李志剛 李軍予 李超 閆國(guó)瑞

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

在導(dǎo)航、遙感、通信、深空等空間技術(shù)領(lǐng)域，相比大型衛(wèi)星，小衛(wèi)星以其技術(shù)更新能力強(qiáng)、體系綜合能力強(qiáng)、成本控制能力強(qiáng)的后發(fā)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，目前已經(jīng)成為中國(guó)空間體系建設(shè)的重要力量，同時(shí)也是各國(guó)加速突破、積極搶占的科技競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)[1-2]。

文獻(xiàn)[3]首先提出星務(wù)(Satellite Keeping)概念，在小衛(wèi)星體系架構(gòu)中，星務(wù)系統(tǒng)(含綜合電子系統(tǒng)[4])是以嵌入式計(jì)算機(jī)為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集計(jì)算機(jī)、軟件、智能控制為一體的可靈活配置的管理和控制系統(tǒng)，如同人的大腦和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整星運(yùn)行事務(wù)管理、自主控制和信息融合，因此，星務(wù)系統(tǒng)是整星的信息管理與信息處理的核心[5]，負(fù)責(zé)整星的遙測(cè)管理、遙控管理、總線通信、程控/相對(duì)程控管理、健康管理、任務(wù)管理等。隨著近20年的蓬勃發(fā)展，小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)經(jīng)歷了4代發(fā)展，第一代星務(wù)系統(tǒng)主要特征是采用集中供電方式、總線網(wǎng)絡(luò)采用RS485總線，采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)格式遙測(cè)體制，星務(wù)系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單；第二代星務(wù)系統(tǒng)主要特征是電子設(shè)備獨(dú)立供電，采用CAN總線，星務(wù)系統(tǒng)采用分包遙測(cè)體制，支持程控、相對(duì)程控及衛(wèi)星安全模式管理等功能；第三代星務(wù)系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)技術(shù)處理器及內(nèi)嵌管理執(zhí)行單元(MEU)下位機(jī)架構(gòu)的電子系統(tǒng)，將遙測(cè)采集、熱控管理等功能進(jìn)行了集成；目前發(fā)展到第四代星務(wù)系統(tǒng)即綜合電子系統(tǒng)，具有星務(wù)管理、遙控指令分發(fā)、遙測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分發(fā)、熱控管理、載荷管理、高速數(shù)據(jù)上行、高速總線網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星自主管理等特征。

本文概括了國(guó)內(nèi)外小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀，總結(jié)了國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新成果，對(duì)后續(xù)小衛(wèi)星對(duì)星務(wù)技術(shù)的需求進(jìn)行了分析，并提出了小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)的展望和建議。

1 國(guó)內(nèi)外小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)歷史和現(xiàn)狀

在小衛(wèi)星領(lǐng)域高技術(shù)群中，電子信息技術(shù)起到了關(guān)鍵性的支撐作用。星務(wù)系統(tǒng)作為電子信息技術(shù)的典型代表，其研制過(guò)程完整覆蓋了電子產(chǎn)品涉及的所有業(yè)務(wù)領(lǐng)域：芯片、硬件和軟件，全面集成了芯片、嵌入式系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、總線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件定義、高速計(jì)算、人工智能等所有軟硬件先進(jìn)技術(shù)，可謂是技術(shù)密度高、功能密度高，它的發(fā)展歷程充分展現(xiàn)了現(xiàn)代電子信息技術(shù)的演進(jìn)路線。

尤其是近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)向更快、更強(qiáng)的方向飛速發(fā)展，星務(wù)系統(tǒng)充分吸收先進(jìn)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，在可擴(kuò)展性、可靠性、安全性、管用好用易用方面呈現(xiàn)出極具鮮明的特色，使衛(wèi)星用戶的應(yīng)用模式發(fā)生了根本性的變革，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。而且，技術(shù)層面的進(jìn)步也得到了政策層面的關(guān)注和支持，這也為小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展指明了方向，提供了發(fā)展的新動(dòng)力。

國(guó)內(nèi)外星務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。

1)更加注重星務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)體系設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)提出了航天器星載標(biāo)準(zhǔn)接口業(yè)務(wù)(SOIS)，其目標(biāo)是促進(jìn)軟硬件在各種航天器上使用的協(xié)調(diào)能力，提升軟硬件可移植性及可復(fù)用能力。歐洲成立空間電子開(kāi)放接口體系架構(gòu)(SAVIOR)研究組，推廣基于開(kāi)放接口的航天電子產(chǎn)品，致力于實(shí)現(xiàn)歐洲航天系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)參考架構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)、功能規(guī)范等內(nèi)容進(jìn)行研究。

我國(guó)也推出了類似的系統(tǒng)業(yè)務(wù)及協(xié)議體系架構(gòu)[6]。大型衛(wèi)星、航天器多采用分布式布局，小衛(wèi)星以往也多是通過(guò)外總線方式連接多個(gè)信息節(jié)點(diǎn)，組成主從式、可配置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄7]。隨著綜合電子技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)從分布式多節(jié)點(diǎn)逐步向集中式內(nèi)總線發(fā)展，如外部總線被設(shè)備內(nèi)部高速總線替代，模塊化結(jié)構(gòu)節(jié)省出的空間和質(zhì)量可以更好地支持載荷設(shè)計(jì)和整星設(shè)計(jì)。

2)星上星務(wù)系統(tǒng)更加注重組網(wǎng)設(shè)計(jì)

2018年，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DAPAR)發(fā)起“黑杰克”項(xiàng)目計(jì)劃提供全球持續(xù)覆蓋星群，通過(guò)通用衛(wèi)星平臺(tái)搭載軍用通信、導(dǎo)航、偵察等多類載荷。星群安裝相同的星上計(jì)算控制單元，運(yùn)行智能軟件使星群中各節(jié)點(diǎn)協(xié)同，保證整個(gè)星群不需人員干預(yù)，長(zhǎng)期自主智能運(yùn)行。國(guó)內(nèi)由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司提出的“鴻雁”星座，由300多顆低軌衛(wèi)星組成，整個(gè)星座將實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信、寬帶接入、物聯(lián)網(wǎng)、熱點(diǎn)信息廣播、導(dǎo)航增強(qiáng)、航空監(jiān)視等業(yè)務(wù)。

作為支持星座組網(wǎng)關(guān)鍵系統(tǒng)的星務(wù)系統(tǒng)具有眾多的接口，只有更加注重協(xié)議、規(guī)范、接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，才能更好地滿足星群網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的需要，如星間、星地、星內(nèi)信息互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)共享、任務(wù)協(xié)作的業(yè)務(wù)要求和服務(wù)要求。

3)星上星務(wù)系統(tǒng)更多采用自主技術(shù)

從單星角度看，隨著衛(wèi)星用戶的對(duì)地成像需求多樣性、自主性的要求不斷增加，衛(wèi)星的自主技術(shù)受到各衛(wèi)星大國(guó)的高度重視[8]。衛(wèi)星自主技術(shù)主要包括：自主感知、自主決策、自主協(xié)同技術(shù)，對(duì)于增強(qiáng)衛(wèi)星應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力、突破測(cè)控瓶頸、提升復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行能力具有重要的意義。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的星載規(guī)劃/調(diào)度系統(tǒng)(RAX-PS)、負(fù)責(zé)地球觀測(cè)1號(hào)(EO-1)小衛(wèi)星管控的自動(dòng)規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)(ASPEN)以及滾動(dòng)活動(dòng)調(diào)度規(guī)劃執(zhí)行與重規(guī)劃框架(CASPER)，歐洲航天局(ESA)的星載自主計(jì)劃(PROBA)及法國(guó)航天局的自動(dòng)化通用體系結(jié)構(gòu)-測(cè)試和應(yīng)用(AGATA)等。

2015年，國(guó)內(nèi)高分九號(hào)小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了基于元任務(wù)的指令設(shè)計(jì)，配合地面任務(wù)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了載荷任務(wù)的靈活管控，大幅提高了衛(wèi)星的好用易用性。2021年，北京三號(hào)小衛(wèi)星在軌實(shí)現(xiàn)了動(dòng)中成像自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果。

從星群角度看，單星向星群轉(zhuǎn)變、同構(gòu)星群向異構(gòu)星群轉(zhuǎn)變、小規(guī)模星群向大規(guī)模星群轉(zhuǎn)變，使得自主衛(wèi)星應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓寬，把機(jī)器學(xué)習(xí)與衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃相結(jié)合，讓衛(wèi)星自主獲取知識(shí)，提高自主性能[9]。

2 我國(guó)小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新

小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)朝著集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，硬件處理能力越來(lái)越強(qiáng)，集成度越來(lái)越高，傳統(tǒng)單機(jī)完成的功能得以用單板實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)單板實(shí)現(xiàn)的功能得以用芯片實(shí)現(xiàn)。星務(wù)軟件也從傳統(tǒng)的遙測(cè)、遙控、總線、載荷任務(wù)管理等功能逐步擴(kuò)展到應(yīng)用軟件系統(tǒng)重構(gòu)、信息處理、自主任務(wù)規(guī)劃、智能健康管理等多種復(fù)雜的功能。本節(jié)將從星務(wù)體系結(jié)構(gòu)、星載數(shù)據(jù)總線、星載計(jì)算機(jī)處理器、星務(wù)軟件架構(gòu)及星務(wù)信息協(xié)議等方面闡述我國(guó)小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。

2.1 星務(wù)體系結(jié)構(gòu)

小衛(wèi)星務(wù)體系結(jié)構(gòu)主要有分布式體系結(jié)構(gòu)和集中式體系結(jié)構(gòu)兩種。分布式體系結(jié)構(gòu)依托總線技術(shù)，將星務(wù)主機(jī)與各下位機(jī)通過(guò)總線互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以柔性地適應(yīng)不同平臺(tái)和載荷的變化，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)、測(cè)試和集成，簡(jiǎn)化接口協(xié)調(diào)。實(shí)踐五號(hào)小衛(wèi)星首次提出并驗(yàn)證了分布式體系結(jié)構(gòu)的星務(wù)系統(tǒng)。

典型的分布式星務(wù)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，星務(wù)主機(jī)、遙控單元等多臺(tái)設(shè)備通過(guò)總線連接成網(wǎng)絡(luò)。

圖1 星務(wù)分布式體系結(jié)構(gòu)

隨著技術(shù)發(fā)展，設(shè)備集成度越來(lái)越高，處理能力越來(lái)越強(qiáng)，總線帶寬也越來(lái)越大，小衛(wèi)星星務(wù)體系結(jié)構(gòu)逐步從分布式多節(jié)點(diǎn)向集中式內(nèi)總線發(fā)展。集中式體系結(jié)構(gòu)是由中心處理模塊和多個(gè)執(zhí)行模塊組成，是把傳統(tǒng)由多臺(tái)星務(wù)單機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能集成到一臺(tái)綜合電子設(shè)備來(lái)完成。例如北京三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)綜合電子集成了采用國(guó)產(chǎn)處理器BM3803的星務(wù)核心處理模塊、多功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、熱控管理模塊、指令和遙測(cè)模塊、高速總線管理等模塊。在微納衛(wèi)星平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)星務(wù)和姿軌控集成設(shè)計(jì)，由星務(wù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)星務(wù)和姿軌控功能并通過(guò)控制接口板采集姿軌控部組件信息和執(zhí)行姿軌控控制輸出。在小型化方面，通過(guò)研發(fā)包含測(cè)控基帶、星務(wù)處理及各種對(duì)外接口的片上系統(tǒng)(SoC)芯片實(shí)現(xiàn)平臺(tái)綜合電子集成度的提升。

2.2 星載數(shù)據(jù)總線

衛(wèi)星多采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以星載計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，目前應(yīng)用較多的總線主要有CAN總線、1553B總線、SpaceWire總線等。

自2000年試驗(yàn)二號(hào)小衛(wèi)星首次應(yīng)用CAN總線以來(lái)，絕大部分在軌在研小衛(wèi)星都采用了CAN總線作為整星的通信總線，并逐步推出了平臺(tái)CAN總線和載荷CAN總線相互獨(dú)立的拓?fù)浼軜?gòu)。2009年天繪一號(hào)小衛(wèi)星上首次采用了主從和多主相結(jié)合的通信方式，遙測(cè)參數(shù)的采集、從節(jié)點(diǎn)的廣播以及上行指令數(shù)據(jù)的注入采用主從式，對(duì)于實(shí)時(shí)性較高的全球?qū)Ш蕉ㄎ辉O(shè)備(GNSS)秒脈沖時(shí)間廣播數(shù)據(jù)采用多主方式，自主完成數(shù)據(jù)發(fā)送。在微納衛(wèi)星平臺(tái)，星務(wù)系統(tǒng)通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)集成軟核CAN總線控制器的方式，進(jìn)一步提高了星務(wù)系統(tǒng)的集成度。

隨著通信量的增大，小衛(wèi)星對(duì)總線碼速率提出了更高的要求，北京三號(hào)小衛(wèi)星在星務(wù)與姿控之間采用了SpaceWire總線，其通信速率可到200 Mbit/s，星務(wù)綜合電子應(yīng)用軟件同步實(shí)現(xiàn)了SpaceWire總線通信功能，完成SpaceWire總線通信容錯(cuò)設(shè)計(jì)，提高了總線通信的可靠性。

無(wú)線通信技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星艙段間信息交互、設(shè)備間靈活組網(wǎng)以及星上設(shè)備的即插即用，同時(shí)有利于開(kāi)展衛(wèi)星無(wú)線測(cè)試、快速組裝、星內(nèi)無(wú)纜化等。新技術(shù)試驗(yàn)五號(hào)衛(wèi)星開(kāi)展了基于紫蜂(zigbee)無(wú)線技術(shù)的在軌試驗(yàn)，通信速率優(yōu)于500 kbit/s，為后續(xù)無(wú)線通信技術(shù)在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.3 星載計(jì)算機(jī)處理器

星載計(jì)算機(jī)不斷向高集成度、高性能方向發(fā)展，星載計(jì)算機(jī)的處理器決定了計(jì)算機(jī)的性能。小衛(wèi)星在處理器選用方面覆蓋了x86、ARM、SPARC、PowerPC、龍芯以及面向信息處理的寒武紀(jì)、GPU、高性能FPGA等。

早些年，x86系列處理器在小衛(wèi)星上有著廣泛的應(yīng)用，但其處理性能相對(duì)較低，目前逐步被國(guó)產(chǎn)SPARC處理器替代。ARM處理器具有低成本、高性能的特點(diǎn)，生態(tài)較為豐富，但由于ARM系列處理器質(zhì)量等級(jí)低，需要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，目前主要應(yīng)用于低成本的微納衛(wèi)星上。SPARC系列處理器具有高可靠性的特點(diǎn)，典型處理器包括TSC695，AT697，BM3803，LCSoC3233等，在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域應(yīng)用較多。

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，星載計(jì)算機(jī)的集成度得到了進(jìn)一步提高，國(guó)產(chǎn)化SoC、系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)器件大量被用于小衛(wèi)星計(jì)算機(jī)中，商業(yè)遙感衛(wèi)星高景一號(hào)星務(wù)綜合管理單元大量采用了國(guó)產(chǎn)SIP模塊，包含星務(wù)主機(jī)SIP模塊、溫控SIP模塊、指令SIP模塊以及模擬量采集SIP模塊，傳統(tǒng)的單板完成的功能得以用單芯片實(shí)現(xiàn)。

2.4 星務(wù)軟件架構(gòu)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，星務(wù)軟件已逐步發(fā)展為分層架構(gòu)，分層設(shè)計(jì)能夠有效地隱藏每層的實(shí)現(xiàn)及技術(shù)細(xì)節(jié)，具有良好的可復(fù)用性及平臺(tái)移植性。如圖2所示，星載標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)分為操作系統(tǒng)、板級(jí)支持包(BSP)層、平臺(tái)抽象層、傳遞層、應(yīng)用支持層以及應(yīng)用層等。

圖2 星務(wù)軟件架構(gòu)

同時(shí)，通過(guò)研究星載軟件功能共性，抽象形成通用功能模型，研制通用構(gòu)件，使其具有規(guī)范接口和確定的上下文依賴的標(biāo)準(zhǔn)化組裝單元，軟件構(gòu)件能夠被獨(dú)立部署及組織，實(shí)現(xiàn)功能級(jí)復(fù)用，能夠跨型號(hào)、跨平臺(tái)、在不同類型處理器上運(yùn)行[10]，滿足平臺(tái)及型號(hào)任務(wù)需求。

在操作系統(tǒng)方面，為了滿足衛(wèi)星管控的實(shí)時(shí)性要求，小衛(wèi)星一般采用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，隨著GPU、多核高性能ARM等處理器在航天高速數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用的需求越來(lái)越多，嵌入式Linux操作系統(tǒng)也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。智能遙感小衛(wèi)星中首次使用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)開(kāi)源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)航天的高可靠應(yīng)用，并在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)類似于手機(jī)APP的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和上注，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軟件的智能化應(yīng)用。

2.5 星務(wù)信息協(xié)議

對(duì)于空間鏈路，小衛(wèi)星在網(wǎng)絡(luò)層采用了基于CCSDS協(xié)議體系的分包遙測(cè)及分包遙控體制。在鏈路層，對(duì)于下行遙測(cè)采用了遙測(cè)空間鏈路層協(xié)議或AOS鏈路層協(xié)議，對(duì)于上行遙控，鏈路層采用遙控空間鏈路層協(xié)議，并開(kāi)展了統(tǒng)一鏈路層協(xié)議研究。對(duì)于星內(nèi)通信，制定了小衛(wèi)星CAN總線通信協(xié)議，當(dāng)前，已針對(duì)CCSDS空間包傳輸，對(duì)該協(xié)議進(jìn)行了升級(jí)。

此外，小衛(wèi)星在軌實(shí)現(xiàn)了多路徑遙控遙測(cè)信息流設(shè)計(jì)。通過(guò)高速上行數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議制定、軟件設(shè)計(jì)和分發(fā)狀態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)各單機(jī)設(shè)備的軟件在軌注入和在軌重構(gòu)，通過(guò)引入CCSDS包長(zhǎng)和包副導(dǎo)頭等定義，支持高速傳輸需求以及不少于4 Gbyte的數(shù)據(jù)上傳，使得FPGA等大規(guī)模軟件在軌重構(gòu)簡(jiǎn)單易行。通過(guò)北斗短報(bào)文通道上下行數(shù)據(jù)協(xié)議的制定、上行數(shù)據(jù)的分發(fā)管理、下行關(guān)鍵遙測(cè)搜集實(shí)現(xiàn)了使用北斗短報(bào)文終端進(jìn)行應(yīng)急任務(wù)注入、實(shí)時(shí)在軌任務(wù)結(jié)果下傳。通過(guò)引入遙控包，未來(lái)具備在CAN總線實(shí)現(xiàn)按包傳輸數(shù)據(jù)的能力，其格式與遙測(cè)遙控的包格式統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

針對(duì)小衛(wèi)星在遙控、遙測(cè)信息處理傳遞過(guò)程中面臨的設(shè)計(jì)不統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)不規(guī)范、處理周期長(zhǎng)、交互難度大等問(wèn)題，參照CCSDS的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言的遙測(cè)遙控信息交換(XTCE)標(biāo)準(zhǔn)，建立通用、統(tǒng)一、開(kāi)放的小衛(wèi)星遙測(cè)遙控信息描述標(biāo)準(zhǔn)，減少各方遙測(cè)遙控信息傳遞與集成的成本，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，打通單機(jī)、分系統(tǒng)、整星以及總裝、測(cè)試與試驗(yàn)(AIT)、衛(wèi)星測(cè)控中心間的信息接口，完成信息數(shù)字化流轉(zhuǎn)。

3 后續(xù)小衛(wèi)星對(duì)星務(wù)技術(shù)的需求

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，高分辨率遙感小衛(wèi)星已經(jīng)在國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和大眾民生等諸多領(lǐng)域擁有巨大的市場(chǎng)價(jià)值。縱觀國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)，小衛(wèi)星正向高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高機(jī)動(dòng)能力和高集成化的方向發(fā)展，這些都對(duì)作為星上控制管理的核心的綜合電子系統(tǒng)提出了新的需求，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1)需要具備實(shí)時(shí)、高精度的綜合信息管理與服務(wù)能力

對(duì)于高分辨率遙感衛(wèi)星，其對(duì)地觀測(cè)信息的精確程度及有效性在很大程度上依賴于精確的衛(wèi)星平臺(tái)時(shí)空基準(zhǔn)信息，如姿態(tài)信息、軌道信息、時(shí)間信息等，這不僅要求衛(wèi)星平臺(tái)配置足夠精度的時(shí)空基準(zhǔn)傳感器，還要求星上綜合電子系統(tǒng)能夠具備實(shí)時(shí)、高精度的信息采集、處理、傳遞、同步及融合能力。另外，高分辨率遙感衛(wèi)星的敏捷機(jī)動(dòng)也對(duì)整星控制的信息傳遞實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。這些都需要通過(guò)新型星載綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、信息傳遞模式設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)高可靠星上網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證。

2)需要具備輕小型化、集成化的特征

由于現(xiàn)代小衛(wèi)星系統(tǒng)的功能越來(lái)越多地依賴于電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，新一代高分遙感小衛(wèi)星要向著輕量化方向發(fā)展就必須要求綜合電子系統(tǒng)具備集成化、輕小型化的特征。為此，一方面需要在綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)于現(xiàn)有的系統(tǒng)及分系統(tǒng)進(jìn)行功能優(yōu)化、重組及整合，以減少平臺(tái)電子設(shè)備數(shù)量，減輕設(shè)備質(zhì)量，并通過(guò)FPGA、專用集成電路(ASIC)、SoC等技術(shù)來(lái)提高設(shè)備功能密度。另一方面，當(dāng)前新型小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)理念已從原有的載荷適配平臺(tái)的方式發(fā)展為以載荷為中心的整星一體化融合優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式，因此衛(wèi)星平臺(tái)綜合電子設(shè)計(jì)需與載荷電子系統(tǒng)開(kāi)展信息流一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)資源兼顧，達(dá)到電子系統(tǒng)最優(yōu)組合。

3)需要具備通用性和可擴(kuò)展性特征

高分辨率衛(wèi)星遙感覆蓋光學(xué)、微波、電子等多個(gè)領(lǐng)域，不同的遙感載荷對(duì)平臺(tái)及星載綜合電子系統(tǒng)有著不同的需求，為了使新型星載綜合電子系統(tǒng)具備良好的任務(wù)適應(yīng)性和可重用性，要求新型的星載綜合電子系統(tǒng)必須具備通用性和可擴(kuò)展性特征。為此，需要在綜合電子系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)中采取合理的功能模塊劃分，還需要在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中融入標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)理念。

4)需要提升星上數(shù)據(jù)智能處理能力

在衛(wèi)星防災(zāi)、減災(zāi)及救災(zāi)應(yīng)用中，用戶期望的是遙感衛(wèi)星能夠?qū)ⅰ坝杏谩毙畔?shí)時(shí)高效地傳遞至應(yīng)急救災(zāi)指揮部，這就要求衛(wèi)星對(duì)載荷信息的處理要有最高的時(shí)效性。因此，針對(duì)高時(shí)效性衛(wèi)星的特點(diǎn)及應(yīng)用需求開(kāi)展星上數(shù)據(jù)壓縮、智能判別、災(zāi)情監(jiān)測(cè)等技術(shù)不僅是降低存儲(chǔ)、傳輸壓力的需求，更重要的是提升衛(wèi)星信息快速服務(wù)能力的需求。

5)需要具備星群組網(wǎng)的信息處理能力

在以深度學(xué)習(xí)技術(shù)為代表的人工智能第三次浪潮席卷著各行各業(yè)的背景下，各個(gè)行業(yè)都在研究如何采用這些技術(shù)賦能行業(yè)應(yīng)用；用戶提出航天領(lǐng)域的發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)化[11]、綜合化、一體化為核心，優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)系統(tǒng)彈性和性能、提升體系效能。要求從星地一體、通導(dǎo)遙一體等角度出發(fā)[12-13]，提升星群好用易用性，這就要求綜合電子具備星群信息的處理能力。

4 小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)發(fā)展展望與建議

結(jié)合未來(lái)小衛(wèi)星對(duì)星務(wù)系統(tǒng)的需求分析，后續(xù)小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)發(fā)展主要有以下幾方面的建議。

1)平臺(tái)綜合電子與載荷信息流一體化設(shè)計(jì)

下一代星務(wù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)朝著平臺(tái)載荷信息流一體化的方向發(fā)展，需實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和載荷數(shù)據(jù)的融合處理，為整星提供更靈活的信息流解決方案。首先，開(kāi)展下一代高性能星上電子系統(tǒng)研究，在星上電子系統(tǒng)中擴(kuò)充基于FPGA、SoC、ASIC的高速載荷數(shù)據(jù)處理模塊，開(kāi)展在軌載荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)處理工作，并將處理結(jié)果反饋給星務(wù)系統(tǒng)，由星務(wù)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)處理結(jié)果開(kāi)展智能自主任務(wù)規(guī)劃，實(shí)時(shí)生成衛(wèi)星后續(xù)的載荷任務(wù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和載荷的信息流閉環(huán)控制。其次，開(kāi)展平臺(tái)綜合電子與載荷深度融合設(shè)計(jì)工作，直接由平臺(tái)綜合電子對(duì)載荷進(jìn)行管理和控制，提高衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)載荷的管控能力。

2)發(fā)展天基高速計(jì)算技術(shù)

下一代高性能星務(wù)系統(tǒng)，需包含天基高速計(jì)算部組件，從服務(wù)用戶和支持平臺(tái)及載荷的數(shù)據(jù)融合的角度提供有力手段，在系統(tǒng)架構(gòu)上服務(wù)高速數(shù)據(jù)傳輸、星內(nèi)/星間一體化聯(lián)網(wǎng)、載荷信息融合等支撐大數(shù)據(jù)服務(wù)體系的內(nèi)在需求。在天基高速計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)將人工智能算法/芯片與自主任務(wù)規(guī)劃、自主健康管理等需求相結(jié)合，提升航天器在智能規(guī)劃、決策、故障預(yù)測(cè)與處置方面的能力，通過(guò)群體智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星群的智能組網(wǎng)、任務(wù)協(xié)同，提升小衛(wèi)星系統(tǒng)的整體應(yīng)用效能。

3)智能技術(shù)應(yīng)用研究

下一代高性能星務(wù)系統(tǒng)的核心技術(shù)是軟件智能，為了支撐智能衛(wèi)星和星群任務(wù)管理需求，重點(diǎn)需完成基于高算平臺(tái)的智能操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)及人工智能算法的應(yīng)用，具備高性能在軌圖像實(shí)時(shí)處理等應(yīng)用軟件APP的開(kāi)發(fā)能力；開(kāi)展開(kāi)放式星務(wù)軟件架構(gòu)研究，大力發(fā)展第三方應(yīng)用程序，建立衛(wèi)星與用戶之間的應(yīng)用軟件生態(tài)，讓普通程序員就能開(kāi)發(fā)和上注星載應(yīng)用APP。通過(guò)不斷升級(jí)軟件和算法，逐漸提升小衛(wèi)星自身的感知能力、自主運(yùn)行能力、在軌大數(shù)據(jù)處理能力及智能決策能力。使小衛(wèi)星能夠完成更復(fù)雜的在軌任務(wù)，發(fā)揮更大的應(yīng)用效能。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)20多年的迭代升級(jí)，我國(guó)小衛(wèi)星星務(wù)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，逐步形成了比較完備星務(wù)硬件產(chǎn)品體系和軟件產(chǎn)品體系。本文對(duì)后續(xù)小衛(wèi)星對(duì)星務(wù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了平臺(tái)綜合電子與載荷信息流一體化設(shè)計(jì)、發(fā)展天基高速計(jì)算技術(shù)、智能技術(shù)應(yīng)用研究等方面的發(fā)展建議，可為小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。