WO2014178751A1 - Бортовой комплекс управления малым космическим аппаратом с открытой архитектурой и использованием технологий plug-and-play - Google Patents

Бортовой комплекс управления малым космическим аппаратом с открытой архитектурой и использованием технологий plug-and-play Download PDF

Info

Publication number
WO2014178751A1
WO2014178751A1 PCT/RU2013/000704 RU2013000704W WO2014178751A1 WO 2014178751 A1 WO2014178751 A1 WO 2014178751A1 RU 2013000704 W RU2013000704 W RU 2013000704W WO 2014178751 A1 WO2014178751 A1 WO 2014178751A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
network
devices
small spacecraft
data
control system
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000704
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Станислав Олегович КАРПЕНКО
Антон Сергеевич СИВКОВ
Антон Леонидович ВЛАСКИН
Николай Алексеевич НЕРОВНЫЙ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Спутниковые инновационные космические системы"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Спутниковые инновационные космические системы" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Спутниковые инновационные космические системы"
Publication of WO2014178751A1 publication Critical patent/WO2014178751A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F15/00—Digital computers in general; Data processing equipment in general
    • G06F15/16—Combinations of two or more digital computers each having at least an arithmetic unit, a program unit and a register, e.g. for a simultaneous processing of several programs

Definitions

  • the invention is intended to ensure the exchange of commands and data between elements of service systems and the payload, as well as control the power lines of automatic robotic systems, which can include small spacecraft.
  • SxPA SPUTNIX Plug-and-Play Architecture
  • BCC onboard control complex
  • MCA small spacecraft
  • SPA 121 standard adapted for microsatellites weighing 10 .. 50 kg.
  • Devices built in accordance with the SPA architecture for the construction of small spacecraft are taken as a prototype.
  • the problem solved by the utility model is to obtain a universal platform, with the possibility of increasing hardware and increased adaptability to local failures.
  • the technical result is to increase the versatility of the platform for building, building up a hardware complex, intended primarily for controlling a small spacecraft.
  • FIG. 1 shows the architecture of the construction of a system of the type of "double star"
  • FIG. . 2 architecture of the construction of a system of type "double-double star"
  • FIG. . 4 is a diagram of the apparatus of the MCA
  • FIG. . 8 structure of a central computing unit
  • FIG. . 9 structure compiled according to the standard SPA
  • FIG. . 10 is a structure compiled according to the SxPA standard.
  • Square blocks represent SpaceWire routers.
  • the round blocks in the diagram also have SpaceWire interfaces on the side of connecting to the routers.
  • these units can function as a transition from any digital interface to SpaceWire. This adapter can be easily changed to the required type of interface.
  • These blocks as well as routers play the role of transmission links in the on-board network, but do not perform intelligent routing. Such blocks are called switches. Each such unit is connected to a router (via the SpaceWire interface). Then they connect all the other blocks of the MCA control system, thus, as shown in figure 4. All devices can be conditionally divided into several varieties:
  • Type I blocks are shown on the diagrams by triangles. These are blocks that only transmit signals to other blocks. These are, as a rule, different sensors.
  • Type II blocks are displayed in a semicircular shape. These are blocks that only receive signals from other blocks. These are various actuators: heaters, steering engines, devices for controlling the position of cameras, antennas, etc.
  • Type III blocks are displayed in a square shape with double borders. These are blocks that both receive and transmit signals. These include central computing units containing processors that perform basic calculations, as well as a unit for organizing communications with the Earth (transmitting telemetry and other data, receiving commands and other data).
  • the communication unit can be performed as a combination of type I and II blocks. In addition, if there are separate blocks that perform the task of storing data, then they also belong to type III blocks.
  • Central routers duplicate each other. One of them is active and performs all routing functions. Other routers may be in hot or cold standby at this time. The remaining blocks (including switches) do not have information about which of the routers is currently active. All 4 packets that the switch must transmit through the router to another block, it duplicates to all routers. The active router processes all incoming packets. Passive routers ignore all packets, except service packets, necessary to control the integrity of the entire BCU system. Thus, data transfer will be carried out even if all but one of the routers fail.
  • the router processes incoming packets in that it determines which device it is destined for, then determines which switch it is connected to and passes it on.
  • Routers constantly monitor each other's availability - this is provided by SpaceWire technology. If the signals in the connection do not change within the specified time, this means the connection is disconnected. After several unsuccessful attempts to establish a connection, you should fix the loss of communication and periodically try to reconnect. If the router that detected the failure of the second is the main one, its mode of operation remains the same. If the router that detected the failure of the second is a backup, then it assumes the role of the main router (it starts to process and route incoming packets).
  • ROM read-only memory
  • the minimum configuration of the on-board control complex includes:
  • - routers (at least two) providing system scaling; - interface converters necessary for switching from various types of interfaces to the system bus used by the control panel - Space Wire;
  • - a unit for organizing communication with the Earth, which performs the reception of commands and the transmission of telemetry.
  • the microsatellite construction structure with the minimum configuration of the control unit, is shown in the diagram of FIG. 6.
  • the diagram shows that the structure contains all the necessary tools for scaling to the required amount of equipment.
  • 5V power supply to subscribers by default.
  • the 12 V bus is turned off to save power until orders are received, i.e. to.
  • On this bus are the most powerful consumers. If a short circuit is detected, the power line is disconnected.
  • the components of the BCU are the central addressing service, device registration service, local managers, subnet managers, and terminal device programs.
  • the Central Address Service (CAS) provides the issuance of SPA address blocks for managers
  • the device registration service stores data on the types and parameters of devices on the network (LS)
  • local managers (SM-L) provide address allocation within the processor and message routing
  • subnet managers (SM -X) provide interaction with devices in subnets of various physical levels (SpaceWire, CAN, G2S), routing and address allocation.
  • Figure 5 shows a typical SxPA system, consisting of SpaceWire routers, SpaceWire subnet managers, and local SxPA connections to interacting services.
  • SM-s In order for the SxPA endpoint on the SpaceWire subnet to become addressable, SM-s must identify the location of the SxPA endpoint and the associated SxPA components. This is done during the process of discovering the network topology, requesting a block of logical addresses for components, and requesting registration of the component from the SxPA Lookup Service. From the moment a component delivers its xTEDS to the SxPA Lookup Service, the component services can be used by other SPA network components.
  • LM locates on one of the CAS processors and receives an address block from it, after which the manager distributes addresses to all devices and requests address blocks for subnet managers located on the same processor, which in turn assign address blocks in their network Managers on their subnet.
  • This operation continues like an avalanche until addresses are assigned to all devices on the network.
  • managers form a routing table. After assigning addresses, each of the devices is registered in the device registration service and is ready to provide information upon request. If one of the devices needs any type of testimony, it asks the registration service for the addresses of devices capable of providing the necessary data and then addresses them directly.
  • SpaceWire - the on-board control complex (BKU) subnet provides maintenance of the on-board data exchange network between the main modules of the service systems, between the service systems and the payload, and routes telemetry packets and useful information.
  • the basis of this BKU subnet is Plug-and-Play architecture, which provides the ability to connect the device to the system without its preliminary preparation, and automate the process of device recognition and data exchange between them.
  • the backbone bus for data exchange is SpaceWire standard ECSS-E-ST-50-12C.
  • the top-level protocol in the network is a modernized implementation of the Space Plug-and-Play Architecture Standard (SPA-S) developed by the American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) and adapted for use on microsatellites by SPUTNICS specialists.
  • the adapted variation is called SxPA (SPUTNIX Plug-and-Play Architecture).
  • the bus bandwidth in the satellite BCU is up to 30 Mbit / s.
  • the central processor of the control unit in the SpaceWire subnet is the Plug-and-Play manager, as well as routers (routers) for routing
  • the software part of the BKU is a set of pre-written programs and API functions.
  • the main task of the BKU software complex is to organize a network infrastructure in a heterogeneous networks, dynamic detection of connection and disconnection of components, organization of a single address space that allows data transfer along the optimal path between devices using various communication protocols.
  • BKU allows new devices connected to the satellite network to access all devices already available on the network, regardless of their physical implementation, allows you to search for the necessary devices on the network based on the device class and its parameters, and also allows you to monitor the status of the network and connected devices.
  • the number of subscribers in the system is up to 64.
  • each is provided with a unique identifier for unambiguous registration in the system.
  • subnets can be created, in this case, gateways should be used to transfer data between subnets;
  • End-to-end testing after assembly ⁇ provides a mechanism that allows you to manage the interfaces of network subscribers at the stage of ground tests and perform their end-to-end express testing at a specialized stand in the "hardware-in-the-loop" mode.
  • the SpaceWire network has only two classes of devices: routers and endpoints or nodes. Routers control the direction of data within the network: accepting a datagram on one port, redirect it to another (assigned) port. The direction of data is controlled by addressing such as path routing, in which the router checks the first byte of the datagram to determine which port should be used as the outgoing one.
  • the destination on the SxPA SpaceWire subnet must be an SxPA-compliant device. In order to meet SxPA- standard, the device must meet the conditions for the organization of 'data, power system grounding, temporal parameters described in SxPA standard documentation.
  • the endpoint on the SxPA network must also support the discovery protocol defined in this document if it is intended to be used on an SxPA-S network. Similarly, peripheral processors must support the described protocol, and the host SxPA network application must support the discovery function.
  • routing SM-X transferring a new manager to gateway mode.
  • the actions on points 10-24 can be repeated many times depending on the complexity of the network topology, the actions on points 17-24 in simple networks may be absent.
  • RMAP for configuring and controlling instrument operating modes - STUP (Serial Transfer Universal Protocol) - for receiving and transmitting high-speed traffic.
  • STUP Serial Transfer Universal Protocol
  • the main difference between the SxPA software and SPA is the presence of physical layer discovery protocols for Ethernet, UART, and CAN networks. Also, when SxPA network is initialized, information about the relative bandwidth of the lines is stored and those paths between processors that are more efficient are used. While in the SPA implementation, any two devices can be connected odn.m only way (SpaceWire). The SPA approach does not allow maintaining the system's performance in case of failure of a high-speed section of the circuit or one of the processors. For example, in the diagram, the USB subnet will be available even if processor 3 fails (Fig. 9, 10).
  • All devices on board the TabletSat micosatellite platform according to the SxPA standard are connected to the control panel with two connectors: Micro-D 15-pin for data exchange and Micro-D 9-pin for power supply.
  • the connector on the device type Micro-D 15-pin for data exchange contains two CAN2B lines. one SpaceWire bus, as well as a reserve for connecting UART, I2C, etc.
  • the plug type. The pinouts are shown in table 1.
  • the Micro-D type 9-pin connector for powering the device has two stabilized power lines: 5V ⁇ 0.1 and 12 ⁇ 0.3V. Socket type. The pinouts are shown in table 2.
  • the device can have only one data connector and at least one power connector.
  • the claimed on-board control system for the microsatellite which is based on the modular principle of building standard office systems and payload, which allows you to create a scalable architecture and technical characteristics of the satellite according to the principle of a LEGO constructor.
  • the claimed on-board control system for the microsatellite of the industry is applicable, because it uses elements, components and assemblies manufactured in an industrial way, and their combination can be performed under industrial production conditions.
  • VA 20191 201 1 http://aiaa.kavi.com/public/pub_rev/SPA_G-133-10- 201X_PR.pdf

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

Заявлена архитектура системы информационного обмена между компонентами бортового комплекса управления (БКУ) малого космического аппарата (МКА) типа ТаблетСат. В состав БКУ ТаблетСат входит бортовая вычислительная система; система управления движением относительно центра масс; навигационная система; система управления энергопитанием; информационно-телеметрическая система; бортовая аппаратура служебного радиоканала управления. Задачи, решаемые БКУ ТаблетСат управление движением МКА; обеспечение навигации; командно-логическое управление служебными системами и полезной нагрузкой; сбор, обработка и анализ телеметрической информации; автоматическое управление переходом на резервное оборудование и резервные режимы управления; автоматическое управление линиями питания приборов и систем. В основе построения системы информационного обмена БКУ МКА лежит принцип SPUTNIX Plug-and-Play Architecture (SxPA). Этот принцип является реализацией стандарта Space Plug-and-Play Architecture, адаптированном для микроспутников массой 10-50 кг.

Description

БОРТОВОЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ МАЛЫМ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ С ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРОЙ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ТЕХНОЛОГИЙ PLUG-AND-PLAY
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение предназначено для обеспечения обмена командами и данными между элементами служебных систем и полезной нагрузкой, а также управления линиями питания автоматических роботизированных систем, к которым могут быть отнесены малые космические аппараты.
Уровень техники
В основе построения системы информационного обмена бортового комплекса управления (БКУ) малого космического аппарата (МКА) лежит принцип SPUTNIX Plug-and-Play Architecture (SxPA). Этот принцип является реализацией стандарта Space Plug-and-Play Architecture SPA 121 адаптированном для микроспутников массой 10.. 50 кг. Устройства, построенные в соответствии со SPA архитектурой построения малых космических аппаратов взяты как прототип.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в получении универсальной платформы, с возможностью наращивания аппаратных средств и повышенной адаптивностью к локальным отказам.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение универсальности платформы для построения , наращивания аппаратного комплекса , предназначенного преимущественно для управления малым космическим аппаратом .
Поставленная задача решается, и заявленный технический результат достигается путем создания платформы, реализующий основной принцип, архитектуры SxPA, заключающийся в обобщении понятия «модульность» путем рассмотрения элементов и служебных систем БКУ МКА как источников и потребителей «сервисов», а не как физических устройств. Любая, совместимая с SxPA информационная компонента спутника (датчик, исполнительный элемент, служебная система , полезная нагрузка и т . п .), добавляемая в БКУ , получает возможность обмена данными и выполнения функционального назначения без необходимости модернизации бортового ПО , установки дополнительных драйверов , программных интерфейсов и прочих механизмов вмешательства в работу БКУ . Таким образом , идеология SxPA обеспечивает быструю разработку . интеграцию , тестирование и запуск малых спутников (служебных систем . полезной нагрузки ), решающих различные задачи - от образовательных до задач дистанционного зондирования Земли ( ДЗЗ ).
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняют следующие иллюстрирующие материалы:
На фиг . , 1 показана архитектура построения системы типа « двойная звезда»;
На фиг . . 2 - архитектура построения системы типа «двойная -двойная звезда»;
На фиг . . J - архитектура построения системы типа «тройная звезда».
На фиг . . 4 - схема аппаратуры МКА;
На фиг . . 5 - устройство SxPA системы;
На фиг . . 6 - масштабируемость БКУ;
На фиг . . 7 - структура роутера;
На фиг . . 8 - структура центрального вычислительного блока;
На фиг . . 9 - структура , составленная по стандарту SPA;
На фиг . . 10 - структура , составленная по стандарту SxPA.
Осуществление изобретения
Принятые обозначения
1 - SPA-L.
2 - CAS.
3 - SM-L.
4 - SM-S
5 - SPA Lookup Service.
6 - SPW router.
7 - SPA-EP.
Известные БКУ строиться на основе сети Space Wire. Преимуществами сетевой архитектуры БКУ на основе SpaceWire являются наличие нескольких путей передачи данных ( что важно с точки зрения отказоустойчивости ) и хорошая масштабируемость. В качестве базовой топологии бортовым комплексом управления могут быть использованы различные модификации соединения типа «звезда» с быстродействующим коммутатором в качестве центрального узла . Возможными кандидатами представляются топологии «двойная звезда», «двойная - двойная звезда» и «тройная звезда» и другие .
Варианты некоторых возможных (но не единственных) топологий бортовой сети БКУ на основе SpaceWire приведены на фиг .1, 2, 3.
Квадратными блоками изображаются SpaceWire- маршрутизаторы.
Круглые блоки на схеме также имеют интерфейсы SpaceWire со стороны подключения к маршрутизаторам . Кроме того эти блоки могут выполнять функцию перехода от любого цифрового интерфейса к SpaceWire. Этот переходник может быть легко изменен под необходимый тип интерфейса. Данные блоки также как и маршрутизаторы играют роль передаточных звеньев в бортовой сети , но не выполняют интеллектуальной маршрутизации . Такие блоки называют коммутаторами. Каждый такой блок подключен к маршрутизатору (по интерфейсу SpaceWire). Далее к ним подключаются все остальные блоки системы управления МКА , таким образом , как изображено на фигуре 4. Все устройства условно можно разделить на несколько разновидностей :
- Блоки I типа отображены на схемах треугольниками . Это блоки , которые только передают сигналы другим блокам . Это , как правило , разные датчики .
- Блоки II типа отображены полукруглой формы . Это блоки , которые только принимают сигналы от других блоков . Это различные исполнительные устройства : нагреватели , рулевые двигатели , устройства управления положением камер , антенн и др .
- Блоки III типа отображены квадратной формы с двойными границами. Это блоки , которые и принимают и передают сигналы . К ним можно отнести центральные вычислительные блоки , содержащие процессоры , выполняющие основные вычисления , а также блок для организации связи с Землей (передача телеметрии и других данных , прием команд и других данных ).
Блок связи может быть выполнен как совокупность блоков I и II типа. Кроме того, если есть отдельные блоки , выполняющие задачу хранения данных, то они также относятся к блокам III типа . Центральные маршрутизаторы дублируют друг друга. Один из них является активным и выполняет все функции маршрутизации. Другие маршрутизаторы могут в это время находиться в горячем или холодном резерве . Остальные блоки ( в том числе и коммутаторы ) не имеют информации о том , какой из маршрутизаторов в данный момент является активным . Все 4 пакеты , которые коммутатор должен передать через маршрутизатор другому блоку , он дублирует на все маршрутизаторы . Активный маршрутизатор обрабатывает все поступающие пакеты . Пассивные маршрутизаторы игнорируют все пакеты , кроме служебных, необходимых для контроля целостности всей системы БКУ. Таким образом , передачу данных осуществят , даже если откажут все маршрутизаторы , кроме одного.
Обработка маршрутизатором входящих пакетов заключается в том, что он определяет, какому устройству он предназначается, затем определяет, к какому коммутатору оно подключено и передает его дальше .
Маршрутизаторы постоянно отслеживают доступность друг друга - это предусмотрено технологией SpaceWire. Если сигналы в соединении не изменяются в течение заданного времени , это означает разрыв соединения . После нескольких неудачных попыток установить соединение , следует фиксировать потерю связи и периодически пытаться вновь установить соединение . Если маршрутизатор , обнаруживший отказ второго , является основным , его режим работы остается прежним . Если же маршрутизатор, обнаруживший отказ второго , является резервным , то он берет на себя роль основного маршрутизатора ( начинает обрабатывать и маршрутизировать входящие пакеты ).
Смена роли маршрутизатора с резервного на основной и обратно может быть сопряжена с рядом необходимых действий. Все эти действия прописываются в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), каждого маршрутизатора . Список действий модифицируют под конкретную систему . Кроме того имеется возможность изменять данный список действий из центра управления полетом.
На основании вышеописанного алгоритма работы системы минимальная конфигурация бортового комплекса управления вкдючает :
- центральный вычислительный блок , выполняющий основные вычисления ;
- маршрутизаторы ( минимум два ) обеспечивающие масштабирование системы ; - преобразователи интерфейсов , необходимые для перехода с различных типов интерфейсов на используемую БКУ системную шину - Space Wire;
- блок для организации связи с Землей , который выполняет прием команд и передачу телеметрии .
Важно отметить, что минимальная конфигурация не включает в себя резервирования . Если это необходимо , то осуществляется согласно схемам типа двойная звезда , тройная звезда и т . п ., описанным в настоящем документе ( см . фиг . 1. 2, 3).
Структура построения микроспутника, при минимальной конфигурации БКУ показана на схеме фиг . 6. На схеме видно, что структура содержит все необходимые средства для масштабирования под необходимое количество оборудования .
Пусть мы имеем N устройств с которыми необходимо наладить связь, для этого нам необходимо иметь М роутеров , причем М = N/3, т . к . каждый роутер имеет 4 порта , а один порт всегда занят для связи с CPU. Так же, если устройство не имеет встроенного SxPA протокола верхнего уровня - необходимо установить К преобразователей интерфейсов. В случае необходимости резервирования необходимо продублировать основные блоки нужное количество (I) раз. При этом необходимо помнить , что резервирование требует еще одного порта на роутере и в этом случае М = N/2.
Для SxPA необходимо иметь возможность управлять питанием разных типов потребителей (абонентов сети). Для обеспечения этой функции, а так же увеличения масштабируемости , в роутер была добавлена функция коммутации питания . Однако существует жесткая привязка порта питания к порту обмена данными . Физически порты располагаются друг над другом .
Стоит отметить, что питание 5В поставляют абонентам по умолчанию. Шина 12 В отключена для экономии энергии до получения распоряжений, т . к . на этой шине расположены самые мощные потребители. В случае обнаружения короткого замыкания линию питания отключают.
Структурные схемы Центрального процессорного модуля и интерфейсного переходника очень похожи и, по сути , являются модификацией друг друга (что удобно с точки зрения унификации). Поэтому рассмотрим структуру только процессорного модуля ( фиг . 8). Для обмена информацией с необходимой скоростью используют драйверы . которые обеспечивают согласование линий передачи данны . Такие драйверы необходимы в первую очередь для шин SpaceWire и CAN. После драйвера сигнал поступает на процессор , в данном случае LEON3, который снабжен кодеками преобразующими поток данных в понятный для программиста массив .
Для передачи информации по каналу связи необходимо выбрать протокол низкого уровня , который бы обеспечил помехозащищенность , проверку ошибок, проверку доступности шины данных . Все эти действия происходят автоматически , согласно инструкциям , заложенным в кодеке . Хранения промежуточных значений вычислений или данных для отправки / передачи происходит в ОЗУ . Программа выполняющаяся в процессоре храниться в ПЗУ, так же там могут храниться таблицы адресов устройств . Для простоты на этой структуре не показаны шины питания .
Составными частями БКУ являются центральный сервис адресации, сервис регистрации устройств , локальные менеджеры , менеджеры подсетей , и программы оконечных устройств . Центральный адресный сервис (CAS) обеспечивает выдачу блоков SPA адресов для менеджеров , сервис регистрации устройств хранит данные о типах и параметрах устройств в сети (LS), локальные менеджеры (SM-L) обеспечивают распределение адресов внутри процессора и роутинг сообщений , менеджеры подсетей (SM-X) обеспечивают взаимодействие с устройствами в подсетях различного физического уровня (SpaceWire, CAN, Г2С), роутинг и распределение адресов .
На рис .5 показана типичная SxPA система, состоящая из SpaceWire роутеров , менеджеров подсети SpaceWire и локальных соединений SxPA со взаимодействующими службами . Для того , чтобы конечный пункт SxPA в подсети SpaceWire стал адресуемым , SM-s должен идентифицировать местоположение конечного пункта SxPA и связанные с ним SxPA компоненты. Это осуществляется во время процесса обнаружения топологии сети , запроса блока логических адресов для компонентов и запроса на регистрацию компонента от службы SxPA Lookup Service. С момента доставки компонентом своей xTEDS для SxPA Lookup Service, службы компонента могут быть использованы другими SPA компонентами сети. При инициализации системы LM находит на одном из процессоров CAS и получает от него блок адресов , после этого менеджер раздает адреса всем устройствам и запрашивает блоки адресов для менеджеров подсетей, расположенных на том же процессоре , те в свою очередь присваивают адресам в своей сети и блоки адресов менеджерам , находящимся в их подсети. Эта операция продолжается лавинообразно, пока не будут назначены адреса всем устройствам в сети. В процессе распределения адресов менеджеры формируют таблицу маршрутизации. После присваивания адресов каждое из устройств регистрируется в сервисе регистрации устройств и готово предоставлять информацию по запросу. Если одному из устройств нужны показания какого - либо типа он запрашивает у сервиса регистрации адреса устройств способных предоставить необходимые данные и далее обращается непосредственно к ним.
SpaceWire- подсеть бортового комплекса управления ( БКУ ) обеспечивает поддержание бортовой сети обмена данными между основными модулями служебных систем , между служебными системами и полезной нагрузкой , и осуществляет маршрутизацию пакетов телеметрии и полезной информации . В основе данной подсети БКУ лежит архитектура Plug-and-Play, обеспечивающая возможность подключать устройство к системе без его предварительной подготовки , и автоматизировать процесс распознавания устройств и обмена данными между ними . Магистральной шиной обмена данными является SpaceWire стандарта ECSS-E-ST-50-12C. Протоколом верхнего уровня в сети является модернизированная реализация стандарта Space Plug-and-Play Architecture Standard (SPA-S), разработанный Американским институтом аэронавтики и астронавтики (AIAA), и адаптированный для использования на микроспутниках специалистами компании СПУТНИКС . Адаптированная вариация называется SxPA (SPUTNIX Plug-and-Play Architecture). Пропускная способность шины в составе БКУ спутника - до 30 Мбит / сек .
Центральным процессором БКУ в SpaceWire- подсети является Plug-and- Play- менеджер, а также роутеры ( маршрутизатры ) для маршрутизации
SpaceWire- траффика.
Программная часть БКУ представляет из себя набор предварительно написанных программ и API функций. Основной задачей программного комплекса БКУ является организация сетевой инфраструктуры в гетерогенной сети, динамическое обнаружение подключения и отключения компонент, организация единого адресного пространства, позволяющего передачу данных по оптимальному пути между устройствами использующими различные протоколы связи . БКУ позволяет новым устройствам подключенным к сети спутника получить доступ ко всем уже имеющимся в сети устройствам , независимо от их физической реализации , позволяет вести поиск необходимых устройств в сети опираясь на класс устройства и его параметры , также позволяет проводить мониторинг состояния сети и подключенных устройств .
Основные характеристики SxPA:
• реализация идеологии Plug-and-Play ( автоматическое распознавание и встраивание периферии ) при подключении к БКУ бортовых устройств , служебных систем и полезной нагрузки ( в совокупности - абонентов );
• использование в БКУ в качестве магистральной последовательной шины данных Space Wire и CAN2B;
• максимально широкое использование в БКУ уже существующих технологий , аппаратных решений и стандартов передачи данных , используемых в компьютерной технике ;
• максимальное использование в программной реализации opensource- проектов . поддерживаемых сообществом разработчиков ;
• использование доступной элементной базы стандарта industrial (COTS- компоненты );
• невысокое энергопотребление элементной базы ;
• наличие элементной базы на коммерческом рынке ;
• небольшая масса системы ;
• масштабируемость системы ;
• надежность системы ;
• конструктивная унификация ( использование по возможности однородных компонент от как можно меньшего числа производителей );
• высокая пропускная способность шины данных , связывающей абонентов между собой - не менее 30 Мбит / сек с возможностью увеличения до 150 Мбит / сек ;
• живучесть системы ( продолжение работы системы при одном отказе без потери функционала ); • возможность прямого обмена данными на логическом уровне между любыми
двумя устройствами в системе ( децентрализованная схема взаимодействия );
• возможность построения сети устройств любой топологии
• минимальные задержки при передаче данных между абонентами системы ;
• наличие средств синхронизации времени между абонентами ;
• помехоустойчивость ;
Количество абонентов в системе - до 64.
Принцип Plug-and-Play в SxPA подразумевает, что подключаемые к системе устройства :
• несут с собой « прошитую » конфигурационную информацию , описывающую устройство с точки зрения его назначени , функционала , типа используемых и выходных данных и сервисов ;
• предоставляют конфигурационную информацию системе автоматически при подключении ;
• автоматически детектируются системой при подключении , без априорного знания их физического места расположения или их точки подключения к сети ;
• регистрируются в системе как поставщики или потребители одного из известных, системе сервисов , сообщая о режимах работы , типах требуемых и потребляемых данных и т . п ., т . е . получают собственную « роль »;
• автоматически перерегистрируются системой в случае их модернизации или апгрейда ;
• автоматически становятся « видны » всем остальным абонентам , уже зарегистрированным в системе ;
• рассматриваются системой как « сервисы », обеспечивающие тот или иной тип данньгх ( измерения . управляющие воздействия , телеметрия , навигационная информация и т . п .), а не как физические устройства ;
• общаются между собой по протоколу посредством стандартизированных сообщений в соответствии с их ролью в системе ; формат сообщений не зависит от какого - либо из языков программирования ; возможность общения устройств происходит без априорного знания их физического размещения или положения Б сети . • периодически контролируются системой с точки зрения их работоспособности ;
• в случае выхода из строя ( несоответствия протоколу , отсутствию связи и т . п .) автоматически блокируются с соответствующей нотификацией в системе всем заинтересованным участникам обмена;
• передают конфигурационную информацию в центральный репозиторий , где он записывается в энергонезависимую память , так что другим участникам необязательно обращаться за ней напрямую к самому устройству ; они могут обратиться к центральному репозиторию ;
• могут быть полностью удалены из системы ( деинсталлированы );
• каждое снабжается уникальным идентификатором для однозначной регистрации в системе .
Сетевая идеология SxPA подразумевает :
• система, состоящая из абонентов и собственных сервисных компонент, самодостаточна , т . е . не требует внешних источников данных ;
• абоненты могут быть подключены к любой точке сети ;
• в случае разветвленной сетевой структуры могут быть созданы подсети , в этом случае для передачи данных между подсетями должны использоваться шлюзы ;
• конфигурирование сети абонентов выполняется автоматически, независимо от ее назначения ;
Устойчивость к сбоям
• система автоматически детектирует , диагностирует и корректирует критические сбои внутри себя ;
• система автоматически сигнализирует о наличии проблем в своей работе ;
• система автоматически обеспечивает самовосстановление в случае сбойной работы одного из сетевых путей путем динамического определения и обеспечения альтернативного пути , если таковой имеется ;
• абонент обеспечивает систему статусной информацией о себе по запросу ;
• компоненты умеют автоматически детектировать и диагностировать ситуацию отключения от сети ;
• система контролирует статус абонентов .
Сквозное тестирование после сборки Б У обеспечивает механизм, позволяющий управлять интерфейсами абонентов сети на этапе наземных испытаний и выполнять их сквозное экспресс - тестирование на специализированном стенде в режиме «hardware-in-the-loop».
Основными отличиями нашей системы от аналогов является поддержка не только USB, I2C и Space Wire протоколов, но также CAN и UART. Кроме того, система разрабатывается с учетом возможности объединения нескольких процессоров з кольцо или сеть, что повысит надежность в случае выхода из строя отдельных сегментов сети. В то время как оригинальный протокол верхнего уровня позволяет лишь древовидную схему объединения процессоров .
Сеть SpaceWire имеет только два класса устройств: это маршрутизаторы (routers) и конечные пункты (endpoints) или узлы. Маршрутизаторы управляют направлением данных внутри сети : принимая датаграмму на один порт, перенаправляют её на другой (назначенный ) порт. Управление направлением данных выполняют адресацией типа path routing, заключающейся в том , что маршрутизатор проверяет первый байт датаграммы, чтобы определить какой порт должен быть использован в качестве исходящего . Конечный пункт в подсети SxPA SpaceWire должен быть SxPA- совместимым устройством . Для того, чтобы соответствовать SxPA- стандарту , устройство должно отвечать условиям по организации ' данных , системы питания и заземления , временным параметрам , описанным в документации стандарта SxPA.
Конечный пункт в сети SxPA также должен поддерживать протокол обнаружения , определенный в этом документе , если предполагается использовать его в сети типа SxPA-S. Аналогично, процессоры периферийных устройств должны поддерживать описанный протокол, а хост - приложение SxPA сети должно поддерживать функцию обнаружения .
Приложения ( их может быть несколько ), поддерживающие функции обнаружения и обмена с мастером, должны формировать протокол обмена, описанный в документе AIAA Space Plug-and-Play Architecture Standard.
Последовательность действий происходящей в любом блоке, поддерживающим SxPA следующий :
1. Запуск Центральной службы адресации (CAS).
2. Запуск Локального SPA менеджера (SM-L).
3. Запрос опознавания от CAS к SM-L. 4. Опознавание CAS локальным менеджером , регистрация в таблице роутинга (routing) SM-L.
5. Запрос локальным менеджером блока адресов у CAS.
6. Выдача CAS блока адресов для локального менеджера .
7. Запрос опознавания от локальных оконечных устройств к SM-L.
8. Опознавание локальных устройств локальным менеджером .
9. Присвоение менеджером адресов из адресного блока всем локальным устройствам .
10. Запрос опознавания от менеджера подсети (SM-X) к SM-L.
1 1. Опознавание SM-X локальным менеджером , регистрация в таблице роутинга SM-L.
12. Запрос локальным менеджером блоков адресов у CAS для SM-X.
13. Выдача CA.S блоков адресов для менеджеров SM-X и передача их SM-L.
14. Регистрация путей к SM-X в таблице роутинга (routing) SM-L и передача блоков адресов от SM-L к SM-X.
15. Опознавание оконечных устройств в подсетях различного физического уровня менеджерами SM-X ( порядок различен для разных физических уровней ).
16. Выдача адресов из полученных блоков менеджерами SM-X в своих подсетях .
17. Опознавание иного SM-X расположенного не на процессоре с CAS, менеджером SM-X.
18. Опознавание нового SM-X менеджером , регистрация в таблице
роутинга (routing) SM-X, перевод нового менеджера в режим шлюза .
19. Передача пути до нового шлюза всем остальным менеджерам ( по цепочке ).
20. Запрос менеджером SM-X блоков адресов у CAS для SM-L
находящегося за шлюзом .
21. Выдача С AS блоков адресов для менеджера SM-L и передача их SM-X.
22. Регистрация путей к SM-L в таблице роутинга (routing) SM-L и передача блоков адресов от SM-X к SM-L.
23. Опознавание локальных устройств новым локальным менеджером .
24. Выдача адресов из полученных блоков менеджерами SM-X в своих подсетях . 25. Опознавание одним из менеджеров сервиса регистрации (LS).
26. Выдача менеджером адреса для LS.
27. Передача пути до LS обнаружившим его менеджером всем остальным менеджерам ( по цепочке ).
28. Запрос всем скоиечными устройствами своих менеджеров о пути до LS.
29. Запрос от всех устройств на регистрацию в LS и передача данных о своем типе.
30. Ответ от LS всем устройствам о регистрации их у себя .
31. Запрос от оконечного устройства к LS об адресе другого необходимого устройства (по параметрам устройства).
32. Ответ от LS оконечному устройству с адресами всех подходящих устройств .
33. Прямой обмен между устройством и другими необходимыми устройствами .
Действия по пунктам 10-24 могут повторяться многократно в зависимости от сложности топологии сети , действия по пунктам 17-24 в простых сетях могут отсутствовать .
В качестве SpaceWire- протоколов низкого уровня могут быть использованы :
RMAP - для конфигурирования и управления режимами работы приборов - STUP (Serial Transfer Universal Protocol) - для приема и передачи высокоскоростного трафика .
ОТЛИЧИЯ SPA и SxPA
1 Сравниваемый SPA SxPA Полезно именно 1 параметр для МКА?
1 j Бортовое 27 В 5 и 12 В Да, минимизация напряжение размеров
конечных
1 потребителей , простота
! интеграции
2 1 Количество 1 большой 2 малых Да, уменьшение j разъемов габаритов блоков
1 БКУ
3 1 Установка в конечных В БКУ Да, уменьшение
! стабилизатора приборах габаритов
J напряжения конечных
приборов при незначительном
! увеличении размеров блоков
БКУ
Использование Не Стандартизованы: Да. Проще роутера в БКУ стандартизируете положение разъемов интеграция, я относительно друг минимизация друга; габаритов, количество портов воможность роутера; реализации Plug- форм-фактор роутера; and-Play по способ управления питания питанием конечных
устойств;
иниатюризац ι Не важно Максимальные за Да, минимизация ия, счет: стоимости,
Унификация и j - использования энергопотреблени стандартизация | стандартных я
схемных «блочных»
решений, элементной
базы, ПО
Использование j Не важно Стандартизированны Да,
переходников , й универсальный
для ί переходник на
гетерогенных решениях,
сетей : унифицированных с
роутерами и
i процессрным блоком
1 БКУ
Аппаратная I2C, SPI, USB I2C, U ART, SPI, Да, надежность, поддержка Ethernet, CAN совместимость с подключения \ имеющимся не-SpaceWire ; оборудованием, (SW)-ceTen j отладка j Поддержка i нет да Да, повышение 1 альтернативны | надежности x обходных 1
j путей в 1
j Space Wire и
ί гетерогенных '
; сетях
1 Управление ! Не С использованием Да (унификация,
' питанием < стандартизовано RMAP РпР-поддержка)
Алгоритмы 1 I2C, SPI, USB, SW I2C, UART, SPI, Да, расширение обнаружения | Ethernet, CAN, SW функционала. оконечных j
устройств для j
сетей 1
различного 1
физического ;
уровня ! Основное отличие программной части SxPA от SPA - наличие протоколов обнаружения на физическом уровне для сетей Ethernet, UART и CAN. Так же при инициализации SxPA сети сохраняется информация об относительной пропускной способности линий и используются те пути между процессорами, которые более эффективны. В то время как в SPA реализации два любых устройства могут быть связаны однг.м единственным путем (SpaceWire). Подход SPA не позволяет сохранить работоспособность системы в случае выхода из строя высокоскоростного участка цепи или одного из процессоров. Например, на схеме подсеть USB будет доступна даже при выходе из строя процессора 3 (фиг. 9, 10).
Далее представлены требования к информационным разъемам и разъемам питания , которые необходимо удовлетворить при проектировании приборов и систе , совместимых с БКУ ТаблетСат .
Все приборы на борту микоспутниковой платформы ТаблетСат согласно стандарту SxPA подключаются к БКУ двумя разъемами : Micro-D 15- контактный для информационного обмена и Micro-D 9- контактный для обеспечения питания.
Разъем на приборе типа Micro-D 15- контактный для информационного обмена содержит две линии CAN2B. одну шину SpaceWire, а так же резерв для подключения UART, I2C и др . Разъем типа «plug». Распиновка приведена в таблице 1 .
Figure imgf000017_0001
10 ; SpW_Strobe_in- 1 1 SpW_Data_out-
12 1 SpW Strobe out-
13 1 CAN_1 -
14 CAN_2-
15 Test
Разъем на приборе типа Micro-D 9-контактный для питания прибора две стабилизированных линии питания: 5В±0.1 и 12±0.3В. Разъем типа «Socket». Распиновка приведена в таблице 2.
Figure imgf000018_0001
Прибор может иметь только один информационный разъем и не менее одного разъема питания.
Заявленный бортовой комплекс управления для микроспутника, в основе которого лежит модульный принцип построения из типовых служебных систем и полезной нагрузки, позволяющий формировать масштабируемую архитектуру и технические характеристики спутника по принципу LEGO-конструктора.
Главные отличительные особенности комплекса:
• использование информационного разъема собственной разработки, содержащего основную и резервную шины CAN, а также SpaceWire; небольшая масса, энергопотребление Plug-and-Play- инфраструктуры по сравнению с аналогами за счет использования специально подобранной унифицированной элементной базы;
• использование разъема питания собственной разработки ;
• обеспечение конечным пользователям стабилизированных шин питания 5 В и 12 В
• использование глины CAN2B совместно со SpaceWire;
• использование шины SpaceWire с пропускной способностью не менее 30 Мбит / сек как основной информационной ( магистральной ) шины для малого космического аппарата массой 10..50 кг;
• адаптация стандарта SPA для реализации информационного интерфейса бортовой Plug-and-Play- идеологии ( стандарт SxPA).
• использование оригинальной аппаратно - программной архитектуры Plug-and- Play - системы, основанной на открытом («ореп-source») программном
обеспечении ;
» использование унифицированных электронных компонент с малым
энергопотреблением во всех устройствах SxPA- сети ;
использование универсальной системы распределения энергопитания, поддерживающей Plug-and-Play- архитектуру SxPA.
Заявленный бортовой комплекс управления для микроспутника промышленио применим, поскольку использует элементы, узлы и агрегаты, изготовленные промышленным способом, и их объединение может быть выполнено з условиях промышленного производства.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Space Plug-and-Play Architecture (SPA) Standard 1801 Alexander Bell Drive,
Reston, VA 20191 201 1, http://aiaa.kavi.com/public/pub_rev/SPA_G-133-10- 201X_PR.pdf
2. Space Plug-and-Play Architecture Networking: A Self-Configuring Heterogeneous Network Architecture Dec .2012 http://digitalcommons.usu.edu/etd/1422/

Claims

ФОРМУЛА
1. Бортовой комплекс управления малого космического аппарата, характеризующийся следующим составом устройств центральный сервис адресации, сервис регистрации устройств, локальные менеджеры, менеджеры подсетей, программы оконечных устройств, причем
- центральный сервис адресации (CAS) обеспечивает выдачу блоков SPA адресов для менеджеров ,
- сервис регистрации устройств хранит данные о типах и параметрах устройств в сети (LS),
- локальные менеджеры (SM-L) обеспечивают распределение адресов внутри процессора и роутинг ( адресацию ) сообщений , менеджеры подсетей (SM-X) обеспечивают взаимодействие с устройствами в подсетях различного физического уровня (Space Wire, CAN, I2C), роутинг и распределение адресов, отличающийся тем , что снабжена следующими элементами узлами и агрегатами , позволяющими реализовать модульный принцип построения и расширения системы :
- специализированный блок питания , содержащий выходные разъемы с соответствующими параметрами питания для всех возможных известных и перспективных потребителей , которые могут быть включены в систему ;
- порты ввода - вывода протоколов USB, I2C, CAN, UART;
- шина для объединения нескольких процессоров в кольцо или сеть ;
- универсальная тина, содержащая шины всех известных стандартов и указанных портов ввода - вывода .
2. Бортовой комплекс управления малого космического аппарата по п . 1, отличающийся тем, что содержит один или более маршрутизатор, совместимый с сетью SpaceWire.
3. Бортовой комплекс управления малого космического аппарата по п . 1 , отличающийся тем . что содержит один или более узел , совместимый с сетью SpaceWire.
4. Бортовой комплекс управления малого космического аппарата по п . 1 , отличающийся тем, что содержит информационные разъемы и разъемы питания, совместимые со всеми возможными известными и перспективными подсистемами , узлами . блоками, компонентами , которые могут быть включены в состав системы .
5. Бортовой комплекс управления малого космического аппарата по п . 1, отличающийся тем, что содержит унифицированные маршрутизаторы по числу подключаемых устройств, выполненные с возможностью соединения подключаемых устройств в бортовую информационную сеть в любом порядке и последовательности .
6. Бортовой комплекс управления малого космического аппарата по п . 1, отличающийся тем, что содержит унифицированные адаптеры, выполненные с возможностью подключения бортовых устройств разных типов к бортовой информационной сети.
PCT/RU2013/000704 2013-04-29 2013-08-15 Бортовой комплекс управления малым космическим аппаратом с открытой архитектурой и использованием технологий plug-and-play WO2014178751A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013119796 2013-04-29
RU2013119796 2013-04-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014178751A1 true WO2014178751A1 (ru) 2014-11-06

Family

ID=51843753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000704 WO2014178751A1 (ru) 2013-04-29 2013-08-15 Бортовой комплекс управления малым космическим аппаратом с открытой архитектурой и использованием технологий plug-and-play

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2014178751A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113467846A (zh) * 2021-06-29 2021-10-01 西北工业大学 无人机异构任务载荷设备即插即用实现方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2201015C2 (ru) * 1998-06-02 2003-03-20 Тин Филм Электроникс Аса Масштабируемое интегрированное устройство обработки данных
RU2402439C1 (ru) * 2009-03-31 2010-10-27 Михаил Викторович Ерещенко Бортовая информационная система

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2201015C2 (ru) * 1998-06-02 2003-03-20 Тин Филм Электроникс Аса Масштабируемое интегрированное устройство обработки данных
RU2402439C1 (ru) * 2009-03-31 2010-10-27 Михаил Викторович Ерещенко Бортовая информационная система

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JACOB HOLT CHRISTENSEN.: "Space plug-and-play architecture networking: a self-configuring heterogeneous network architecture.", 2012, LOGAN, UTAH, pages 6, Retrieved from the Internet <URL:http://digitalcommons.usu.edu/etd/1422> *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113467846A (zh) * 2021-06-29 2021-10-01 西北工业大学 无人机异构任务载荷设备即插即用实现方法
CN113467846B (zh) * 2021-06-29 2022-11-08 西北工业大学 无人机异构任务载荷设备即插即用实现方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1871040B1 (en) Management system and method based on intelligent platform management interface
US8004961B1 (en) Independently configurable port redirection in a multi-port ethernet physical layer
US20030227929A1 (en) Switch node for connecting a keyboard video mouse to selected servers in a interconnected switch node network
US6640206B1 (en) Peer networking in concentrated computer clusters
JPH1093635A (ja) ネットワークのトポロジを識別するためのシステムおよび方法
US20180167223A1 (en) Apparatus and method for robust powered ethernet networks
EP1941337A2 (en) System architecture for a power distribution network and method of operation
WO2005091574A1 (en) Integrated circuit and method of communication service mapping
CN109547875B (zh) 一种fc交换网络任意端口接入设计方法
CN102684967B (zh) 智能家居网络控制系统
US20200089637A1 (en) METHOD AND SYSTEM FOR ENABLING USB DEVICES TO OPERATE AS INTERNET OF THING (IoT) DEVICES BASED ON THING DESCRIPTION MODEL
US20100198427A1 (en) Open Architecture For Dynamic Vehicle Network
EP3750059B1 (en) Server system
EP2260627B1 (en) Transport independent architecture
US20150301974A1 (en) Modular network apparatus and system having multiple modular network apparatuses
WO2014178751A1 (ru) Бортовой комплекс управления малым космическим аппаратом с открытой архитектурой и использованием технологий plug-and-play
EP2869497B1 (en) Network management system
US8203936B2 (en) Gateway unit
US8213443B2 (en) Network system
CN110679119B (zh) 本地总线的初始化
CN102118327A (zh) 一种多主机网关
CN114466040B (zh) 航天器一体化双平面网络系统
CN100384187C (zh) 物理层电路和接口电路
JP4592623B2 (ja) 通信システム
US20050038949A1 (en) Apparatus for enabling distributed processing across a plurality of circuit cards

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13883531

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205N DATED 11/01/2016)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13883531

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1