CN115694611A - 面向微小卫星边缘计算的星载电子系统 - Google Patents
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Abstract
面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，属于航天航空的数据处理技术领域。解决了传统的集中式卫星电子系统中星载计算机负载过高，且还存在难以兼顾实时性和算力的问题。本发明每个传感节点由相应的传感器扩展而成，每个执行节点由相应的执行机构扩展而成，任命执行单元中的任意一个执行节点作为当班执行节点；任命传感单元中的任意一个传感节点作为当班传感节点；当班执行节点根据任务需求以及与任务需求相对应的传感节点采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令对相应的执行机构进行控制，执行相应的调节任务；任务节点用于进行任务需求广播、及各传感节点和各执行节点的节点状态通过无线通信网络路由进行广播。本发明主要用于航空航天领域。
Description
技术领域
本发明属于航天航空的数据处理技术领域。
背景技术
传统的卫星电子系统通常采用类似CAN、1553B等现场总线，传输信息以传感器数据和控制指令为主，数据传输量较低。因此，传统的卫星电子系统通常对数据传输的实时性具有较高要求，但是对数据传输的速率要求不高。但是随着近期卫星集群化、智能化的技术发展趋势，卫星电子系统需要处理的数据量越来越大，因此传统的集中式卫星电子系统难以兼顾实时性、算力、总线速率、扩展性及容错性的要求
此外，在传统的集中式卫星电子系统架构中，卫星平台内部单机和各分系统的数据全部传到星务计算机做处理、分析和调度，而随着卫星任务的增多、任务复杂度的提高，以及卫星组网所需的高度自主能力的需求，导致星载计算机处理任务量剧增，导致星载计算机负载过高，数据处理延迟变高，能耗变高。此外，由于星上各单机的功能不同，当某一单机/分系统出现硬件故障，极有可能导致整星任务失败。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决传统的集中式卫星电子系统中星载计算机负载过高，且还存在难以兼顾实时性和算力的问题，本发明提供了一种面向微小卫星边缘计算的星载电子系统。
面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，包括无线通信网络路由、多个传感节点、多个执行节点和任务节点；任务节点和无线通信网络路由设置在卫星的结构舱内；多个传感节点构成传感单元，多个执行节点构成执行单元；每个传感节点由相应的传感器扩展而成，每个执行节点由相应的执行机构扩展而成；
所有传感节点采集的卫星状态信息不同，所有执行节点执行的调节任务不同，且传感节点和执行节点内均嵌入有边缘计算方法；任务节点分别与传感节点和执行节点之间的通信均采用无线通信的方式实现，且无线通信基于WLAN802.11协议实现；
任命执行单元中的任意一个执行节点作为当班执行节点；任命传感单元中的任意一个传感节点作为当班传感节点，且除当班传感节点以外的所有传感节点将其采集的卫星状态信息通过无线传输的方式发送至当班传感节点，并与当班传感节点所采集的卫星状态信息进行数据融合汇总；
当班执行节点，根据任务需求以及与任务需求相对应的传感节点采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令对相应的执行机构进行控制，执行机构根据接收到的控制指令，执行相应的调节任务；
任务节点，用于对地面传来的上行遥控信号解调，并广播解调后的任务需求，还用于对各传感节点的节点状态和各执行节点的节点状态通过无线通信网络路由进行广播。
优选的是，每个传感节点包括传感器、基于物理IO和接口协议实现的1号接口连接器、1号算力模块、1号无线通信网络接口和1号天线；
传感器通过1号接口连接器与1号算力模块进行通信；
1号天线通过1号无线通信网络接口与1号算力模块进行通信；
1号算力模块作为传感节点的处理器，其内嵌入有边缘计算方法。
优选的是，执行节点包括执行机构、基于物理IO和接口协议实现的2号接口连接器、2号算力模块、2号无线通信网络接口和2号天线；
执行机构通过2号接口连接器与2号算力模块进行通信；
2号天线通过2号无线通信网络接口与2号算力模块进行通信；
2号算力模块作为执行节点的处理器，其内嵌入有边缘计算方法。
优选的是，任务节点包括对地天线、星地测控模块、任务管控模块、3号无线通信网络接口和3号天线；
星地测控模块通过对地天线与地面站实现通信，对地天线与地面站之间通过电磁波实现通信；
星地测控模块，用于接收地面站发射的上行遥控信号并进行解调，解调后获得任务需求送至任务管控模块；还用于将星上信息进行调制后，通过对地天线发送至地面站；
任务管控模块作为任务节点的卫星数据处理器，用于对接收的任务需求进行任务分配、管理及控制，并通过3号天线和无线通信网络路由将调节任务发送至传感节点和执行节点。
优选的是，任务管控模块采用2片复旦微电子公司的FMQL45T900型SOC芯片实现。
优选的是，1号无线通信网络接口和2号无线通信网络接口采用汽车级WLAN802.11协议的数据转换芯片实现。
优选的是，任务节点对各传感节点的节点状态和各执行节点的节点状态通过无线通信网络路由进行广播的实现方式为：
(一)每个传感节点上电后，该传感节点中的1号算力模块通过1号接口连接器向传感器发送握手请求，当传感器接收到1号算力模块的握手请求后，自动返回握手回复信号；1号算力模块上电接收到传感器的握手回复信号后，依次通过1号无线通信网络接口和无线通信网络路由向任务节点的任务管控模块发送注册申请，注册申请中的信息包括传感器的类型、状态和型号；
当任务节点的任务管控模块接收到来自1号算力模块的注册申请后，执行注册申请操作将注册申请中的信息整合进入系统状态表，并通过无线通信网络路由在星载电子系统内进行传感节点的节点状态广播，完成当前传感节点的注册申请；
(二)每个执行节点上电后，2号算力模块经过2号接口连接器向执行机构发送握手请求，当执行机构接收到握手请求后，自动返回握手回复信号；2号算力模块上电接收到执行机构的握手回复信号后，依次通过2号无线通信网络接口和无线通信网络路由向任务节点的任务管控模块发送注册申请，注册申请信息包括执行机构的类型、状态和型号；
任务节点的任务管控模块接收到来自2号算力模块的注册申请后，执行注册申请操作将注册申请中的信息整合进入系统状态表，并通过无线通信网络路由在星载电子系统内进行执行节点的节点状态广播，完成当前执行节点的注册申请。
优选的是，当各传感节点完成注册申请后，各传感节点每隔30s将会重新发送注册申请至任务节点的任务管控模块，任务管控模块执行注册申请操作；
当任意传感节点因故障或功能调整从星载电子系统去掉后，相应的传感节点将不再发送注册申请，并通过无线通信网络路由在星载电子系统内对删除的传感节点进行广播；
当任务节点的任务管控模块在300s内没有接收到至少1次来自各传感节点的注册申请后，任务节点中的任务管控模块自动更改系统状态表，并将该传感节点从星载电子系统中删除，并通过无线通信网络路由在星载电子系统内进行广播；
当各执行节点完成注册申请后，各执行节点每隔30s将会重新发送注册申请至任务节点的任务管控模块，任务管控模块执行注册申请操作；
当任意执行节点因故障或功能调整从星载电子系统去掉后，相应的执行节点将不再发送注册申请，并通过无线通信网络路由在星载电子系统内对删除的执行节点进行广播；
当任务节点的任务管控模块在300s内没有接收到至少1次来自各执行节点的注册申请后，任务节点中的任务管控模块自动更改系统状态表，并将该执行节点从星载电子系统中删除，并通过无线通信网络路由在星载电子系统内进行广播。
优选的是，当班执行节点，根据任务需求以及与任务需求相对应的传感节点采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令对相应的执行机构进行控制，执行机构根据接收到的控制指令，执行相应的调节任务的具体过程包括：首先、
当任务管控模块在300s内仍没有接收到当班传感节点的注册申请后，将自动更改系统状态表，删除当前的当班传感节点，任命新的当班传感节点；并通过无线通信网络路由在星载电子系统内进行广播；同时任务管控模块还通过无线通信网络路由在星载电子系统内对任务需求和系统状态表进行广播；
其次、当班传感节点的1号算力模块通过无线通信网络路由接收到来自任务管控模块发出的任务需求和系统状态表后，根据任务需求确定当前需要调整的卫星状态信息，并基于需要调整的卫星状态信息的类型，从系统状态表中挑选该需要调整的卫星状态信息的类型所对应的1个或多个传感节点，并通过无线通信网络路由进行广播；
再次、当班执行节点的2号算力模块通过无线通信网络路由接收到来自任务管控模块发出的任务需求后，根据任务需求从当班传感节点中调用所广播的1个或多个传感节点所对应采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令，并根据所广播的1个或多个传感节点所对应采集的卫星状态信息的类型，从系统状态表中挑选所述卫星状态信息的类型所对应的1个或多个执行节点；
最后，根据当班执行节点生成的相应的控制指令对所挑选出的1个或多个执行节点的执行机构进行任务分配、管理及控制，使执行机构执行相应的调节任务，并通过无线通信网络路由进行广播。
本发明带来的有益效果是：
本发明结合边缘计算的理念，发挥边缘计算实时性好、扩展性强、容错性好的优势，提出一种面向微小卫星边缘计算的星载电子系统。不同节点的接入实现了功能扩展与冗余备份，本发明星载电子系统根据各传感节点与执行节点的数据计算与任务管理，使卫星可以实时更快速地处理和分析大量数据，同时根据卫星任务的不同，还可通过软件迁移进行功能重构，实现故障容错。
本发明所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统采用边缘计算技术，利用其分散式运算架构，边缘计算的优势在于算力靠近端，即算力靠近传感器或执行机构，对数据和事件能够快速响应，一方面提高实时性，一方面降低对系统总线的数据传输压力；本发明将现有技术中完全由星载计算机处理的大型数据与服务加以分解，任务节点将地面传来的上行遥控信号解调获得任务需求，并将任务需求进行广播，并根据任务需求分散到相应的传感节点和执行节点处理，并由当班执行节点进行任务分配、管理及控制，让计算变得更为灵活和可控，卫星可以实时或更快速地处理和分析大量数据，同时兼顾了实时性和算力。卫星可以实时或更快速地处理和分析大量数据，具有低成本、超低时延、高可靠性、高安全性以及可用性与扩展性，此外，还可以通过软件迁移进行功能重构，实现故障容错，进而降低发生单点故障的可能，提升系统的性能。
附图说明
图1是本发明所述面向微小卫星边缘计算的星载电子系统的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
实施例1：
参见图1说明本实施1，本实施例1所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，包括无线通信网络路由1、多个传感节点2、多个执行节点3和任务节点4；任务节点4和无线通信网络路由1设置在卫星的结构舱内；多个传感节点2构成传感单元，多个执行节点3构成执行单元；每个传感节点2由相应的传感器2-1扩展而成，每个执行节点3由相应的执行机构3-1扩展而成；
所有传感节点2采集的卫星状态信息不同，所有执行节点3执行的调节任务不同，且传感节点2和执行节点3内均嵌入有边缘计算方法；任务节点4分别与传感节点2和执行节点3之间的通信均采用无线通信的方式实现，且无线通信基于WLAN802.11协议实现；
任命执行单元中的任意一个执行节点3作为当班执行节点；任命传感单元中的任意一个传感节点2作为当班传感节点，且除当班传感节点以外的所有传感节点2将其采集的卫星状态信息通过无线传输的方式发送至当班传感节点，并与当班传感节点所采集的卫星状态信息进行数据融合汇总；
当班执行节点，根据任务需求以及与任务需求相对应的传感节点2采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令对相应的执行机构3-1进行控制，执行机构3-1根据接收到的控制指令，执行相应的调节任务；
任务节点4，用于对地面传来的上行遥控信号解调，并广播解调后的任务需求，还用于对各传感节点2的节点状态和各执行节点3的节点状态通过无线通信网络路由1进行广播。
本实施方式中，无线通信网络路由1部署在卫星结构舱内，形成能够覆盖整个卫星舱内的无线总线网络，本发明所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统通过基于WLAN802.11协议实现高速数据互联通信，通信速率可达为1000Mbps。在图1所示的星载电子系统的架构中，每个传感器2-1需要扩展成为传感节点才能实现集成，不同功能和数量的传感器的接入实现功能扩展。每个执行机构3-1都需要扩展成为执行节点才能实现集成，不同功能和数量的执行机构的接入实现功能扩展。本发明将现有技术中完全由星载计算机处理的大型数据与服务加以分解，任务节点4将地面传来的上行遥控信号解调获得任务需求，并将任务需求进行广播，并根据任务需求分散到相应的传感节点2和执行节点3处理，并由当班执行节点进行任务分配、管理及控制，让计算变得更为灵活和可控，卫星可以实时或更快速地处理和分析大量数据，同时兼顾了实时性和算力。
具体应用时，每个传感节点2由相应的传感器2-1扩展而成，每个传感节点2只支持1个传感器2-1且由于所有传感节点2采集的卫星状态信息不同，故所有的传感器2-1的类型不同，传感器2-1可为与卫星姿态、轨道、温度、形变等物理参数相关的传感器，如星敏感器、光纤陀螺、GNSS接收机、磁强计等。具体应用时，为了实现卫星的热控、姿态确定、轨道确定等功能，需要热敏电阻、陀螺、磁强计、星敏感器、太阳敏感器、GNSS等多个不同功能传感器的配合。
每个执行节点3由相应的执行机构3-1扩展而成；每个执行节点3只支持1个执行机构3-1、且由于所有执行节点3执行的调节任务不同，故所有执行机构3-1的类型不同，其中，执行机构3-1可为与卫星姿态控制、动量管理、轨道控制等相关的执行机构，如反作用飞轮机构、磁力矩器、电推力器等。具体应用时，为实现卫星姿态控制、动量管理、轨道控制等功能，需要反作用飞轮机构、磁力矩器、电推力器等多个执行机构的配合。
任务节点4部署在卫星结构舱内，可实现卫星与地面之间的遥测遥控。
进一步的，每个传感节点2包括传感器2-1、基于物理IO和接口协议实现的1号接口连接器2-2、1号算力模块2-3、1号无线通信网络接口2-4和1号天线2-5；
传感器2-1通过1号接口连接器2-2与1号算力模块2-3进行通信；
1号天线2-5通过1号无线通信网络接口2-4与1号算力模块2-3进行通信；
1号算力模块2-3作为传感节点2的处理器，其内嵌入有边缘计算方法。
本优选方式中，1号接口连接器2-2的物理IO完成硬件转接，接口协议完成数据调理。以某一传感节点2中的传感器2-1为星敏感器为例，物理IO为将星敏感器的硬件接口转接为统一的标准形式，接口协议将星敏感器的软件接口转接为统一的标准形式。
更进一步的，执行节点3包括执行机构3-1、基于物理IO和接口协议实现的2号接口连接器3-2、2号算力模块3-3、2号无线通信网络接口3-4和2号天线2-5；
执行机构3-1通过2号接口连接器3-2与2号算力模块3-3进行通信；
2号天线2-5通过2号无线通信网络接口3-4与2号算力模块3-3进行通信；
2号算力模块3-3作为执行节点3的处理器，其内嵌入有边缘计算方法。
本优选实施方式中，2号接口连接器3-2的物理IO完成硬件转接，接口协议完成数据调理。以某一执行节点3中执行机构3-1为反作用飞轮机构为例，物理IO为将反作用飞轮机构的硬件接口转接为统一的标准形式，接口协议为将反作用飞轮机构的软件接口转接为统一的标准形式。
更进一步的，任务节点4包括对地天线4-1、星地测控模块4-2、任务管控模块4-3、3号无线通信网络接口4-4和3号天线4-5；
星地测控模块4-2通过对地天线4-1与地面站实现通信，对地天线4-1与地面站之间通过电磁波实现通信；
星地测控模块4-2，用于接收地面站发射的上行遥控信号并进行解调，解调后获得任务需求送至任务管控模块4-3；还用于将星上信息进行调制后，通过对地天线4-1发送至地面站；
任务管控模块4-3作为任务节点4的卫星数据处理器，用于对接收的任务需求进行任务分配、管理及控制，并通过3号天线4-5和无线通信网络路由1将调节任务发送至传感节点2和执行节点3。
本优选实施方式中，为了实现卫星与地面之间的遥测遥控，以及任务管控模块4-3与传感节点2、执行节点3的任务管理与控制，星地测控模块4-2、任务管控模块4-3集成为任务节点，任务管控模块4-3将与地面通信的星地测控模块4-2传来的任务需求进行分析、管理与控制，并与传感节点2、执行节点3进行任务管理与控制。
以某一传感节点2中的传感器2-1为星敏感器为例，以某一执行节点3中执行机构3-1为反作用飞轮机构为例；星敏感器将测得的卫星三轴姿态信息通过基于物理IO和接口协议实现的1号接口连接器2-2传递至1号算力模块2-3，1号算力模块2-3通过无线通信网络路由1发送至任务节点4的任务管控模块4-3，任务模块4-3将姿态参数控制指令发送至执行节点3；执行节点3中的2号算力模块3-3将接收到的指令信息解析后，通过基于物理IO和接口协议实现的2号接口连接器3-2传递至反作用飞轮机构进行相应动作：在轨正常工作期间反作用飞轮机构控制卫星姿态。轨道机动期间，反作用飞轮机构控制卫星姿态，使电推进器指向并维持在轨道速度方向。2号算力模块3-3将工作节点状态和结果信息通过无线通信网络路由1在系统中公布，星敏感器所在传感节点的1号算力模块2-3读取到系统节点状态表中的信息后，测量卫星最新姿态信息，通过高速无线通信网络路由1在系统中公布，若仍需调整姿态，则重复上述控制过程直至卫星姿态正确为止。
任务管控模块4-3采用2片复旦微电子公司的FMQL45T900型SOC芯片实现。
本优选实施方式中，FMQL45T900型SOC芯片可以将星地测控模块4-2传来的任务需求进行分析、规划、管理、控制，并通过3号无线通信网络接口4-4和3号天线4-5将任务发送至卫星平台的无线通信网络路由1、传感节点2、执行节点3。
所述1号无线通信网络接口2-4和2号无线通信网络接口3-4采用汽车级WLAN802.11协议的数据转换芯片实现。
所述任务节点4对各传感节点2的节点状态和各执行节点3的节点状态通过无线通信网络路由1进行广播的实现方式为：
(一)每个传感节点2上电后，该传感节点2中的1号算力模块2-3通过1号接口连接器2-2向传感器2-1发送握手请求，当传感器2-1接收到1号算力模块2-3的握手请求后，自动返回握手回复信号；1号算力模块2-3上电接收到传感器2-1的握手回复信号后，依次通过1号无线通信网络接口2-4和无线通信网络路由1向任务节点4的任务管控模块4-3发送注册申请，注册申请中的信息包括传感器的类型、状态和型号；
当任务节点4的任务管控模块4-3接收到来自1号算力模块2-3的注册申请后，执行注册申请操作将注册申请中的信息整合进入系统状态表，并通过无线通信网络路由1在星载电子系统内进行传感节点2的节点状态广播，完成当前传感节点2的注册申请；
(二)每个执行节点3上电后，2号算力模块3-3经过2号接口连接器3-2向执行机构3-1发送握手请求，当执行机构3-1接收到握手请求后，自动返回握手回复信号；2号算力模块3-3上电接收到执行机构3-1的握手回复信号后，依次通过2号无线通信网络接口3-4和无线通信网络路由1向任务节点4的任务管控模块4-3发送注册申请，注册申请信息包括执行机构的类型、状态和型号；
任务节点4的任务管控模块4-3接收到来自2号算力模块3-3的注册申请后，执行注册申请操作将注册申请中的信息整合进入系统状态表，并通过无线通信网络路由1在星载电子系统内进行执行节点3的节点状态广播，完成当前执行节点3的注册申请。
本优选实施方式中，任意一传感节点2注册申请成功之后，其他传感节点2将会根据广播的系统状态表中传感节点2的节点状态实现对该被广播的传感节点的任务申请与功能调用。同理，执行节点3注册申请成功之后，其他执行节点3节点将根据系统广播的系统节点状态实现对该被广播的执行节点3的任务申请与功能调用。
任务节点4除了广播系统状态表，还将广播任务需求，比如姿态确定任务、轨道机动任务、载荷开机任务、系统自检任务等，其中，任务节点4并不直接指定任务具体由哪些传感器、执行机构或单机设备配合完成，仅仅提出任务需求。
更进一步的，当各传感节点2完成注册申请后，各传感节点2每隔30s将会重新发送注册申请至任务节点4的任务管控模块4-3，任务管控模块4-3执行注册申请操作；
当任意传感节点2因故障或功能调整从星载电子系统去掉后，相应的传感节点2将不再发送注册申请，并通过无线通信网络路由1在星载电子系统内对删除的传感节点2进行广播；
当任务节点4的任务管控模块4-3在300s内没有接收到至少1次来自各传感节点2的注册申请后，任务节点4中的任务管控模块4-3自动更改系统状态表，并将该传感节点2从星载电子系统中删除，并通过无线通信网络路由1在星载电子系统内进行广播；
当各执行节点3完成注册申请后，各执行节点3每隔30s将会重新发送注册申请至任务节点4的任务管控模块4-3，任务管控模块4-3执行注册申请操作；
当任意执行节点3因故障或功能调整从星载电子系统去掉后，相应的执行节点3将不再发送注册申请，并通过无线通信网络路由1在星载电子系统内对删除的执行节点3进行广播；
当任务节点4的任务管控模块4-3在300s内没有接收到至少1次来自各执行节点3的注册申请后，任务节点4中的任务管控模块4-3自动更改系统状态表，并将该执行节点3从星载电子系统中删除，并通过无线通信网络路由1在星载电子系统内进行广播。
更进一步的，当星载电子系统进行在轨功能重构时，任务节点4对传感单元和执行单元进行管理，具体应用时，当班执行节点根据任务需求以及与任务需求相对应的传感节点2采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令对相应的执行机构3-1进行控制，执行机构3-1根据接收到的控制指令，执行相应的调节任务的具体过程包括：首先、当任务管控模块4-3在300s内仍没有接收到当班传感节点的注册申请后，将自动更改系统状态表，删除当前的当班传感节点，任命新的当班传感节点；并通过无线通信网络路由1在星载电子系统内进行广播；同时任务管控模块4-3还通过无线通信网络路由1在星载电子系统内对任务需求和系统状态表进行广播；
其次、当班传感节点的1号算力模块2-3通过无线通信网络路由1接收到来自任务管控模块4-3发出的任务需求和系统状态表后，根据任务需求确定当前需要调整的卫星状态信息，并基于需要调整的卫星状态信息的类型，从系统状态表中挑选该需要调整的卫星状态信息的类型所对应的1个或多个传感节点2，并通过无线通信网络路由1进行广播；
再次、当班执行节点的2号算力模块3-3通过无线通信网络路由1接收到来自任务管控模块4-3发出的任务需求后，根据任务需求从当班传感节点中调用所广播的1个或多个传感节点2所对应采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令，并根据所广播的1个或多个传感节点2所对应采集的卫星状态信息的类型，从系统状态表中挑选所述卫星状态信息的类型所对应的1个或多个执行节点3；
最后，根据当班执行节点生成的相应的控制指令对所挑选出的1个或多个执行节点3的执行机构3-1进行任务分配、管理及控制，使执行机构3-1执行相应的调节任务，并通过无线通信网络路由1进行广播。
本优选实施方式中，卫星状态信息可为姿态、轨道、温度等；具体应用时，当任务需求改变后(如需要感知新的状态、状态精度需求提高等)，当班传感节点的算力模块将重新在系统状态表中挑选新的数据源进行融合及广播；当系统状态表发生变更后(如某一个传感节点发生故障，被从系统状态表中删除)，当班传感节点的算力模块将重新在系统状态表中挑选新的数据源进行融合。当任务需求改变后(如卫星需要重新调整姿态、执行精度需求提高等)，当班执行节点的算力模块将重新在系统状态表中挑选新的执行机构，生成新的执行策略；当系统状态表发生变更后(如某一执行节点发生故障，被从系统状态表中删除)，当班执行节点的算力模块将重新在系统状态表中挑选新的执行机构，生成新的执行策略。
本发明所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统还可实现电子系统的冗余备份与可靠性增长，具体为：
当为了实现卫星的热控、姿态确定、轨道确定等功能时，需要热敏电阻、陀螺、磁强计、星敏感器、太阳敏感器、GNSS等多个不同功能传感器的配合。在本发明星载电子系统的集成方式中，传感器以传感节点为单位，每个传感器被扩展为标准的传感节点后都在系统中独立存在，因此可以采用接入多个同类型传感节点的方式实现传感节点的冗余备份和可靠性增长。每个接入的传感器都按照250ms的周期，通过无线通信网络路由1在系统中广播自身生成的状态数据。在卫星电子系统中，往往需要进行多传感器数据融合才能得到最终的状态信息，因此，可由当前系统状态表中，注册成功最早的传感节点作为当前的值班节点，由该节点的算力模块搜集其他所有传感节点广播的状态信息进行数据融合，生成完整的星上状态，并通过无线通信网络路由1在系统中广播。当值班传感节点因故障或功能调整从系统去掉后，将不再发送注册申请，当任务节点4在300s内没有接收到至少1次值班传感节点的注册申请后，将自动更改系统状态表，将值班传感节点从系统删除，然后将前一个值班节点之外注册最早的传感节点任命为新的值班节点，并通过高速无线通信网络路由1在系统内进行广播。
当为实现卫星姿态控制、动量管理、轨道控制等功能时，需要反作用飞轮机构、磁力矩器、电推力器等多个执行机构的配合。在本发明星载电子系统的集成方式中，执行机构以执行节点为单位，每个执行机构被扩展为标准的执行节点后都在系统中独立存在，因此可以采用接入多个同类型执行节点的方式实现执行节点的冗余备份和可靠性增长。每个接入的执行机构都按照250ms的周期，通过无线通信网络路由1在系统中广播自身生成的状态数据。在卫星电子系统中，往往需要同时控制多个执行机构，使其联合产生姿态转矩或轨道推力，因此，可由当前系统状态表中，注册成功最早的执行节点作为当前的值班节点，由该节点的算力模块搜集其他所有执行节点广播的状态信息，然后在此基础上进行转矩/推力的分配，生成完整的执行策略，并通过无线通信网络路由1在系统中广播。当值班执行节点因故障或功能调整从系统去掉后，将不再发送注册申请，当任务节点4在300s内没有接收到至少1次值班执行节点的注册申请后，将自动更改系统状态表，将值班执行节点从系统删除，然后将前一个值班节点之外注册最早的执行节点任命为新的值班节点，并通过无线通信网络路由1在系统内进行广播。
当本发明所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统进行基于边缘计算的卫星姿轨控制时，卫星姿轨控制涉及到卫星姿轨状态感知、卫星姿轨控制率结算、卫星姿态控制力矩/轨道控制力执行三个主要环节。与传统依赖星载计算机进行集中式的传感器数据采集、控制算法解算、控制执行量分配不同，图1所示星载电子系统因为采用了边缘计算体系架构，卫星姿轨状态感知、卫星姿轨控制率结算、卫星姿态控制力矩/轨道控制力执行三个主要环节被分散到传感节点和执行节点中，分布式的完成。其中，在卫星姿轨状态感知中，当前当班传感节点在通过无线通信网络路由1接收到来自任务节点4的任务需求后，根据任务需要的卫星状态类型和卫星状态精度，从系统状态表中挑选有效、可用的传感节点返回的信息，并在算力模块中完成数据融合，并通过无线通信网络路由1在系统内以250ms为周期进行广播。
在卫星姿轨控制率结算、卫星姿态控制力矩/轨道控制力矩中，当前当班执行节点在通过无线通信网络路由1接收到来自任务节点4的任务需求后，当班执行节点的算力模块根据任务节点4给出的卫星需要的姿态/轨道信息与当班传感节点广播的卫星状态数据进行解算，生成任务需要的姿态转矩或轨道力矩的执行数据，并根据任务需要的卫星状态调整精度，从系统状态表中挑选有效的、可用的执行机构，生成执行策略，选择最优执行方案，将执行任务和执行数据分配至相应的执行机构，并将自身的执行结果通过无线通信网络路由1在系统内以250ms为周期进行广播。
当本发明所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统进行基于边缘计算的卫星任务管控时，卫星任务管控涉及任务管理、资源管理、任务推理与任务分解。与传统依赖星载计算机进行集中式的任务管理、数据管理、部件管理、遥测遥控管理不同，图1所示星载电子系统因为采用了边缘计算体系架构，卫星的任务管理与执行、部件数据的判断、加工、分析与异常处理、地面遥测遥控指令的判断与解析被分散到传感节点和执行节点中，分布式的完成。
其中，任务节点4通过更新和维护系统状态表的方式管理星上可用资源状态，除广播系统状态表，任务节点4还将根据星地测控模块4-2接收的地面上注的不同类型、不同精度等的任务需求，判断、解析、推理任务，将不同任务按照长期、短期、不同类型、不同精度、优先级等因素进行分解、推理和归类，将所有任务的具体内容拆开、细分，并进行逻辑推理，将任务管理结果形成任务列表通过无线通信网络路由1在系统中广播。当有任务完成、变更或新增时，任务节点4的任务管控模块4-3删除或增加任务列表中相应的任务，自动更新列表，并通过无线通信网络路由1在系统中广播。当班节点收到系统广播的任务需求后，算力模块根据任务节点4发布的任务列表与系统状态表，将不同任务按照长期、短期、不同类型、不同精度、优先级等因素进行规划、合并与分配，合并能同一时间处理的任务，优先处理等级高的任务。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，包括无线通信网络路由(1)、多个传感节点(2)、多个执行节点(3)和任务节点(4)；任务节点(4)和无线通信网络路由(1)设置在卫星的结构舱内；多个传感节点(2)构成传感单元，多个执行节点(3)构成执行单元；每个传感节点(2)由相应的传感器(2-1)扩展而成，每个执行节点(3)由相应的执行机构(3-1)扩展而成；
所有传感节点(2)采集的卫星状态信息不同，所有执行节点(3)执行的调节任务不同，且传感节点(2)和执行节点(3)内均嵌入有边缘计算方法；任务节点(4)分别与传感节点(2)和执行节点(3)之间的通信均采用无线通信的方式实现，且无线通信基于WLAN802.11协议实现；
任命执行单元中的任意一个执行节点(3)作为当班执行节点；任命传感单元中的任意一个传感节点(2)作为当班传感节点，且除当班传感节点以外的所有传感节点(2)将其采集的卫星状态信息通过无线传输的方式发送至当班传感节点，并与当班传感节点所采集的卫星状态信息进行数据融合汇总；
当班执行节点，根据任务需求以及与任务需求相对应的传感节点(2)采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令对相应的执行机构(3-1)进行控制，执行机构(3-1)根据接收到的控制指令，执行相应的调节任务；
任务节点(4)，用于对地面传来的上行遥控信号解调，并广播解调后的任务需求，还用于对各传感节点(2)的节点状态和各执行节点(3)的节点状态通过无线通信网络路由(1)进行广播。
2.根据权利要求1所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，每个传感节点(2)包括传感器(2-1)、基于物理IO和接口协议实现的1号接口连接器(2-2)、1号算力模块(2-3)、1号无线通信网络接口(2-4)和1号天线(2-5)；
传感器(2-1)通过1号接口连接器(2-2)与1号算力模块(2-3)进行通信；
1号天线(2-5)通过1号无线通信网络接口(2-4)与1号算力模块(2-3)进行通信；
1号算力模块(2-3)作为传感节点(2)的处理器，其内嵌入有边缘计算方法。
3.根据权利要求2所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，执行节点(3)包括执行机构(3-1)、基于物理IO和接口协议实现的2号接口连接器(3-2)、2号算力模块(3-3)、2号无线通信网络接口(3-4)和2号天线(2-5)；
执行机构(3-1)通过2号接口连接器(3-2)与2号算力模块(3-3)进行通信；
2号天线(2-5)通过2号无线通信网络接口(3-4)与2号算力模块(3-3)进行通信；
2号算力模块(3-3)作为执行节点(3)的处理器，其内嵌入有边缘计算方法。
4.根据权利要求3所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，任务节点(4)包括对地天线(4-1)、星地测控模块(4-2)、任务管控模块(4-3)、3号无线通信网络接口(4-4)和3号天线(4-5)；
星地测控模块(4-2)通过对地天线(4-1)与地面站实现通信，对地天线(4-1)与地面站之间通过电磁波实现通信；
星地测控模块(4-2)，用于接收地面站发射的上行遥控信号并进行解调，解调后获得任务需求送至任务管控模块(4-3)；还用于将星上信息进行调制后，通过对地天线(4-1)发送至地面站；
任务管控模块(4-3)作为任务节点(4)的卫星数据处理器，用于对接收的任务需求进行任务分配、管理及控制，并通过3号天线(4-5)和无线通信网络路由(1)将调节任务发送至传感节点(2)和执行节点(3)。
5.根据权利要求4所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，任务管控模块(4-3)采用2片复旦微电子公司的FMQL45T900型SOC芯片实现。
6.根据权利要求4所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，1号无线通信网络接口(2-4)和2号无线通信网络接口(3-4)采用汽车级WLAN 802.11协议的数据转换芯片实现。
7.根据权利要求4所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，任务节点(4)对各传感节点(2)的节点状态和各执行节点(3)的节点状态通过无线通信网络路由(1)进行广播的实现方式为：
(一)每个传感节点(2)上电后，该传感节点(2)中的1号算力模块(2-3)通过1号接口连接器(2-2)向传感器(2-1)发送握手请求，当传感器(2-1)接收到1号算力模块(2-3)的握手请求后，自动返回握手回复信号；1号算力模块(2-3)上电接收到传感器(2-1)的握手回复信号后，依次通过1号无线通信网络接口(2-4)和无线通信网络路由(1)向任务节点(4)的任务管控模块(4-3)发送注册申请，注册申请中的信息包括传感器的类型、状态和型号；
当任务节点(4)的任务管控模块(4-3)接收到来自1号算力模块(2-3)的注册申请后，执行注册申请操作将注册申请中的信息整合进入系统状态表，并通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内进行传感节点(2)的节点状态广播，完成当前传感节点(2)的注册申请；
(二)每个执行节点(3)上电后，2号算力模块(3-3)经过2号接口连接器(3-2)向执行机构(3-1)发送握手请求，当执行机构(3-1)接收到握手请求后，自动返回握手回复信号；2号算力模块(3-3)上电接收到执行机构(3-1)的握手回复信号后，依次通过2号无线通信网络接口(3-4)和无线通信网络路由(1)向任务节点(4)的任务管控模块(4-3)发送注册申请，注册申请信息包括执行机构的类型、状态和型号；
任务节点(4)的任务管控模块(4-3)接收到来自2号算力模块(3-3)的注册申请后，执行注册申请操作将注册申请中的信息整合进入系统状态表，并通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内进行执行节点(3)的节点状态广播，完成当前执行节点(3)的注册申请。
8.根据权利要求7所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，当各传感节点(2)完成注册申请后，各传感节点(2)每隔30s将会重新发送注册申请至任务节点(4)的任务管控模块(4-3)，任务管控模块(4-3)执行注册申请操作；
当任意传感节点(2)因故障或功能调整从星载电子系统去掉后，相应的传感节点(2)将不再发送注册申请，并通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内对删除的传感节点(2)进行广播；
当任务节点(4)的任务管控模块(4-3)在300s内没有接收到至少1次来自各传感节点(2)的注册申请后，任务节点(4)中的任务管控模块(4-3)自动更改系统状态表，并将该传感节点(2)从星载电子系统中删除，并通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内进行广播；
当各执行节点(3)完成注册申请后，各执行节点(3)每隔30s将会重新发送注册申请至任务节点(4)的任务管控模块(4-3)，任务管控模块(4-3)执行注册申请操作；
当任意执行节点(3)因故障或功能调整从星载电子系统去掉后，相应的执行节点(3)将不再发送注册申请，并通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内对删除的执行节点(3)进行广播；
当任务节点(4)的任务管控模块(4-3)在300s内没有接收到至少1次来自各执行节点(3)的注册申请后，任务节点(4)中的任务管控模块(4-3)自动更改系统状态表，并将该执行节点(3)从星载电子系统中删除，并通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内进行广播。
9.根据权利要求8所述的面向微小卫星边缘计算的星载电子系统，其特征在于，当班执行节点，根据任务需求以及与任务需求相对应的传感节点(2)采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令对相应的执行机构(3-1)进行控制，执行机构(3-1)根据接收到的控制指令，执行相应的调节任务的具体过程包括：首先、
当任务管控模块(4-3)在300s内仍没有接收到当班传感节点的注册申请后，将自动更改系统状态表，删除当前的当班传感节点，任命新的当班传感节点；并通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内进行广播；同时任务管控模块(4-3)还通过无线通信网络路由(1)在星载电子系统内对任务需求和系统状态表进行广播；
其次、当班传感节点的1号算力模块(2-3)通过无线通信网络路由(1)接收到来自任务管控模块(4-3)发出的任务需求和系统状态表后，根据任务需求确定当前需要调整的卫星状态信息，并基于需要调整的卫星状态信息的类型，从系统状态表中挑选该需要调整的卫星状态信息的类型所对应的1个或多个传感节点(2)，并通过无线通信网络路由(1)进行广播；
再次、当班执行节点的2号算力模块(3-3)通过无线通信网络路由(1)接收到来自任务管控模块(4-3)发出的任务需求后，根据任务需求从当班传感节点中调用所广播的1个或多个传感节点(2)所对应采集的卫星状态信息，生成相应的控制指令，并根据所广播的1个或多个传感节点(2)所对应采集的卫星状态信息的类型，从系统状态表中挑选所述卫星状态信息的类型所对应的1个或多个执行节点(3)；
最后，根据当班执行节点生成的相应的控制指令对所挑选出的1个或多个执行节点(3)的执行机构(3-1)进行任务分配、管理及控制，使执行机构(3-1)执行相应的调节任务，并通过无线通信网络路由(1)进行广播。
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