一种高集成小卫星测控系统的综合设计

赵笛 刘朋 李红宝 韩孟飞

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

一种高集成小卫星测控系统的综合设计

赵笛 刘朋 李红宝 韩孟飞

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

在传统小卫星测控系统的S频段应答机、中继测控单元、遥控单元及星务管理单元的设计基础上，对小卫星测控系统进行了综合设计。设计中采用低温共烧陶瓷（LTCC）、微组装工艺、键合技术、片上系统（SOC）微型芯片等新技术，将小卫星测控系统各功能单元融合在一台高集成、多功能的小型化测控产品中，实现星上资源的统一利用和测控任务的统一调度管理。与传统的小卫星测控系统相比，体积减小70%，质量减小80%，功耗降低35%，可满足小卫星体积小、质量小、功耗低的产品需求。文章提出的设计可为后续集成测控系统的设计提供参考。

小卫星；测控系统；集成设计

1 引言

“机箱与缆线”（Box-and-harness）一直是国内外卫星测控系统的主流设计方法。这种设计方法使各独立功能模块之间保持明显的界线，具有试验和交叉搭接容易等优点。然而，分立设计方式会导致系统尺寸、质量、费用增加。我国传统小卫星测控系统设计由于考虑可靠性及成熟度等因素，也多采用具有独立功能的单机产品来实现测控系统的各项功能，设备数量较多，系统较为复杂。随着微电子技术、微机械、微光学等微机电技术的进步，以及深空探测任务的推动，未来的星载测控系统将采用数字化的复合型设计体制，具有多功能、多通道、小型化等特点［1］。

本文在传统小卫星测控系统设计的基础上，提出了一种高集成测控系统设计方案，在一台单机产品内集成了传统设计中测控与星务2个分系统，可实现星地测控及测距测速、中继测控、遥控指令译码、遥控注入数据解密解扰、整星任务调度管理、遥测数据管理、有效载荷状态采集和管理、整星温度测量和控制等诸多功能。与传统设计相比，本文的设计将具有独立功能的设备集合体演变为将任务、功能、资源统一调度管理的集成系统，不仅使体积、质量、功耗明显减小，还使功能分配更加合理。

2 测控系统的综合设计

卫星测控系统与测控地面站配合完成卫星的跟踪测轨、遥测、遥控等上下行测控通信功能，以及测控信息的中继转发、星上信息的处理与管理功能。

本文对传统小卫星测控系统设计中的S频段应答机/中继测控单元、星务中心计算机、遥控单元、有效载荷下位机、热控下位机进行综合设计，在不减少原有功能的基础上，实现小卫星测控系统的小型化、集成化、多功能性设计。测控系统构成见图1。

图1 测控系统构成Fig.1 Composition of TT&C system

由图1可见，在本文的设计中，重新整合系统结构，采用先进技术和工艺，将原有分散的单机产品统一设计，划分成应答机模块、中继测控模块及测控综合管理模块3部分。应答机模块具有解扩解调上行射频信号、接收转发遥控指令/数据及扩频调制下行遥测数据等功能；中继测控模块具有解扩解调中继卫星转发的射频信号、接收转发遥控指令/数据及扩频调制返向遥测数据等功能；测控综合管理模块具有卫星所有遥控间接指令的处理及分发、卫星遥测数据管理、卫星时间管理、卫星热控管理等功能。

下面对应答机模块与测控综合管理模块的优化设计分别进行详细说明。由于中继测控模块与应答机模块在小型化设计方面类似，因此中继测控模块的设计不再介绍。

2.1 应答机设计

传统S频段应答机由射频通道、数字基带处理器及下位机组成。射频通道部分由分立式微波器件搭建，体积较大［2］。数字基带处理器选用数字信号处理器（DSP）＋处理FPGA方案［3］，电路设计较为复杂。因此，本文的应答机小型化设计主要从射频通道及数字基带处理器两方面入手。

1）射频通道的小型化设计

对于射频通道，在传统设计的基础上引入低温共烧陶瓷（LTCC）技术及微组装工艺，选用微型元器件，采用微细间距、微小结构、微连接等新工艺设计微波电路，从技术及工艺角度突破射频组件小型化设计瓶颈，实现射频通道小型化。

LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图型，并将多个无源元件与组件（如电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入陶瓷基板中［4］。

微组装工艺采用微焊接等工艺技术，将各种半导体集成电路芯片和微型化片式元器件组装在高密度、多层互联基板上，形成高密度、功能集成、高可靠性的三维立体结构的高级微电子组件［5］。

采用微小型化设计措施后，与具有同样功能的表面贴装技术（SMT）电路构成的整机相比，在质量、体积、接口数量上均有显著减少，如图2所示。

2）数字基带处理器设计

数字基带处理器硬件设计以处理FPGA芯片为核心，代替传统电路中的FPGA＋DSP芯片，减少核心处理芯片数量及外围电路，节省印制板面积，缩小产品外形尺寸。

数字基带采用软件无线电理念，选用70 MHz中频接口，在FPGA内实现传统设计中扩频信号的解调解扩［6］。同时，增加遥控信息处理功能，取消遥控单元设备，减少单机数量，优化传统应答机单一的通道特性。

图2 传统设计与微小型化设计对比Fig.2 Comparison between traditional-design and micro-design

2.2 测控综合管理集成设计

在传统的星上测控管理设计中，以星务中心计算机为整星测控调度核心，进行卫星任务的调度管理和遥测编码组织，结合遥控单元进行卫星数据的加解密管理；内务下位机进行卫星重要数据的保存和恢复；有效载荷下位机对卫星有效载荷状态进行采集和管理；热控下位机对整星温度进行测量和控制。各分系统通过接口管理单元与卫星平台进行测控管理任务交互，每个接口单元上设计诸多接口总线芯片及模数控制芯片，这不仅增加了整星质量、体积，还增加卫星功耗［7］。

在本文的设计中，将各功能控制器和CPU集成到一个芯片中，通过单片取代单板的方式提高卫星功能密度［8］。测控综合管理设计由系统封装SIP计算机及下位机综合管理单元两部分实现。

1）SIP计算机设计

SIP计算机内嵌高性能Sparc-V8架构处理器，构建星上测控调度中心替代传统的星务中心计算机，设计采用键合技术，将微处理器、遥测（TM）模块、遥控（TC）模块、CAN总线模块、Flash存储器，SRAM存储器集成为单片的高性能混合电路。其工作主频为80 MHz，尺寸为60 mm×60 mm× 12 mm，质量为155 g，如图3所示。

2）下位机综合管理单元设计

下位机综合管理单元采用一块智能化MEU混合电路构建，通过扩展多路选择开关，采集整星电气模拟量（电压、电流）和整星温度模拟量；通过OC电路驱动继电器，实现对卫星单机和部组件开关状态的控制；通过温控场效应晶体管（MOS管）控制加热器功率，实现对整星温度范围的控制。因此，集成传统的有效载荷下位机、热控下位机、遥控单元、测控应答机下位机的功能，以实现各功能单机的高度整合。

MEU内部以高速混合信号C8051F040 MCU为内核，采用CIP-51微处理器，与MCS-51TM指令集完全兼容，由于采用流水线结构，与标准的8051结构相比，其指令执行速度有很大的提高。MEU的基本特性包括：高速8051的微控制器内核，峰值处理能力可达25 Mbit/s，在相同时钟频率下是80C31的12倍；64 kbyte的Flash内部程序存储器；64 kbyte的SRAM内部数据存储器；1 Mbyte的SRAM数据存储器；丰富的外部接口；可以通过JTAG进行编程。其外形尺寸为32.52 mm× 32.52 mm×7.15 mm，质量仅为18 g，如图4所示。

下位机综合管理单元软件由底层操作系统和顶层应用程序组成。底层操作系统基于嵌入式星载实时操作系统；顶层应用软件在此操作系统框架上编写，可以根据需要灵活应用。

图3 封装和键合的SIP计算机Fig.3 Packed and bonded SIP computer

图4 封装和键合的MEU电路Fig.4 Packed and bonded MEU circuit

2.3 其他设计措施

（1）结构设计：采用镁铝合金替代传统的铝合金，镁铝合金密度约为1.8 g/cm3，铝合金密度约为2.7 g/cm3，质量减少约1/3。

（2）连接器设计：选用小型化弯针型接插件和板间接插件，可以减少内部线缆数量及质量，同时提高电装效率。

3 设计验证与设计特点

3.1 设计验证

本文设计的测控系统，集成应答机、中继测控模块、遥控单元、星务调度管理、内务下位机、有效载荷下位机、热控下位机、星上状态、温度采集与控制、星上单机组件管理等功能，同时加入健康状态自主监测及恢复、自主测试等功能，可以完成卫星数据流层面的自主测试。综合考虑国内传统测控系统设计的各项参数［2，9］，与本文设计进行对比，结果如表1所示。

表1 两种设计对比Table 1 Comparison between two kinds of design

由表1可以看出，与传统测控系统设计相比，本文的测控系统设计在功能上更加完善，在体积、质量、功耗方面有明显的减小。经过与卫星供电系统联试，本文设计产品功能正常，性能指标满足要求，并且适用于载荷平台比要求高、研制周期短的小卫星任务。

3.2 设计特点

根据系统设计和验证结果，总结本文设计关键点如下。

（1）小型化设计：从系统层面对资源统一分配管理，最大程度进行功能集成，从先进工艺技术、接插件、结构材料等多方面入手，减小设备体积和质量。

（2）热设计：在本文的设计中，功耗减小程度不如体积减小程度，会导致产品的温度平衡点较高。为很好地解决散热问题，采用大功耗器件通过接触面接触导热，或通过螺栓和引脚导热到印制板，再利用印制板和螺栓导热到机箱壳体的方式。

（3）单粒子翻转防护设计：在传统单粒子翻转防护措施的基础上，增加自主监测恢复功能，可以恢复单粒子翻转问题，甚至在发生单粒子功能中断（SEFI）时，也能够自主断电重新加电，在无地面干预的情况下实现自主管理维护。

（4）测控软件通用框架设计：通过提供统一的软件协议规范，使通用的卫星设备能够快速接入星上网络，通过提供统一的多任务实时开发环境，实现通用的任务扩展与调度，从而保障卫星各分系统测控管理的统一性和可靠性，大大提高整星研制和测试进度；形成标准的软件，多次重复使用，减少开发费用，提高可靠性。

（5）集权管理安全性设计：卫星测控系统资源全部由测控综合管理模块统一调度管理，因此具有集成度高、资源分配更合理等优点。不过，一旦测控综合管理模块出现异常，卫星测控系统将面临灾难性的后果。为了避免这种情况发生，本文设计了测控综合管理模块安全模式，除自主切换备份策略外，还设计有应急上行通道，在应急情况下，可不通过测控综合管理模块调度，直接由应答机模块和中继测控模块通过互联总线给卫星分各系统发送数据指令，同时，由应答机模块和中继测控模块对测控综合管理模块实施恢复操作，全面保障整星安全。

4 结束语

本文的小卫星测控系统设计具有多功能集成化、体积质量轻小型化及低功耗特性，可满足目前国内小卫星对载荷平台比逐渐提高的要求，为未来测控系统的进一步优化设计提供参考。后续将深入开展基于SOC技术的测控系统小型化研究，为研制更高性能、更微小型化的测控系统提供技术支撑，利用微电子和微机械技术不断提升小卫星设计能力。

（References）

［1］万永伦.应答机技术研究与展望［J］.电讯技术，2009，49（6）：105-109 Wan Yonglun.Transponder technology：research and prospects［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（6）：105-109（in Chinese）

［2］焦猛.S波段测控通道的小型化设计［C］//2011年小卫星技术交流会论文集.北京：航天东方红卫星有限公司，2011：404-409 Jiao Meng.Miniaturized design in S-band TT&C channel［C］//Proceedings of 2011 Micro-satellites Technique Conference.Beijing：DFH Satellite Co.Ltd.，2011：404-409（in Chinese）

［3］占荣辉，万建伟.一种新的双模应答机全数字中频接收机设计［J］.系统工程与电子技术，2006，28（2）：199-201 Zhan Ronghui，Wan Jianwei.Design of the IF all digital receiver for a novel dual-mode transponder［J］.Systems Engineering and Electronics，2006，28（2）：199-201（in Chinese）

［4］孙慧萍.LTCC低介高频微波介质材料［D］.杭州：浙江大学，2004 Sun Huiping.LTCC low dielectric constant and high frequency microwave dielectric material［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2004（in Chinese）

［5］邵优华，韦炜.T/R组件微组装工艺技术［J］.舰船电子对抗，2012，34（4）：103-107 Shao Youhua，Wei Wei.Micro-assembly technics technology of T/R component［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2012，34（4）：103-107（in Chinese）

［6］李翔，魏幼平，李忠敏，等.基于FPGA的扩频同步捕捉跟踪设计［J］.微型机与应用，2013，32（16）：68-70 Li Xiang，Wei Youping，Li Zhongmin，et al.Spectrum synchronization design of capture and track based on FPGA［J］.Micro Computer and Application，2013，32（16）：68-70（in Chinese）

［7］施思寒，李孝同，李晓明，等.CAST100平台星务系统技术［C］//2011年小卫星技术交流会论文集.北京：航天东方红卫星有限公司，2011：387-394 Shi Sihan，Li Xiaotong，Li Xiaoming，et al.Satellite management technique of CAST100 platform［C］//Proceedings of 2011 Micro-satellites Technique Conference. Beijing：DFH Satellite Co.Ltd.，2011：387-394（in Chinese）

［8］刘朋，施思寒.小卫星星上测控软件通用框架设计［C］//中国现代小卫星技术发展研究论文集.北京：中国宇航出版社，2013：286-292 Liu Peng，Shi Sihan.Currency framework design for TM/TC software of microsatellite［C］//Proceedings of Developing Study of China Modern Microsatellite Technology.Beijing：China Astronautics Press，2013：286-292（in Chinese）

［9］李孝同，施思寒，李冠群.微小卫星综合电子系统设计［J］.航天器工程，2008，17（1）：30-35 Li Xiaotong，Shi Sihan，Li Guanqun.Integrated electronics system of micro-satellite［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（1）：30-35（in Chinese）

（编辑：夏光）

A Highly Integrated Design for TT&C System of Small Satellite

ZHAO Di LIU Peng LI Hongbao HAN Mengfei
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

Based on the traditional design in S-band transponder，relay TT&C unit，TC unit and data management unit of small satellite，TT&C system is redesigned synthetically.In this design，the various functional units are designed to form a highly integrated，multifunctional and pint-sized TT&C product by using LTCC technology，micro-package techniques，bonding techniques，SOC technology etc.And the multiplicate TT&C missions，functions and resource are managed unifiedly.Compared with the traditional design，the new product is reduced 70%in cubage，80%in weight and 35%in consumption.And this design satisfies the requirements of small satellite for smaller cubage，lighter weight and lower consumption.Also，the paper provides a reference for the subsequent integrated TT&C system design.

small satellite；TT&C system；integrated design

V443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.013

2014-12-02；

：2015-04-24

国家重大航天工程

赵笛，女，硕士，工程师，研究方向为卫星测控通信总体设计。Email：didi_email@sina.com。