CN115017094A - 一种星载路由管控系统的在轨重构方法及系统 - Google Patents

一种星载路由管控系统的在轨重构方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载路由管控系统的在轨重构方法及系统，该方法首先对硬件进行加电或复位，当通信正常时进入软件上注控制流程。由星务机向管控系统发送软件上注指令，管控系统按照既定协议对软件上注指令进行解析和判断，根据上注数据流类型为FPGA或CPU，执行不同的在轨重构过程。在重构过程中，目标插件会及时判断指令并返还应答，从而有效提高数据传输的可靠性，及时解决数据异常问题。还提供了一种基于该方法的重构系统。本发明可实现星载路由管控在轨重构功能，修复星载在轨故障以及缓解空间单粒子效应。

Description

一种星载路由管控系统的在轨重构方法及系统
技术领域
本发明属于在轨重构技术领域，具体涉及一种星载路由管控系统的在轨重构方法及系统。
背景技术
随着卫星通信、卫星对地观测、全球卫星导航定位等天基应用系统的发展，航天系统的功能越来越复杂，也随之对系统在轨重构、在轨维护提出了更高的要求。
星载在轨服务期间，如果需要进行故障修复或者功能更新升级时，一般是以应用软件上注的方式实现在轨重构。对比文件1(CN202110662031.3)公开了一种基于FPGA的宇航电子系统在轨重构方法及系统，系统包括基于反熔丝FPGA的主控通信协议解析模块、刷新芯片协议转换和控制模块、CPU路由软件和加载控制模块、遥测采集与组帧模块、CPU软件运行监测模块、通信模块等。以及FPGA外部的SRAM型FPGA刷新芯片、FLASH存储器等。基于该系统的重构方法能够同步对软件和FPGA进行更新，从而灵活定义卫星或电子组件的功能或性能，但该方法没有对传输数据进行验证，因此在数据可靠性方面稍显不足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种星载路由管控系统的在轨重构方法及系统，用于提高星载传输数据的可靠性，以及星载工作的稳定性。
一种星载路由管控系统的在轨重构方法，具体包括以下步骤：
步骤一、硬件加电或复位，管控系统自检判断各个通路通信状态。若存在通信异常，则重新加电或复位；若通信正常，进入步骤二。
步骤二、管控系统进行软件上注控制流程，由星务机向管控系统发送软件上注指令，管控系统按照既定协议对软件上注指令进行解析和判断，识别上注数据流类型及上注目标。若上注数据类型为FPGA，则执行步骤三；若上注数据类型为CPU，则执行步骤四。所述上注目标包括主控插件、用户插件、馈电插件和路由交换插件，其中主控插件的上注数据类型为FPGA。
步骤三、根据解析后的软件上注指令，生成对应的目标指令，发送到目标插件，具体步骤如下：
s3.1、管控系统对目标插件关闭刷新；
s3.2、管控系统对目标插件的FLASH进行擦除，返回遥测数据；
s3.3、管控系统对目标插件的FLASH进行烧写数据，返回遥测数据；
s3.4、若目标插件为主控插件，则执行s3.5；否则执行s3.8；
s3.5、管控系统对目标插件进行复位；
s3.6、管控系统更新目标插件的FLASH存储码流起始地址；
s3.7、管控系统更新目标插件的FLASH存储码流结束地址，执行s3.9；
s3.8、管控系统向目标插件发送烧写结束标志指令，执行s3.9；
s3.9、管控系统对目标插件进行回读校验，返回遥测数据；
s3.10、若目标插件为主控插件，执行s3.11；否则执行s3.12；
s3.11、管控系统对目标插件进行主/备FLASH选择；
s3.12、管控系统对目标插件进行FPGA重加载；
s3.13、若重加载成功，则启动定时刷新，在轨重构完成；若重载失败，则返回遥测数据。
步骤四、根据解析后的软件上注指令，生成对应的目标指令，发送给目标插件；具体步骤如下：
s4.1、管控系统对目标插件的FLASH进行擦除，返回遥测数据；
s4.2、管控系统对目标插件的FLASH进行烧写数据，返回遥测数据；
s4.3、管控系统向目标插件发送烧写结束标志指令；
s4.4、管控系统对目标插件进行回读校验；
s4.5、管控系统对目标插件进行CPU重加载；
s4.6、若重加载成功，则在轨重构完成；若重载失败，则返回遥测数据。
一种星载路由管控系统的在轨重构系统，用于实现上述在轨重构方法，包括时钟管理模块、全局复位模块、软件上注接收与分发模块、输入锁存模块、RS422接收与发送模块、主控FPGA在轨重构模块、遥测管理模块以及加电控制与自检模块。
所述时钟管理模块用于生成主控FPGA工作的主时钟以及主时钟的复位信号。
所述全局复位模块用于接收软复位指令、OC指令和看门狗WDO，产生全局复位信号。
所述软件上注模块用于接收星务机发送的软件复位指令和软件上注指令，进行解析后，生成对应的目标指令并发送到目标插件。
作为优选，软件上注模块接收的指令包括重构数据准备指令、烧写数据指令、重构数据结束指令和重加载指令。
所述输入锁存模块对全局复位信号进行异步复位同步释放处理后，产生FPGA内部使用的全局复位信号；对异步输入信号进行同步化处理。
所述RS422接收与发送模块用于传输各模块间的指令数据和应答数据。
所述主控FPGA在轨重构模块为UART接口，用于实现主控插件FPGA与刷新芯片之间的串行通信。主控插件FPGA通过主控FPGA在轨重构模块向刷新芯片发送指令，完成在轨重构过程；刷新芯片通过主控FPGA在轨重构模块向主控插件FPGA返回遥测数据，以监测刷新芯片的工作状态。
所述遥测管理模块用于接收星务机的慢传/快传遥测请求，将其解析后发送到目标插件。
所述加电控制与自检模块用于接收星务机的加电控制信号、开关选择控制信号和自检指令，并发送到目标插件。
本发明具有以下有益效果：
本申请的通信协议方式，在收到除遥测指令外的其他指令后会立即返回应答，若指令正确则返回收到指令应答，若指令异常会则返回异常应答，并附带异常类型数据帧，从而有效提高数据传输的可靠性，及时解决数据异常问题。
本申请的遥测方式分别为快传和慢传，其中快传遥测只针对单个目标插件，慢传遥测则针对所有插件采集遥测数据，可以灵活运用，有效监测内部工作状态，从而提高卫星工作的安全性。
本申请在对数据烧写指令和慢传遥测指令这样的大数据传输，采用定时的方式，保证数据有效传输，避免出现断点。
附图说明
图1为实施例中在轨重构系统框图；
图2为在轨重构系统流程图；
图3为FPGA上注流程图；
图4为CPU上注流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，一种星载路由管控系统的在轨重构系统，包括时钟管理模块、全局复位模块、软件上注接收与分发模块、输入锁存模块、RS422接收与发送模块、主控FPGA在轨重构模块、遥测管理模块以及加电控制与自检模块。
所述RS422接收与发送模块用于接收星务机的RS422接口的软件上注，投递给软件上注接收与分发模块；向星务机发送确认应答；向其他插件发送8路软件在轨重构指令并接收目标插件确认应答；接收星务机的快传/慢传遥测请求，投递给遥测管理模块；向星务机发送快传/慢传遥测数据；向目标插件发送遥测请求，接收各插件发送的遥测数据；接收星务机的上/下电控制和自检指令，投递给加电控制与自检模块。
所述软件上注接收与分发模块用于对星务机上注的数据进行解析，生成对应的软件上注指令，如果目标是主控FPGA，发送给主控FPGA在轨重构模块；如果目标是其余插件，则通过RS422模块发送给目标插件；如果是对主控插件的软件复位指令，则投递给全局复位模块；如果目标是其他插件，则通过RS422模块发送给目标插件；接收主控插件及其他插件发送的确认应答指令，发送给星务计算机。
所述主控FPGA在轨重构模块用于配置FPGA专用刷新芯片，将解析出的命令包通过UART接口发送给刷新芯片来完成软件重构。
所述遥测管理模块用于在接收到星务机的慢传/快传遥测请求后，解析后向目标插件发送遥测请求，若为慢传遥测请求则向所有插件发送遥测请求；若为快传遥测请求则向解析出的目标插件单独发送遥测请求。接收各插件发送的遥测数据后，若为慢传遥测则将所有插件遥测数据重新组帧，向星务机发送重新组帧的路由基带设备遥测数据；若为快传遥测则将遥测请求的目标插件遥测数据单独发送给星务机。
所述全局复位模块用于输出喂狗信号到看门狗电路；接收来自星务机的主控插件软复位指令，接收来自星务机的OC指令，接收看门狗WDO，进行组合逻辑“与”运算产生复位触发信号；接收看门狗全局复位信号对管控FPGA复位。
所述加电控制与自检模块用于接收星务机的加电控制和开关选择控制信号，输出13路TTL信号到目标插件。接收星务机的自检指令,若为对路由交换、用户基带、馈电基带插件的自检指令，则对该插件发送遥测请求，通过回复的遥测量判断自检正常/异常；若为对时频插件的自检，则判断100MHz晶振锁定指示是否正常；若为对主控插件的自检，则通过主控的遥测量判断自检正常/异常，向星务机返回确认应答。
所述输入锁存模块用于对全局复位信号进行异步复位同步释放处理后，产生FPGA内部使用的全局复位信号；对异步输入信号进行同步化处理
所示时钟管理模块用于将晶振产生的40MHz输入时钟进行一级锁存，产生40MHz的管控FPGA工作主时钟及主时钟的整板复位信号。
如图2所示，一种星载路由管控系统的在轨重构方法，具体包括以下步骤：
步骤一、硬件加电或复位，管控系统自检判断各个通路通信状态。若存在通信异常，则重新加电或复位；若通信正常，进入步骤二。
步骤二、管控系统进行软件上注控制流程，由星务机向管控系统发送软件上注指令，管控系统按照既定协议对软件上注指令进行解析和判断，识别上注数据流类型及上注目标。若上注数据类型为FPGA，则执行步骤三；若上注数据类型为CPU，则执行步骤四。所述上注目标包括主控插件、用户插件、馈电插件和路由交换插件，其中主控插件的上注数据类型为FPGA。。本实施例中的数据帧格式如表1所示：
帧头 帧长 命令字 目标插件 Flash选择 有效数据 校验和
2字节 1字节 1字节 1字节 1字节 可变 1字节或2字节
表1
该数据的帧头为2字节，帧长1字节代表帧头与累加和之间的字节数。命令字用于标识该帧数据的类型。目标插件用于标识上注目标。Flash选择决定上注类型。校验和用于校验帧头到有效数据的和校验，为提高数据传输的可靠性，根据上注目标对主控插件采用异或和校验，其他插件采用累加和校验。
需要注意的是，表1所示的数据帧格式只是一种示例，任何符合本申请通信协议的数据帧格式均可以应用在本申请中。如果接收到不符合本申请通信协议规定的指令帧信息时，会根据异常类型指令错误和重构数据错误，返回相应的异常应答。
步骤三、根据解析后的软件上注指令，生成对应的目标指令，发送到目标插件，具体步骤如图3所示：
s3.1、管控系统接受星务机发来的重构准备指令，向星务机返回应答，对目标插件关闭刷新；
s3.2、管控系统接受目标插件应答，对目标插件的FLASH进行擦除；
s3.3、星务机通过快传遥测数据接收到目标插件的FLASH擦除状态由“正在擦除”变为“擦除成功”后，周期性得向管控系统发送烧写数据，发送周期为5～500ms，有效数据长度为1～256字节，帧内有帧长信息和帧计数信息；
s3.4、管控系统收到重构数据帧后，向计算机发送重构数据应答帧，应答帧包括“重构数据接收正确”和“重构数据接收错误”两种，应答帧内包含帧计数信息，管控系统解析到正确数据帧后，重新组帧发送给目标插件；若目标插件超过1ms未回复应答，则重发此帧重构数据，若再次超时或者回复的指令信息中帧计数不连续，则判定指令通信异常，向星务机发送异常帧应答；
s3.5、管控系统接受星务机发来的烧写结束标志指令，向星务机返回应答，若目标插件为主控插件，则执行s3.6；否则执行s3.9；
s3.6、管控系统向目标插件发送复位指令；
s3.7、管控系统接受目标插件的应答，对目标插件更新FLASH存储码流的起始地址；
s3.8、管控系统接受目标插件的应答，对目标插件更新FLASH存储码流的结束地址，执行s3.10；
s3.9、管控系统向目标插件发送烧写结束标志指令；
s3.10、管控系统接受目标插件的应答，对目标插件发送回读校验指令；
s3.11、目标插件在收到回读校验指令时，计算烧写进FLASH的所有数据的CRC，并与收到的CRC进行比对，比对结果通过快传遥测数据返回，若正确，则执行s3.12；若不正确，则返回遥测数据，烧写数据失败；
s3.12、管控系统接受星务机发来的重加载指令，向星务机返回应答，若目标插件为主控插件，则执行s3.14；否则执行s3.13；
s3.13、对目标插件进行主/备FLASH选择，目标插件向管控系统发送应答；
s3.14、对目标插件进行FPGA重加载，若重加载成功，则启动定时刷新，若重加载失败，则返回遥测数据。
步骤四、根据解析后的软件上注指令，生成对应的目标指令，发送给目标插件；具体步骤如图4所示：
s4.1、管控系统接受星务机发来的重构准备指令，向星务机返回应答，对目标插件进行FLASH擦除；
s4.2、星务机通过快传遥测数据接收到目标插件的FLASH擦除状态由“正在擦除”变为“擦除成功”后，向管控系统发送烧写数据指令；
s4.3管控系统向星务机返回应答，对目标插件的FLASH上进行烧写数据，若目标插件超过1ms未回复应答，则重发此帧重构数据，若再次超时或者回复的指令信息中帧计数不连续，则判定指令通信异常，返回遥测数据；
s4.4、管控系统接受星务机发来的烧写结束指令，向星务机返回应答，向目标插件发送烧写结束标志指令；
s4.5、管控系统接受目标插件的应答，对目标插件进行回读校验；目标插件在收到回读校验指令时，计算烧写进FLASH的所有数据的CRC，并与收到的CRC进行比对，比对结果通过快传遥测数据返回，若正确，则执行s4.6；若不正确，则返回遥测数据，烧写数据失败。
s4.6、管控系统接受星务机发来的重加载指令，向星务机返回应答，对目标插件进行CPU重加载；
s4.7、若重载失败，则返回遥测数据，重加载失败；
本申请的遥测包括慢传遥测和快传遥测，其中软件上注采用快传遥测能够快速采集目标插件数据，而慢传遥测能够有效采集各个插件数据，形式更加灵活。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种星载路由管控系统的在轨重构方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
步骤一、硬件加电或全局复位，管控系统自检判断各个通路通信状态；若存在通信异常，则重新加电或复位；若通信正常，进入步骤二；
步骤二、管控系统进行软件上注控制流程，由星务机向管控系统发送软件上注指令，管控系统按照既定协议对软件上注指令进行解析和判断，识别上注数据流类型及上注目标；若上注数据类型为FPGA，则执行步骤三；若上注数据类型为CPU，则执行步骤四；所述上注目标包括主控插件、用户插件、馈电插件和路由交换插件，其中主控插件的上注数据类型为FPGA；
步骤三、根据解析后的软件上注指令，生成对应的目标指令，发送到目标插件，具体步骤如下：
s3.1、管控系统对目标插件关闭刷新；
s3.2、管控系统对目标插件的FLASH进行擦除，返回遥测数据；
s3.3、管控系统对目标插件的FLASH进行烧写数据，返回遥测数据；
s3.4、若目标插件为主控插件，则执行s3.5；否则执行s3.8；
s3.5、管控系统对目标插件进行复位；
s3.6、管控系统更新目标插件的FLASH存储码流起始地址；
s3.7、管控系统更新目标插件的FLASH存储码流结束地址，执行s3.9；
s3.8、管控系统向目标插件发送烧写结束标志指令，执行s3.9；
s3.9、管控系统对目标插件进行回读校验，返回遥测数据；
s3.10、若目标插件为主控插件，执行s3.11；否则执行s3.12；
s3.11、管控系统对目标插件进行主/备FLASH选择；
s3.12、管控系统对目标插件进行FPGA重加载；
s3.13、若重加载成功，则启动定时刷新，在轨重构完成；若重载失败，则返回遥测数据；
步骤四、根据解析后的软件上注指令，生成对应的目标指令，发送给目标插件；具体步骤如下：
s4.1、管控系统对目标插件的FLASH进行擦除，返回遥测数据；
s4.2、管控系统对目标插件的FLASH进行烧写数据，返回遥测数据；
s4.3、管控系统向目标插件发送烧写结束标志指令；
s4.4、管控系统对目标插件进行回读校验；
s4.5、管控系统对目标插件进行CPU重加载；
s4.6、若重加载成功，则在轨重构完成；若重载失败，则返回遥测数据。
2.一种星载路由管控系统的在轨重构系统，其特征在于：用于实现如权利要求1所述的在轨重构方法；系统包括时钟管理模块、全局复位模块、软件上注接收与分发模块、输入锁存模块、RS422接收与发送模块、主控FPGA在轨重构模块、遥测管理模块以及加电控制与自检模块；
所述时钟管理模块用于生成主控FPGA工作的主时钟以及主时钟的复位信号；
所述全局复位模块用于接收软复位指令、OC指令和看门狗WDO，产生全局复位信号；
所述软件上注模块用于接收星务机发送的软件复位指令和软件上注指令，进行解析后，生成对应的目标指令并发送到目标插件；
所述输入锁存模块对全局复位信号进行异步复位同步释放处理后，产生FPGA内部使用的全局复位信号；对异步输入信号进行同步化处理；
所述RS422接收与发送模块用于传输各模块间的指令数据和应答数据；
所述主控FPGA在轨重构模块为UART接口，用于实现主控插件FPGA与刷新芯片之间的串行通信；主控插件FPGA通过主控FPGA在轨重构模块向刷新芯片发送指令，完成在轨重构过程；刷新芯片通过主控FPGA在轨重构模块向主控插件FPGA返回遥测数据，以监测刷新芯片的工作状态；
所述遥测管理模块用于接收星务机的慢传/快传遥测请求，将其解析后发送到目标插件；
所述加电控制与自检模块用于接收星务机的加电控制信号、开关选择控制信号和自检指令，并发送到目标插件。
3.如权利要求2所述一种星载路由管控系统的在轨重构系统，其特征在于：软件上注模块接收的指令包括重构数据准备指令、烧写数据指令、重构数据结束指令和重加载指令。
4.如权利要求2所述一种星载路由管控系统的在轨重构系统，其特征在于：所述遥测管理模块用于在接收到星务机的慢传/快传遥测请求后，解析后向目标插件发送遥测请求，若为慢传遥测请求则向所有插件发送遥测请求；若为快传遥测请求则向解析出的目标插件单独发送遥测请求；接收各插件发送的遥测数据后，若为慢传遥测则将所有插件遥测数据重新组帧，向星务机发送重新组帧的路由基带设备遥测数据；若为快传遥测则将遥测请求的目标插件遥测数据单独发送给星务机。
5.如权利要求2所述一种星载路由管控系统的在轨重构系统，其特征在于：所述加电控制与自检模块用于接收星务机的加电控制和开关选择控制信号，输出13路TTL信号到目标插件；接收星务机的自检指令,若为对路由交换、用户基带、馈电基带插件的自检指令，则对该插件发送遥测请求，通过回复的遥测量判断自检正常/异常；若为对时频插件的自检，则判断100MHz晶振锁定指示是否正常；若为对主控插件的自检，则通过主控的遥测量判断自检正常/异常，向星务机返回确认应答。
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