陳夏 黃佳

關(guān)鍵詞： 微納衛(wèi)星; 衛(wèi)星導(dǎo)航; 衛(wèi)星通信; 數(shù)據(jù)傳輸; 遙測; 一體化設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN402?34; TN406 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0005?04

Abstract： An implementation scheme of navigation and communication integrated system suitable for micro/nano satellite is proposed to improve the resource utilization of micro/nano satellite， in which the functions of telemetry， telecontrol， data transmission， navigation and positioning of the satellite are integrated， and the limits and requirements in volume， weight and power consumption of micro/nano satellite are considered. The design method of the system is given. The implementation methods of hardware platform， software architecture and data protocol are elaborated in detail. The technical realization approaches of products as adopting FPGA， ASIC and other integration circuit technologies are proposed to realize the high integration， miniaturization， light weight and low power consumption. The designed system has been used in multiple types of micro/nano?satellites， its longest working time in orbit is more than two years， and the satellite is still in good condition. The system can be expanded to other micro/nano?satellites.

Keywords： micro/nano?satellite; satellite navigation; satellite communication; data transmission; telemetry; integrated design

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微納衛(wèi)星以其高功能密度、微型化、低成本、高性能、高靈活性、可組網(wǎng)應(yīng)用等多方面優(yōu)勢，逐漸成為衛(wèi)星領(lǐng)域的主流趨勢，對軍用民用都具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。微納衛(wèi)星體積質(zhì)量小、研制成本低、生產(chǎn)周期短，必將是微電子和微機(jī)械的高度集成體。衛(wèi)星平臺將不再只是具有獨(dú)立功能的設(shè)備集合體，而是任務(wù)、功能、資源統(tǒng)一調(diào)度管理的集成系統(tǒng)[2]，如傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)中測控與數(shù)傳功能獨(dú)立、設(shè)備分散，測控分系統(tǒng)的主要功能為遙測、遙控與測量，數(shù)傳分系統(tǒng)的主要功能為載荷數(shù)據(jù)存儲下發(fā)。隨著微納衛(wèi)星應(yīng)用的不斷發(fā)展，對微納衛(wèi)星體積質(zhì)量要求不斷提高，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式已不能滿足發(fā)展需求[3]。

本文以智能化、低功耗、小體積、高功能密度為目標(biāo)開展多任務(wù)導(dǎo)航通信一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。一方面從硬件資源、軟件算法、數(shù)據(jù)協(xié)議等方面將衛(wèi)星遙測、遙控、數(shù)傳、導(dǎo)航模塊進(jìn)行融合設(shè)計(jì);另一方面運(yùn)用FPGA、ASIC等大規(guī)模集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)高集成、小型化、輕量化和低功耗[4]。

1 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

微納衛(wèi)星導(dǎo)航通信一體化系統(tǒng)基于Space VPX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足通用性、可靠性、可復(fù)用性的要求。Space VPX是嵌入式計(jì)算行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenVPX的升級[5]，主要用于航天、航空及其他高可靠的容錯協(xié)作式和模塊裝配式電子系統(tǒng)，并考慮了太空環(huán)境的特殊應(yīng)用需求。Space VPX標(biāo)準(zhǔn)將背板總線劃分為數(shù)據(jù)層、擴(kuò)展層、控制層、用戶層等[6]，分別用來滿足不同層次的應(yīng)用需求，本系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)層進(jìn)行模塊間通信。

微納衛(wèi)星導(dǎo)航通信一體化系統(tǒng)由控制模塊、通信模塊、導(dǎo)航模塊、電源模塊及天線組成，系統(tǒng)內(nèi)各模塊的統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)同管理由運(yùn)行在核心控制模塊內(nèi)的星務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)[7]，主要包括模式確定、模式切換、數(shù)據(jù)傳輸、遙控接收等。

1） 衛(wèi)星在發(fā)射初期，通信模塊配置為常規(guī)USB測控模式，與地面測控網(wǎng)配合，完成對衛(wèi)星的遙測、遙控、測量等功能，導(dǎo)航模塊輔助測量;

2） 衛(wèi)星在軌工作期，通信模塊配置為數(shù)傳模式，載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)融合傳輸，衛(wèi)星導(dǎo)航測量功能以導(dǎo)航模塊為主;

3） 在應(yīng)急模式下，通信模塊配置為常規(guī)USB測控模式，簡化系統(tǒng)，提高可靠性。系統(tǒng)中部分模塊還充當(dāng)衛(wèi)星平臺中其他功能，此處不贅述，系統(tǒng)組成如圖1所示。

控制模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，主要完成：各模塊調(diào)度管理、工作模式切換、星務(wù)管理等[8];下行遙測與載荷數(shù)據(jù)的采集、組包、組幀以及存儲管理等;上行遙控指令的解析、譯碼輸出執(zhí)行等;接收導(dǎo)航模塊輸出的位置、時(shí)間、軌道等信息，完成軌道推算、時(shí)間校正等。核心控制模塊處理器和FPGA選用Smart Fushion2系列的M2S150型號的SoC型FPGA[9]，內(nèi)部嵌入166 MHz 32 bit ARM CortexM3硬核處理器，計(jì)算性能可達(dá)1.24 DMIPS/MHz，同時(shí)，該系列FPGA的對空間單粒子翻轉(zhuǎn)屬于免疫狀態(tài)。外部配置128 GB NAND FLASH，用于存儲載荷數(shù)據(jù)。星務(wù)軟件的初始版本存儲在片外反熔絲型PROM中，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，任務(wù)版本存儲在FLASH中，面向任務(wù)可重構(gòu)。

通信模塊采用軟件無線電架構(gòu)，調(diào)制算法、工作頻率、數(shù)據(jù)速率均可配置，主要完成上行數(shù)據(jù)接收解調(diào)、直接指令譯碼執(zhí)行及下行數(shù)據(jù)編碼調(diào)制等功能。整個(gè)模塊由射頻接收通道、射頻發(fā)射通道、數(shù)字信號處理、可靠性控制幾個(gè)主要部分構(gòu)成。射頻接收通道將輸入的射頻信號（中心頻率范圍為2.0～2.1 GHz，帶寬為20 MHz）進(jìn)行濾波、放大以及下變頻至中頻70 MHz信號后，送至數(shù)字處理模塊進(jìn)行信號處理，采用一次變頻方案;射頻發(fā)射通道將下行中頻20 MHz信號變頻至射頻信號（中心頻率范圍：2.2～2.3 GHz，帶寬：20 MHz），并濾波及功率放大，為減少系統(tǒng)雜散，采用兩次變頻方案;數(shù)字信號處理部分選用Spatan6系列的XC6SLX45 FPGA，具備強(qiáng)大的信號處理模塊，如FFT、FIR、乘法器等，上、下行具備PCM?QPSK和USB兩種體制的通信算法，可根據(jù)任務(wù)規(guī)劃星上自主切換或地面切換，默認(rèn)為PCM?QPSK調(diào)制方式，USB僅在應(yīng)急模式和入軌初期使用;可靠性控制主要完成系統(tǒng)單粒子監(jiān)控、供電監(jiān)控等可靠性事件及外圍接口管理。

電源模塊為整星提供配電管理，在本文系統(tǒng)中，主要為導(dǎo)航、控制、通信模塊提供能源及供電保護(hù)、加斷電控制等。

導(dǎo)航模塊可同時(shí)接收GPS/BD信號，基帶信號處理模塊主要由FPGA和DSP組成，射頻前端輸出的數(shù)字信號輸入到FPGA，F(xiàn)PGA在DSP的控制下完成導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)、觀測數(shù)據(jù)生成等，完成整個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理，最終為衛(wèi)星提供高精度位置、速度等數(shù)據(jù)，供衛(wèi)星測定軌使用。為提高系統(tǒng)可靠性，導(dǎo)航模塊作為測控USB模式下的測量功能互為備份使用。

2 ?軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)航通信軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，運(yùn)行在M2S150內(nèi)部的ARM CortexM3核內(nèi)部。根據(jù)任務(wù)剖面劃分和工作情況，軟件設(shè)計(jì)分為正常模式、遙測模式、入軌模式、備份模式和應(yīng)急模式五種工作模式， 各模式軟件工作狀態(tài)描述如下：

衛(wèi)星入軌模式：通信模塊工作于USB模式，以地面測控網(wǎng)測控為主，完成遙測、遙控和測量功能;導(dǎo)航模塊為輔測量。

正常模式：導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)完成衛(wèi)星測量功能;通信模塊工作于高速數(shù)傳模式，不具備測量功能，用于接收遙控指令和下傳遙測、載荷數(shù)據(jù)。

遙測模式：導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)完成衛(wèi)星測量功能;通信模塊工作于低速數(shù)傳模式，不具備測量功能，用于接收遙控指令和下傳遙測數(shù)據(jù)。

備份模式：導(dǎo)航模塊故障，通信模塊間歇工作于高速數(shù)傳和USB模式，完成測控和載荷數(shù)據(jù)下傳功能。

應(yīng)急模式：通信模塊工作于USB模式，地面測控網(wǎng)測控;導(dǎo)航模塊關(guān)機(jī)。各模式切換如圖2所示。

模式切換策略為：

1） 在入軌初期，為確保衛(wèi)星可靠建立初始狀態(tài)，以地面測控網(wǎng)為主進(jìn)行遙測、遙控、測量工作，并輔以導(dǎo)航數(shù)據(jù)測量，供地面比對分析。

2） 衛(wèi)星建立正常狀態(tài)后，軟件進(jìn)入正常模式，設(shè)置通信模塊為高速數(shù)傳模式，遙測部件進(jìn)行實(shí)時(shí)和延時(shí)遙測數(shù)據(jù)的采集、組幀、存儲;數(shù)傳及大容量部件配合負(fù)責(zé)載荷數(shù)據(jù)的采集、存儲;入境后，將載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)按比例以虛擬信道的方式組合下傳;若當(dāng)軌無載荷數(shù)據(jù)下傳，則下行僅傳輸遙測數(shù)據(jù)，通信模塊配置為低速數(shù)傳模式。

3） 導(dǎo)航模塊故障時(shí)，軟件切換為備份模式，通信模塊間歇工作于高速數(shù)傳和USB模式，USB模式提供測量功能，地面注入軌道數(shù)據(jù)，在軌道保精度期間，利用高速數(shù)傳傳輸載荷數(shù)據(jù)。

4） 衛(wèi)星出現(xiàn)能源、姿態(tài)等故障時(shí)，關(guān)閉導(dǎo)航模塊，設(shè)置通信模塊為USB模式，保證測控功能。

軟件的核心為通信數(shù)據(jù)流處理，信息流如圖3所示，包括上行遙控?cái)?shù)據(jù)處理和下行數(shù)據(jù)處理。

上行數(shù)據(jù)處理主要包括信號解調(diào)、數(shù)據(jù)幀頭同步、指令譯碼及分類管理等。若當(dāng)前指令為實(shí)時(shí)指令，則直接輸出至相應(yīng)受控部件執(zhí)行;若為延時(shí)指令，則星上存儲，到執(zhí)行時(shí)間后輸出執(zhí)行。

下行數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)將遙測數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)融合下發(fā)。遙測數(shù)據(jù)的采集、存儲管理主要由ARM處理器實(shí)現(xiàn)，與FPGA交互接口為FIFO;載荷數(shù)據(jù)由于其速率較高，控制管理由FPGA實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星入境后，F(xiàn)PGA同時(shí)讀取遙測數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)，按速率要求進(jìn)行組合下發(fā)。

3 ?數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)

微納衛(wèi)星導(dǎo)航通信一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要同時(shí)滿足衛(wèi)星遙測、數(shù)傳功能，因此數(shù)據(jù)協(xié)議需要兼顧遙測和數(shù)傳星地接口的通用性與可擴(kuò)展性?？紤]通信可靠性和傳輸效率，星地?cái)?shù)據(jù)流通信協(xié)議擬采用CCSDS分包遙測、分包遙控格式，鏈路層采用CCSDS AOS幀協(xié)議實(shí)現(xiàn)[10]。以下行數(shù)據(jù)格式為例進(jìn)行說明，如圖4所示。

CCSDS AOS幀協(xié)議幀長固定為1 024 B，采用RS編碼和糾錯算法（128 B R?S校驗(yàn)區(qū)）[11]，是為了滿足不同類型不同任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸要求而設(shè)計(jì)的，可用于星?地、星?星、地?星數(shù)據(jù)傳輸。由于本系統(tǒng)集成度高，涉及數(shù)據(jù)類型較多，包括多種遙測源包、多種載荷數(shù)據(jù)包、導(dǎo)航數(shù)據(jù)包、測量數(shù)據(jù)包、時(shí)間碼信息等，可通過對AOS幀中的虛擬信道、插入域、數(shù)據(jù)域等字段加以定義和區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的一體化和通用化。

4 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

綜合考慮微納衛(wèi)星成本體積等因素，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)均以商用元器件COTS為主，核心器件如FPGA、晶振、電源模塊等采用普軍以上等級器件;產(chǎn)品采用板級篩選的模式，前期通過加速老化試驗(yàn)，剔除不合格品，目前該產(chǎn)品參加了整星桌面聯(lián)試、環(huán)模試驗(yàn)、星地對接、應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)試、整船試驗(yàn)、發(fā)射場測試等大型試驗(yàn)，系統(tǒng)工作正常;并已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)微納衛(wèi)星型號，通信模塊和核心控制模塊實(shí)物及安裝示意圖如圖5所示。

通過與傳統(tǒng)分布式微納衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)比較，本系統(tǒng)體積功耗具有明顯優(yōu)勢，僅需3～4個(gè)模塊即可，重量[≤]2 kg，功耗[≤]20 W。另外，系統(tǒng)導(dǎo)航通信一體化設(shè)計(jì)，衛(wèi)星可根據(jù)工作模式在自主導(dǎo)航與地面導(dǎo)航之間切換。常規(guī)模式下，自主導(dǎo)航與數(shù)傳模式組合，遙測、數(shù)傳融合傳輸，減少一條星地物理鏈路（包括衛(wèi)星發(fā)射機(jī)、地面接收站），節(jié)約衛(wèi)星運(yùn)控成本30%以上;本系統(tǒng)還與地面測控網(wǎng)兼容，確保衛(wèi)星應(yīng)急模式下安全可靠運(yùn)行。

5 ?結(jié) ?語

針對微納衛(wèi)星體積小、重量輕、低功耗、低價(jià)格的特點(diǎn)，本文研究適應(yīng)性強(qiáng)的微納衛(wèi)星導(dǎo)航通信一體化系統(tǒng)，高度集成測控、數(shù)傳、導(dǎo)航等基本電子學(xué)平臺功能，充分有效地提高硬件和軟件等各種資源的復(fù)用程度，從系統(tǒng)架構(gòu)、軟件實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)協(xié)議選擇等方面進(jìn)行了一體化融合設(shè)計(jì)。最后，在技術(shù)和理論基礎(chǔ)上加以工程實(shí)踐，研制基于COTS器件的通信原理樣機(jī)。目前該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)衛(wèi)星型號，最長在軌工作時(shí)間超過兩年，至今狀態(tài)良好，可以推廣至其他微納衛(wèi)星應(yīng)用。

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