CN112947199B - 一种用于复杂多载荷卫星的综合电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，包括：导航信号分析模块、处理器模块、逻辑接口模块、多载荷支持模块、电源变换模块、故障重启模块和终端设备。适用于为卫星多种不同类型的载荷提供遥测、遥控、时间、轨道等信息，通过自适应动态分组资源调度算法，在不同的工作模式下通过调用不同的优先级参数，实现了多载荷的并行工作。逻辑接口模块与多载荷支持模块采用自适应协议的总线接口，方便进行模块的增减，提高了设备的灵活性和适应性。

Description

一种用于复杂多载荷卫星的综合电子系统

技术领域

本发明属于复杂多载荷卫星技术领域，尤其涉及一种用于复杂多载荷卫星的综合电子系统。

背景技术

航天任务的不断发展对电子系统提出了高性能、高可靠、智能化、集成化、小型化、产品化等方面的要求，卫星电子系统需在苛刻空间限制条件下对密集性很高且复杂的载荷任务进行信息和功能综合，空间限制条件除了空间恶劣自然环境外，还包括有限的信道资源、计算资源和存储资源。随着航天任务的发展，单个卫星不再实现单一的功能任务，具备多载荷并行工作的卫星是卫星领域的一个发展方向，因此卫星电子系统需对星上有限的资源进行整合，配备合理的资源调度算法，在不明显增加星上电子系统复杂度的情况下实现对复杂多载荷的信息支持。用于复杂多载荷卫星的综合电子系统应具备通用化的接口和协议，在轨能稳定可靠的工作，故障情况下通过复位重启等方式迅速进行修复，保证载荷业务的正常运行。

现有的卫星电子系统主要针对单一的载荷任务实现，通信卫星、遥感卫星等领域卫星均有各自的电子平台，单一载荷卫星对其他载荷的任务适配性不好，不能适应多载荷任务的组合。如申请号为CN201711221332.2、名称为一种多舱段的卫星星上电子系统的专利，该系统提出了一种多舱段的卫星星上电子系统，包括平台舱、载荷舱以及推进舱的电子系统，解决了多舱段卫星上电子系统集成效率较低的问题，该专利中设备集成度高，但是不能对多载荷进行综合管理，未配置专用的资源调度方法。题名为《卫星高功能密度综合电子系统设计》(中国空间科学技术，2020年第1期)文献报道的一种卫星电子系统设计方法，该系统设计了一种基于软件定义的综合电子系统一体化结构，硬件采用高度集成的模块化设计，软件采用分层和组件化设计，但是该方法主要注重软件的重构方法，没有提出解决多载荷并行工作对卫星有限资源下的任务调度方法，且没有对系统自身故障下提出可靠的重新启动方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，解决了现有技术的适应性和扩展性缺陷。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，包括：导航信号分析模块、处理器模块、逻辑接口模块、多载荷支持模块、电源变换模块、故障重启模块和终端设备；其中，所述导航信号分析模块接收北斗导航卫星信号，对北斗导航卫星信号进行信号解算得到UTC星时信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息，将复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述处理器模块，将UTC星时信息发送到所述多载荷支持模块；所述终端设备将载荷遥测信息发送到所述多载荷支持模块，所述多载荷支持模块通过所述逻辑接口模块将载荷遥测信息发送到所述处理器模块；所述处理器模块接收复杂多载荷卫星的轨道位置信息和载荷遥测信息，所述处理器模块利用卫星的信道资源、计算资源和存储资源，使用自适应动态分组资源调度算法对复杂多载荷卫星的轨道位置信息和载荷遥测信息进行计算和处理，解算出载荷控制信息，并将载荷控制信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述逻辑接口模块；所述逻辑接口模块将载荷控制信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述多载荷支持模块，所述多载荷支持模块将载荷控制信息和发送到终端设备；所述电源变换模块将供电母线电压转化为二次电源，并接收故障重启模块的使能控制信号，当使能控制信号为低时二次电源输出使能，当使能控制信号为高时禁止二次电源输出。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述载荷遥测信息包括转发器状态信息、相机状态与数据信息、激光终端状态与通信信息、量子终端状态与通信信息。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述载荷控制信息包括转发器终端的开关机指令、遥感相机的相机指向和参数设置、激光通信终端的激光指向和功率命令、量子通信终端的量子出光和指向命令。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述处理器模块根据转发器状态信息得到开关机指令，并将开关机指令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块；所述处理器模块根据相机状态与数据信息得到相机指向和参数设置命令，并将相机指向和参数设置命令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块；所述处理器模块根据激光终端状态与通信信息得到激光指向和功率命令，并将激光指向和功率命令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块；所述处理器模块根据量子终端状态与通信信息得到量子出光和指向命令，并将量子出光和指向命令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述多载荷支持模块包括时间轨道分发单元、转发器支持单元、遥感载荷支持单元、激光通信支持单元和量子通信载荷支持单元；其中，所述导航信号分析模块将UTC星时信息发送到所述时间轨道分发单元；所述逻辑接口模块将复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述时间轨道分发单元；所述时间轨道分发单元将UTC星时信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息转发到终端设备；所述转发器支持单元接收开关机指令，并将开关机指令发送到终端设备；所述遥感载荷支持单元接收相机指向和参数设置命令，并将相机指向和参数设置命令发送到终端设备；所述激光通信支持单元接收激光指向和功率命令，并将激光指向和功率命令发送到终端设备；所述量子通信载荷支持单元接收量子出光和指向命令，并将量子出光和指向命令发送到终端设备。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述终端设备包括转发器终端设备、遥感相机、激光通信终端和量子通信终端；其中，所述转发器终端设备接收开关机指令；所述遥感相机接收相机指向和参数设置命令；所述激光通信终端接收激光指向和功率命令；所述量子通信终端接收量子出光和指向命令。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述转发器终端设备将转发器状态信息发送到所述转发器支持单元，所述转发器支持单元通过所述逻辑接口模块将转发器状态信息发送到所述处理器模块。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述遥感相机将相机状态与数据信息发送到所述遥感载荷支持单元，所述遥感载荷支持单元通过所述逻辑接口模块将相机状态与数据信息发送到所述处理器模块。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述激光通信终端将激光终端状态与通信信息发送到所述激光通信支持单元，所述激光通信支持单元通过所述逻辑接口模块将激光终端状态与通信信息发送到所述处理器模块。

上述用于复杂多载荷卫星的综合电子系统中，所述量子通信终端将量子终端状态与通信信息发送到所述量子通信载荷支持单元，所述量子通信载荷支持单元通过所述逻辑接口模块将量子终端状态与通信信息发送到所述处理器模块。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用了用于多载荷的综合电子系统架构，可不受限于载荷类型，为单个卫星上的多载荷提供信息资源支持，提供遥测、遥控、时间、轨道等信息，多载荷支持模块采用自适应协议的总线接口，方便进行模块的增减，提高了设备的灵活性和适应性；

(2)本发明采用了自适应动态分组资源调度算法，通过对信道资源、计算资源和存储资源的分组运算，在不同的工作模式下通过调用不同的优先级参数，保证了多载荷并行工作对卫星有限资源的需求，保证系统的有效运行；

(3)本发明采用了一种常加电设备的安全重启方法，通过磁保持继电器和电磁继电器的组合配置，实现了对电子支持设备的短时断电，解决了卫星常加电设备在轨长时间断电的安全隐患，提高了星上电子系统的可靠性和稳定性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统的框架图；

图2是本发明实施例提供的故障重启模块原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示为本发明的卫星电子支持设备架构图。用于复杂多载荷卫星的综合电子系统由导航信号分析模块、处理器模块、逻辑接口模块、多载荷支持模块、电源变换模块、故障重启模块组成。

导航信号分析模块接收北斗导航卫星信号，进行信号解算，得到UTC星时信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息，并将复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到处理器模块、将UTC星时信息即秒脉冲发送到时间轨道分发单元。

处理器模块接收导航信号分析模块解算出的时间轨道信息，接收逻辑接口模块发送的载荷遥测信息，载荷遥测信息包括转发器状态信息、相机状态与数据信息、激光终端状态与通信信息、量子终端状态与通信信息。处理器模块利用卫星的信道资源、计算资源和存储资源，使用自适应动态分组资源调度算法对复杂多载荷卫星的轨道位置信息和载荷遥测信息进行计算和处理，解算出载荷控制信息，并将复杂多载荷卫星的轨道位置信息和载荷控制信息发送到逻辑接口模块，其中载荷控制信息包括转发器终端的开关机指令、遥感相机的相机指向和参数设置、激光通信终端的激光指向和功率命令、量子通信终端的量子出光和指向命令。处理器模块由工作主频不低于100MHz的抗辐照CPU和其外部配套存储器件组成，运行自适应动态分组资源调度算法，资源调度算法的具体方法为：

将卫星资源分为3类，分别为信道资源、计算资源和存储资源，为了方便星上运算，对每种资源进行分组。

1)信道资源为遥测下传的字节数，每组为S；

2)计算资源为CPU的运算时间，每组为C；

3)存储资源为存储区域字节数，每组为P。

卫星有n个载荷任务，m种典型在轨工况，载荷任务i在工况j下的信道资源需求为S_ij(i＝1...n,j＝1...m)，优先级为α_ij(i＝1...n,j＝1...m)，优先级数值越大代表优先级越高，各任务优先级之和为1，载荷任务i运行对任务k的贡献为GS_ijk(i＝1...n,j＝1...m,k＝1...n)，定义GS_iji＝0；同理：各载荷任务的计算资源需求为C_ij(i＝1...n,j＝1...m)，优先级为β_ij(i＝1...n,j＝1...m)，载荷任务i运行对任务k的贡献为GC_ijk(i＝1...n,j＝1...m,k＝1...n)，定义GC_iji＝0；存储资源需求为P_ij(i＝1...n,j＝1...m)，优先级为γ_ij(i＝1...n,j＝1...m)，载荷任务i运行对任务k的贡献为GP_ijk(i＝1...n,j＝1...m,k＝1...n)，定义GP_iji＝0。

费效比是综合评价载荷任务优先级、占用资源和对其他任务贡献的指标，值越大代表该任务的执行优先级越高，费效比越高的任务越先执行。定义如下：

1)任务i信道资源的费效比为

2)任务i计算资源的费效比为

3)任务i存储资源的费效比为

以信道资源为例，按各任务信道资源的费效比η_Sij从高到低进行排序，序列为{B_S1,B_S2,...,B_Sn}，其中B_S1为信道资源费效比最大的任务，B_Sn为信道资源费效比最小的任务。信道资源每组为S，按费效比从高到低对任务占用的信道资源进行累加，直到资源占用填满整组资源S。

通过上式计算可得，将前Bsn个任务在信道资源的第一个任务组中执行；依次类推，将Bsn+1及之后的任务继续填充在后续的任务组中。

按各任务计算资源的费效比η_Cij从高到低进行排序，序列为{B_C1,B_C2,...,B_Cn}，其中B_C1为计算资源费效比最大的任务，B_Cn为计算资源费效比最小的任务。计算资源每组为C，按费效比从高到低对任务占用的计算资源进行累加，直到资源占用填满整组资源C。

通过上式计算可得，将前Bcn个任务在计算资源的第一个任务组中执行；依次类推，将Bcn+1及之后的任务继续填充在后续的任务组中。

按各任务存储资源的费效比η_Pij从高到低进行排序，序列为{B_P1,B_P2,...,B_Pn}，其中B_P1为存储资源费效比最大的任务，B_Pn为存储资源费效比最小的任务。存储资源每组为S，按费效比从高到低对任务占用的存储资源进行累加，直到资源占用填满整组资源P。

通过上式计算可得，将前Bpn个任务在存储资源的第一个任务组中执行；依次类推，将Bpn+1及之后的任务继续填充在后续的任务组中。

将m种工况下的每个任务的资源需求、优先级、对其他任务贡献参数装订在处理器模块中，处理器模块根据卫星运行的具体工况选择对应的装订参数，按装订参数运行自适应动态分组资源调度算法，得到每种资源的执行序列，进行卫星处理任务。

逻辑接口模块实现设备内部的接口匹配和信息传输功能，通过自适应协议的总线接口与多载荷支持模块进行信息交互。

多载荷支持模块包括时间轨道分发单元、转发器支持单元、遥感载荷支持单元、激光通信支持单元和量子通信载荷支持单元。

时间轨道分发单元周期性接收逻辑接口模块转发的复杂多载荷卫星的轨道位置信息和导航信息分析模块的秒脉冲，周期均为1秒，并转发到遥感相机、激光通信终端和量子通信终端。秒脉冲信号为差分脉冲信号，通过脉冲的下降沿指示整秒时刻；复杂多载荷卫星的轨道位置信息为二级制码流信息，时间为UTC时间，轨道为J2000坐标系下的卫星位置，时间轨道分发单元对信息进行合理化验证，当本次接收到的时间信息与上次接收到的时间差值小于2秒时，认为该组数据有效并进行转发；时间差值大于等于2秒认为该组数据无效，不再进行转发。

转发器支持单元接收逻辑接口模块的时间轨道信息和载荷控制信息，按照预定的时间向转发器终端发送开关机指令，并接收转发器的设备状态信息，向逻辑接口单元发送转发器状态信息。

遥感载荷支持单元接收逻辑接口模块的时间轨道信息和载荷控制信息，根据卫星位置和需要进行拍摄的位置进行指向运算，计算相机需要偏置的角度，根据背景光信息计算相机的曝光系数，向遥感相机发送相机指向和参数设置命令；接收遥感相机的设备状态和相机数据，向逻辑接口单元发送相机状态与数据信息；

激光通信支持单元接收逻辑接口模块的时间轨道信息和载荷控制信息，根据卫星位置和需要进行激光通信的位置进行指向运算和功率预算，将激光指向和功率命令发送到激光通信终端，控制激光指向机构的指向角度和光学天线的发光强度；接收激光通信终端的设备状态和光学天线接收到的激光通信数据，向逻辑接口单元发送激光终端状态与通信信息；

量子通信载荷支持单元接收逻辑接口模块的时间轨道信息和载荷控制信息，根据卫星位置和需要进行量子通信的位置进行指向运算，将量子出光和指向命令发送到量子通信终端，控制激光脉冲调制电路的出光参数；接收量子通信终端的设备状态和光子通信信息，向逻辑接口单元发送量子终端状态与通信信息。

电源变换模块用于综合电子系统的供电转换，将供电母线电压转化为系统所需二次电源，并接收故障重启模块的使能控制信号，使能控制信号为低时二次电源输出使能，为高时禁止二次电源输出。

如图2所示为本发明的故障重启模块工作原理。故障重启模块包括状态检测与指令驱动电路、磁保持继电器K1、电磁继电器K2。

状态检测与指令驱动电路有3个功能：

1)实时监视本设备的工作状态，进行故障检测；

2)设置电源变换单元使能端的使能控制信号，使其使能或禁止，通过控制K1、K2两个继电器的状态进行设置；

3)具备向K1发送K1开指令和K1关指令、向K2发送K2关指令的功能。

磁保持继电器K1的通断状态可以保持，通过K1开指令和K1关指令进行通断状态的设置。

电磁继电器K2默认为通的状态，当K2关指令发送期间，K2变为断的状态，K2关指令发送完毕后，自动变为通状态。

电源变换单元用于给设备各个模块供电，其使能端受使能控制信号控制，使能控制信号为低时电源输出使能，为高时禁止电源输出。

为了保证设备的正常工作，K2默认导通，使能控制信号接地，电源输出使能；当状态检测与指令驱动电路检测到设备故障时，需对设备进行复位操作，由于本设备在卫星整星功能的实现过程中处于关键作用，不能进行长时间断电。状态检测与指令驱动电路发出K1开指令，再发送K2关指令，K2关指令执行期间使能控制信号为高，电源变换单元禁止电源输出，设备断电，K2关指令保持一段时间后恢复为通状态，电源变换单元使能端使能，恢复供电，设备完成复位。

本发明采用了用于多载荷的综合电子系统架构，可不受限于载荷类型，为单个卫星上的多载荷提供信息资源支持，提供遥测、遥控、时间、轨道等信息，多载荷支持模块采用自适应协议的总线接口，方便进行模块的增减，提高了设备的灵活性和适应性；本发明采用了自适应动态分组资源调度算法，通过对信道资源、计算资源和存储资源的分组运算，在不同的工作模式下通过调用不同的优先级参数，保证了多载荷并行工作对卫星有限资源的需求，保证系统的有效运行；本发明采用了一种常加电设备的安全重启方法，通过磁保持继电器和电磁继电器的组合配置，实现了对电子支持设备的短时断电，解决了卫星常加电设备在轨长时间断电的安全隐患，提高了星上电子系统的可靠性和稳定性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于包括：导航信号分析模块、处理器模块、逻辑接口模块、多载荷支持模块、电源变换模块、故障重启模块和终端设备；其中，

所述导航信号分析模块接收北斗导航卫星信号，对北斗导航卫星信号进行信号解算得到UTC星时信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息，将复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述处理器模块，将UTC星时信息发送到所述多载荷支持模块；

所述终端设备将载荷遥测信息发送到所述多载荷支持模块，所述多载荷支持模块通过所述逻辑接口模块将载荷遥测信息发送到所述处理器模块；

所述处理器模块接收复杂多载荷卫星的轨道位置信息和载荷遥测信息，所述处理器模块利用卫星的信道资源、计算资源和存储资源，使用自适应动态分组资源调度算法对复杂多载荷卫星的轨道位置信息和载荷遥测信息进行计算和处理，解算出载荷控制信息，并将载荷控制信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述逻辑接口模块；

所述逻辑接口模块将载荷控制信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述多载荷支持模块，所述多载荷支持模块将载荷控制信息和发送到终端设备；

所述电源变换模块将供电母线电压转化为二次电源，并接收故障重启模块的使能控制信号，当使能控制信号为低时二次电源输出使能，当使能控制信号为高时禁止二次电源输出。

2.根据权利要求1所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述载荷遥测信息包括转发器状态信息、相机状态与数据信息、激光终端状态与通信信息、量子终端状态与通信信息。

3.根据权利要求2所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述载荷控制信息包括转发器终端的开关机指令、遥感相机的相机指向和参数设置、激光通信终端的激光指向和功率命令、量子通信终端的量子出光和指向命令。

4.根据权利要求3所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述处理器模块根据转发器状态信息得到开关机指令，并将开关机指令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块；

所述处理器模块根据相机状态与数据信息得到相机指向和参数设置命令，并将相机指向和参数设置命令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块；

所述处理器模块根据激光终端状态与通信信息得到激光指向和功率命令，并将激光指向和功率命令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块；

所述处理器模块根据量子终端状态与通信信息得到量子出光和指向命令，并将量子出光和指向命令通过所述逻辑接口模块发送到多载荷支持模块。

5.根据权利要求4所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述多载荷支持模块包括时间轨道分发单元、转发器支持单元、遥感载荷支持单元、激光通信支持单元和量子通信载荷支持单元；其中，

所述导航信号分析模块将UTC星时信息发送到所述时间轨道分发单元；所述逻辑接口模块将复杂多载荷卫星的轨道位置信息发送到所述时间轨道分发单元；所述时间轨道分发单元将UTC星时信息和复杂多载荷卫星的轨道位置信息转发到终端设备；

所述转发器支持单元接收开关机指令，并将开关机指令发送到终端设备；

所述遥感载荷支持单元接收相机指向和参数设置命令，并将相机指向和参数设置命令发送到终端设备；

所述激光通信支持单元接收激光指向和功率命令，并将激光指向和功率命令发送到终端设备；

所述量子通信载荷支持单元接收量子出光和指向命令，并将量子出光和指向命令发送到终端设备。

6.根据权利要求5所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述终端设备包括转发器终端设备、遥感相机、激光通信终端和量子通信终端；其中，

所述转发器终端设备接收开关机指令；

所述遥感相机接收相机指向和参数设置命令；

所述激光通信终端接收激光指向和功率命令；

所述量子通信终端接收量子出光和指向命令。

7.根据权利要求6所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述转发器终端设备将转发器状态信息发送到所述转发器支持单元，所述转发器支持单元通过所述逻辑接口模块将转发器状态信息发送到所述处理器模块。

8.根据权利要求6所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述遥感相机将相机状态与数据信息发送到所述遥感载荷支持单元，所述遥感载荷支持单元通过所述逻辑接口模块将相机状态与数据信息发送到所述处理器模块。

9.根据权利要求6所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述激光通信终端将激光终端状态与通信信息发送到所述激光通信支持单元，所述激光通信支持单元通过所述逻辑接口模块将激光终端状态与通信信息发送到所述处理器模块。

10.根据权利要求6所述的用于复杂多载荷卫星的综合电子系统，其特征在于：所述量子通信终端将量子终端状态与通信信息发送到所述量子通信载荷支持单元，所述量子通信载荷支持单元通过所述逻辑接口模块将量子终端状态与通信信息发送到所述处理器模块。

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