一种分布式航天器综合电子系统设计

刘伟伟 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

一种分布式航天器综合电子系统设计

刘伟伟 程博文 汪路元 于敏芳

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

以综合电子系统层次模型为基础，提出并实现了一种分布式航天器综合电子系统设计方案。该方案以标准通用硬件模块、ASIC芯片、分层总线体系结构和空间通信协议体系作为基本的技术支撑，采用分布式的协同和并行处理，既可以提升信息网络服务能力和信息计算处理能力，也可以实现硬件模块和资源的共享及任务迁移和系统重构。在航天器上的应用表明：此方案可有效提升综合电子系统的运行效率及任务处理能力，增强综合电子系统对故障的容忍和处理能力，也能够显著提高综合电子系统的研制效率和产品化程度，使综合电子系统为构建高可靠、智能化的航天器提供所需的技术保障。

航天器综合电子系统；硬件模块；分布式管理；分布式存储；任务迁移；系统重构

1 引言

随着电子以及计算机技术的不断进步，航天器综合电子系统的功能和性能也不断提升，涵盖了航天器遥测遥控管理、能源管理、热控管理、健康管理、载荷信息处理及任务管理等多种功能的控制和管理，在实现信息共享和综合利用、功能集成、资源重组优化，以及信息处理和传输方面起着核心作用[1]，是航天器实施自主管理和控制的智能化基础，也是航天器与地面及航天器之间通信管理的桥梁[2]。

传统的航天器电子系统采用类似金字塔的分层集中管理控制模式，不仅需要在管理单元和接口单元之间进行大量的数据交互，也需要管理单元对大量底层数据进行处理，使管理单元不堪重负，严重限制了电子系统对高层任务的处理和支持。而且管理单元处于集中式管理的“金字塔”顶端，对其可靠性要求较高，一旦发生故障将导致整个电子系统失效。由此可见，集中式管理方式已经不再适应航天器发展的需求。目前，国外航天器电子系统集中式的管理方式已经逐渐被分布式网络化的电子系统取代，如日本的“非热能源探测望远镜”(Non-thermal Energy eXploration Telescope，NeXT)及ESA的“生物火星”(ExoMars)探测器等，均采用网络化的拓扑结构实现资源共享和系统重构，从而实现整个电子系统的一体化设计[3]。为此，本文以标准通用的硬件模块、ASIC芯片、分层总线体系结构和空间通信协议体系作为基本的技术支撑，根据航天器在任务迁移与并行处理、系统重构与资源共享的应用需求，提出一种分布式综合电子系统，可打破管理单元和接口单元之间的层次界线，有效提升综合电子系统的设计研制能力、飞行保障能力和在轨维护能力。

2 分布式综合电子系统设计

在分布式综合电子系统中，从系统角度来看，所有设备既能按照有机整体为航天器提供统一的通信、处理、存储能力，为用户提供一致的访问接口，提升系统的易用性和好用性；同时，在系统内部也能按照独立的个体进行任务的分工，以及数据和信息的处理，并在必要时提供任务的迁移和重构能力，提升系统的可靠性和容错性。因此，要求分布式综合电子系统中的所有设备具有统一的底层硬件支撑、总线体系结构及信息网络服务机制。

2.1 分布式综合电子系统层次模型

综合电子系统的设计遵循模块化开放式的体系结构，将系统的各项功能进行规划分析和抽象综合[4]，形成9种标准通用的硬件模块及一系列对应的软件构件，它们作为综合电子系统的基本底层支撑，在综合电子系统标准总线体系结构框架下，将各硬件模块通过内总线进行拼装和组合，形成具有特定功能的综合电子系统设备，各设备在外总线通信和连接的基础上形成一个完整的综合电子系统[5]，具体如图1所示。其中，9种标准通用硬件模块能够涵盖不同航天器大部分的功能需求，对于特殊的功能需求，通过设计专用的扩展模块实现。扩展模块可与标准通用硬件模块一样，遵循统一的硬件模块设计框架，通过设备内总线实现与标准通用硬件模块的通信。

注：w为管理单元数。图1 综合电子系统层次模型Fig.1 Avionics system hierarchy model

综合电子系统标准通用硬件模块具备独立设计、测试及现货供应能力，选择相应功能的硬件模块即可组装成具有所需功能的综合电子设备，使各综合电子设备提供的功能和接口一致，因此综合电子设备之间不存在等级和层次之分，可实现分布式的并行工作，并具备在各设备之间进行任务迁移、系统重构和协调配合的能力。

2.2 标准通用硬件模块设计

标准通用硬件模块按照通用化框架设计，均由专用功能组件、测试维护及容错组件、电源组件、通用物理层及链路层接口组件及可选的网络层接口组件组成。其中：专用功能组件决定了硬件模块的种类及所能实现的具体功能；其他功能组件作为通用的支持单元，将具有特定功能的硬件模块融入到整个系统中，实现硬件模块之间的信息交互及系统交互。图2为通用硬件模块框架。

注：HOST为主机，用于控制对BIUx及BIUy的读写访问；BIU为总线接口单元，x和y分别代表一路独立的总线接口单元。图2 通用硬件模块框架Fig.2 Framework of general hardware module

在标准通用硬件模块中，通用物理层及链路层接口组件采用美国航空无线电公司(ARINC)制定的标准背板ARINC659总线接口电路实现。ARINC659是一个线型多点连接的串行通信数据总线，基于时间触发模式，具有高度的故障容错能力，同时兼具标准化、可扩展、实现简单等优点[6]，非常适用于对可靠性和容错性要求较高的场合。另外，标准通用硬件模块中专用功能组件所实现的功能通常不是单一的，而是包含了多种接口形式及多种功能电路，为此设计了一种HOST接口控制器(ASIC)作为网络层接口，并且在ASIC设计过程中充分考虑了航天器中采用的各种接口形式和通信机制，能够适用对所有硬件模块专用功能组件的控制和数据交互，并作为ARINC659总线接口组件与专用功能组件之间进行通信和数据路由的桥梁，将多种专用电路的控制、通信、数据格式等转换为统一的标准通用接口和通信格式，使硬件模块具备标准接入与即插即用的能力。

2.3 综合电子系统总线体系结构

为了实现标准的总线互联结构，便于通过硬件模块的组装形成特定功能的电子设备，建立了综合电子系统总线体系结构(见图3)。在此过程中，综合考虑了系统功能、通信速率、容错和重构能力对总线的需求，形成了以CPU前端总线、局部总线、I/O总线、外总线组成的4级总线分层结构[7]。其中：CPU前端总线用于实现CPU与外围电路之间的数据通信；局部总线和I/O总线可作为设备内总线，实现设备内部硬件模块之间的相互通信，局部总线主要用于支持高速数据的传输，而I/O总线主要用于实现对高容错、可扩展方面的良好支持，实现硬件模块的标准化设计，以及快速系统接入和扩展的目的。

借助于综合电子系统统一的总线体系结构及标准的硬件模块物理层接口，可以方便地将各硬件模块进行组装和拼接，形成一个具有特定功能的单机设备，各设备之间进而通过外总线或交换网络连接在一起，形成完整的综合电子系统。

综合电子系统中各设备作为网络中的一个节点，通过交换网络或外总线进行互联，能够并行、独立自主地工作，仅通过网络传输各管理单元处理后的数据和状态信息，因而降低了设备对数据处理的负荷及性能要求，提升了综合电子系统整体的性能指标。

各设备之间除通过交换网络或外总线进行互联外，还可通过虚拟背板I/O总线进行互联，此时可将互联设备看作分布在不同机箱中的同一台设备，这些设备中的硬件模块按照ARINC659总线统一的时间窗口进行规划。另外，为了保证ARINC659总线的信号完整性，虚拟背板I/O总线以低压差分信号(LVDS)实现不同管理单元中ARINC659总线的桥接(见图4)，LVDS作为不同设备间的互联信号，在设备内部实现LVDS信号与ARINC659总线信号之间的双向转换，进而实现多段ARINC659总线之间的互联和通信。

注：SoC(System on Chip)为片上系统；CPCI(Compact Peripheral Component Interface)为坚实外设接口；AMBA(Advanced Micro-controller Bus Architecture)为高级微控制器总线架构；i,j,k表示模块数。模块1、模块i、模块j、模块k分别代表一种典型的综合电子系统总线连接实现方式。图3 综合电子系统总线体系结构Fig.3 Architecture of avionics system data bus

注：n和m为模块数，p为管理单元数。图4 ARINC659总线桥接示意Fig.4 Implementation of ARINC659 bus bridging

3 关键技术研究

分布式综合电子系统在总线体系结构及标准通用硬件模块的基础上，实现了标准化、规范化及多任务通用性设计，而智能化、网络化也是分布式综合电子系统发展的重要方向和目标，因此分布式综合电子系统必须要突破在通信、计算、存储方面存在的瓶颈，建立统一的信息网络服务机制和信息处理平台，实现对自主任务管理、多星协同工作、多任务通用的支持。

3.1 统一信息网络服务机制

分布式综合电子系统相关的信息产生、处理、接收、发布、维护，不仅涉及到航天器内部设备，也涉及到器地和器间，构成典型的信息网络。这一网络除为综合电子系统自身服务之外，还要为其他信息终端提供信息处理服务，因此综合电子系统以空间数据系统咨询委员会(CCSDS)制定的航天器接口业务(SOIS)标准为核心，将协议及业务体系划分为应用支持层、传输层、网络层、子网层4层，建立了统一的空间通信协议标准体系结构[4](见图5)。

图5 空间通信协议标准体系结构Fig.5 Architecture of space communication protocols

依据空间通信协议体系，在应用支持层实现了命令与数据获取业务、时间访问业务、消息传输业务及欧洲航天标准化合作组织(ECSS)制定的PUS业务，在传输层实现了空间包协议，在子网层实现了空间链路的遥控(TC)、通信操作规程-1(COP-1)、AOS等数据链路协议，以及星载链路的包业务、存储访问业务、同步业务，可在1553B总线、Arinc659总线、SpaceWire网络、存储器加载接口(ML)、数据串行接口(DS)、通用异步收发传输(UART)接口等链路上实现子网的标准业务。

3.1.1 全局命名与寻址机制

为了在航天器平台及有效载荷各类子网中提供统一的信息网络寻址路由服务，实现在航天器和地面组成的全网范围内端到端的透明信息交换，在空间通信协议体系结构的基础上，形成全局命名与寻址机制，支持综合电子系统在器内、器地及器间分布式网络中进行信息处理。

全局命名与寻址机制借助航天器标识(SCID)、虚拟信道标识(VCID)、应用过程标识(APID)、对象标识(OJID)组成全局的命名和寻址标识[8]。其中：SCID用于确定一个航天器；VCID用于确定空间链路中的一个虚拟信道[9]；APID用于确定一个具体的功能体，可以是软件、硬件或固件；OJID用于确定对某一功能体的属性及操作方法。通过不同ID的组合、SOIS中网络层及传输层的路由机制，就可唯一地实现对某项具体功能(或某个硬件模块)及具体通道的访问和控制。全局命名与寻址机制在单个航天器中最多能够服务2048个用户，满足分布式综合电子系统的信息和数据处理需求。

依赖于全局命名与寻址机制，可进一步实现硬件模块的分布式控制与访问。任意一个管理单元中的通用处理器模块，除了可以实现对同一设备中硬件模块的访问，还可以实现对其他所有管理单元中硬件模块的访问，并且访问方式与本设备内硬件模块的访问方式相同，由SOIS的网络层根据寻址地址自动完成数据的路由，并通过相应的子网进行数据传输。在某一管理单元内部通用处理器模块故障时，其他管理单元仍能实现对故障管理单元中其他硬件模块的有效利用，同样地，也可在某些管理单元内部不配置通用处理器模块以节省成本，该管理单元内部的硬件模块直接由其他管理单元控制。

3.1.2 异步消息业务(AMS)机制

传统航天器各设备之间的信息交互，必须对数据的格式、长度、通信硬件通道等进行详细的规定，因此，在设备故障或者功能任务调整后，原有的连接或网络结构很难再实现对系统功能任务的支持[10]，或者需要地面进行复杂的维护操作后才能实现功能或任务的恢复，从而大大降低了对任务迁移及系统重构的支持能力。

在分布式综合电子系统中，依据CCSDS标准设计实现了一套AMS机制，可实现对所关注数据的接收，以及自身关键数据的发布，完成信息共享功能，同时还能实现系统中所有模块在任意时刻加入系统和在任意时刻从系统退出，从而完成网络的自组织、任务迁移和重构功能[11]。

AMS中，整个通信系统被划分为节点、注册员、配置服务器来实现完善的系统注册管理机制。其中：节点为收发消息的通信实体，注册员用于各个节点信息的管理，不同的节点和注册员可以组成不同的消息空间，而配置服务器就是用于对不同消息空间的配置数据库进行管理，包括各个注册员的位置信息等。此外，所实现的AMS可支持邀约-传送、邀约-群发、订阅-发布3种消息传输机制，分别实现每个节点向发出邀约的节点发送信息，向发出邀约的所有节点群发信息，任何产生了订阅消息的节点都将消息传递给所有已经订阅了该主题的节点。

通过AMS，可以方便实现系统重构及健康管理，根据AMS的注册过程信息监控系统工作状态，检查系统的完备性，当有节点退出或故障(丢失心跳消息)时检查其原因并采取补救措施。依赖AMS的心跳消息监控机制，故障监测的粒度可以细化到进程(即进程作为AMS节点)。当某个任务处理进程故障时，可在其他管理单元中新增任务执行进程，并向对应通信空间的注册员进行注册，在注册成为通信节点后，任务处理可完全按照原有的策略进行邀约，或者进行订阅消息的发布和接收。

3.2 并行计算及任务迁移

随着航天器任务量的不断增加，仅依赖单个管理单元的数据及信息处理能力，在任务高峰时段完全有可能出现无法满足任务处理需求情况，同样，在进行任务迁移或系统重构后，也会造成原有管理单元任务量的增加，为此，分布式综合电子系统采用了并行计算和处理的方式，以缓解任务量增大带来的处理能力不足的紧张局面。

依赖ARINC659总线的时间规划特性及统一的信息网络服务机制，并行计算拥有2种不同的实现方式：①在单个管理单元中配置多块通用处理器模块，任务低峰阶段只有一块处理器模块工作，而在并行计算阶段，多块处理器模块将同时工作，依靠全局命名与寻址机制实现对所有硬件模块的访问和信息获取，从而支持不同处理器模块的计算任务。②在不同的管理单元之间实现，依靠AMS实现并行计算及处理后数据的传输和信息交互。

在分布式综合电子系统中，所有管理单元及多个通用处理器模块均可同时接收上行注入数据，实现上行注入任务的并行处理。各管理单元根据相互间的工作状态、软件参数及信息寻址地址，确定是否要接收上行遥控数据，以及是否要对所接收的数据进行处理，这样不仅能提升上行注入任务的处理性能，也能为实现任务动态迁移和故障时的系统重构提供基础。图6为综合电子系统上行链路连接原理。

注：a和b为单个管理单元内部通用处理器模块数，c为管理单元设备数。图6 综合电子系统上行链路连接原理Fig.6 Connection principle of avionics system upload link

3.3 数据分布式存储

在分布式综合电子系统中，数据存储由数据存储与复接模块实现。为了充分利用数据存储与复接模块的资源，将其分别置于不同的管理单元中，并由SpaceWire网络进行互联，通过SpaceWire网络的数据路由功能实现数据在不同模块中的存储，以及对不同模块中数据的读取，实现数据在整个综合电子系统中的分布式存储。

在实际设计中，设备内部通过ARINC659总线能够直接实现处理器和数据存储与复接模块之间的通信，但是为了实现分布式存储，将数据存储与复接模块作为共享的存储资源，以SpaceWire节点的形式连接在SpaceWire网络中。当处理器访问数据存储与复接模块时，数据存储与复接模块首先将从ARINC659总线上接收的信息转发到SpaceWire网络中，通过SpaceWire网络的进一步路由，实现对SpaceWire网络中任意数据存储与复接模块的访问，同样SpaceWire网络中的任意其他节点也可实现对任意数据存储与复接模块的访问和数据存储，进而实现综合电子系统的分布式数据存储。

3.4 通用化和产品化设计

通用化要求分布式综合电子系统能够适应不同航天器任务需求，产品化要求分布式综合电子系统具备现货产品供应能力。

为了实现通用化和产品化设计，分布式综合电子系统从组成系统的基本电路单元及通信链路出发，形成了一系列标准、通用的硬件模块、集成电路，并借助标准的互联通信总线实现各模块之间的通信和组装，形成具有特定功能的设备，进而实现综合电子系统的通用化和产品化设计。

通过对综合电子系统功能的详细分析、抽象和综合，梳理出9种基本的标准通用硬件模块，并建立了硬件模块设计规范及统一的设计框架(如图2所示)，将硬件模块的设计划分为标准通用功能组件和特定功能组件，特定功能组件在通用功能组件的支持下完成模块所具备的各项功能和接口的管理。借助标准的硬件模块设计框架，保证硬件模块设计的一致性，也为实现硬件模块的产品化及独立设计、独立测试、独立供货提供了基础。

根据梳理出的9种通用硬件模块，进一步对硬件电路功能进行综合和集成，形成了ARINC659总线协议、ARINC659总线驱动、信道关口、分包遥控指令译码、HOST接口控制、遥测采集SIP、功率驱动SIP共7类8种涵盖遥控、遥测、指令、总线、接口控制、功率控制在内的ASIC集成电路。这些ASIC芯片的设计对系统接口、功能进行了充分的分析和归纳，采用标准化的设计方式，为实现硬件模块的功能和接口的通用性提供了重要的技术支撑。

4 分布式综合电子系统优势分析

本文提出的分布式综合电子系统已经通过了综合电子工程样机的测试和验证，达到了在航天器任务中工程应用的水平，同时也验证了分布式综合电子系统在容错性，以及分布、并行、共享计算资源、通信资源、存储资源等方面的优势，具体分析如下。

(1)增强系统标准化、通用化及可重用性：分布式综合电子系统的基本产品为标准通用硬件模块，硬件模块的设计建立在对航天器功能高度综合和归纳的基础上，将硬件模块组装形成具有特定功能的设备，保证设备之间功能和接口的一致性，使分布式综合电子系统能够应用于不同领域的航天器，显著提升系统可重用能力。

(2)增强系统产品化能力：分布式综合电子系统的标准通用硬件模块遵循统一的设计框架，具备独立设计、测试和投产能力；同时，分布式综合电子系统ASIC集成电路的设计和功能既与标准通用硬件模块相辅相成，又遵循标准的协议和接口规范，可广泛应用于不同领域的不同系统，具有独立供货和应用能力，能显著提升综合电子系统的产品化能力。

(3)增强系统信息网络服务能力：分布式综合电子系统以CCSDS和ECSS相关的标准规范为基础，建立了统一的空间通信协议体系，不仅可为应用提供标准的通信服务，也使应用不必关心底层子网协议的具体实现，简化了用户应用设计，在航天器和地面系统组成的全网范围内实现端到端的透明信息交换，能明显提升信息网络服务能力。

(4)增强系统数据及信息处理能力：依赖标准通用硬件模块组装设备的功能和接口一致性，可实现航天器任务，以及数据和信息的分布式处理，同时借助ARINC659总线对硬件模块的良好性扩展支持，可在背板I/O总线和虚拟背板I/O总线上扩展多个处理器模块，提升系统对大量、实时数据和信息的处理能力。

(5)增强系统智能化支持能力：借助分布式综合电子系统建立的空间通信协议标准体系结构，可使应用程序不再关注底层的业务实现，而专注于顶层的任务实现，为实现自主任务管理、多航天器协同任务处理等相关的复杂智能任务提供有力的技术支撑和支持。

(6)增强系统容错及重构能力：分布式综合电子系统中的设备具有一致的功能和接口，为实现系统任务的迁移和重构提供了基本的技术保障。借助高冗余容错的ARINC659总线，使系统的容错颗粒度由单机缩小为硬件模块；同时，借助ARNC659总线的故障屏蔽和虚拟背板I/O总线，实现对故障单机中仍正常工作的硬件模块的接管，从而提升资源利用率和容错能力。此外，系统中任意通用处理器模块均可实现上行遥控数据的接收，在任何一个通用处理器模块出现故障后，其他通用处理器模块仍可继续进行上行遥控任务的处理，从而实现上行注入任务的动态切换和重构，增强系统的可靠性。

5 结束语

本文所建立的综合电子系统总线体系结构，以及9种通用的硬件模块和对应的软件构件，已在多个航天器中推广应用。通过实际测试和验证，分布式综合电子系统可以明显增强设备的产品化和冗余容错能力、信息网络服务能力、智能任务支持能力，同时显著提升了系统的集成化能力和轻小型化程度，为实现航天器的产业化能力奠定了基础。但是，在网络化方面，目前综合电子系统仅面向器内进行了设计实现，后续将针对器间和天地间建立一体化的信息网络及信息交换与共享机制开展深入研究，为满足未来航天器对智能化、网络化、通用化、标准化的需求提供技术支撑。

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(编辑：夏光)

Design of Distributed Spacecraft Avionics System

LIU Weiwei CHENG Bowen WANG Luyuan YU Minfang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

According to the model of avionics system hierarchy， this paper proposes and implementes a distributed spacecraft avionics system design scheme. This scheme applies distributed collaboration and parallel processing based on standard general hardware modules and ASIC chip,as well as hierarchical bus architecture and space communication protocol architecture,which can not only promote information network service and processing ability,but also realize sharing of hardware modules and resources， and task migration and system reconfiguration. Through the application in spacecraft,this scheme can effectively enhance the operational efficiency and task processing capabilities， improve the fault tolerance and processing capabilities of avionics,and can also significantly increase development efficiency and products degree of avionics system,so that the avionics system can provide the necessary technical support for the construction of high reliability and intelligent spacecraft.

spacecraft avionics system；hardware module；distributed management；distributed storage；task migration；system reconstruction

2016-04-05；

2016-11-02

国家重大航天工程

刘伟伟，男，工程师，研究方向为航天器数据管理技术和综合电子系统。Email：akinglw@163.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.014