元作为所述卫星综合电子系统的主控中心，用于进行高实时任务计算资源、存储资源调度分配；提供高速实时即插即用总线接口服务功能，建立网络拓扑控制中心；以及提供分布式时钟同步控制功能。所述主处理单元包括数据处理模块及通信控制模块。其中，所述数据处理模块包括CPU及存储单元，例如RAM、FLASH等，用于计算任务资源、调度分配存储资源，以及故障诊断、故障修复等。所述通信制模块用于建立与协处理单元之间的通信，在本发明的一个实施例中，主处理单元与协处理单元之间的通信通过星载高速实时即插即用Ethercat总线实现，且主处理单元总线网络拓扑结构按照可扩展原则，以总线型拓扑为主，可自由组合各种拓扑结构。所述通信制模块包括接收单元及发送单元，通过MAC地址的设置，实现与指定协处理单元的通信。
所述协处理单元主要用于实现外部数据采集和控制任务，其包括例如姿控协处理单元、载荷协处理单元、测控协处理单元、电源协处理单元、自主健康协处理单元以及备份协处理单元。各协处理单元与所述主处理单元和/或其余协处理单元之间通过总线连接，在本发明的一个实施例中，所述总线为实时即插即用EtherCAT总线，所述协处理单元与主处理单元组成网络拓扑。所述实时即插即用EtherCAT总线的实时性、可靠性和确定性较好，使得卫星综合电子系统更便捷、更高效、更稳定，同时其拓扑灵活，具备易于扩展、确定交付等特点。所述实时即插即用EtherCAT总线作为星载网络拓扑结构的脉络，可以实现一网到底，协议处理直达I/O层，且无任何下层子总线，无网关延迟，提供实时通信服务，具备设备挂载扩容接入服务，联通主从协处理单元，实现分布式时钟同步功能。分布式时钟同步功能通过通信控制模块中的时钟同步控制模块实现，如图3所示，所述时钟同步控制模块包括分布时钟控制器，以及同步控制/锁存单元，其中，所述分布时钟控制器根据系统基准时间以及误差计数器、时延计数器的输出生成同步信号，所述同步控制/锁存单元根据指定的周期触发所述同步信号，形成同步信号A、同步信号B、锁存信号A以及锁存信号B，其中，同步信号A是最常用的同步信号，在输出模块里，同步信号A常用于统一输出时间；在输入模块里，同步信号A常用于统一采样时间；同步信号B信号不独立存在，通常是在同步信号A触发之后，延时一段时间触发；同步信号B触发周期可以是同步信号A的整数倍；以及锁存信号(A/B)用于给外部信号打时间戳管理操作。
如图2所示，所述协处理单元包括任务处理模块，总线接口以及IO接口模块。其中，所述任务处理模块包括CPU及存储单元，例如RAM、FLASH等，其构成多个任务容器，实现了应用软件与底层驱动、硬件逻辑解耦，为在轨自主维修和地面遥控维修提供技术架构基础设施；所述总线接口包括控制器以及发送、接收接口，用于与主处理单元及其他协处理单元通信；以及所述IO接口模块采用面向高性能计算的可扩展并行I/O体系结构，实现I/O、计算、存储一体化设计。
多个协处理单元构成综合电子系统的计算集群，通过高速实时即插即用总线接口接入主处理单元，形成综合电子系统服务网络。所述主处理单元通过星载高速实时即插即用总线可以进行多个协处理单元的扩容，实现可扩容的协处理单元同步接入服务，对协处理单元的任务进行动态规划，当主处理单元在线诊断出某一个协处理单元存在故障时，首先确认故障原因及故障类型，判断所述故障是否无法自主恢复，若是，则根据故障优先级，在线自主授权或经地面授权进行综合电子系统的在轨自维修。具体而言，是通过主处理单元中启动协处理单元扩容任务，将故障设备的软件进行热迁移至备份协处理单元，同时对协处理单元的外部接口逻辑进行重构映射，其中软件的热迁移如图4所示，主处理单元中的热迁移控制器在备份协处理单元中构建健康可用的任务容器，将故障协处理单元的软件由故障单元迁移至健康的协处理单元。
在本发明的一个实施例中，所述协处理单元还可通过载高速实时即插即用Ethercat总线与维修接口连接，进而使得所述协处理单元在出现故障时，可以借助外部辅助装置进行维修服务。
在本发明实施例中所采用的星载高速实时即插即用Ethercat总线技术，在某些方面对传统以太网进行了-定程度的保留。其在报文格式方面,进行过程数据交换的同时,为了可传输标准格式的太网数据,进行了完全的保留；在硬件方面,无需使用特殊的物理层硬件,完全兼容IEEE802.3实现方法的物理层。满足在轨维修服务对于设备通信的特殊要求，如即插即用、响应时间的硬实时性、多节点周期性过程数据的交换，以及具备主从通信模式、邮箱服务、分布式时钟及多节点共用报文等特性与功能，高速实时即插即用总线通信报文的最大有效数据利用率可以达到90％以上,实时性可以控制在微秒级。分布式时钟同步机制使高速实时即插即用总线可以实现非常短的收敛周期,其中一个重要的原因在于过程数据的交换工作不需要处理器来完成,全部交给硬件来执行。协处理单元的接入和分离不受电接口限制，从而保证卫星综合电子系统在轨运行过程中，可以及时有效的进行软硬件维护升级服务。带宽利用率的最大化,使每个协处理单元的数据不需要使用单独的数据帧来传输。利用全双工通信的优势,高速即插即用总线可以实现超过100Mbps的数据速率。网络中最多可以连接65535个协处理设备,每个高速实时即插即用单个数据帧可容纳多达1486字节的过程数据。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (8)
1.一种卫星综合电子系统，其特征在于，包括：
主处理单元，包括：
数据处理模块，包括CPU及存储单元，所述数据处理模块被配置为计算任务资源、调度分配存储资源、以及进行故障诊断及维修；以及
通信控制模块，其被配置为建立与协处理单元之间的通信；以及
多个协处理单元，其与所述主处理单元和/或各协处理单元之间通过总线连接，形成网络拓扑，所述协处理单元包括：
任务处理模块，包括CPU及存储单元，形成多个任务容器；
总线接口，其被配置为与主处理单元及其他协处理单元通信；以及
IO接口模块，其被配置为实现I/O、计算以及存储。
2.如权利要求1所述的卫星综合电子系统，其特征在于，所述总线为实时即插即用EtherCAT总线。
3.如权利要求1所述的卫星综合电子系统，其特征在于，所述协处理单元包括：姿控协处理单元、载荷协处理单元、测控协处理单元、电源协处理单元、自主健康协处理单元以及备份协处理单元。
4.如权利要求2所述的卫星综合电子系统，其特征在于，所述通信控制模块包括时钟同步控制模块，所述时钟同步控制模块包括分布时钟控制器，以及同步控制/锁存单元，其中，所述分布时钟控制器根据系统基准时间以及误差计数器、时延计数器的输出生成同步信号，所述同步控制/锁存单元根据制定周期触发所述同步信号，形成同步信号A、同步信号B、锁存信号A以及锁存信号B。
5.如权利要求4所述的卫星综合电子系统，其特征在于，所述同步信号B在所述同步信号A触发后预设时长后触发，且所述同步信号B的周期为所述同步信号A的整数倍。
6.一种卫星综合电子系统的在轨修复方法，其特征在于，包括步骤：
通过主处理单元对协处理单元进行在线诊断，若存在故障且无法自主恢复，则根据授权启动协处理单元扩容，通过主处理单元将故障协处理单元的软件热迁移至备份协处理单元，并对其外部接口逻辑进行重构映射。
7.如权利要求6所述的在轨修复方法，其特征在于，所述授权包括在轨自主授权或地面遥控授权。
8.如权利要求6所述的在轨修复方法，其特征在于，还包括借助外部辅助装置进行协处理单元扩容，所述外部辅助装置通过实时即插即用EtherCAT总线与协处理单元通信。
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