CN115085791B - 一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法，在一个具体示例中，所述方法步骤包括：S10：进行星地前向链路上注协议设计，基于地面信关站完成软件位流数据从地面到星上的上注；S30：进行星上处理载荷位流数据文件存储协议设计，由星上处理载荷的前向链路处理单元、设备管理单元和设备存储单元完成软件位流数据文件存储；S50：进行星上处理载荷设备内部重构接口协议设计，由星上处理载荷的设备管理单元、载荷设备存储单元和待重构处理器协同完成软件重构。

Description

一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法
技术领域
本发明涉及卫星智能技术领域，具体而言，涉及一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法。
背景技术
在目前，商业航天蓬勃发展，低轨宽带通信卫星、卫星互联网技术日新月异，未来将由成百上千颗在轨卫星组成的星座为用户提供服务。星上处理载荷是下一代卫星互联网的核心特征，其具有基带信号处理、大容量数据交换等诸多功能。
为解决星上处理载荷研发周期长、成本高、硬件不能互换、软件不能更新等问题，软件定义通信载荷的需求日益强烈。随着处理器和存储器技术的发展，SRAM型的FPGA产品、DDR、FLASH等产品越来越多地应用于航天器软件的程序和数据存储，为星上处理载荷内相关软件的在轨上注和重构提供了硬件基础。星上处理载荷软件在轨上注及重构可解锁载荷软硬件之间的紧耦合关系，在不改变硬件的前提下，实现星上处理载荷软件升级。星上处理载荷功能需求复杂，大量使用大规模FPGA和高性能CPU，导致了软件规模大幅提升，相应的软件位流数据的规模大幅增加，整机位流数据总量可达吉比特量级。
当前已发射的卫星大多采用测控链路进行软件位流数据上注，速率约为10kbps左右，软件位流数据上注的整个过程必须要在卫星过境时进行，完成一次软件上注的时间大约持续数天或数周，软件上注效率很低。卫星上软件重构时位流数据在处理器间的传递均需星务计算机参与，且大多采用RS422总线，低波特率导致重构时间长达数十小时。同时为保证重构的可靠性，位流数据在处理器之间的交互过程繁琐，重构速度非常慢，对大规模、巨大规模的处理器软件实现重构功能非常不友好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种，解决现有技术的问题中的至少之一。
为此，本发明一方面提供一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法，所述方法步骤包括：
S10：进行星地前向链路上注协议设计，基于地面信关站完成软件位流数据从地面到星上的上注；
S30：进行星上处理载荷位流数据文件存储协议设计，由星上处理载荷的前向链路处理单元、设备管理单元和设备存储单元完成软件位流数据文件存储；
S50：进行星上处理载荷设备内部重构接口协议设计，由星上处理载荷的设备管理单元、载荷设备存储单元和待重构处理器协同完成软件重构。
可选地，所述步骤S10包括：
S101：按照所述上注协议中的约定格式生成待重构处理器软件的二进制位流文件；
S102：将所述二进制位流文件按所述上注协议中的约定格式填充，扩展成为位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列；
S103：对所述位流数据传输帧序列进行信道编码，得到位流数据传输码；
S104：基于星地前向链路通道将所述位流数据传输码发送至星上处理载荷设备的前向链路处理单元；
S105：所述前向链路处理单元接收所述位流数据传输码后，对其进行信道解码；对解码后得到的位流数据传输帧序列进行解帧得到位流数据传输帧并发送至所述设备管理单元。
可选地，所述步骤S30包括：
S301：所述设备管理单元将接收到的位流数据传输帧缓存在设备管理单元的高速内存单元中；
S302：所述设备管理单元完成位流数据传输帧校验后，提取出二进制位流数据，并将所述二进制位流数据向设备存储单元中写入。
可选地，所述步骤S50包括：
S501：通过地面信关站向星上处理载荷发送处理器软件重构指令，以使得所述星上处理载荷的设备管理单元将所述设备存储单元内存储的二进制位流数据读取出来并缓存在其内存单元中；
S502：通过所述设备管理单元将所述文件形式的二进制位流数据按照重构协议格式进行分包，逐包向待重构处理器周期发送；
S503：待重构处理器接收到最后一帧位流数据后，进行校验，在二进制位流数据校验通过的情况下，完成位流数据的烧写，并向星上处理载荷设备管理单元反馈重构结果。
可选地，所述步骤S50还包括：
S504：所述星上处理载荷设备通过Q/V反向链路将重构结果向地面信关站发送。
可选地，所述位流数据传输帧包含帧头、帧长度、命令字、目的处理器、帧计数、有效数据和校验和；
利用所述帧头标识所述位流数据的帧类型；利用所述帧长度标识重构位流数据的长度；利用所述命令字标识位流文件的进行和结束；利用所述目的处理器标识待重构的处理器；利用所述帧计数标识重构帧发送计数；利用所述有效数据填充程序位流数据和校验数据；利用所述校验和对所述位流数据进行校验。
可选地，所述上注协议中的约定格式为GSE包格式；
将所述二进制位流文件按GSE包格式组包，扩展成为多个GSE包的位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列。
可选地，所述GSE包格式包含首帧标识、尾帧标识、GSE包长、处理器标识、数据长度、有效数据和CRC校验。
可选地，所述设备管理单元完成全部的位流数据传输帧缓存后，对位流数据传输帧进行校验；
若校验正确，则提取出二进制位流数据，将所述二进制位流数据以文件为单位通过LVDS高速总线向所述星上处理载荷的设备存储单元中写入，并向地面信关站返回文件号及校验正确的遥测量；
若校验错误，则丢掉所述位流数据传输帧，并向地面返回校验错误的遥测量。
本发明的有益效果如下：
本发明针对目前现有的问题提供了一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法；本实施例采用星地前向链路作为上注通道，提高了上注速度，提高了重构数据的传输可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的一个实施例提供的一个实施例的星上处理载荷软件在轨上注及重构方法的流程图；
图2示出本发明的一个实施例的方法流程图；
图3示出本发明的另一个实施例的方法流程图；
图4示出本发明的另一个实施例的方法流程图；
图5示出本发明的一个实施例提供的方法的硬件架构系统的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
为了克服现有技术中存在的问题，本发明的第一个实施例提供了一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法，如图1所述，所述方法包括：
S10：进行星地前向链路上注协议设计，基于地面信关站完成软件位流数据从地面到星上的上注；
S30：进行星上处理载荷位流数据文件存储协议设计，由星上处理载荷的前向链路处理单元、设备管理单元和设备存储单元完成软件位流数据文件存储；
S50：进行星上处理载荷设备内部重构接口协议设计，由星上处理载荷的设备管理单元、载荷设备存储单元和待重构处理器协同完成软件重构。
本实施例采用星地前向链路作为上注通道，提高了上注速度，提高了重构数据的传输可靠性。
在一个具体的实施例中，如图2所示，所述S10包括：
S101：按照所述上注协议中的约定格式生成待重构处理器软件的二进制位流文件；
S102：将所述二进制位流文件按所述上注协议中的约定格式填充，扩展成为位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列；
S103：对所述位流数据传输帧序列进行信道编码，得到位流数据传输码；
S104：基于星地前向链路通道将所述位流数据传输码发送至星上处理载荷设备的前向链路处理单元；
S105：所述链路处理单元接收数据传输码后，对其进行信道解码；对解码后得到的位流数据传输帧序列进行解帧得到位流数据传输帧并发送至星上处理载荷的设备管理单元。
在一个具体的实施例中，所述设备管理单元完成全部的位流数据传输帧缓存后，对位流数据传输帧进行校验；
若校验正确，则提取出二进制位流数据，将所述二进制位流数据以文件为单位通过LVDS高速总线向所述星上处理载荷的设备存储单元中写入，并向地面信关站返回文件号及校验正确的遥测量；
若校验错误，则丢掉所述位流数据传输帧，并向地面返回校验错误的遥测量。
一方面，本方案通过设计星地上注协议，在数据帧层面和数据包层面进行多级校验，确保了上注数据的正确性，另一方面，采用星内LVDS高速总线实现百兆比特规模位流数据的载荷设备内传递，最高速率可达10Mbps，相比传统的RS422、SPI、CAN等总线形式，数据传输速率提高了百倍以上，系统开销极大缩减。
在一个具体的实施例中，如图3所示，所述S30包括：
S301：所述设备管理单元将接收到的位流数据传输帧缓存在设备管理单元的高速内存单元中；
S302：所述设备管理单元完成位流数据传输帧校验后，提取出二进制位流数据，并将所述二进制位流数据向设备存储单元中写入。
在一个具体的实施例中，如图4所示，所述步骤S50包括：
S501：通过地面信关站向星上处理载荷发送处理器软件重构指令，以使得所述星上处理载荷的设备管理单元将所述设备存储单元内存储的二进制位流数据读取出来并缓存在其内存单元中；
S502：通过所述设备管理单元将所述文件形式的二进制位流数据按照重构协议格式进行分包，逐包向待重构处理器周期发送；
S503：待重构处理器接收到最后一帧位流数据后，进行校验，在二进制位流数据校验通过的情况下，完成位流数据的烧写，并向星上处理载荷设备管理单元反馈重构结果。
下面以某型号星上处理载荷上注及重构的具体实例为背景进行详细描述，如图5所示，包括信关站、Q/V星地链路天线射频分系统和星上处理载荷；
所述星上处理载荷包括Q/V链路处理单元、设备管理单元、设备存储单元以及处理器；
所述处理器包括N个大规模FPGA和N个高性能CPU。
以星上处理载荷的基带信号处理器FPGA为例，其位流数据的大小为260Mbits，扩展为数据传输码后大小为271Mbits。星地通信峰值速率600Mbps，按照100Mbps的速率上注位流数据，则在3s内即可快速完成上注。
为了达到快速上注的目的，本发明采用如下步骤：
首先，将编译好的目标文件上注至星上处理载荷，具体的，
将编译好的FPGA、CPU处理器程序的目标文件进行填充，扩展为bin格式的二进制位流文件；
将所述二进制位流文件按GSE包格式组包，扩展为多个GSE包的位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列；
对所述位流数据传输帧序列进行信道编码，得到位流数据传输码；
基于星地前向链路通道将所述位流数据传输码发送至星上处理载荷设备的前向链路处理单元。
应当说明的是，所述位流数据传输帧序列在星地上注前，需先对位流数据的数据传输帧序列进行信道编码、星座映射和符号扩频等处理，在满足信道传输要求后，通过所述Q/V前向链路通道上注至低轨宽带通信卫星星上处理载荷设备。
以Actel FPGA为例，Actel FPGA接收到最后一帧位流数据后，计算位流数据的CRC校验，校验方式采用4字节Golden CRC，并与位流文件中包含的校验数据进行比较，在校验通过的情况下，将位流数据烧写进程序存储FLASH，并向星上处理载荷设备管理单元反馈“烧写成功”；若校验未通过，向星上处理载荷设备管理单元反馈“烧写失败”；
“烧写成功”后，Actel FPGA自主执行重加载指令动作，至此完成了V7-690T FPGA的软件重构，并向星上处理载荷设备管理单元反馈“重加载成功”。
然后，所述星上处理载荷通过Q/V前向链路通道接收所述位数据传输帧序列并处理为文件格式存储至所述设备存储单元，具体的，
所述Q/V前向链路处理单元接收位流数据传输码后，对其进行信道解码；对解码后得到的位流数据传输帧序列进行解帧得到位流数据传输帧并发送至星上处理载荷的设备管理单元；
所述设备管理单元将接收到的位流数据传输帧缓存在设备管理单元的高速内存单元中；
所述设备管理单元完成位流数据传输帧校验后，提取出二进制位流数据，并将所述二进制位流数据向设备存储单元中写入。
最后，在需要重构星上处理载荷内处理器软件时，通过地面信关站向所述星上处理载荷发送处理器软件重构指令，对星上处理载荷设备内不同的处理器进行软件更新时，地面信关站需发送不同的遥控指令，以使得所述星上处理载荷的设备管理单元提取所述设备存储单元中的二进制位流文件发送至其待重构的FPGA和CPU，使其完成处理器软件重构。
应当说明的是，所述星上处理载荷在完成处理器软件重构后，通过所述Q/V星地链路天线分频系统将重构结果发送至地面信关站。
在一个具体的实施例中，重构星上处理载荷设备内基带信号处理器V7-690T FPGA软件，地面信关站向星上处理载荷设备发送软件重构指令，同样的该指令传输帧也通过星地Q/V前向链路通道发送至星上处理载荷，同样需要对该指令传输帧序列进行信道编码、星座映射、符号扩频等处理；
星上Q/V链路天线射频分系统接收到射频信号后，经过信号处理、下变频，将L频段的信号发送给星上处理载荷设备的前向链路处理单元；星上Q/V链路处理载荷设备的前向链路处理单元经过信号处理、AD转换，恢复出指令传输码，再进行信道解码，然后指令数据传输帧序列进行解帧；
星上处理载荷解析出软件重构指令后，设备管理单元通过LVDS接口以100Mbps的速率，从载荷设备存储单元内将文件读出，文件读出时为连续的位流数据帧；顺序将位流数据文件读取出来，3秒即将全部缓存在星上处理载荷设备管理单元的高速内存单元DDR3中。
在一种可能的实现方式中，星上处理载荷设备管理单元通过Q/V链路处理单元、Q/V链路天线射频分系统构成的反向链路，将重构结果“烧写成功”、“重加载成功”向地面信关站发送。
本发明不需要星务计算机参与，在不影响业务通信功能的情况下即可完成软件在轨更新。只需地面信关站向星上处理载荷设备发送一条重构指令，星上处理载荷设备管理单元即可自主闭环设备内大规模FPGA和高性能CPU的软件在轨更新，提高了星上处理载荷设备软件重构的自主可控性。
在一个具体的实施例中，星上处理载荷的设备管理单元将完整位流数据按照重构协议格式进行分包，逐包向待重构处理器周期发送。
所述待重构处理器接收到最后一帧位流数据后，进行校验，在二进制位流文件校验通过的情况下，完成位流数据的烧写，并向所述设备管理单元反馈重构结果。
在一个具体的实施例中，所述二进制位流文件由若干数据帧组成，每个数据帧均包含帧头、帧长度、命令字、目的处理器、帧计数、有效数据和校验和等部分。
在一个可能的实现方式中，利用帧头标识位流数据帧类型；利用帧长度标识重构位流数据的长度；利用命令字标识位流文件的进行和结束；利用目的处理器标识待重构的处理器；利用帧计数标识重构帧发送的计数；利用有效数据填充程序位流数据和校验数据，其中程序位流的大小为250字节整数倍，校验数据的大小为36字节，位于文件末尾，不足250字节部分补0xFF；利用校验和对位流数据进行校验。
在一个具体的实施例中，星上处理载荷的设备管理单元按照数据包顺序从高速内存单元DDR3中读出位流数据，每包长度固定位250字节，不足250字节部分补0xFF；同样的位流数据也包括两种数据：程序位流数据和校验位流数据，程序位流数据帧结构实例如下：
W1-W2 W3 W4-W5 W6 W7-W9 W10-W249 W250
帧头 帧长度 命令字 目的处理器 帧计数 有效数据 和校验
校验数据帧结构实例如下：
W1-W2 W3 W4-W5 W6 W7-W9 W10-W45 W46-W250
帧头 帧长度 命令字 目的处理器 帧计数 有效数据 0xFF
其中W1-W2指位流数据帧中的第一位至第二位；每读一包250字节长度的位流数据，立即通过LVDS总线以1Mbps的速度逐包向待重构的V7-690TFPGA处理器外的Actel FPGA周期发送，周期5ms；完整的位流数据大小为271Mbits，约540秒可完成数据发送。
在一个具体的实施例中，所述上注协议中的约定格式为GSE包格式；
将所述二进制位流文件按GSE包格式组包，扩展成为多个GSE包的位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列，
具体的，
将扩展生成的二进制位流文件按GSE包格式组包，扩展成为多个GSE包的位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列，所述GSE包格式包含首帧标识、尾帧标识、GSE包长、处理器标识、数据长度、有效数据和CRC校验。其中GSE包首帧格式实例如下：
1b 1b 12b 8b 26b 763B
首帧标识 尾帧标识 GSE包长 处理器标识 数据长度 有效数据
GSE包中间帧格式实例如下：
1b 1b 12b 8b 767B
首帧标识 尾帧标识 GSE包长 处理器标识 有效数据
GSE包尾帧格式实例如下：
1b 1b 12b 8b 763B 32b
首帧标识 尾帧标识 GSE包长 处理器标识 数据长度 CRC校验
在一种可能的实现方式中，所述首帧标识用于标识位流数据的首帧，1bit，设置为‘1’时表示该GSE包包含位流数据的首帧，设置为‘0’时表示该GSE包未包含位流数据的首帧；
尾帧标识来标识位流数据的尾帧，1bit，设置为‘1’时表示该GSE包包含了位流数据的尾帧，设置为‘0’时表示该GSE包未包含位流数据的尾帧；
GSE包长标识GSE包中的字节长度，12bits，表示该GSE包中GSE包长区域之后的字节长度，最大限制为768Bytes；
处理器标识该GSE包所传输的位流数据所属处理器，1Byte，取值0-255，包含同一个位流数据的所有GSE包中应采用同一个处理器标识；
数据长度标识位流数据的总字节长度，26bits，表示位流数据的总字节长度，最大可表示67108864Bytes。
需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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，对于本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 (7)

1.一种星上处理载荷软件在轨上注及重构方法，其特征在于，步骤包括：
S10：进行星地前向链路上注协议设计，基于地面信关站完成软件位流数据从地面到星上的上注；
S30：进行星上处理载荷位流数据文件存储协议设计，由星上处理载荷的前向链路处理单元、设备管理单元和设备存储单元完成软件位流数据文件存储；
所述步骤S30包括：
S301：所述设备管理单元将接收到的位流数据传输帧缓存在设备管理单元的内存单元中；
S302：所述设备管理单元完成位流数据传输帧校验后，提取出二进制位流数据，并将所述二进制位流数据向设备存储单元中写入；
S50：进行星上处理载荷设备内部重构接口协议设计，由星上处理载荷的设备管理单元、载荷设备存储单元和待重构处理器协同完成软件重构；
所述步骤S50包括：
S501：通过地面信关站向星上处理载荷发送处理器软件重构指令，以使得所述星上处理载荷的设备管理单元将所述设备存储单元内存储的二进制位流数据读取出来并缓存在其内存单元中；
S502：通过所述设备管理单元将所述文件形式的二进制位流数据按照重构协议格式进行分包，逐包向待重构处理器周期发送；
S503：待重构处理器接收到最后一帧位流数据后，进行校验，在二进制位流数据校验通过的情况下，完成位流数据的烧写，并向星上处理载荷设备管理单元反馈重构结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤S10包括：
S101：按照所述上注协议中的约定格式生成待重构处理器软件的二进制位流文件；
S102：将所述二进制位流文件按所述上注协议中的约定格式填充，扩展成为位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列；
S103：对所述位流数据传输帧序列进行信道编码，得到位流数据传输码；
S104：基于星地前向链路通道将所述位流数据传输码发送至星上处理载荷设备的前向链路处理单元；
S105：所述前向链路处理单元接收所述位流数据传输码后，对其进行信道解码；对解码后得到的位流数据传输帧序列进行解帧得到位流数据传输帧并发送至所述设备管理单元。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述S50还包括：
S504：所述星上处理载荷设备通过Q/V反向链路将重构结果向地面信关站发送。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述位流数据传输帧包含帧头、帧长度、命令字、目的处理器、帧计数、有效数据和校验和；
利用所述帧头标识所述位流数据的帧类型；利用所述帧长度标识重构位流数据的长度；利用所述命令字标识位流文件的进行和结束；利用所述目的处理器标识待重构的处理器；利用所述帧计数标识重构帧发送计数；利用所述有效数据填充程序位流数据和校验数据；利用所述校验和对所述位流数据进行校验。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述上注协议中的约定格式为GSE包格式；
将所述二进制位流文件按GSE包格式组包，扩展成为多个GSE包的位流数据传输帧，生成位流数据传输帧序列。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述GSE包格式包含首帧标识、尾帧标识、GSE包长、处理器标识、数据长度、有效数据和CRC校验。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述设备管理单元完成全部的位流数据传输帧缓存后，对位流数据传输帧进行校验；
若校验正确，则提取出二进制位流数据，将所述二进制位流数据以文件为单位通过LVDS总线向所述星上处理载荷的设备存储单元中写入，并向地面信关站返回文件号及校验正确的遥测量；
若校验错误，则丢掉所述位流数据传输帧，并向地面返回校验错误的遥测量。
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