AIAA空间即插即用标准研究

王磊 孙丛林 郭晋媛

（北京空间科技信息研究所，北京，100094）

即插即用（PnP）技术起源于计算机技术，通过即插即用技术能够自动配置计算机的板卡和其他外围设备，使对应的设备无需额外安装驱动即能够正常工作。为解决快速响应空间的问题，美国率先提出将PnP技术引入航天领域。引入即插即用技术后，卫星各分系统均按照标准化接口设计，各设备的自身继承性良好，与整星的接口匹配性好、标准化程度高，便于卫星快速总装、快速测试，使卫星研制周期大为缩短。在星上设备改型换代时，也由于即插即用接口的标准化，使得新设备很快可以接入卫星系统，减少了接口协调带来的工作量，降低了新设备的技术风险。

美国空军研究实验室提出了空间即插即用电子系统（Space Plug-and-play Architecture，SPA）技术体系，该体系用于支撑美国提出“作战响应空间”计划，并成功研制了PnPSat等即插即用卫星；俄罗斯SPUTNIX公司也按照“空间即插即用体系结构”集成并测试了星载控制系统设备。空间即插即用技术的应用，实现了航天器机械接口、电源接口、数据接口、热接口的统一，降低了研制成本，缩短了研制周期，实现了航天器快速研制、快速集成、快速发射。AIAA于2013年发布了AIAA G-133-1～10-2013《空间即插即用体系标准》，以指导空间即插即用技术的应用。研究借鉴AIAA即插即用标准，对我国空间即插即用技术的进步和快速响应航天器的研制具有重要意义。

1 AIAA相关标准发展过程

空间快速响应要求的提出为即插即用模块化卫星的研究提供了最根本的源动力。美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）在2004年主导的项目“空间快速响应高技术研究”（RSATS）将精力集中于寻求各种可能应用在加快空间任务研发速度的技术上，该项研究指出了一批可能应用于快速建造空间飞行器的技术方向，包括微型子系统（微电子，高等封装技术，微机电系统的结合产物），高性能在轨计算能力，可重配置系统方法（例如现场可编程门列阵，适应性布线技术，自定义软件无线电的概念），RSATS将这些概念与 “适应性航电系统试验（AAE）”结合了起来。AAE的思想在RSATS的研究中得到了充分的肯定，RSATS对相当数量的AAE理念进行了发展和重新定义。而原本AAE的重点是基于空间飞行器的防护的主题，讨论了一系列组件和子系统的重新配置的问题。其中AAE的支柱理念之一是外嵌式传感器网络（魔术贴式组件），该概念在RSATS的努力下发展成为空间即插即用电子系统标准，该标准也是国际上现有的唯一的公开的卫星模块化即插即用接口标准。

2004年开始，AFRL开始进行空间即插即用技术的研究，并在2004年底得到AIAA的批准正式开始对空间即插即用标准进行研究。经过10年左右的的探索，目前AFRL在AIAA上已经推出了3版标准。

2008年AIAA提出了第一版的SPA系统的标准草案，2008年时SPA的全称为空间即插即用电子元器件（Space Plug-and-Play Avionics），主要规定了SPA的架构及通用型的标准。并对基于USB扩展的SPA-U接口提出了详细的标准草案。

2011年AIAA对SPA标准做了一定的修正并将SPA的全称更改为空间即插即用电子系统（Space Plug-and-Play Architecture），2011版的SPA总线标准依然是一个草案，并非正式版的标准。但是在2008年标准的基础上，增加了基于SpaceWire总线的SPA-S特性子网标准。

2013年AIAA又对SPA标准进行进一步完善，对以前的通用型标准和其他特性标准都进行了修订，使得SPA技术具有更好的性能。

根据AIAA官网上的消息，在此之后SPA技术将会进一步发展，将光纤、无线网也纳入到SPA技术架构中来。形成SPA-O（Optical）特性子网标准和SPA-W（Wireless）特性子网标准，除此之外还有一些专门针对卫星上低速部件有可能用到的SPA-I（I2C）进行专门的研究。

2 现有标准情况

随着SPA概念的不断发展，空间即插即用标准集也在不断的增加新的内容。目前AIAA发布了10项与空间即插即用相关的标准，见表1。这些标准对组成星上即插即用网络的数据中心航天器模型进行了总体描述，从不同角度阐述了即插即用如何工作。

表1 AIAA空间即插即用标准

3 AIAA即插即用标准解读

3.1 AIAA G-133-1-2013

AIAA G-133-1-2013规定了空间即插即用体系的目标、概念、原则和结构，即插即用体系的实现及示例，即插即用体系的工具和对整个空间即插即用标准进行了概述。

a）空间即插即用体系方面，对于整个航天器来说只影响到航天器内部，不涉及航天器外部接口。涉及设计、制造、集成和航天器寿命周期中所有试验方面。

b）空间即插即用体系的核心目标是减少快速卫星研制的障碍，核心概念是一旦组件安装在系统中，就需要具有查找服务（Lookup Service）注册的能力，这些组件主要是指在网络系统中产生或使用数据的节点。一旦获取这些信息，任何有数据需求的组件都可以在查找服务中获取有用资源，并接受匹配的查询。随后，该组件可与任何匹配组件联系，直接接受数据预定或利用其数据服务。

c）空间即插即用体系的基本能力包括标准物理接口、自组织网络、标准信息通信、查询服务、SPA-x接口（数据通信协议类接口的统称）、自描述组件。

d）空间即插即用体系的工具主要包括设计工具和试验工具。设计工具包含按钮工具流、xTEDS模拟器（允许系统中设备和传感器模拟）、即插即用设备零件序号。试验工具包括硬件循环仿真和试验旁路、飞行软件循环试验。

3.2 AIAA S-133-2-2013

AIAA S-133-2-2013规定了SPA系统的网络要求、分区输入程序包保障的要求、SPA网络要求等。

a）SPA系统的网络要求主要包括拓扑发现、动态拓扑配置、组件注册期间的程序安排、初始发现之后向CAS发送一个SM-s表中没有包含项目的请求、组件之间的路由等。

b）特定的拓扑考虑包括同一子网的多重SM-x路线和同一子网内可利用的多重路线。由于需要多个管理器来连接不同处理器节点，因此，同一子网的多重SM-x路线是非常常见的配置。一个内部有子网的组件可能会有多重路线来实现冗余或其他考虑因素的目的。

c）SPA网络要求包括SPA局部总线要求、中心选址服务 （CAS）要求、SPA查找服务要求、SPA子网管理器要求、通用路由器要求、通用SPA端点要求和SPA校验码的生成。

3.3 AIAA S-133-3-2013

AIAA S-133-3-2013规定了SPA标题、组件数据能力、组件网络能力和组件识别。

a）SPA标题主要包括标准的SPA标题、扩展的SPA标题、保证交付的扩展SPA标题、信息顺序扩展标题、服务质量标题、安全标题和SPA信息页脚。

b）组件数据能力包括发现、注册、数据请求、数据预定、组件间数据交换等。

c）组件网络能力包括SPA申请SPA查找服务探针信息、SPA网络状态申请信息、SPA网络状态回复信息、健康和状态、时间同步、服务质量和安全。其中服务质量包括保证交付、保证交付顺序表、保证交付信息和SPA传输信息。

d）组件识别包括通用唯一的识别和xTEDS识别。

3.4 AIAA S-133-4-2013

AIAA S-133-4-2013规定了SPA设备的机械接口要求、热接口要求、A型电连接器SPA电连接器和电缆要求、B型电连接器SPA电连接器和电缆要求、C型电连接器SPA电连接器和电缆要求、D型电连接器SPA电连接器和电缆要求。

a）机械接口包括：设备安装；动力学要求；展开、激励器和可移动机械组件；保护罩；可维护性；设备物理接口特性报告等。设备安装包括安装方法、推荐的紧固件尺寸、安装模式、安装孔数量、设备安装孔尺寸和位置公差、安装紧固件的途径、安装表面平面度、安装表面电导率、安装表面特性。设备物理接口特性报告包括：封装和安装；质量、质心和转动惯量报告；连接器类型和位置报告；视场报告和特殊说明。

b）热接口包括通用热接口要求和设备热接口特性报告。通用热接口要求包括SPA设备热控方法、热安装、设备热接口材料、热控制延伸表面电导率、特殊说明；设备热接口特性报告包括热设计方法、散热等级、加热器和加热器控制。

c）SPA电连接器和电缆要求（包括A型、B型和C型）分别对3种类型电连接器进行概述，并针对A型的SPA 25-针Micro-D电源和数据接口电连接器，B型的25-针Micro-D/电源连接器和15-针D-微型30A电源连接器，C型的SPA 15-针HD电源、同步器、试验和dual quadrax高速串行接口连接器；D型的25-针Micro-D/电源连接器和15-针D-微型50A电源连接器进行了规定。

3.5 AIAA S-133-5-2013

AIAA S-133-5-2013规定了SPA 28V电源服务以及通用的电源性能、4.5A电源服务、30A电源服务、50A电源服务、SPA接地和连接等内容。

SPA电源系统依靠一块电池捆绑式的28V电源总线向所有SPA设备（包括SPA有效载荷）提供电源。电源系统包括一个或多个电源分配模块来向SPA多个终端连接点提供服务。通用电源性能包括电源总线电压、SPA终端电流限制、多种SPA终端使用、总线电压波动、总线电流波动、总线阻抗、低电压情况下的总线维持、过电压情况下的总线维持、电源总线电压瞬变。

3.6 AIAA S-133-6-2013

AIAA S-133-6-2013适用于在空间即插即用体系结构下运行的系统。系统定时标准是在网络SPA组件系统中提供公共定时的常用方法。关于可用性、延迟、抖动和漂移的讨论提供了旨在满足大多数系统的时序精度的系统。

本标准规定了秒脉冲（PPS）同步、弹性时间（TAT）信息、TAT和PPS资源、时间资源优先权、系统时间可用性、时间潜伏、PPS不稳定性和PPS漂移。

3.7 AIAA S-133-7-2013

AIAA S-133-7-2013规定了SPA xTED和XML模式语言的内容，包括xTEDS计划、xTEDS格式、xTEDS句法和通用数据词典，并在附录A中给出通用数据词典和xTEDS的扩展，包括CDD目的、CDD更新和验证XML解析器等。

3.8 AIAA S-133-8-2013

AIAA S-133-8-2013规定了SPA系统的试验旁路、用途和试验旁路信息协议。试验旁路信息协议包括NOOP操作、PUT操作、WRITE操作、GET操作、CLRMASK操作、SETECHO操作、CLRECHO操作、ENGAGE操作、DISENGAGE操作、WELENGTH操作、RDFLAGS操作、FLAGMSG操作。

3.9 AIAA S-133-9-2013

AIAA S-133-9-2013规定了SpaceWire总线适配子层、拓扑发现、发现之后的SPA数据包的空间线路路由、通信量的区分、动态配置、SPA空间线路特定信息格式、要求清单等。

a）拓扑发现主要包括SM-s的路由表格式，SPA终端的路由表格式，相同子网的多个SM-s管理器、相同子网组件的多条路径、没有终端的路由。

b）发现之后的SPA数据包的空间线路路由包括从SM-s到SPA组件的路由，从一个SPA端点到SM-s路由一个SPA包，从子网组件到另一个局域网组件路由一个SPA包，SM-s到SM-s的包路由。

c）动态配置主要包括探测一个已知端点上的新处理，子网拓扑的探测变化等。

d）SPA空间线路特定信息格式包括“SPASpWRouterProbe”、“SPASpWEndpointPing”、“SPASpWEndpointPingReply” 和“SPASpWconfigureTopologyDiscovery”。

e）要求清单包括SM-s要求、空间线路路由要求、空间线路SPA组件要求。

3.10 AIAA S-133-10-2013

AIAA S-133-10-2013规定了SPA系统的原则和服务、能力要求。能力要求包括通用能力、标准接口能力、组件“插”能力、组件“用”能力、网络能力、通用时间能力、故障冗余能力、安全能力、电源能力和试验保障能力。SPA系统的空间即插即用体系结构（SPA）的核心思想是，任何联网系统的组件都可以添加到网络中，并且能够与系统通信，而无需单独安装驱动程序、软件接口，或其他接口机制。

4 结论及建议

a）AIAA已针对即插即用技术的应用情况，建立了空间即插即用技术标准体系（SPA），并从模块划分、接口设计、总线使用、软件执行以及AIT流程等方面对空间即插即用技术进行了规定。我国尚未形成空间即插即用标准体系，随着微纳卫星、快响卫星技术的发展，对即插即用技术的需求越来越迫切，有必要从顶层规划上提前考虑，开展空间即插即用标准体系的研究。

b）在接口设计方面，原有电子系统的接口设计在支持即插即用的设计方面考虑较少，典型的特征是对外接插件尚不支持“热插拔”且各功能模块的拆装方式较为复杂。因此参照AIAA标准、PC104协议等标准从机箱、结构、机箱、结构、拆装方式、电气、热等接口设计等方面进行重点研究，以支持即插即用的热插拔接口设计，以实现真正意义的即插即用。

c）在协议使用方面，国际上针对目前已有的商用即插即用总线协议（如USB、SpaceWire总线等），已完成了试验平台的验证。而目前国内针对上述协议的研究已经有部分基础，有型号已经搭载USB设备开展飞行验证，部分型号已基于CAN总线、SpaceWire总线开展应用。但是在总的即插即用标准体系结构下如何使用针对上述总线协议有待进一步研究。

从综合电子技术的发展趋势可以看出，无论是高度模块化的快速响应卫星还是美国的SPA系统，都是通过即插即用技术增强了综合电子系统的灵活性和可扩展性，使得在极短时间内设计、生产、组装和升级卫星系统成为可能，从而使卫星研制周期大幅缩短，对于我国的卫星发展具有十分重要的借鉴意义。本文通过对AIAA标准的解读分析，旨在为我国空间即插即用技术研究、卫星模块化设计提供经验与借鉴，进而应用于微纳卫星和快响卫星，提升我国快速响应空间能力。