一种高可靠模块化的航天器通用接口单元设计

张 溢 韩 璐 刘伟伟 裴 楠

北京空间飞行器总体设计部， 北京 100094

0 引 言

随着航天器电子信息技术的进步，综合电子系统的功能性能不断提升，逐步从传统的遥测遥控功能拓展到涵盖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综合化控制和管理系统，成为航天器电子系统进行数据交互与信息分发的控制中枢[1-3]。

为实现综合电子系统与航天器其他各类分系统之间的数据交互，需要综合电子系统提供大量的形式各异的数据接口。传统航天器大多针对不同类型的平台与载荷系统采用定制化的设计方式，产品通用性差，技术状态复杂多样，质量问题层出不穷。层次化以及模块化的设计模式是将更小粒度的硬件模块进行通用化与标准化设计，由标准硬件模块组装成面向不同功能需求的航天器接口单元。其中国外的多个航天器电子系统均采用了模块化的设计模式，如Airbus公司生产的AS250、AS400、AS1000系列远程接口单元(RIU)以及NASA生产的远程接口单元均由模块化产品组装形成，具有系列化、产品化的批产能力。为此，本文以标准通用硬件模块、ASIC芯片、层次化总线体结构作为技术支撑，根据航天器多型号产品通用，功能性能灵活伸缩，技术状态统一的需求，提出一种基于模块化可伸缩的高可靠航天器通用接口单元设计方案，可有效提升航天器通用接口单元的通用性、可靠性以及产品研制与生产的效率。

1 系统架构设计方案

航天器通用接口单元采用模块化开放式设计的体系结构，将系统的各项功能进行规划分析和抽象综合，形成标准化通用的硬件模块以及一系列对应的软件构件[4]。以这些通用的硬件模块以及软件构件作为航天器接口单元的基础系列产品，在标准总线体系结构的框架下，将各硬件模块通过设备内部总线进行拼装和组合，形成具有特定功能的航天器接口单元，在设备外部总线通信和连接的基础上实现多台航天器接口单元之间的相互协同，共同组成一个完整的综合电子系统[5]。设计模型如图1所示。

图1 综合电子系统层次化设计模型

为实现硬件模块的独立设计、测试及现货供应能力，提升硬件模块产品的通用化与标准化，针对硬件模块制定通用化的电气设计框架以及标准的机械结构设计框架，实现硬件模块产品的通用化与标准化。同时，在由硬件模块组装成接口单元设备时，制定标准的集成规范，进而提升综合电子系统的产品化设计与集成组装设计能力，满足面向不同功能需求航天器接口单元的模块化扩展与功能伸缩需求。硬件模块产品设计及航天器接口单元组装设计流程如图2所示。

图2 硬件模块产品设计及航天器接口单元组装设计流程

其中硬件模块产品的通用化设计框架由专用功能组件、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。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[6]。

2 总线互联设计

设备内部硬件模块之间的背板总线作为设备内部各个硬件模块之间进行数据通信和资源共享的公共通道，对支持设备可靠性、支持灵活数据传输、降低软件通信负担具有重要的作用。

航天器接口单元采用基于时间触发的ARINC659总线作为硬件模块之间的互联总线。其中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，数据传输速率60Mbps，采用双总线对(A和B)组成双双配置，总线对A和B分别具有“x”和“y”2组总线，共4组(Ax、Ay、Bx、By)总线，4组总线之间采用交叉比对的方式实现数据的纠检错，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，适用于对可靠性和容错性要求较高的场合[7]。

同时，ARINC659总线作为一种标准化的背板数据通信总线，对于支持硬件模块设计框架中的链路及物理层接口组件的标准化与通用化设计具有重要的意义。不同硬件模块之间采用统一的链路及物理层接口组件，实现硬件模块间数据通信标准化与统一化的同时可实现航天器接口单元集成组装过程中硬件模块的即插即用。硬件模块间背板总线连接示意图如图3所示。

图3 硬件模块间背板总线连接示意图

基于ARINC659总线具备的高可靠、高带宽能力，航天器数据接口单元通过硬件模块集成组装形成单机设备后仍然具备高可靠设计特征，具体体现在以下几个方面：

1)借助ARINC659总线BIUx与BIUy之间的互相监督、交叉屏蔽功能，能够实现故障的识别和隔离，设备内部任何硬件模块的故障不能造成整台设备数据传输的紊乱；

2)借助ARINC659总线4组总线传输特征，硬件模块之间的数据通信具备检错与纠错能力，能够保证数据传输过程中出现偶发错误时能够被及时纠正，不影响数据处理，或者能够对数据错误进行检测，保证不因数据错误导致功能异常；

3)借助ARINC659总线的4组总线传输特征，硬件模块之间的数据通信具备冗余通信能力，在4组互联总线中任意一组出现故障时仍然能够保证背板总线完成数据的传输与通信操作；

4)借助ARINC659总线的时间触发特性，硬件模块之间的数据传输具有确定性，根据时间窗口执行特定的功能任务，不会出现数据通信相互竞争、相互冲突的情况，保证系统功能稳定、安全、可靠；

5)借助ARINC659总线的时间触发特性，为不同硬件模块规划好通信时间窗口，即可实现硬件模块在设备内部的即插即用，保障系统的灵活扩展与伸缩能力。

另外，不同种类的硬件模块所实现功能不同，对应于硬件模块设计框架中的专用功能电路设计性质不尽相同，为了保持硬件模块的链路及物理层接口组件的标准化设计不受专用功能电路的影响，以及为实现硬件模块能够作为智能终端独立开展工作，设计了一种HOST接口控制器(ASIC)作为硬件模块的网络层接口与控制核心，充分考虑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电路的控制和数据交互。

如图4所示，HOST接口控制器作为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，使硬件模块进一步增强其标准接入与即插即用的能力[6]。

图4 HOST接口控制器设计示意图

3 系统可靠性设计

航天器在轨飞行面临的工作环境恶劣，同时还具有寿命长、不可维修的特点[8]，因此保证航天器的可靠性设计时保证航天器功能和性能完整性的重要措施。航天器接口单元承担着航天器以及综合电子系统的远程执行与传感功能，一旦发生故障将直接导致航天器功能的丧失，为此，在航天器通用接口单元设计中进行了针对性的可靠性设计。如图5所示。

图5 设备级备份向硬件模块交叉备份转变示意图

3.1 硬件模块交叉备份

冗余备份是提升航天器电子系统可靠性设计最直接手段。传统的航天器电子产品大多采用单机冗余备份的措施，主份设备中的一小部分电路发生故障后就需要整个设备切换到备份，在备份的某部分电路再次发生故障，整个设备的功能将完全丧失，但其实故障时设备中仍有部分电路正常，仅仅是一部分电路的故障拖垮了整个设备的运行，造成了资源较大的浪费。

航天器通用接口单元采用标准硬件模块设计后，各硬件模块之间采用标准的背板总线接口，各硬件模块均挂接在一条具有高度可靠性和冗余性的内总线上，通过该内总线可实现任意硬件模块之间的接口重定向，单一硬件模块的故障只需对该模块进行主备份切换，而无需整个设备进行主备份切换，一方面实现硬件模块各功能电路的充分利用，另一方面也使硬件模块之间形成了交叉冗余备份的连接形式，大幅提升产品的可靠性设计。

3.2 高低速混合总线备份

背板总线是设备内部硬件模块之间进行数据通信的重要通路，必须具有较高的可靠性设计能力，本文设计的通用接口单元采用ARINC659总线作为背板总线，已经具备大于双冗余的可靠性措施，但为了进一步提升背板总线的可靠性措施以及增强接口单元在不同场景下的适应性，在接口单元内部采用了高低速混合总线架构。

高速总线采用ARINC659总线，面向高可靠、长寿命应用场景，低速总线采用RS485总线(UART接口)，面向低成本应用场景。为此，在图4的 HOST接口控制器设计中统筹考虑了对ARINC659总线以及UART接口的支持，通过内部的仲裁机制可实现对ARINC659总线以及UART接口传输数据的并发处理。

在设备中以ARINC659总线通信为主，在硬件模块的ARINC659总线接口组件出现故障情况下可在轨通过软件控制自动切换至RS485总线(UART接口)进行通信，保证硬件模块的ARINC659总线在发生二次故障后仍然能够保障硬件模块功能的完整性。

4 设计验证与分析

数据接口单元目前已经在我国多个遥感卫星上使用，在轨飞行产品数量已经有8台，地面交付产品超过30台，涵盖光学、微波等不同类型遥感卫星平台。以法国Airbus公司生产的AS250、AS400、AS1000系列的远程接口单元(RIU)与本文设计的数据接口单元(DIU)从体积、重量、功耗等进行比较，见表1所示。

表1 数据接口单元数据对比

5 结 论

本文提出的航天器通用数据接口单元采用标准化硬件模块集成组装的方式设计，形成了统一的方案设计模式，具有高可靠、标准化、通用化的特征，可以有效缩短航天器研制的时间，简化分系统电性及鉴定阶段的设计流程，提升产品化批产能力与研制效率，并可适用于不同类型的航天器平台，通过遥感卫星的工程研制结果表明，研制的数据接口单元可以显著降低重量、体积、功耗方面的系统开销，为实现航天器从定制化向模块化组装的转变提供了技术支撑。