低成本卫星智能节点设计

崔 阳,赵笙罡,周文妹,梁 广,王文川

(中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201210)

0 引言

传统卫星一般按照系统功能对整星进行划分。整星由各个不同的分系统构成。各个分系统相对较为独立，如姿轨控分系统、热控分系统、数传分系统、星务分系统(星务计算机)等。其中，星务计算机负责对各个分系统进行数据和指令管理，如采集各个分系统的遥测信号，并向其发送各种遥控、程控指令等。分系统方案的特点是系统接口设计复杂，系统通用性和移植重用性较弱。星务计算机系统尤为如此，需要适应卫星各个分系统、单机的接口和指令需求。星务计算机接口种类繁多，不同卫星、不同任务间移植性差，相应卫星研制周期长、研制成本高，不能适应目前低成本卫星的研制模式和应用需求。

智能节点由标准化模块组成，可根据卫星实际需求灵活配置。通过在卫星上灵活配置、布置智能节点，可以实现星上种类繁多的接口转换，从而有效简化星上电接口种类和电缆网的设计。通过标准化智能节点应用，可以有效缩短卫星研制周期、降低卫星研制和生产成本。

1 智能节点架构设计

一般而言，星务计算机作为卫星控制、信息处理的核心，星上其他系统均需要与其进行数据交换和通信[1]。星务计算机电接口种类复杂，电缆种类和接口复杂，卫星测试、调试工作量巨大，从而使得卫星设计标准化、可移植性、继承性较差，设计和研制成本增加。

智能节点由各种标准化模块组成，并可提供标准化应用服务。通过智能节点应用，可将星务计算机外围接口归一化、标准化。通过合理的智能节点应用和配置，可以有效简化整星接口、电缆网设计，提高卫星功能密度和整体性能。

基于智能节点的卫星系统框架设计如图1所示。

图1 基于智能节点的卫星系统框架设计图Fig.1 Design of satellite system framework based on intelligent node

图1中，各个分系统、单机均通过智能节点与星务计算机连接和通信(区域性管理)[2]，可以极大地简化星务计算机接口复杂度，从而有效提升星务计算机的可靠性(有利于固化星务计算机的状态，提高可移植性和继承性)。智能节点的数量可根据卫星实际需求灵活配置。

另外，通过系统设计体系架构、标准化模块设计方案，在卫星研制、测试、试验及应用过程中如遇异常、故障等现象可快速定位[3]。智能节点模块化如图2所示。

图2 智能节点模块化示意图Fig.2 Modularization diagram of intelligent node

智能节点主要由控制模块、标准模块和电源模块组成。其中，控制模块为智能节点的核心，通过控制模块对各个标准模块进行配置和协调。电源模块用于将智能节点输入电源转换为所需的各种二次电源。各个标准模块可根据实际需求灵活扩展。

2 智能节点硬件设计

2.1 硬件需求

根据卫星一般应用需求，智能节点需要提供各种遥测信号采集、模拟量控制、测温/控温等功能。因此，对应的标准模块类型主要有星上模拟电压采集模块、星上模拟电流采集模块、星上模拟量输出模块、星上测温模块/控温模块和星上接口转换模块等[4]。各种标准模块主要功能及典型技术指标要求如下。

①星上模拟电压采集模块。该模块主要对星上各系统的模拟量电压遥测进行采集、存储，并通过通信总线传输至星务计算机处理。一般而言，智能节点中模拟量电压采集范围为(-5～+5)V，通道数量不少于10路，采集精度不小于12 bits。

②星上模拟电流采集模块。该模块主要对星上各系统的模拟量电流遥测进行采集、存储，并将其通过通信总线传输至星务计算机处理。一般而言，智能节点中模拟量电流采集范围为(-20～+20)mA，数量不少于10路，采集精度不小于12 bits。

③星上模拟量输出模块。该模块主要用于满足星上有模拟量驱动、控制需求的各类产品(如模拟型太阳敏感器等)。一般而言，智能节点中模拟量输出电压范围为(-5～+5)V，数量不少于5路，转换精度不小于12 bits，电流驱动范围为(-10～+10)mA。

④星上测温/控温模块。该模块主要用于满足星上各个系统的温度检测和温度控制需求(测温也可单独应用)。一般而言，智能节点中测温、控温为16通道，测温范围可通过电路参数灵活配置；一般情况下加热电源为星上一次电源28 V，加热电流1 A。

⑤星上接口转换模块。该模块主要用于满足星上各种电接口之间的转换需求，如姿轨控部组件常用接口为异步RS-422接口。如果部组件直接与星务计算机连接，则需对星务计算机外围接口进行扩展。这会导致星务计算机接口复杂，不利于系统移植应用。接口转换模块可提供部组件所需的异步RS-422接口，并将部组件指令、数据转换为标准通信总线数据(如标准CAN总线)与星务计算机通信。一般而言，智能节点接口转换模块提供不少于4路的异步RS-422接口，CAN总线速率可支持1 Mbit/s[5]。

⑥星上集电极开路(open controller,OC)指令输出模块。该模块主要用于满足星上各个系统对直接指令的需求(星务计算机通过通信总线发送指令至智能节点，智能节点根据系统需求输出一定条件的直接指令)。一般而言，智能节点OC指令输出模块提供不少于4通道的直接指令，脉冲宽度为(80±10)ms。

⑦星上数字量输入输出模块。该模块主要用于满足星上各个系统对数字量信号的输入、输出需求，如星箭分离、脱落信号信号的采集需求。一般而言，智能节点数字量输入输出模块需要提供8通道、驱动电流为(-5～+5)mA的通道。 智能节点硬件原理如图3所示。

图3 智能节点硬件原理框图Fig.3 Schematic diagram of intelligent node hardware

处理器为智能节点的核心。其主要完成对各个标准模块管理和数据通信。为了提高智能节点的通用化设计，设计通过标准总线接收星务计算机发送的各类指令和数据(应用配置等)，并接受星务计算机的统一调度。

目前流行的低成本卫星应用总线主要有CAN总线、异步RS-422接口等，如姿轨控单机星敏感器、磁力矩器等为通信接口异步RS-422接口。考虑到智能节点的通用性和成本等因素，智能节点标准通信总线采用CAN总线，智能节点作为终端与星务计算机通信。为了尽可能提高智能节点通信速率，CAN总线波特率设计为1 Mbit/s[5]。

2.2 主要硬件设计

①控制模块。

控制模块作为智能节点的核心，主要完成对各个标准模块的初始化和工作管理。控制器选用易于接口扩展的现场可编程门阵列芯片，控制模块与其他标准模块通过内部通信接口通信，如串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)，实现配置指令、测量数据的传输[6]。

②模拟电压采集模块。

模拟电压采集模块主要对星上模拟电压遥测信号进行采集，主要包括信号调理(放大)和模数转换器(AD976)。为了实现多通道信号采集，考虑到星上遥测信号一般为缓变信号，且对应采样速率要求不高，因此采用多路开关对模拟通道进行切换[7]。电压采集原理如图4所示。

图4 电压采集原理框图Fig.4 Schematic diagram of voltage acquisition

③模拟电流采集模块。

电流信号采集方式是先将电流信号转换为电压信号，并通过多路模拟开关进行采集。电流采集原理如图5所示。

图5 电流采集原理框图Fig.5 Current collection principle block diagram

④测温、控温模块。

智能节点内部设计多路温度量遥测通道，采用热敏电阻作为温度传感器进行温度采集。热敏电阻输出电压信号经过模拟开关后，输出至放大器和模数转换器。温度采集原理如图6所示。为了提高智能节点功能密度，内部功率驱动电路采用厚膜电路模块化设计，每个模块实现16路40 W加热器通断控制[8]。

图6 温度采集原理框图Fig.6 Temperature acquisition principle block diagram

3 软件设计

嵌入式软件设计和运行需要体现“智能化”设计理念，即智能节点本身工作模式、外部系统连接等通过星务计算机注入指令实现或由装机参数决定。智能节点软件流程如图7所示。

图7 软件流程图Fig.7 Software flowchart

智能节点由星务计算机通过CAN总线指令完成功能配置(根据卫星实际应用需求)，如智能节点各标准模块的通道配置、智能节点地址等[9]。

智能节点嵌入式软件主要设计如下所述。

①软件内部按照功能划分为不同模块，各模块可根据卫星实际需求灵活配置。

②内部初始化完成软件运行的基本内容，智能节点外部系统、设备等参数配置由星务计算机注入指令的方式实现[10]。

③星务计算机分配每个智能节点的ID、地址，以及每个智能节点主要功能等。

通过上述智能节点软件的灵活设计和配置，智能节点软硬件可设计为标准模块，具体应用可根据具体任务配置，以最大程度体现智能节点的“智能”特性。类似于即插即用的应用模式。

4 结论

本文设计的智能节点，采用模块化设计思想，极大地提高了系统和产品的适用性和可扩展性。该设计可根据卫星任务的不同，在不改变系统架构设计的基础上对内部模块进行删减；可在不改动硬件产品的状态下，通过指令配置智能节点内部各项参数状态，使其满足具体的卫星应用要求。尤其对于低成本卫星应用而言，智能节点可有效缩短卫星和产品的研制周期，同时降低研制成本。因此，智能节点的系统设计思路和方案对于低成本卫星研制具有较高的参考价值。