国外航天电子系统模块化架构发展概述

刘红军 方芳

（1 中国电子科技集团有限公司第十研究所 2 中国电子科技集团有限公司电子科学研究院）

近年来，多个国家曾提出通过促进商业航天来推动航天系统和应用的发展。尽管小卫星系统等相对廉价的卫星系统的快速发展和成熟在一定程度上可以作为推动商业航天发展的契机，但阻碍商业航天发展的根本问题还是在于航天系统的专用和定制特性。卫星根据特定任务和需求专门设计和制造，卫星平台通常是定制的，且与载荷系统之间紧密耦合，系统集成商与元器件供应商紧密依存，无法形成真正的市场竞争环境下的航天系统产业链。有鉴于此，目前美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）分别提出了“航天通用模块化架构”（SUMO）和“航天电子开放接口体系架构”（SAVOIR）计划，以开发适用于航天系统领域的开放模块化架构，通过标准化和模块化设计，满足航天任务对响应性、灵活性、可伸缩性和模块化的迫切需求，促进国际航天市场的竞争，充分发挥全球航天产业的工业能力，使工业单位能够以更低的成本向用户提供更多的功能性。

1 美国SUMO计划

美国政府部门2013年发起并主导SUMO研究计划，旨在通过为航天系统建立模块化的架构，在降低航天系统开发和研制成本的同时不降低甚至提高系统性能和系统可靠性，促进航天领域的国际市场竞争，形成更加合理和完善的航天系统产业链，促进创新。

SUMO计划组织结构

SUMO计划由美国国防部（DoD）和国家侦察主管办公室（ODNI）、NASA、空军航天和导弹系统中心（SMC）、国家侦察局（NRO）和空军研究实验室（AFRL）协同众多工业单位开展，这些工业单位包括主承包商、分包商和元器件供应商等。该计划试图通过建立行业认可的标准实现降低航天系统开发成本、缩短研制周期的目标。美国政府成立了“综合过渡团队”（ITT）推动SUMO计划的实施，并制定了相应的过渡计划。ITT团队由来自SMC、NASA和NRO的高级政府代表共同执掌，他们代表政府为计划的实施提供相应的支持。在其推动下，2014年6月成立了由工业单位主导的航天行业标准联盟（CSIS），负责支持SUMO相关行业标准的制定。这些标准的制定是以工业单位为主导、政府参与并提供输出。

建议的SUMO标准体系架构

SUMO计划工作任务

SUMO计划确定的概念体系架构包含硬件连接和逻辑接口，从功能性角度主要包含四层：组件、组件互连（数据和电气）、软件基础结构/服务（连接组件与飞行软件应用）和软件应用。分配给上层的组件类使用下层的接口，以便使其行为与航天电子系统的其他硬软件组件的特性去耦合。

SUMO架构分层概念

该体系架构的互操作性主要通过制定接口规范实现。目前，在CSIS的指导下，已确定了SUMO所需的标准体系，而SUMO计划目前的主要任务就是支持这些标准的制定，即：①开发和实现模块化、标准化的数据和电气接口；②建立能够涵盖多种发射和任务环境的通用测试环境标准。

（1）数据接口标准

SUMO计划借鉴“航天数据系统咨询委员会”（CCSDS）以及其他现有标准，将主要定义电子数据表（EDS）、软件参考架构和数据模型。

EDS—AFRL的“空间即插即用体系架构”（SPA）为各种组件设计的EDS目前已经得到了CCSDS的“航天器载接口服务”（SOIS）工作的采纳，而SUMO计划也借鉴了相关的设计。EDS支持在卫星数据总线上自动化地插入组件，加快集成过程，增强总线的可重配置能力。它是一个有关设备指标的机器可读的表格，其标准化的数据支持任务自动化地实现，且可避免转录误差。SUMO的EDS将基于电气和电子工程师协会（IEEE）的“传感器电子数据表”（TEDS）和SPA的“基于可扩展标记语言的传感器电子数据表”（xTEDS）实现，并确保能与CCSDS SOIS制定的相关标准兼容。

EDS航天任务应用

软件参考架构—SUMO还会定义一个包含软件抽象分层的通用软件参考架构，它将采用标准化的接口以降低集成成本和引入新技术的难度。目前已有的软件体系架构模型众多，包括NASA的“核心飞行系统”（cFS）、美海军“开放体系架构”（OA）、SOIS、“未来机载能力环境”（FACE）等，它们都采用分层结构，强调各层之间隔离，重点关注软件组件之间的通信，并利用抽象层来实现组件重用。SUMO也借鉴这些经验设计了通用软件参考架构，综合考虑了地面和星上软件。

数据模型—SUMO主要利用数据模型来确保数据定义的一致性，并因此提高软件复用能力。目前在航空领域广泛采用基于模型的开发，定义完善的数据模型也有助于在航天领域引入这种开发模式。

此外，在SUMO架构开发的过程中，还会考虑网络安全/信息保证能力问题，确保制定的相应标准能够满足不同风险等级的需求，并明确组件或航天认证的主体。

（2）电气与物理接口标准

电气与物理接口标准主要考虑物理和信号标准，目前相关的成熟标准已经很多，SUMO需要根据自身的需求选择可用的接口标准，尽可能地利用少量标准满足多种需求，例如广泛使用“低电压差分信号传输”（LVDS）和MIL-STD-1553电气信号传输标准等。此外，NASA和DoD还在合作开发应用于航天电子系统背板的“下一代航天互联标准”（NGSIS）。

（3）环境检验标准

对于航天电子系统组件而言，SUMO未来实现的主要转变之一是使当前组件接口根据应用定义转变为组件接口，根据行业认可标准定义，将原有的系统定制总线转变为具有开放接口的模块化总线。而在此过程中，需要有官方机构来鉴定组件是否符合相应的标准，SUMO需要确定组件检验鉴定环境，包括根据不同应用需求如震动、散热、辐射等确定相应的测试等级，建立标准化的测试环境等。

SUMO计划相关研究基础

美国SUMO计划并非是要从头开始开发开放模块化的航天电子系统体系架构及相关标准和协议，而是以现有国际和美国已有相关组织及机构开发的架构、标准和协议为基础开展相关研究，特别是美国已有相关研究成果，比较典型的是AFRL开发的“空间即插即用体系架构”（SPA）以及NASA、DoD和工业部门联合开发的“下一代航天互联标准”（NGSIS）。

（1）SPA

AFRL开发的航天即插即用架构示意图

为了缩短航天器设计、制造、集成和测试周期，将卫星的开发阶段从几个月甚至几年缩短至几天，AFRL于2004年开始开发航天领域适用的“即插即用”（PnP）技术，目前已完成了SPA的初步研究，并且SPA草稿已通过了美国航空与航天学会（AIAA）认证。2011年，AFRL对SPA概念进行了优化并重新命名为“模块化开放网络体系架构”（MONA），简化SPA技术的实现，并针对大型、高可靠性航天应用进行了优化，不再过度强调快速开发。MONA继承了SPA的技术基础，它利用电子数据表把设备组件变成自描述和自组织网络和硬件，进而实现模块化卫星零部件之间的互通，最终目标是在航天系统领域实现类似个人电脑外设的即插即用能力。

SPA的核心支撑技术包括：

1）单点接口与协议。目前已开发的协议包括基于USB成熟的自发现和自动配置协议的SPA-U协议，基于SpaceWire网络的SPA-S协议，以及基于针对低开销应用的I2C通信标准的SPA-I协议等。

2）“应用传感器接口模块”（ASIM）。ASIM类似于USB的接口芯片，用于简化即插即用设备的创建。ASIM内加载的关键软件包括：xTEDS—描述了硬软件模块可用数据产品；“SPA服务管理器”（SSM）—用于支持发现和订阅/推送功能；“通用数据字典”（CDD）—为整个系统定义了相对稳定的术语集合。

AFRL目前仍在进一步使SPA技术成熟化。相比SPA，SUMO主要目标是降低卫星开发成本，对大幅缩短开发周期的要求不高，因而SUMO最终形成的标准并不要求使用SPA中最关键的即插即用单元—自配置和自组织组件。

（2）NGSIS

NGSIS是NASA、DoD和工业部门合作开展的项目，目标是定义一组航天电子系统组件互联的标准，以降低未来航天系统研制的成本并提高开发效率。该项目初期的重点是开发电子背板级内部互联标准。

NGSIS团队目前已经选定VMEbus国际商业协会（VITA）的OpenVPX系列标准作为物理基线，并且还选定了RapidIO协议作为数据传输的基础协议。OpenVPX和RapidIO是NGSIS设想的航天电子系统模块化架构的基础框架。

NGSIS标准是要利用开放式和模块化架构以及互联标准为航天电子系统提供足够的灵活性，使用户可以实现各种系统配置的同时，满足互操作性和可靠性要求。

SUMO过渡计划

SUMO过渡计划主要分三个阶段。

第一阶段：通用组件选定—选定符合宽泛性能和环境要求包络的组件集合，确定相应的性能要求、“通用检验环境”（CQE）、测试方法以及相关的零部件/材料/过程。

第二阶段：标准组件接口开发，它又分为四个子阶段。

2a：确定SUMO标准体系，主要是标准接口定义，该阶段工作将会参考CCSDS或其他相关标准体系。

2b：开发EDS，它是一种通用语言的、机器可读的文档接口，该阶段工作将会借鉴AFRL和CCSDS已有的研究成果。

2c：实施组件认证，确保通用组件与SUMO的兼容性，即在通用组件中应用SUMO标准化的电气和数据接口，同时作为过渡方案，还要考虑开发一种适配器设备，用于通过认证的组件与特殊总线间的转换。

2d：SUMO演示验证，对通过认证的组件进行演示验证。

第三阶段：标准航天器接口开发，它分为两个子阶段。

3a：启动原型系统飞行试验项目，在必要时可能会使用少量适配器。

3b：启动正式采办项目，开发符合SUMO要求的总线。

SUMO过渡计划进度安排

SUMO计划将会融合现有标准中精华部分以及最新的技术和方法，构建一个行业认同的标准化、模块化体系架构，最终目标是向CCSDS推荐美国的体系架构方案，在CCSDS工作组达成一致并建立相应的国际标准，然后再向国际标准化组织（ISO）推荐。

2 欧洲SAVOIR计划

在意识到航天电子系统领域需要提高标准化水平以提高效率、降低成本和缩短研制周期之后，欧洲航天工业界和航天机构于2007年成立SAVOIR咨询小组，并启动了SAVOIR计划，整合欧洲航天领域的相关研究工作，开发通用SAVOIR。

SAVOIR计划实施流程

SAVOIR从航天产业生态链的角度出发，让航天电子系统用户、系统集成商、航天电子系统和技术供应商，以及相关标准化组织等，共同参与体系架构开发，使用户方能够实现航天电子系统采办流程流水线化，使系统集成商能够促进航天电子系统的采办和集成，使供应商可以为高效产品线规划准备技术条件。

SAVOIR希望利用各方认可的参考体系架构改进航天系统交付的方式，降低风险，缩短研制周期，降低成本并促进行业竞争。其实施途径是：确定各方一致认可的参考体系架构，基于该架构制定相应的功能规范，供应商基于这些功能规范开发产品。

SAVOIR实施流程

基于上述的流程，SAVOIR计划确定了其输出的主要成果将包括涵盖软硬件和通信的航天电子参考体系架构、硬件和通信功能体系架构、软件体系架构、S/A功能接口，以及业务模型。

SAVOIR计划组织架构

SAVOIR计划由SAVOIR咨询小组负责协调，该小组由来自政府机构[ESA、法国航天局（CNES）、德国航空航天局（DLR）]、大型卫星集成商（空客防务与航天公司、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司和OHB公司），以及航天电子硬软件供应商（RUAG、塞莱斯·伽利略和TERMA公司）的代表组成。在SAVOIR咨询小组下面设立了8个工作组：

1）软件工作组，负责开发软件参考体系架构；

2）“综合模块化航天电子系统”（IMA）工作组，负责配置分区的时间和空间资源，该项工作目前已完成；

3）传感器传动装置电气接口工作组，负责确定传感器/传动装置电气接口，该项工作目前已完成；

4）传感器传动装置功能接口工作组，负责确定传感器/传动装置功能接口，该项工作目前已完成；

5）大容量存储器工作组，负责开发大容量存储访问接口和服务；6）航天电子网络工作组，负责开发功能链接；7）故障检测、隔离、恢复工作组，负责开发相关的故障检测、隔离、恢复机制；

8）自动化编码生成工作组，负责研究自动化代码生成技术。

SAVOIR计划已开展多年，目前一些工作的任务已经完成。

SAVOIR计划航天电子参考体系架构

SAVOIR的主要产物之一是定义一个满足多个任务领域需求的航天电子系统参考体系架构，该架构设计考虑了航天电子系统开发一系列相关需求，包括天地通信、星上通信、可靠性、故障管理、自主性需求、星上功能和性能、设计限制以及可操作性需求等。

该参考体系架构主要包括：

1）星上通信链路，是航天电子体系架构的基础骨干，它将航天器的主要电子功能连接到一起，一般会分成多条串行链路以隔离数据流并支持不同数据率的通信链路；

2）遥测/遥控（TM/TC）功能，用于与地面之间进行双向射频通信，它通常包括遥测/遥控收发信机、天线和射频导线，该功能还会考虑相关的安全能力；

3）大容量存储器，主要用于存储大容量的数据，即“遥测内务处理数据”（HKTM）和科学数据；

4）星上计算机，包括处理器及其软件，计算机软件以及其他航天电子系统软件从系统的角度可以划分为基础系统部分和应用部分；

5）远程终端单元/远程接口单元（RTU/RIU），用于连接非智能设备（如传感器和传动装置）和主通信总线，收集来自航天器的离散数据（如热敏电阻数据、状态数据等）以及把离散指令发送给航天器；

6）“姿态与轨道控制子系统”（AOCS）传感器和传动装置，其选择是基于轨道特性、航天器尺寸、任务所需的指向精度/敏捷性以及可靠性要求确定；

7）载荷和仪表是作为外部功能，它们需要利用数据处理接口并要对资源进行处理以便管理。

SAVOIR计划硬件和通信功能体系架构

根据上述航天电子参考体系架构，可以从硬件的角度划分成几个硬件设备群。通过将这些功能映射到实际物理设备上有助于设备供应商明确其产品线范围，对于供应商来说，功能架构相对稳定可靠，设备增减对其影响较小，然后可以将每个功能与其具有可变参数的通用规范相关联。

目前的趋势是利用少量的硬件实现多个功能，比较明显的是越来越多的功能汇聚到两个主要设备：星上计算机（OBC）和RTU/RIU。为此，SAVOIR目前正为这两种设备制定相应的通用规范，在此过程中会借鉴现有或未来的接口标准，特别是航空电子系统总线协议，如MIL-STD-1553、SpaceWire、CAN总线以及适用航天标准化欧洲协调组织（ECSS）的串行链路等。

SAVOIR计划星上软件参考体系架构

该软件参考体系架构是基于组件模型概念实现。其中，应用软件实现使用的组件无需特别了解其执行环境，组件通过执行平台提供的服务运行。组件在执行平台上的映射是通过执行平台最上面的交互层内实现的设计规则集合完成，而该交互层可以利用所谓的软件总线（自动化工具集合）自动生成。

应用软件利用组件实现平台功能链。该软件体系架构将信息学问题（如通信、软件机制等）与功能子系统需求（如AOCS、散热、功率等）隔离开，使系统可以与底层软件问题去耦合，提高了软件寿命周期的灵活性和响应性。这种灵活性的典型例子是在执行平台上引入时空分割，只需增加分割内核并将部分构建块移到相应的分区就能实现。

SAVOIR计划进展情况

SAVOIR主要分为三个阶段：

第一阶段：确定研发技术路线图。SAVOIR在2009年和2010年就确定了一系列高优先级航天电子构建块，并成立了三个工作组，即软件体系架构工作组、传感器与传动装置电气接口工作组和传感器与传动装置功能接口工作组，这三个工作组已分别在2010年和2011年完成相关的研究工作。

第二阶段：从概念到实现。根据第一阶段确定的技术路线图，明确了具有标准化接口的参考体系架构和构建块的需求，并开始定义构建块、参考体系架构和相关流程。

第三阶段：从实现到部署。目前正在进行的第三阶段主要工作是发布相关文档，部署相关的具体工程。

3 结语

在商业航天战略的推动下，以小卫星为代表的低成本航天系统快速发展，近期涌现的以太空探索技术公司（SpaceX）等为代表的小卫星星座计划部署的卫星数量多达上万颗，卫星也有了批量生产的需求，迫切需要发展标准化、模块化的体系架构，并基于这类架构推动航天系统的标准化、模块化开发和研制。在此背景下，NASA和ESA都启动了相关研究工作，并已经取得了相应的进展。

尽管近期美国提出要加强太空军事力量，但是航天领域技术发展的基础仍是民用航天，因而无论NASA还是ESA在开展开放化、模块化航天电子系统架构研究时都大量参考了CCSDS的相关协议和标准，并将其研究成果得到CCSDS的确认和采纳作为目标。就像移动通信领域的技术体制标准在3GPP组织的推广下得到快速发展一样，航天领域的这类模块化体系架构也有望在CCSDS组织的推动下形成类似的全球航天产业，美欧都希望能够抢占技术先发优势。