CN113247315A - 一种卫星 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卫星，至少包括载荷、测控板以及平台设备。卫星还包括分别与所述平台、载荷和测控板数据连接的计算机板。计算机板配置为基于所述平台设备、载荷、测控板中的至少一个执行操作时的冲突事件的触发以驱动至少部分数据进行共享的方式调整执行平台设备、载荷以及测控板内算法的优先级。本发明资源分配合理，整体提高卫星平台算法执行的效率。
Description
本案为申请号为CN201911363843.7，申请日为2019年12月25日，申请类型为发明专利，申请名称为一种基于新型拓扑结构的卫星平台系统及其集成方法的专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及卫星架构技术领域，尤其涉及一种卫星。
背景技术
卫星工程是一类系统性工程，具备构造的复杂性、功能的多样性、高成本和高风险的特点，卫星工程按照不同功能，大体上可划分为供配电分系统、测控与星务分系统、推进与姿态分系统、结构分系统、热控分系统、数传分系统、载荷分系统等。按传统卫星设计技术，卫星平台运行所需的配电、遥控、遥测、控温、推力器控制、自锁阀控制、490N控制、火工品控制、SADA控制、天线控制分别按照单独功能产品配置在分系统内：配电功能对应1～3台配电器，配置在供配电分系统；遥控对应1～2台遥控单元、遥测对应1～1台遥测采样器，配置在测控分系统；控温对应1～2台热控控制箱，配置在热控分系统；推力器、自锁阀、490N发送机对应1～2台推进线路盒。配置在推进分系统；火工品控制对应1～2台火工品管理器，配置在在供配电分系统；SADA机构控制对应1～2台伺服控制器，配置在结构分系统；天线控制对应1～2台伺服控制器，配置在天线分系统。
上述传统卫星平台功能配置方案存在一定的弊端，如：1、产品过多导致重量功耗较大；2、接口数量过多导致电缆连接复杂；3、接口种类过多导致通信协议复杂以及管理难度大；4、多样性产品导致管理难度大。
例如，公开号为CN109002049A的中国专利文献公开了一种基于模块化设计的卫星平台，包括单元管理模块：作为卫星平台电子整机的主模块，安装了一个平台测控信息管理器，对外实现与中心管理单元通信、对内实现内总线管理、遥控遥测功能译码、AD采集的功能，平台电子整机一次电源分配枢纽；平台电子整机二次电源产生源头、分配枢纽；
供电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，两路控制供电，四十条控制指令，六十条遥测采集，同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；
配电与测控服务模块，对外提供至少八路直供电，至少八路控制供电，三十条控制指令，五十条遥测采集，同时对若干用户产品进行能源供给、工作模式控制、运行状态监视提供服务；
控温与测温模块，单模块可实现对卫星平台二十八路加热片控制、三十路测温点采集；
推力器驱动模块，单模块可实现对单分支八路10N推力器进行单喷、连喷、常喷同时控制，并对各推力器工作温度进行监视；
自锁阀与490N驱动模块，可实现对推进液路、气路中的高压自锁阀、自锁阀进行开关控制，并对管路、储箱、气瓶的压力、温度信息进行监视；
火工品驱动模块，可实现对卫星活动机构解锁火工品、管路电爆阀进行起爆控制；
SADA机构伺服控制模块，单个模块，实现太阳电池阵转动控制，按照不同工作模式进行归零、捕获、跟踪的操作；
天线机构伺服控制模块，单个模块，实现两组机构共四轴同时转动控制；其它功能模块，按照整星相应的功能要求，按照模块化设计原则，满足机电接口前提下，可与所述平台电子产品整机拼装的其它功能模块。但是该专利公开的卫星平台只考虑到将原有功能单机模块化，将原有接口电路归一化来实现卫星平台重量和功耗的降低，其技术方案的本质仍然是分布式的独立设计，即分别独立地配置各个模块，因此无法实现高度集成的卫星平台，导致各个模块执行的算法和数据处理不能共享，也导致各个模块之间大部分功能的冗余和浪费。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
在卫星执行相关作业时，其作业过程中需要执行一系列的算法，而这些算法之间彼此关联。例如遥感成像，需要基于软件无线电的方法实现测控板的遥测、遥控以及数传功能实现卫星与卫星之间、卫星与地面之间的通信、数据的传输以及地面上对卫星平台及其载荷的控制。卫星平台及其载荷接收通信信息后执行相关的成像任务，在其成像过程中需要数据采集以及数据存储；而且在成像的过程中，卫星平台接收相应的指令控制平台设备工作，例如遥感仪器的转动，涉及星敏算法、GPS算法以及陀螺模块以实时测量和反馈卫星本身的姿态、位置，还涉及关于调整卫星姿态的飞轮算法等。姿轨控算法基于上述卫星姿态、位置生成相应的控制指令并传输至飞轮或推进器以改变卫星姿态。而且，上述各个算法之间不止彼此关联，还涉及相应数据传递，甚至部分冲突。例如，遥控指令保持轨道稳定，而卫星平台的传感器检测该轨道存在障碍物，需要机动变轨，这种矛盾的指令需要卫星平台快速做出反应并执行。又比如分布式系统的主要优势为能够避免资源出现冲突和被抢占，但是当单独执行的算法由于某些原因进入死循环后，不能及时跳出，导致该独立模块瘫痪。需要说明的是分布式处理器独立的设置方式，只需要针对该独立硬件做出相应的防御机制就能够大部分解决各个算法冲突的问题，然而分布式系统无法同时处理大量的数据以及对各个算法一致性的要求严格且实现难度大。本领域的现有技术主要集中于各个单独器件或功能的算法实现，例如利用遗传算法实现测控资源分配，利用强跟踪自适应卡尔曼滤波器实现卫星姿态的确定，或者是利用人工免疫算法实现无线通信的设计等等，即现有的卫星架构除了各个模块或功能的硬件独立之外，其算法和数据处理独立实现，这种方式能够实现算法的并行计算，显著地提高算法和数据处理的速度，也减轻了处理器运算负荷。但是，一方面多个独立不同的算法和数据处理方式使得接口协议和信息交互设计复杂，导致接口设计难度高，也不利于对多个不同的算法进行管理和控制，很难实现真正意义上的在轨完全可重构；另一方面，各个算法的数据处理过程之中无法实现数据的共享，导致资源的严重浪费和算法执行效率低下，更重要的是部分功能发生冲突导致卫星平台可靠性显著降低。针对以上现有技术之不足，本发明提供一种基于新型拓扑结构的卫星平台系统，至少包括平台设备、载荷以及测控板。所述测控板将接收地面的遥测指令和遥控指令分别传输至所述平台设备和载荷并将所述载荷和平台设备返回的数据传输至地面。在所述载荷接收所述测控板发送的遥控指令执行相应操作的过程中，所述载荷基于执行所述相应操作生成的控制指令驱动所述平台设备以实现所述相应操作，从而获取相应的任务数据。所述平台设备接收所述测控板发送的遥测指令采集卫星工况数据且接收所述载荷和/或所述测控板发送的控制指令控制卫星姿态改变。所述卫星平台系统还包括分别与所述平台设备、载荷和测控板数据连接的计算机板，所述计算机板配置为始终执行所述测控板与地面通信的通信算法。所述计算机板基于所述测控板的遥测指令和/或遥控指令的触发而并行地执行所述平台设备和载荷内的算法。所述计算机板通过检测所述平台设备、载荷、测控板中的至少一个执行操作时的冲突事件以触发用于在所述平台设备处于非紧急状态下的预处理操作。所述计算机板基于所述预处理操作以至少部分数据进行共享的方式调整执行所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法的优先级。所述冲突事件至少包括所述计算机板的计算负荷在所述平台设备、载荷以及所述测控板内至少一个算法的执行周期内超过第一阈值的第一冲突事件以及至少一个所述载荷任务周期内所述平台设备分别接收的所述载荷和所述测控板发送的指令彼此矛盾的第二冲突事件。本发明将各个分立的功能模块的算法整合在一个硬件中统一实现数据的存储、调用以及相应算法的执行，能够充分缓解分布式卫星平台一致性设计的复杂度，而针对算法和数据的调用处理统一于同一硬件实现存在的大幅度降低抵御算法执行冲突的问题，通过资源需求较少冲突事件检测机制以触发对并行冲突的算法执行基于优先级的分序调用，并考虑到大量数据读写、调用冲突以及大量数据的多次长时间调用的问题，基于数据共享的调用强度对冲突的算法的优先级进行调整，从而能够在大幅度简化程序设计的基础上显著提高卫星平台算法处理效率和可靠性。
根据一个优选实施方式，所述计算机板配置为基于第一时间内所述冲突事件的未触发状态而完成所述平台设备、载荷以及测控板内算法的优先级的调整。在所述计算机板基于调整后算法的优先级执行所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法的过程中，所述计算机板配置为至少基于其执行所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法占用资源的变化对调整后算法的优先级进行实时校正。
根据一个优选实施方式，所述计算机板配置为至少基于所述测控板发送用于紧急操控所述卫星的第一紧急指令、所述载荷发送至所述平台设备以调整卫星姿态的第二紧急指令、所述平台设备反馈的卫星处于紧急状态的第三紧急指令中的一个或多个指令的触发而中止实时校正所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法的优先级，并执行所述第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少一个。在所述第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个同时触发的情况下，所述计算机板配置为：在同时触发的紧急指令不冲突的情况下至少并行地执行第一紧急指令和第三紧急指令；并在同时触发的紧急指令冲突的情况下按照第一紧急指令的优先级大于第三紧急指令的优先级且第三紧急指令的优先级大于第二紧急指令的优先级方式执行所述第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个。
根据一个优选实施方式，在所述计算机板检测所述平台设备、载荷、测控板中的至少一个触发第一冲突事件的情况下，所述计算机板配置为按照如下步骤执行所述预处理操作：对所述第一冲突事件中所述计算机板所并行执行的多个算法使用的数据进行分类处理以生成至少包括所述平台设备、载荷、测控板中的至少两个共同使用的可共享数据；基于预期调用可共享数据的强度对所述第一冲突事件中所述计算机板所并行执行的多个算法进行分组排序。所述测控板内的至少一个算法以与所述平台设备和载荷内算法采用的基于预期调用所述可共享数据的强度的第一顺序相反的方式并入由所述平台设备、载荷中的至少一个算法构成的分组。而且所述测控板内的至少一个算法与分组内的至少一个算法并行执行。
根据一个优选实施方式，在所述计算机板基于预期调用可共享数据的强度对所述第一冲突事件中所述计算机板所并行执行的多个算法进行分组排序后，所述计算机板配置为基于所述平台设备、载荷、测控板内算法分组排序后的第一冲突事件的触发而中止该分组内相应算法的执行。所述计算机板配置为回收该算法输出的数据以供下一个分组使用。在下一个分组算法执行结束之前使用该分组内更新的可共享数据尝试执行该算法。所述计算机板基于第一冲突事件的再次触发而中止该算法的执行，并等待所述测控板发送的唤醒指令。
根据一个优选实施方式，在所述计算机板检测所述载荷发送至所述平台设备的第一指令以及所述测控板发送至所述平台设备的第二指令触发第二冲突事件的情况下，所述计算机板配置为按照如下步骤执行所述预处理操作：并行地执行所述平台设备接收第一指令对应的第一类算法以及所述平台设备接收第二指令对应的第二类算法。所述计算机板至少以执行第一类算法得到的第一数据作为执行第二类算法的输入以及至少以执行第二类算法得到的第二数据作为执行第一类算法的输入的方式分别循环执行第一类算法和第二算法。所述计算机板基于经过至少两次循环得到的第一数据和第二数据之间差异的变化趋势而继续执行第一指令或第二指令。
根据一个优选实施方式，所述计算机板配置为按照如下步骤实现基于其执行所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法占用资源的变化对调整后算法的优先级进行实时校正：判断所述计算机板在其完成调整所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法的优先级后持续运行至终止/中止的第二时间内所述占用资源的变化是否超过第二阈值；在第二时间内所占用资源的变化未超过第二阈值的情况下，所述计算机板至少基于其运行时的负荷而实时校正所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法的优先级。
根据一个优选实施方式，在第二时间内所占用资源的变化超过第二阈值的情况下，所述计算机板配置为调整该算法的优先级至最低，并在该算法调用所述可共享数据的强度降低的情况下提高其优先级。
本发明还提供一种基于新型拓扑结构的卫星平台集成方法，包括：测控板将接收地面的遥测指令和遥控指令分别传输至平台设备和载荷并将载荷和设备返回的数据传输至地面；在所述载荷接收所述测控板发送的遥控指令执行相应操作的过程中，所述载荷基于执行所述相应操作生成的控制指令驱动所述平台设备以实现所述相应操作，从而获取相应的任务数据；所述平台设备接收所述测控板发送的遥测指令采集卫星工况数据且接收所述载荷和/或所述测控板发送的控制指令控制卫星姿态改变。所述方法还包括：分别与所述平台设备、载荷和测控板数据连接的计算机板始终执行所述测控板内与地面通信的通信算法。计算机板基于所述测控板的遥测指令和/或遥控指令的触发而并行地执行所述平台设备和载荷内的算法。所述计算机板通过检测所述平台设备、载荷、测控板中的至少一个执行操作时的冲突事件以触发用于在所述平台设备处于非紧急状态下的预处理操作。计算机板基于所述预处理操作以至少部分数据进行共享的方式调整执行所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法的优先级。所述冲突事件至少包括所述计算机板的计算负荷在所述平台设备、载荷以及所述测控板内至少一个算法的执行周期内超过第一阈值的第一冲突事件以及至少一个所述载荷任务周期内所述平台设备分别接收的所述载荷和所述测控板发送的指令彼此矛盾的第二冲突事件。
根据一个优选实施方式，所述计算机板基于第一时间内所述冲突事件的未触发状态而完成所述平台设备、载荷以及测控板内算法的优先级的调整。在所述计算机板基于调整后算法的优先级执行所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法的过程中，所述计算机板配置为至少基于其执行所述平台设备、载荷以及所述测控板内算法占用资源的变化对调整后算法的优先级进行实时校正。
附图说明
图1是本发明的系统的一个优选实施方式的简化模块示意图；和
图2是本发明的方法的一个优选实施方式的步骤示意图。
附图标记列表
10：平台设备 20：载荷
30：测控板 40：计算机板
具体实施方式
下面结合附图1至2进行详细说明。
测控板30具有遥测、遥控以及数传功能。测控板30至少包括魔蛇拼下变频数字ADC、中频信号处理、调至解调器、Viterbi译码等等。测控板30涉及卫星测控通信相关算法。
载荷20至少包括卫星执行相关任务所用的器件，例如遥感成像的光学仪器、执行深空探测的空间辐射探测器或者是执行通信组网的雷达设备等等。载荷20涉及相关的成像算法、通信算法等等。
平台设备10至少包括星敏感器、飞轮、磁强计、磁力矩器、推力器、GPS、陀螺仪等器件，涉及相应的星敏算法、飞轮算法、姿轨控算法、GPS算法以及陀螺算法等。
计算机板40至少包括处理器和存储介质，其硬件平台至少可以由处理器和存储介质构成。处理器可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application-SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。存储介质可以是只读存储器(Read Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、磁盘或光盘等。需要说明的是上述涉及的处理器和存储介质均能够抗高能粒子辐射，避免出现单粒子翻转现象(Single Events Upset，SEU)。
本发明提供的技术方案能够不仅能够用于以遥感仪器为载荷的卫星平台执行相应的遥感任务，还至少能够应用于通信卫星执行的通信任务以及深空探测卫星执行的探测任务等。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种基于新型拓扑结构的卫星平台系统，至少包括平台设备10、载荷20以及测控板30。测控板30接收地面的遥测指令和遥控指令。测控板30将遥测指令和遥感指令分别传输至平台设备10和载荷20。测控板30将载荷20和平台设备10返回的数据传输至地面。载荷20发送信息至平台设备10。载荷20接收测控板30发送的遥控指令后执行相应操作。载荷20基于遥控指令生成控制指令。载荷20发送控制指令至平台设备10。在载荷20接收测控板30发送的遥控指令执行相应操作的过程中，载荷20基于执行相应操作生成的控制指令驱动平台设备10以实现相应操作，从而获取相应的任务数据。平台设备10接收测控板30发送的遥测指令。平台设备10基于遥测指令采集卫星工况数据。工况数据例如温度、轨道运行高度、平台内部压力等相应参数。平台设备10接收载荷20和/或测控板30发送的控制指令控制卫星姿态改变。卫星平台系统还包括分别与平台设备10、载荷20和测控板30数据连接的计算机板40。计算机板40配置为始终执行测控板30与地面通信的通信算法。计算机板40基于测控板30的遥测指令和/或遥控指令的触发而执行平台设备10和载荷20内的算法。优选地，计算机板40可以并行地执行平台设备10和载荷20内的算法。优选地，计算机板40至少周期性地检测平台设备10、载荷20、测控板30中的至少一个执行操作。计算机板40至少通过检测测平台设备10、载荷20、测控板30中的至少一个执行操作时的冲突事件以触发预处理操作。优选地，冲突事件至少包括计算机板40的计算负荷超过第一阈值的第一冲突事件。优选地，第一冲突事件还包括在平台设备10、载荷20以及测控板30内至少一个算法的执行周期内计算机板40的计算负荷超过第一阈值。优选地，第一阈值可以人为设定，一般设定在90％及以上。优选地，冲突事件还包括平台设备10分别接收的载荷20和测控板30发送的指令彼此矛盾的第二冲突事件。载荷20和测控板30发送的指令可以是在至少一个载荷20任务周期内平台设备10接收的。优选地，预处理操作可以是在平台设备10处于非紧急状态下的操作。优选地，非紧状态指的卫星处于平稳运行的状态。紧急状态可以是卫星需要紧急变换飞行姿态、在轨轨道、内部温度、压力急剧变化等情况。计算机板40基于预处理操作以至少部分数据进行共享的方式调整执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级。通过该设置方式，本发明将各个分立的功能模块的算法整合在一个硬件中统一实现数据的存储、调用以及相应算法的执行，能够充分缓解分布式卫星平台一致性设计的复杂度，而针对算法和数据的调用处理统一于同一硬件实现存在的大幅度降低抵御算法执行冲突的问题，通过资源需求较少冲突事件检测机制以触发对并行冲突的算法执行基于优先级的分序调用，并考虑到大量数据读写、调用冲突以及大量数据的多次长时间调用的问题，基于数据共享的调用强度对冲突的算法的优先级进行调整，从而能够在大幅度简化程序设计的基础上显著提高卫星平台算法处理效率和可靠性。
优选地，计算机板40配置为基于第一时间内冲突事件的未触发状态而完成平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级的调整。在计算机板40基于调整后算法的优先级执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的过程中，计算机板40配置为基于其资源的变化对调整后的算法的优先级进行实时校正。优选地，资源的变化可以是计算机板40至少基于其执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法时，各个算法占用资源的变化。在计算机板40执行算法的过程中，尽管可以基于各个算法的优先级顺序执行各个算法，但是在实际的执行过程中，可能会出现各种运行的问题。例如，在载荷20执行遥感任务时，其成像的算法复杂，需要处理庞大的数据，因此会频繁地调用其他模块算法的一些辅助信息，而其他算法生成的数据需要等待，从而成像算法需要等待其他算法数据的生成才能继续工作，因此会造成当占用资源过多但计算机板40的使用率过低的情况。又比如，当载荷20并行执行某些通信算法的情况，即便优先级相同，但计算机板40的核心有限，不可能并行处理多个算法，而且每个算法占用的资源不同，导致算法执行的效率不同，因此需要动态、实时校正算法的优先级，合理分配资源，整体提高卫星平台算法执行的效率。
优选地，计算机板40配置为至少基于第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的一个或多个紧急指令的触发而中止实时校正算法的优先级。计算机板40实时校正的算法可以是平台设备10、载荷20以及测控板30内的算法。第一紧急指令可以是测控发送的用于紧急操控卫星的指令。第二紧急指令可以是载荷20发送至平台设备10以调整卫星姿态的指令。第三紧急指令可以是平台设备10反馈的卫星处于紧急状态的指令。紧急状态可以是平台设备10发现温度急剧变化、内部管道急剧变化、执行器失灵、敏感器发现异常等情况。优选地，计算机板40基于第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少一个的触发而执行第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少一个。优选地，在第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个同时触发的情况下，计算机板40配置为至少并行地执行第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个。在同时触发的紧急指令不冲突的情况下，计算机板40配置为可以至少并行地执行第一紧急指令和第三紧急指令。在同时触发的紧急指令冲突的情况下，计算机板40按照第一紧急指令的优先级大于第三紧急指令的优先级且第三紧急指令的优先级大于第二紧急指令的优先级方式执行第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个。
优选地，在计算机板40检测平台设备10、载荷20、测控板30中的至少一个触发第一冲突事件的情况下，计算机板40配置为按照如下步骤执行预处理操作：生成平台设备10、载荷20、测控板30中的至少两个共同使用的可共享数据；基于预期调用可共享数据的强度对第一冲突事件中计算机板40所并行执行的多个算法进行分组排序。优选地，可共享数据可以至少是对第一冲突事件中计算机板40所并行执行的多个算法使用的数据进行分类处理生成的。优选地，调用可共享数据的强度是指调用可共享数据的频繁程度或者每次调用可共享数据的大小。优选地，平台设备10和载荷20内的算法按照第一顺序的方式分组排序。第一顺序指的是按照调用可共享数据的强度从小到大的顺序。优选地，强度相同或强度变化范围不超过10％的算法分为统一分组。优选地，测控板30内的至少一个算法按照与第一顺序相反的方式并入由平台设备10、载荷20中的至少一个算法构成的分组。优选地，测控板30内的至少一个算法与该分组内的至少一个算法并行执行。通过该设置方式，能够保证测控板30内始终有通信算法运行，避免测控板30与地面通信中断。而且，此外，无论是分布式实现算法还是集中实现算法，数据的调用冲突始终无法避免，尤其是数据量较大的情况。而基于至少两个算法重复两次以上调用的数据归类为可共享数据，能够极大的减少各个数据调用可共享数据的搜索路径，在提高算法调用数据效率的同时至少部分缓解的数据调用时的冲突。算法调用可共享数据的强度越大，那么该算法越依赖存储介质的读取速度而不是计算机板40的运算速度，而且调用可共享数据的强度越大也证明该算法时需要其它算法计算的结果作为输入，因此将调用可共享数据强度最大的算法的优先级设置为最低，能够有效地提升整体算法运行的效率。测控板30内的算法优先级是设置为可调用共享数据强度最大的算法其优先级设置为最高。由于测控板30内主要涉及的与地面通信的算法，算法的主要实现方式数据的转换、编译以及同步等，因此相对于平台设备10以及载荷20内的算法，其调用的数据大部分是现有存储在计算机板40内的，更重要的是调用可共享数据的强度越大，算法需要的数据输入变量越大，则其运算复杂度越低，对计算机板40内处理的使用率也越低，因此计算机板40有更多的空间执行同一分组内载荷20和平台设备10的算法。
优选地，在计算机板40基预期调用可共享数据的强度进行分组排序后，计算机板40配置为基于分组排序后的第一冲突事件的触发而中止该分组内相应算法的执行。优选地，分组排序的多个算法可以是对第一冲突事件中计算机板40所并行执行的多个算法。优选地，计算机板40配置为回收该算法的数据以供下一个分组使用。在下一个分组算法执行结束之前使用该分组内更新的可共享数据尝试执行该算法。而且，计算机板40基于第一冲突事件的再次触发而中止该算法的执行，并等待测控板30发送的唤醒指令。
优选地，在计算机板40检测第一指令和第二指令触发第二冲突事件的情况下，计算机板40配置为按照如下步骤执预处理才做：并行地执行第一类算法和第二类算法；以执行第一类算法得到的第一数据作为执行第二类算法的输入；以执行第二类算法得到的第二数据作为执行第一类算法的输入；循环执行上述操作；计算机板40基于经过至少两次循环得到的第一数据和第二数据之间差异的变化趋势而继续执行第一指令或第二指令。优选地，如果第一数据和第二数据之间的差异变化趋向于第一数据，那么计算机板40继续执行第一指令。如果第一数据和第二数据之间的差异变化趋向于第二数据，那么计算机板40继续执行第二指令。优选地，第一指令可以是载荷20发送至平台设备10的指令。第二指令可以是测控板30发送至平台设备10的指令。第一算法对应的是平台设备10接收第一指令之后执行的算法。第二算法对应的是平台设备10接收第二指令之后执行的算法。在非紧急状态下触发第二冲突事件后，能够通过数据共享的方式以彼此矛盾的指令生成的相应的数据作为执行指令算法的输入，在多次循环输入和执行后通过判断生成的第一数据和第二数据之间的差异的趋向能够得到执行相应指令后整个卫星平台系统运行的趋势，而整个卫星系统的运行趋势是不会被单个指令的执行而改变，因此通过该设置方式能够在较短的时间内在矛盾的一对指令中快速选择出符合卫星系统整体运行趋势的指令。
优选地，计算机板40配置为按照如下步骤实现基于其执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法占用资源的变化对调整后算法的优先级进行实时校正：判断平台设备10、载荷20以及测控板30的算法在第二时间内占用资源的变化是否超过第二阈值；在第二时间内所占用资源的变化未超过第二阈值的情况下，计算机板40至少基于其运行时的负荷而实时校正平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级。第二时间可以是计算机板40其完成调整平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级后持续运行至终止/中止的时间段。占用的资源可以是指算法占用计算机板40占用的数据资源或占用数据资源的时间。第二阈值可以是指算法占用的数据资源超过80％。第二阈值也可以是指算法占用数据资源的时间超过该算法运行的平均时间的50％，例如，一般姿轨控算法中，姿控角速度收敛到0.1(°)/s以内的时间一般在4100s左右，姿态角收敛到1°以内的时间为4500s，因此第二阈值可以是6750s。通过该设置方式，能够在算法执行的过程中根据执行算法占用的数据资源动态调整算法的优先级，避免并行运算的多个算法中出现数据资源分配不均导致某个算法运行时间过长。
优选地，在第二时间内所占用资源的变化超过第二阈值的情况下，计算机板40配置为调整该算法的优先级至最低，并在该算法调用可共享数据的强度降低的情况下提高其优先级。在算法的执行过程中，算法需要数据的调用，可能出现该算法需要大规模的调用数据，即该算法的处理速度并不依赖于CPU的处理的速度，而是依赖于数据存储器的读取速度。在实际的算法处理过程中需要根据优先级的顺序进行多任务处理，表现为算法处理的延迟，即前一个优先级的算法执行结束之后才能执行。而在前一个优先级的算法发出数据请求之后，到请求数据到达之前，该算法不进行任何工作，因此可能出现该算法占用大量的数据资源，但是处理器的使用效率低，这种情况会显著降低整个计算机板40的效率，因此本发明通过将该算法的优先级调整至最低以避免拉低计算机板40的效率，并在其调用可共享数据强度降低的情况下逐步提高其优先级。
实施例2
本实施例还提供了一种基于新型拓扑结构的卫星平台集成方法，包括：测控板30将接收地面的遥测指令和遥控指令分别传输至平台设备10和载荷20并将载荷20和设备10返回的数据传输至地面；在载荷20接收测控板30发送的遥控指令执行相应操作的过程中，载荷20基于执行相应操作生成的控制指令驱动平台设备10以实现相应操作，从而获取相应的任务数据；平台设备10接收测控板30发送的遥测指令采集卫星工况数据且接收载荷20和/或测控板30发送的控制指令控制卫星姿态改变。
优选地，如图2所示，方法还包括：
S100：分别与平台设备10、载荷20和测控板30数据连接的计算机板40始终执行测控板30内与地面通信的通信算法。
S200：计算机板40基于测控板30的遥测指令和/或遥控指令的触发而并行地执行平台设备10和载荷20内的算法。优选地，计算机板40至少周期性地检测平台设备10、载荷20、测控板30中的至少一个执行操作。计算机板40至少通过检测测平台设备10、载荷20、测控板30中的至少一个执行操作时的冲突事件以触发预处理操作。优选地，冲突事件至少包括计算机板40的计算负荷超过第一阈值的第一冲突事件。优选地，第一冲突事件还包括在平台设备10、载荷20以及测控板30内至少一个算法的执行周期内计算机板40的计算负荷超过第一阈值。优选地，第一阈值可以人为设定，一般设定在90％及以上。优选地，冲突事件还包括平台设备10分别接收的载荷20和测控板30发送的指令彼此矛盾的第二冲突事件。载荷20和测控板30发送的指令可以是在至少一个载荷20任务周期内平台设备10接收的。优选地，预处理操作可以是在平台设备10处于非紧急状态下的操作。优选地，非紧状态指的卫星处于平稳运行的状态。紧急状态可以是卫星需要紧急变换飞行姿态、在轨轨道、内部温度、压力急剧变化等情况。计算机板40基于预处理操作以至少部分数据进行共享的方式调整执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级。通过该设置方式，本发明将各个分立的功能模块的算法整合在一个硬件中统一实现数据的存储、调用以及相应算法的执行，能够充分缓解分布式卫星平台一致性设计的复杂度，而针对算法和数据的调用处理统一于同一硬件实现存在的大幅度降低抵御算法执行冲突的问题，通过资源需求较少冲突事件检测机制以触发对并行冲突的算法执行基于优先级的分序调用，并考虑到大量数据读写、调用冲突以及大量数据的多次长时间调用的问题，基于数据共享的调用强度对冲突的算法的优先级进行调整，从而能够在大幅度简化程序设计的基础上显著提高卫星平台算法处理效率和可靠性。
优选地，在计算机板40检测平台设备10、载荷20、测控板30中的至少一个触发第一冲突事件的情况下，计算机板40配置为按照如下步骤执行预处理操作：生成平台设备10、载荷20、测控板30中的至少两个共同使用的可共享数据；基于预期调用可共享数据的强度对第一冲突事件中计算机板40所并行执行的多个算法进行分组排序。优选地，可共享数据可以至少是对第一冲突事件中计算机板40所并行执行的多个算法使用的数据进行分类处理生成的。优选地，调用可共享数据的强度是指调用可共享数据的频繁程度或者每次调用可共享数据的大小。优选地，平台设备10和载荷20内的算法按照第一顺序的方式分组排序。第一顺序指的是按照调用可共享数据的强度从小到大的顺序。优选地，强度相同或强度变化范围不超过10％的算法分为统一分组。优选地，测控板30内的至少一个算法按照与第一顺序相反的方式并入由平台设备10、载荷20中的至少一个算法构成的分组。优选地，测控板30内的至少一个算法与该分组内的至少一个算法并行执行。通过该设置方式，能够保证测控板30内始终有通信算法运行，避免测控板30与地面通信中断。而且，此外，无论是分布式实现算法还是集中实现算法，数据的调用冲突始终无法避免，尤其是数据量较大的情况。而基于至少两个算法重复两次以上调用的数据归类为可共享数据，能够极大的减少各个数据调用可共享数据的搜索路径，在提高算法调用数据效率的同时至少部分缓解的数据调用时的冲突。算法调用可共享数据的强度越大，那么该算法越依赖存储介质的读取速度而不是计算机板40的运算速度，而且调用可共享数据的强度越大也证明该算法时需要其它算法计算的结果作为输入，因此将调用可共享数据强度最大的算法的优先级设置为最低，能够有效地提升整体算法运行的效率。测控板30内的算法优先级是设置为可调用共享数据强度最大的算法其优先级设置为最高。由于测控板30内主要涉及的与地面通信的算法，算法的主要实现方式数据的转换、编译以及同步等，因此相对于平台设备10以及载荷20内的算法，其调用的数据大部分是现有存储在计算机板40内的，更重要的是调用可共享数据的强度越大，算法需要的数据输入变量越大，则其运算复杂度越低，对计算机板40内处理的使用率也越低，因此计算机板40有更多的空间执行同一分组内载荷20和平台设备10的算法。
优选地，在计算机板40基预期调用可共享数据的强度进行分组排序后，计算机板40配置为基于分组排序后的第一冲突事件的触发而中止该分组内相应算法的执行。优选地，分组排序的多个算法可以是对第一冲突事件中计算机板40所并行执行的多个算法。优选地，计算机板40配置为回收该算法的数据以供下一个分组使用。在下一个分组算法执行结束之前使用该分组内更新的可共享数据尝试执行该算法。而且，计算机板40基于第一冲突事件的再次触发而中止该算法的执行，并等待测控板30发送的唤醒指令。
优选地，在计算机板40检测第一指令和第二指令触发第二冲突事件的情况下，计算机板40配置为按照如下步骤执预处理才做：并行地执行第一类算法和第二类算法；以执行第一类算法得到的第一数据作为执行第二类算法的输入；以执行第二类算法得到的第二数据作为执行第一类算法的输入；循环执行上述操作；计算机板40基于经过至少两次循环得到的第一数据和第二数据之间差异的变化趋势而继续执行第一指令或第二指令。优选地，如果第一数据和第二数据之间的差异变化趋向于第一数据，那么计算机板40继续执行第一指令。如果第一数据和第二数据之间的差异变化趋向于第二数据，那么计算机板40继续执行第二指令。优选地，第一指令可以是载荷20发送至平台设备10的指令。第二指令可以是测控板30发送至平台设备10的指令。第一算法对应的是平台设备10接收第一指令之后执行的算法。第二算法对应的是平台设备10接收第二指令之后执行的算法。在非紧急状态下触发第二冲突事件后，能够通过数据共享的方式以彼此矛盾的指令生成的相应的数据作为执行指令算法的输入，在多次循环输入和执行后通过判断生成的第一数据和第二数据之间的差异的趋向能够得到执行相应指令后整个卫星平台系统运行的趋势，而整个卫星系统的运行趋势是不会被单个指令的执行而改变，因此通过该设置方式能够在较短的时间内在矛盾的一对指令中快速选择出符合卫星系统整体运行趋势的指令。
S300：优选地，计算机板40配置为基于第一时间内冲突事件的未触发状态而完成平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级的调整。
S400：在计算机板40基于调整后算法的优先级执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的过程中，计算机板40配置为基于其资源的变化对调整后的算法的优先级进行实时校正。优选地，资源的变化可以是计算机板40至少基于其执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法时，各个算法占用资源的变化。在计算机板40执行算法的过程中，尽管可以基于各个算法的优先级顺序执行各个算法，但是在实际的执行过程中，可能会出现各种运行的问题。例如，在载荷20执行遥感任务时，其成像的算法复杂，需要处理庞大的数据，因此会频繁地调用其他模块算法的一些辅助信息，而其他算法生成的数据需要等待，从而成像算法需要等待其他算法数据的生成才能继续工作，因此会造成当占用资源过多但计算机板40的使用率过低的情况。又比如，当载荷20并行执行某些通信算法的情况，即便优先级相同，但计算机板40的核心有限，不可能并行处理多个算法，而且每个算法占用的资源不同，导致算法执行的效率不同，因此需要动态、实时校正算法的优先级，合理分配资源，整体提高卫星平台算法执行的效率。
计算机板40配置为按照如下步骤实现基于其执行平台设备10、载荷20以及测控板30内算法占用资源的变化对调整后算法的优先级进行实时校正：判断平台设备10、载荷20以及测控板30的算法在第二时间内占用资源的变化是否超过第二阈值；在第二时间内所占用资源的变化未超过第二阈值的情况下，计算机板40至少基于其运行时的负荷而实时校正平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级。第二时间可以是计算机板40其完成调整平台设备10、载荷20以及测控板30内算法的优先级后持续运行至终止/中止的时间段。占用的资源可以是指算法占用计算机板40占用的数据资源或占用数据资源的时间。第二阈值可以是指算法占用的数据资源超过80％。第二阈值也可以是指算法占用数据资源的时间超过该算法运行的平均时间的50％，例如，一般姿轨控算法中，姿控角速度收敛到0.1°/s以内的时间一般在4100s左右，姿态角收敛到1°以内的时间为4500s，因此第二阈值可以是6750s。通过该设置方式，能够在算法执行的过程中根据执行算法占用的数据资源动态调整算法的优先级，避免并行运算的多个算法中出现数据资源分配不均导致某个算法运行时间过长。
优选地，在第二时间内所占用资源的变化超过第二阈值的情况下，计算机板40配置为调整该算法的优先级至最低，并在该算法调用可共享数据的强度降低的情况下提高其优先级。在算法的执行过程中，算法需要数据的调用，可能出现该算法需要大规模的调用数据，即该算法的处理速度并不依赖于CPU的处理的速度，而是依赖于数据存储器的读取速度。在实际的算法处理过程中需要根据优先级的顺序进行多任务处理，表现为算法处理的延迟，即前一个优先级的算法执行结束之后才能执行。而在前一个优先级的算法发出数据请求之后，到请求数据到达之前，该算法不进行任何工作，因此可能出现该算法占用大量的数据资源，但是处理器的使用效率低，这种情况会显著降低整个计算机板40的效率，因此本发明通过将该算法的优先级调整至最低以避免拉低计算机板40的效率，并在其调用可共享数据强度降低的情况下逐步提高其优先级。
优选地，计算机板40配置为至少基于第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的一个或多个紧急指令的触发而中止实时校正算法的优先级。计算机板40实时校正的算法可以是平台设备10、载荷20以及测控板30内的算法。第一紧急指令可以是测控发送的用于紧急操控卫星的指令。第二紧急指令可以是载荷20发送至平台设备10以调整卫星姿态的指令。第三紧急指令可以是平台设备10反馈的卫星处于紧急状态的指令。紧急状态可以是平台设备10发现温度急剧变化、内部管道急剧变化、执行器失灵、敏感器发现异常等情况。优选地，计算机板40基于第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少一个的触发而执行第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少一个。优选地，在第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个同时触发的情况下，计算机板40配置为至少并行地执行第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个。在同时触发的紧急指令不冲突的情况下，计算机板40配置为可以至少并行地执行第一紧急指令和第三紧急指令。在同时触发的紧急指令冲突的情况下，计算机板40按照第一紧急指令的优先级大于第三紧急指令的优先级且第三紧急指令的优先级大于第二紧急指令的优先级方式执行第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个。
如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种卫星，至少包括载荷(20)、测控板(30)以及平台设备(10)，
其特征在于，
所述卫星还包括分别与所述平台设备(10)、载荷(20)和测控板(30)数据连接的计算机板(40)，所述计算机板(40)配置为基于所述平台设备(10)、载荷(20)、测控板(30)中的至少一个执行操作时的冲突事件的触发以驱动至少部分数据进行共享的方式调整执行所述平台设备(10)、载荷(20)以及测控板(30)内算法的优先级。
2.根据权利要求1所述的卫星，其特征在于，所述冲突事件至少包括所述计算机板(40)的计算负荷在所述平台设备(10)、载荷(20)以及所述测控板(30)内至少一个算法的执行周期内超过第一阈值的第一冲突事件以及至少一个所述载荷(20)任务周期内所述平台设备(10)分别接收的所述载荷(20)和所述测控板(30)发送的指令彼此矛盾的第二冲突事件。
3.根据前述权利要求1或2所述的卫星，其特征在于，所述计算机板(40)配置为基于第一时间内所述冲突事件的未触发状态而完成算法的优先级的调整，其中，
所述计算机板(40)配置为至少基于其执行所述平台设备(10)、载荷(20)以及所述测控板(30)内算法占用资源的变化对调整后算法的优先级进行实时校正。
4.根据前述权利要求之一所述的卫星，其特征在于，所述计算机板(40)配置为至少基于所述测控板(30)发送的第一紧急指令、所述载荷(20)发送的第二紧急指令、所述平台设备(10)反馈的卫星处于紧急状态的第三紧急指令中的一个或多个指令的触发而中止实时校正算法的优先级，并执行所述第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少一个。
5.根据前述权利要求之一所述的卫星，其特征在于，在所述第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个同时触发的情况下，所述计算机板(40)配置为至少并行地执行所述第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个。
6.根据前述权利要求之一所述的卫星，其特征在于，在同时触发的紧急指令不冲突的情况下，所述计算机板(40)配置为可以至少并行地执行第一紧急指令和第三紧急指令。
7.根据前述权利要求之一所述的卫星，其特征在于，在同时触发的紧急指令冲突的情况下，所述计算机板(40)按照第一紧急指令的优先级大于第三紧急指令的优先级且第三紧急指令的优先级大于第二紧急指令的优先级方式执行第一紧急指令、第二紧急指令、第三紧急指令中的至少两个。
8.根据前述权利要求之一所述的卫星，其特征在于，在所述计算机板(40)基预期调用可共享数据的强度进行分组排序后，所述计算机板(40)配置为基于分组排序后的第一冲突事件的触发而中止该分组内相应算法的执行，在下一个分组算法执行结束之前使用该分组内更新的可共享数据尝试执行该算法，
所述计算机板(40)基于第一冲突事件的再次触发而中止该算法的执行，并等待所述测控板(30)发送的唤醒指令。
9.根据前述权利要求之一所述的卫星，其特征在于，在所述计算机板(40)检测第一指令和第二指令触发第二冲突事件的情况下，所述计算机板(40)配置为按照如下步骤执预处理操作：并行地执行第一类算法和第二类算法；以执行第一类算法得到的第一数据作为执行第二类算法的输入；以执行第二类算法得到的第二数据作为执行第一类算法的输入；循环执行上述操作；所述计算机板(40)基于经过至少两次循环得到的第一数据和第二数据之间差异的变化趋势而继续执行第一指令或第二指令。
10.一种基于新型拓扑结构的卫星，其特征在于，当第一数据和第二数据之间的差异变化趋向于第一数据时，所述计算机板(40)继续执行第一指令；当第一数据和第二数据之间的差异变化趋向于第二数据时，计算机板(40)继续执行第二指令。
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