WO2014178751A1

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

Info

Publication number: WO2014178751A1
Application number: PCT/RU2013/000704
Authority: WO
Inventors: Станислав Олегович КАРПЕНКО; Антон Сергеевич СИВКОВ; Антон Леонидович ВЛАСКИН; Николай Алексеевич НЕРОВНЫЙ
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Спутниковые инновационные космические системы"
Priority date: 2013-04-29
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2014-11-06

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 .

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.

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.