0 引言

    衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)集成了平臺(tái)大多數(shù)電子設(shè)備，作為一個(gè)具有一定功能的、由軟硬件資源組成的完整系統(tǒng)，它是以多種不同的功能模塊組成的集成系統(tǒng)，在統(tǒng)一的任務(wù)調(diào)度和管理下,完成整星的所有管理功能。

    綜合電子系統(tǒng)的信息流主要是遙控信息流和遙測(cè)信息流，目前國(guó)內(nèi)大部分衛(wèi)星均采用了符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的分包遙測(cè)方案和AOS協(xié)議；但在遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路協(xié)議方面仍采用PCM遙控，遙控注入數(shù)據(jù)的格式由各航天器自行定義，由此帶來了一系列的問題，如重復(fù)的遙控遙測(cè)應(yīng)用層格式定義、重復(fù)的設(shè)備研制、軟件無法通用等^[1]。

    新研衛(wèi)星型號(hào)大量應(yīng)用綜合電子設(shè)計(jì)，且開始采用CCSDS分包遙控方案，遙控遙測(cè)信息流與傳統(tǒng)衛(wèi)星型號(hào)有較多不同，中心計(jì)算機(jī)(CTU)根據(jù)APID(應(yīng)用過程識(shí)別符)對(duì)遙控包進(jìn)行分發(fā)，由綜合電子路由模塊對(duì)遙控包分層進(jìn)行逐次轉(zhuǎn)發(fā)，遙控遙測(cè)的包格式不僅僅只在單機(jī)級(jí)存在，而是作為模塊級(jí)的輸入輸出接口貫穿整個(gè)綜合電子系統(tǒng)的遙控遙測(cè)信息交互。該方式既保證了遙控遙測(cè)信息流轉(zhuǎn)的可靠和完整，也利于實(shí)現(xiàn)綜合電子模塊的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化。

    本文對(duì)基于CCSDS包路由的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)綜合電子核心的遙控信息流和遙測(cè)信息流應(yīng)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。

1 綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)介 

    基于CCSDS包路由的綜合電子從整星層面對(duì)衛(wèi)星信息流、控制流進(jìn)行整體規(guī)劃、集成設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電系統(tǒng)資源配置、性能指標(biāo)綜合最優(yōu)為目標(biāo)，覆蓋測(cè)控、數(shù)管、姿軌控、能源、熱控、推進(jìn)、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、功率驅(qū)動(dòng)等功能。系統(tǒng)由1臺(tái)管理單元和多臺(tái)擴(kuò)展單元組成。管理單元是整星的處理、運(yùn)算、管理和控制中心。擴(kuò)展單元是管理單元接口資源的擴(kuò)展，其配置數(shù)量取決于整星對(duì)接口資源的需求。管理單元通過標(biāo)準(zhǔn)串口或總線控制擴(kuò)展單元^[2]。

    功能模塊是綜合電子的基本單元，是功能硬件與管理運(yùn)算邏輯的有機(jī)結(jié)合，具備一定的自治能力，可獨(dú)立完成服務(wù)的解析、執(zhí)行和監(jiān)控功能，模塊間關(guān)系簡(jiǎn)單，支持基于模塊測(cè)試、產(chǎn)保，并便于系統(tǒng)集成。型號(hào)根據(jù)需要從貨架上選擇功能模塊，快速集成單機(jī)。

    系統(tǒng)采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了基于分包遙控和分包遙測(cè)的統(tǒng)一測(cè)控方案，制定統(tǒng)一串行通信協(xié)議和總線通信協(xié)議，統(tǒng)一各項(xiàng)功能服務(wù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、分發(fā)等流程和信息接口^[3]。形成了基于1553B總線的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于路由模塊為中心節(jié)點(diǎn)的星形拓?fù)錁?gòu)成的混合型系統(tǒng)架構(gòu)，綜合電子架構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星型號(hào)的單總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

    (1)簡(jiǎn)化單機(jī)間和單機(jī)內(nèi)模塊間通信協(xié)議，節(jié)點(diǎn)間均以標(biāo)準(zhǔn)CCSDS包交互，利于綜合電子標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化實(shí)現(xiàn)；

    (2)支持遙控指令和程控指令的驅(qū)動(dòng)合并，所有的程控指令均可通過地面遙控執(zhí)行，解決了地面遙控指令路數(shù)受限的問題；

    (3)降低1553B總線負(fù)載壓力。

2 遙控信息流實(shí)現(xiàn)

    遙控信息流是對(duì)來自外部或星上自主產(chǎn)生的，用于控制衛(wèi)星、單機(jī)狀態(tài)和動(dòng)作（包括開關(guān)機(jī)、狀態(tài)切換、參數(shù)修改等）的指令或數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、處理的渠道和過程。遙控指令分為直接指令和間接指令。綜合電子單機(jī)/模塊接收、生成、解析并逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)控制信息^[4]。

    綜合電子遙控信息處理流程如圖1所示。

    信道關(guān)口模塊根據(jù)應(yīng)答機(jī)鎖定信號(hào)來對(duì)輸入通道進(jìn)行選擇，在收到上行PCM信號(hào)后，完成BCH解碼、解擾和解CRC校驗(yàn)，對(duì)遙控信息進(jìn)行VCID(虛擬信道識(shí)別符)判斷。按照?qǐng)D1流程對(duì)不同的遙控幀/包進(jìn)行校驗(yàn)和分發(fā)。

    綜合電子系統(tǒng)各單機(jī)間和單機(jī)內(nèi)的遙控信息流均以遙控包的形式進(jìn)行傳輸。遙控包格式如圖2所示。

    (1)包主導(dǎo)頭

    ①版本號(hào)：3 bit，位0～2，固定為000，表示源包格式；

    ②類型指示：1 bit，位3，固定為1，表示遙控包，與遙測(cè)包相區(qū)分；

    ③副導(dǎo)頭標(biāo)志：1 bit，位4，0表示無副導(dǎo)頭，1表示有副導(dǎo)頭；

    ④應(yīng)用過程識(shí)別符：11 bit，位5～15，用于區(qū)分遙控包的去向標(biāo)識(shí)及數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)；

    ⑤序列標(biāo)志（2 bit）：00－中間包，01－首包，10－末包，11－獨(dú)立包，固定為11b；

    ⑥包名稱或包序列計(jì)數(shù)（14 bit）：表示遙控包在相關(guān)包序列中的序號(hào)，固定填充全0；

    ⑦包長(zhǎng)：遙控包的長(zhǎng)度，等于遙控包數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)減1。

    (2)數(shù)據(jù)域

    ①遙控應(yīng)用數(shù)據(jù)：偶數(shù)個(gè)字節(jié)；

    ②和校驗(yàn)：對(duì)遙控應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行按字異或和校驗(yàn)。

    遙控信息轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3所示。遙控包來源共兩處：信道關(guān)口模塊解析上行遙控信息產(chǎn)生的遙控包和數(shù)管軟件根據(jù)程控流程產(chǎn)生的遙控包信息。

    信道關(guān)口模塊提供的上行遙控注數(shù)直接指令包和數(shù)管軟件產(chǎn)生的程控指令包均輸出給管理單元的路由模塊；路由模塊根據(jù)“APID”域，對(duì)遙控包的目的地址進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的擴(kuò)展單元或內(nèi)部功能模塊；其中通過信道關(guān)口模塊輸入的上行遙控指令通道在轉(zhuǎn)發(fā)和解析執(zhí)行過程中均無軟件參與，全程均以CCSDS遙控包格式流轉(zhuǎn)，理論上所有程控功能均可通過該通道實(shí)現(xiàn)地面遙控。

    管理單元功能模塊接收轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后對(duì)包進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，據(jù)此執(zhí)行或丟棄該包，并實(shí)時(shí)返回接收與校驗(yàn)狀態(tài)；管理單元路由模塊若接收到返回的“錯(cuò)誤”狀態(tài)或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（ms單位）未接收到返回，則安排注入數(shù)據(jù)包的重傳；每包數(shù)據(jù)只進(jìn)行一次重傳；若重傳仍不能得到“正確”返回，則安排相應(yīng)遙測(cè)參數(shù)返回狀態(tài)。

    擴(kuò)展單元路由模塊接收管理單元轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后對(duì)包進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，據(jù)此執(zhí)行/轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄該包，并實(shí)時(shí)向管理單元返回接收與校驗(yàn)狀態(tài)；管理單元接收到應(yīng)答狀態(tài)后的重傳機(jī)制與對(duì)內(nèi)部功能模塊的處理方式一致。

    擴(kuò)展單元路由模塊根據(jù)接收到的遙控包“APID”域，對(duì)遙控包的目的地址進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)至單機(jī)內(nèi)部模塊；單機(jī)內(nèi)部的遙控包轉(zhuǎn)發(fā)和重發(fā)與管理單元一致。

3 遙測(cè)信息流實(shí)現(xiàn)

    遙測(cè)信息流是對(duì)反映衛(wèi)星狀態(tài)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)那篮瓦^程。其涉及遙測(cè)分類、分配原則、采集方式、接口電路、傳輸路徑、數(shù)據(jù)處理(包括加密、壓縮、編碼等)、組幀方式等。綜合電子單機(jī)/模塊生成、逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)并組合遙測(cè)信息。

    管理單元通過路由模塊和1553B總線收集整星數(shù)字量遙測(cè)，經(jīng)CCSDS格式化后，通過信道關(guān)口模塊送應(yīng)答機(jī)下傳。部分由綜合電子分系統(tǒng)直接采集的模擬量、開關(guān)量、溫度量經(jīng)遙測(cè)采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，以標(biāo)準(zhǔn)遙測(cè)包格式送路由模塊。

    遙測(cè)包由起始字、主導(dǎo)頭和數(shù)據(jù)域組成，主導(dǎo)頭包含包識(shí)別、包順序控制、包長(zhǎng)三部分，固定為6 B，如圖4所示。

    (1)包主導(dǎo)頭

    ①版本號(hào)：3 bit，位0～2，固定為000，表示源包格式；

    ②類型指示：1 bit，位3，固定為0，表示遙測(cè)包，與遙控包相區(qū)分；

    ③副導(dǎo)頭標(biāo)志：1 bit，位4，有副導(dǎo)頭為1，無副導(dǎo)頭為0；

    ④應(yīng)用過程識(shí)別符（APID）：11 bit，位5～15，用于識(shí)別航天器上產(chǎn)生源包的數(shù)據(jù)源；

    ⑤分組標(biāo)志（2 bit）：00－中間包，01－首包，10－末包，11－獨(dú)立包；

    ⑥包序列計(jì)數(shù)：位18～31，此域?yàn)橐豁樞蛴?jì)數(shù)器，對(duì)標(biāo)有特有的應(yīng)用過程識(shí)別符的應(yīng)用過程所產(chǎn)生的每個(gè)包進(jìn)行計(jì)數(shù)。包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度=數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度－1。

    (2)數(shù)據(jù)域

    遙測(cè)應(yīng)用數(shù)據(jù)：偶數(shù)個(gè)字節(jié)。

    遙測(cè)信息采集流程如圖5所示。綜合電子系統(tǒng)各單機(jī)間和單機(jī)內(nèi)的遙測(cè)信息流均以遙測(cè)包的形式進(jìn)行傳輸。遙測(cè)包的生成和傳輸需與“數(shù)字量遙測(cè)傳輸啟動(dòng)”遙控包配合工作。遙測(cè)包的信息流向與遙控包正好相反，最終所有遙測(cè)包均匯總到管理單元的路由模塊，以并行總線接口與CPU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，由星上軟件接收后組幀下傳。

    管理單元星上軟件按程控節(jié)拍生成“數(shù)字量遙測(cè)采集啟動(dòng)包”遙控包，路由模塊在收到該遙控包后，根據(jù)模塊內(nèi)置路由表（決定各終端的主備選用）修改遙測(cè)采集包APID主備標(biāo)識(shí)后轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部功能模塊或擴(kuò)展單元。

    管理單元功能模塊接收該包后對(duì)包進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，若包合法，則在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將已準(zhǔn)備好的遙測(cè)數(shù)據(jù)包發(fā)送至路由模塊，否則丟棄該包不執(zhí)行。各功能模塊在執(zhí)行該包后自行刷新遙測(cè)數(shù)據(jù)，供下一次傳輸使用。

    擴(kuò)展單元路由模塊接收該包后對(duì)包進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，若包合法，則在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將已準(zhǔn)備好的遙測(cè)數(shù)據(jù)包發(fā)送至管理單元路由模塊，完成后向其管控下的各功能模塊發(fā)送“數(shù)字量遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)”控制信息包，功能模塊執(zhí)行情況與管理單元內(nèi)部類似。

    從遙測(cè)信息流實(shí)現(xiàn)過程也可以看出，在兩級(jí)路由架構(gòu)下，管理單元自身模塊的遙測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)當(dāng)前狀態(tài)存在1個(gè)星上軟件程控周期的延時(shí)，而擴(kuò)展單元的遙測(cè)數(shù)據(jù)則存在2個(gè)周期的延時(shí)。

4 結(jié)論

    本文介紹了一種基于CCSDS包路由結(jié)構(gòu)的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)綜合電子系統(tǒng)的遙控信息流和遙測(cè)信息流應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，對(duì)采用分包遙控和分包遙測(cè)方案的衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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作者信息:

彭  飛，楊  鹿，吳  杰，李  毅，彭小燕

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109)