智能化航天器综合电子系统需求分析及其体系架构探讨

何熊文 李楠 徐勇 郭坚

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 海装天津局，北京 100073)

随着我国综合国力的增强和航天技术的进步，军用和民用方面都对航天器的智能化、网络化提出了迫切的需求，要求航天器“好用、易用、管用”。军用方面要求航天器具备在轨目标识别和情报生成、自主任务规划、信息实时传送、打击评估等能力。民用方面要求航天器提升操控性和自主管理能力，减少地面运行维护的负担。航天器综合电子系统作为航天器的大脑和神经中枢，是支撑上述能力实现的核心。

国外有代表性的航天器综合电子系统包括阿斯特留姆(Astrium)公司的通信卫星平台“阿尔法”(Alphabus)[1]、美国“猎户座”飞船电子系统[2]、ESA正在研发的空间综合电子开放接口体系架构(SAVOIR)[3]等。其主要技术发展趋势为：在体系结构方面，向分布式综合方向发展；在功能方面，向提升自主管理能力、网络管理能力方向发展；在信息方面，向协议、总线和接口标准化方向发展；在硬件方面，向模块化、标准化、集成化、轻小型化方向发展；在软件方面，向分层软件体系结构及构件化设计方向发展。

国内航天器综合电子系统经过十几年的发展，在技术上取得了实质性的进步，为航天器智能化、网络化构建了所必需的通信能力、计算能力、存储能力[4]，并在遥感、导航、深空、通信等领域应用上获得了明显的成果。但与用户需求相比，已有的综合电子系统在计算机处理能力、总线及信息传输能力、网络通信能力等方面仍然存在差距。本文针对上述差距，结合国内外综合电子系统的发展趋势，对国内智能化航天器综合电子系统需求进行分析，提出了一种体系架构，并对其中应用的主要技术进行阐述，可为未来智能化航天器综合电子系统的设计与实现提供参考。

1 智能化航天器综合电子系统需求分析

综合电子系统作为智能化航天器的电子信息基础支撑平台，其需求主要体现在服务用户使用、支撑平台及载荷设备两个维度。

1.1 服务用户使用的智能化需求

智能化航天器综合电子系统除具备传统遥测、遥控、内务管理、时间管理、热控管理、能源管理、解锁与转动机构管理等常规需求[5]外，围绕用户“好用、易用、管用”需求，一般还应具备如下智能化及网络化相关需求。

(1)支持航天器自主任务规划。用户仅注入要观测的目标地名或目标区域位置数据，航天器就能根据当前轨道、姿态、能源、热控、数传、存储等约束条件，自动规划机动路径、相机拍照、数据下行等动作，自主产生对应的指令并调度各分系统执行，不需要地面干预，从而使地面操作大为简化，提升航天器的易用性。

(2)支持航天器自主健康管理。综合电子系统对各分系统产生的大量原始数据进行处理，平时只下传航天器健康与否的状态，以及极少量的关键参数；具备一定的故障预报能力，在有故障前预警，自主对相关参数进行快速采集并下传至地面；在发生故障时，可以快速下传事件报告，并定位故障和进行自主重构和恢复，能大幅减轻地面运行维护的负担。

(3)支持天地一体化网络。用户可以实时获取所需要的信息，多个航天器间可以进行协同工作。例如：高轨普查卫星可以通过星间网络为低轨详查卫星提供目标指引，实现协同；两者都可以通过网络将信息实时下传至地面，为用户提供更好的服务，提升卫星的好用性。

(4)支持航天器信息实时处理。航天器可以对目标进行识别，对多种信息进行融合，形成情报下传至地面用户。

(5)支持软件定义航天器。航天器上提供基础平台，随着技术的更新，用户可以方便地更新航天器上的算法及软件，也可以上注不同的APP，实现软件定义航天器，提高用户使用的灵活性。

1.2 支撑平台及载荷设备的多样化需求

智能化航天器综合电子系统一般应在以下几个方面对平台及载荷设备提供支撑。

(1)提供统一的接口和协议，支撑各设备传输不同速率、不同种类、不同传输服务质量要求的数据，支持设备灵活添加和移除，而不用改变现有平台软件或硬件。

(2)提供灵活的信息共享机制，支持信息订阅/发布模式，设备可以很方便地从平台获取所需要的信息，而不用关注信息的发布者，发布信息时也不用关注信息的接收者。

(3)提供高性能的计算和处理平台，根据设备所具备的能力，提供设备信息的包装、压缩、存储、目标信息提取、信息融合等多级别的处理功能。

2 智能化航天器综合电子系统总体架构设计

针对智能化航天器综合电子系统的需求，国内现有综合电子系统的差距主要体现在以下几个方面。

(1)器载计算机处理能力难以适应智能化处理需求。为支撑新的应用需求，现有地面应用的任务规划、目标识别、网络管理等算法未来将由航天器执行，对器载计算机的处理能力提出了新的要求。目前，器载处理器受制于处理能力的限制，如目前广泛使用的国产宇航BM3803处理器，按照最大的100 MHz主频配置处理能力，也只有86百万条指令每秒(MIPS)，与支持智能化、网络化的应用算法需要的计算能力相比，仍存在较大差距。

(2)现有总线及信息传输能力难以满足智能化、网络化发展需求。未来，智能化处理需要载荷与多个计算节点间进行高速信息交换，其速率高达几吉比特每秒，甚至几十吉比特每秒，要求图像获取设备与信息处理设备之间有高速的信息传输通道。现有高速接口大多为点对点，无法满足网络化的信息交换需求，已经应用的支持网络的总线(如SpaceWire)速率最大只有200 Mbit/s，也难以满足需求。

(3)天地一体化网络通信能力不足。为了支持信息的实时下传及多个航天器智能化协同工作，航天器需要具备器间联网能力，并需要配套的天地一体化网络通信协议、硬件、软件支持。在协议层面，国内大多数航天器中应用的空间通信协议主要采用空间数据系统咨询委员会(CCSDS)空间链路业务领域的协议，在网络层及以上层支持不足，无法满足组网通信需求。在硬件层面，现有的航天器大多缺乏器间网络互联的设备，或者即使有，其速率也难以满足要求。在软件层面，也缺乏对网络协议的支持。

针对上述差距，智能化航天器综合电子系统在现有综合电子系统的基础上，主要通过升级处理器、增加高速信息处理及器间网络路由等新的硬件模块、增加网络协议、增加配套软件构件等手段进行改进。设计完成的智能化航天器综合电子系统总体架构设计如图1所示。

注：PUS为遥控和遥测包应用标准；TTE为时间触发以太网；DTN为容延迟网络；BSP为板级支持包；SRIO为串行RapidIO总线；TCP为传输控制协议；IP为因特网协议。图1 智能化航天器综合电子系统总体架构Fig.1 Intelligent spacecraft avionics system architecture

总体架构以14种标准硬件模块为基础，可根据不同航天器的需求，通过标准硬件模块组装形成单机，进而构成系统。标准硬件模块中的通用计算机模块是整个智能化航天器综合电子系统的管理核心，可通过多个通用计算机模块构成支持重构和任务迁移的分布式计算系统，为各类智能化应用提供硬件运行平台。智能化航天器综合电子系统的软件运行于通用计算机模块中，采用分层的体系架构，每一层包含若干个软件构件，不同航天器可根据需求对软件构件进行组装。智能化航天器综合电子系统各模块之间、系统与外部设备之间，采用标准的接口和协议实现互联。

下面从3个方面对总体架构设计进行分析。

2.1 硬件模块化设计

硬件模块化设计重点针对未来在轨智能信息处理和网络互连，其设计思想体现在：①统一。对多领域航天器综合电子系统进行功能模块的统一设计。②优化。通过顶层规划实现成本、复杂度、性能、可靠性的结构最优化设计。③标准。在构架、协议、接口等方面采用统一标准，实现产品、服务的标准化。④灵活。软件定义功能、模块组合定义设备、交换互联定义拓扑设计，提高系统的灵活性，支持灵活裁剪或功能扩展，支持在轨的软件定义和拓扑重构。⑤高速。以高性能的多核处理器、高速网络提供智能化应用计算平台。模块化设计需要解决总线选型和标准模块划分两个关键问题。

1)总线选型

国内常用的内总线有自定义并行总线及ARINC659总线，国外则以紧凑型外设组件互联(CPCI)总线为主，都满足不了1～100 Gbit/s的高速载荷互联需求。SRIO[6]具有拓扑结构灵活、节点数量可扩展、传输延迟小、协议开销小、码率低、支持服务质量(QoS)等多种特性，且其3.0版本最高传输速率达到10.312 5 Gbit/s(单路)，能通过多路组成通道获得80 Gbit/s及160 Gbit/s的速率，可以满足100 Gbit/s的数据传输需求，因此可选用SRIO作为设备内高速载荷信息处理模块之间的互联总线。此外，为保证可靠性，可同时继承原有的ARINC659总线作为控制总线。

外总线选型方面，1553B总线1 Mbit/s的速率无法满足航天器智能化数据交换的需求，SpaceWire总线速率虽然达到200 Mbit/s，却无法提供时间确定的传输特性。而TTE[7]可达到同时兼容1553B、SpaceWire、1394B等多种总线的应用效果，且被美国确定为统一平台及载荷信息的高速总线，于2015年在美国“猎户座”飞船上应用。因此，在外总线上可以选用TTE总线作为1 Gbit/s以下速率的高可靠总线。同时，为满足1～100 Gbit/s传输需求，可继续选用SRIO进行局部网络高速载荷数据互联。

2)标准模块划分

结合航天器智能化、网络化的新需求，相比我国现有的综合电子系统9种标准模块[4]，重点提升通用计算机模块的处理能力，用于实现自主任务规划、自主健康管理、载荷管理、航天器间网络管理等新功能，解决前面提到的计算机处理能力不足的问题。增加高速信息处理模块，用于实现目标识别、信息融合等航天器上信息实时处理功能。升级总线与时间同步模块，支持更高速的总线，解决现有总线及信息传输能力不足的问题。增加器间网络路由模块和器内高速交换模块，用于实现航天器间路由及航天器内高速数据交换，支持天地一体化网络，解决天地一体化网络通信能力不足的问题。最终，形成(9+5)种标准化功能模块，从类型上又可分为计算与存储类、网络类、接口(IO)类，详见表1。

表1 智能化航天器综合电子系统的标准化功能模块

各类航天器可以根据需求，应用上述模块进行组装，形成所需要的综合电子系统。面向智能化遥感卫星的一种综合电子系统硬件组成示意见图2，各设备内的通用计算机可组成分布式的计算平台，结合智能信息处理单元内部的高速信息处理模块，共同提供各种智能化的算法处理。通过星间路由器实现多个航天器联网，通过TTE交换机实现星内设备联网。

2.2 业务和协议标准化设计

业务和协议方面，通过应用CCSDS空间链路业务(SLS)、航天器接口业务(SOIS)[8]、空间网络互联业务(SIS)及欧洲航天标准化组织(ECSS)的PUS[9]等多种标准协议，实现综合电子系统内部各模块之间、航天器内部综合电子系统与其他分系统之间、本航天器与其他航天器之间的标准化通信，支持天地一体化网络互联、信息灵活共享及设备即插即用。在现有的综合电子系统业务及协议体系架构[5]的基础上，重点围绕航天器在智能化、网络化的需求对业务及协议进行扩展。

(1)在应用层增加自主任务规划、载荷管理、器间网络管理等智能化应用，提升航天器的好用性和易用性。

(2)在传递层(包含传输层和网络层)考虑天地一体化的应用需求，增加改进TCP/用户数据报(UDP)/IP、开放式最短路径优先(OSPF)路由协议、动态接入协议等的支持，经由IP通过CCSDS(IP over CCSDS，IPoC)协议支持IP在空间链路的传输，同时器内网络也采用IP协议传输，在网络层实现器内、器间的统一，达到器内、器间一体化联网的目的。考虑到深空高延迟、高动态、链路频繁中断的特点，增加DTN协议簇中利克莱德传输协议(LTP)的支持。

(3)在亚网层(包含数据链路层和物理层)器载链路增加对TTE、SRIO等高速总线的支持，以形成低速、实时、高可靠、高确定性的平台信息与高速、非实时、突发的载荷信息统一传输。

图3为业务及协议体系架构。其中：AMS为异步消息业务；BP为束协议；AOS为高级在轨系统；TC为遥控；TM为遥测；DS为串行数字量；ML为存储器加载。以图2中智能化遥感卫星综合电子系统硬件组成为例，地面站与卫星各设备之间的信息交互示例如图4所示。

2.3 软件分层及构件化设计

在现有综合电子系统软件体系架构的基础上，融入第2.2节业务及协议体系架构中新的功能、业务及协议构件，形成如图1中通用计算机模块中包含的综合电子系统软件体系架构(由操作系统层、中间件层、应用层组成)。操作系统层重点实现时间、空间的分区隔离机制，中间件层内部分为应用支持层、传递层、亚网层，将CCSDS、ECSS等多种标准业务和协议通过软件构件予以实现。构件采用统一的接口，包含初始化接口、对外提供的接口、使用的接口、配置接口等，支持通过软件构件组装和按需配置快速形成应用软件，提高软件的开发效率。另外，通过中间件中提供的通用业务和协议，应用层的各类系统功能应用软件及用户APP可以调用中间件的接口，实现信息共享、数据获取与分发、时间访问、网络访问等功能，而开发人员无需关注其如何实现，从而将其主要精力集中在与智能化相关的算法开发上，提高软件的开发效率。

3 可行性和优势分析

3.1 可行性分析

本文设计的智能化航天器综合电子系统体系架构中的大部分硬件模块、软件构件，都已通过前期的研发及工程任务进行了原理实现，协议体系中的协议均采用国际标准，后续可在此基础上将新的硬件模块、软件构件、协议等予以实现和集成，即可构成智能化航天器综合电子系统，因而具备工程实施的可行性。智能化航天器综合电子系统将在硬件、软件两方面满足前面提到的服务用户使用、支撑平台及载荷设备两个维度的需求，用户需求对照详见表2。

表2 用户需求与智能化航天器综合电子系统硬件、软件对照

3.2 优势分析

本文提出的智能化航天器综合电子系统体系架构，相比现有的综合电子系统体系架构，其主要优势如下。

(1)硬件模块中增加了5类通用模块，可实现目标识别、器间高速路由、星内高速交换等新的功能；

(2)操作系统中增加了分时分区的新功能，可实现按需动态加载APP；

(3)中间件中增加了TTE驱动、改进TCP、UDP、IP、DTN等新的软件构件，在可靠传输、网络路由、容延迟容中断传输等方面提供新的功能；

(4)应用层软件中增加了自主任务规划、器间网络管理等新的功能，可提升航天器的智能化、网络化能力；

(5)协议体系支持CCSDS空间网络协议、器内网络协议及地面互联网协议融合，为天地一体化网络通信提供支撑。

4 结束语

本文提出的智能化航天器综合电子系统，能从服务用户和支持平台及载荷的角度提供更强的功能和性能，提供高性能的计算和处理平台，支持高速数据传输，支持器内、器间一体化联网，支持载荷信息融合等智能化处理，支持自主任务规划、自主健康管理等各类智能化应用的加载，将有力提升航天器的智能化、网络化能力，提升航天器的好用性和易用性。本文体系架构中提到的TTE总线、RapidIO总线综合应用，还需要进一步验证，另外，与智能自主管理相关的各类算法等还有待进一步研究。在该体系架构的基础上，后续还可以通过应用人工智能芯片提升单个航天器内部通用计算机模块的计算能力，通过将人工智能算法与自主任务规划、自主健康管理等需求相结合，提升航天器在智能规划、决策、故障预测与处置方面的能力，通过群体智能等技术实现多个航天器的智能组网协同，提升系统的整体应用效能。