星载处理设备软件在轨重构技术研究

文章以我国星上处理设备的软件在轨可重构为需求,分别从配置数据传输途径、可重构处理设备构成、上行加载帧结构以及软件重构技术等方面开展了设计研究,所设计的硬件处理设备和重构软件通过了最终的系统重构功能验证测试。     

基于用户星地固系位置速度数据的GEO终端天线指向算法

文章通过用户星地固系位置、速度数据和GEO卫星6根轨道参数,在星载控制器上计算用户星GEO终端天线的指向角度。该算法已在星上成功应用,指向精度和运算速度满足星上使用要求。     

基于SpaceVPX架构的星上高速载荷数据实时处理平台设计

针对星上载荷数据速率提高,现有处理平台无法支持高速载荷数据实时处理、快速应用的问题,文章通过对卫星在轨处理需求的分析,介绍了基于SpaceVPX标准的星上载荷数据高速数据处理平台的设计方案,重点阐述了针对宇航应用的特殊需求所设计的自主容错和故障隔离方案,并在某光学载荷在轨图像处理系统中进行了应用验证,结果表明:采用该方法设计,系统处理速度高,可扩展、可重构性强,软件和硬件之间的关联度较弱,可为星上高速载荷处理系统设计提供参考。     

基于动态库的星载软件可重构设计与实现

针对卫星在轨运行、长期处于无人值守状态,主要依靠星载软件的安全性和可靠性来保证整星任务的稳定工作。复杂多变的空间环境可能会引起星载器件的异常变化,从而导致星载软件异常,甚至发生软件"衰老"。本文在分析现有可重构方案基础上,提出了一种利用动态库的静态链接方式实现在轨可重构的方案,针对存在软件缺陷,或者需要功能升级和拓展的模块,利用遥控上注手段,采用MD5算法对数据文件完整性校验通过后,写入文件系统,并对原动态库文件作备份处理,以便版本回退。以具体实例对本文所述方案的可行性和有效性进行验证,结果表明:在嵌入式操作系统架构下,利用本方案实现星载软件可重构,能够有效提升星载软件在轨实施可重构的可靠性和安全性,进一步为星载软件的扩展和灵活应用提供支撑。     

基于信息流的星载软件需求分析方法

针对星载软件数量多且设计分散,各自承担不同的信息处理任务,难以进行有效的总体软件需求分析的问题,文章提出一种基于信息流的软件需求分析方法,以系统级信息流设计为核心,首先进行信息流构架设计,明确卫星上各级总线架构;其次确定星上接口类型、数据传输协议等,并形成整星软件信息接口关系;最后根据信息流分解的结果,确定软件配置项的需求。此方法已在通信卫星领域中实际使用,结果表明它可以有效地制定星上处理规则,优化软件设计流程,增强软件设计的完备性和健壮性。     

星载控制软件在轨动态重构技术研究

为使星载控制软件可在轨动态重构，提出一种基于量子编程框架、无须操作系统支持、可实现多版本切换的星载控制软件在轨动态重构方法。在分析影响在轨动态重构关键技术基础上，从量子框架的面向对象运行机制出发来寻求软件框架对动态重构的支持；通过划分函数边界，将函数归类为内部函数和公共函数，避免了模块间的循环依赖；给出了函数向量表维护策略，并以版本号为导向实现了向量表切换。该方法在BM3803星载处理器平台进行了充分测试，结果表明：所提出的在轨重构方法系统无须停机、版本可回退且更新过程可靠。本方法占用内存小、平台依赖性弱、代码可复用性强，可推广应用至硬件资源有限的星载控制器终端。     

抗单粒子翻转的可重构卫星通信系统

卫星在宇宙空间运行易受到各种高能粒子辐射,由此所产生的单粒子现象可能会影响卫星正常工作。新一代卫星通信平台不仅需要稳定可靠地工作,而且需要支持多数据速率、多调制模式、多传输频段以及具有星上交换和处理等功能。通过分析和总结单粒子效应种类及目前主要对抗方法,提出了一种基于软件无线电的全对称全连通可重构通信系统。该系统通过软件重构可以满足多用途以及星上处理和交换的需求,通过硬件平台的动态重构可以有效地克服单粒子效应的影响,其全对称全连通的结构可以显著提高系统的可靠性和使用寿命。
     

一种高速可靠的大体量星载软件重构方案设计

随着星载软件的复杂度与体量不断增加,对软件在轨重构并进行更新维护的功能愈发重要。当软件越来越大时,使用低速通道进行重构的方案在时间上难以满足在一个测控弧段内重构软件的需求。同时,大软件使得数据存储空间更为紧缺,无法使用三模冗余等传统方法保证程序数据的可靠安全。因此,本文提出了一种使用高速通道的可靠的大体量星载软件重构方案。以固化在PROM（可编程只读存储器）上的引导监控程序作为根本保障,构建一个存于MRAM（磁随机存储器）上专门用于高速重构软件的安全模式程序作为方案核心,并给星载软件加入自重构功能作为最常用的重构方式。通过地面测试与在轨实验表明：该方案能够保证大体量软件重构功能的高速度与高可靠性,让星载软件的更新与维护更加安全与便捷。     

基于TLK2711的遥感卫星高速串行载荷数据接口设计

高分辨率遥感卫星星上载荷原始数据率不断提高,如何将高速载荷数据传输至后端数据处理设备已成为遥感卫星载荷接口设计的关键。在研究高速串行/解串(SerDes)收发器件TLK2711工作原理的基础上,提出了高速串行载荷数据传输接口的设计方案。通过在某卫星星载数据传输系统中的首次应用,实现了星上2Gbit/s的高速串行数据传输,工程试验和在轨验证表明了接口设计的正确性和可靠性,可为其它星载高速数据传输接口设计提供借鉴。     

星载GPS跟踪测轨系统

本文根据国外导航星全球定位系统(GPS)在空间应用的情况,简述用GPS进行卫星定位的重要意义,提出了我国开展用于近地轨道卫星定轨的星载GPS导航系统的设想。叙述星上GPS C/A码接收设备工作的可行性及设备的定位精度、动态特性、导航处理性能等关键技术。对系统的软硬件设计、遥测遥控接口和系统工作状态做了初步考虑。     

空间太阳望远镜高速数据传输系统设计

空间太阳望远镜(SST)是中国未来重要的太阳观测卫星，中国科学院国家天文台和航天部五院目前正在开展该卫星的研制工作。本文介绍高数据传输速率(60Mbps)的科学数据传输系统(DTS)，该系统将SST每天采集的超大容量科学数据传送到卫星地面站，其协议与国内卫星地面站现有协议兼容。文中分析SST对DTS的系统需求；计算DTS系统星地传输链路的系统余量；侧重描述DTS的信道编码卡(CEC)的详细设计，包括设计原理、方法和实验室基带测试系统，CEC格式化海量存储器中的科学数据，插入伪随机编码(PN)及帧同步信号，生成的数据流适应四相相移键控(QPSK)射频调制及地面数据恢复系统的需求。本文最后讨论DLS检错和纠错编、解码(EDEC)的实现方法，以及如何分别利用软件、硬件或可编程器件实现系统功能优化分配。我们已研制出CEC地面样机及其测试设备，并成功验证了CEC的全新设计方法，如使用较低的工作频率完成高数据速率的传送等。     

基于反熔丝型FPGA的有效载荷可重构技术

针对在轨卫星功能维护、扩展和更新的需求，设计一种星载FPGA可重构方法。通过硬件三模冗余、软件三模比对，提高星载信号处理FPGA配置的可靠性；通过地面向卫星配置FPGA发送擦除、写、读指令，实现星载配置数据存储FLASH芯片的擦除、写、读操作，从而实现星载信号处理FPGA的重构，进而可以实现有效载荷功能的在轨更新或升级，减少硬件重复开发，降低成本。     

基于1553B总线的星载嵌入式软件在轨升级方法

针对星载嵌入式软件在轨升级难的问题,提出了基于1553B总线的星载嵌入式软件在轨(线)升级方法.通过1553B总线接收升级程序、固化程序和升级程序分区独立存储、启动程序和应用程序互相配合的方式,实现软件升级、部分传输异常时补丁升级及升级异常情况下的版本回退.在某星载固态存储设备上对方法进行了试验验证,结果表明,方法可对...     

Development,integrated investigation,laboratory and in-flight testing of Chibis-M microsatellite ADCS

Design, analytical investigation, laboratory and in-flight testing of the attitude determination and control system (ADCS) of a microsatellites are considered. The system consists of three pairs of reaction wheels, three magnetorquers, a set of Sun sensors, a three-axis magnetometer and a control unit. The ADCS is designed for a small 10–50 kg LEO satellite. System development is accomplished in several steps: satellite dynamics preliminary study using asymptotical and numerical techniques, hardware and software design, laboratory testing of each actuator and sensor and the whole ADCS. Laboratory verification is carried out on the specially designed test-bench.In-flight ADCS exploitation results onboard the Russian microsatellite “Chibis-M” are presented. The satellite was developed, designed and manufactured by the Institute of Space Research of RAS. “Chibis-M” was launched by the “Progress-13M” cargo vehicle on January 25, 2012 after undocking from the International Space Station (ISS). This paper assess both the satellite and the ADCS mock-up dynamics. Analytical, numerical and laboratory study results are in good correspondence with in-flight data.     

一种用于星载系统可靠性评测的软件故障注入工具

随着计算机应用的日益广泛和复杂,很多传统的故障注入技术及工具已经在很多领域面临着新的挑战.本文详细介绍了由本课题组自主研究开发的一种用于评测星载系统可靠性的软件故障注入工具(SFIOS),该故障注入工具针对星载系统这一特殊对象而开发,采用包括时间、空间、事件在内的多种故障触发方式,不仅能通过软件的方式随时随地注入接近实际的星载故障,而且操作简单,不需要修改星载系统的应用任务,对星载系统影响较小。实验结果表明,采用该故障注入工具评测星载系统可靠性的具有较多的优点和潜力。     

基于固态硬盘的星载海量存储阵列研究与设计

针对当前星载设备对低成本、标准化及快速组装、快速测试的需求,提出采用基于SATA接口的固态硬盘(SSD)作为存储模块研制星载存储设备。文章首先分析了星载存储技术发展特点、对存储设备的技术需求,以及固态硬盘自身的特点,然后分别从固态硬盘在星载应用中的必要性、可行性及其在应用中的优缺点进行探讨,并重点说明了在星载应用中需要攻克的关键技术及与数传/载荷分系统的融合方法,最后从硬件原理设计、软件层次设计等给出一种可行的设计方案,可为星载固存设备研制提供设计思路。     

An extensible on-board data handling software platform for pico satellites

Miniaturization techniques enable the realization of very small satellites with interesting capabilities in space science. The University of Würzburg contributed in the scope of the cubesat program with its own pico satellite UWE-1, which is in orbit since October 2005. Despite reliable and stable operation of the on-board data handling (OBDH) system during the UWE-1 mission, the successor UWE-2 will be equipped with a more sophisticated, modular and extensible OBDH system, which was designed to facilitate the further development of the UWE satellite platform. The OBDH system was designed for high reliability and stability, but with an easier extension capability. The modular structure of the new system thus supports potential transfer to other satellite platforms.     

Small satellite's role in future hyperspectral Earth observation missions

Along with various advanced satellite onboard sensors, an important place in the near future will belong to hyperspectral instruments, considered as suitable for different scientific, commercial and military missions. As was demonstrated over the last decade, hyperspectral Earth observations can be provided by small satellites at considerably lower costs and shorter timescales, even though with some limitations on resolution, spectral response, and data rate. In this work the requirements on small satellites with imaging hyperspectral sensors are studied. Physical and technological limitations of hyperspectral imagers are considered. A mathematical model of a small satellite with a hyperspectral imaging spectrometer system is developed. The ability of the small satellites of different subclasses (micro- and mini-) to obtain hyperspectral images with a given resolution and quality is examined. As a result of the feasibility analysis, the constraints on the main technical parameters of hyperspectral instruments suitable for application onboard the small satellites are outlined. Comparison of the data for designed and planned instruments with simulation results validates the presented approach to the estimation of the small satellite size limitations. Presented analysis was carried out for sensors with conventional filled aperture optics.     

基于TMS320C6701的程序冗余加载设计方法

为满足航天产品高可靠性、高安全性的要求,用户对软件存储和加载方式也提出了更多的需求,如程序三区冗余备份、在轨重构等。TMS320C6701是一款高精度浮点数字信号处理芯片,其运算速度快、实时性高,近年来广泛应用于电机控制、轨道运算等宇航软件产品中。TMS320C6701内部程序区和数据区独立,设计师需要编写二次引导程序实现代码和数据的先后加载。根据TMS320C6701的加载特性,将二次引导与重构功能结合,设计了一个引导系统。引导系统对应用软件进行三取二判决,将判决结果加载至RAM中运行,并通过总线实现应用软件的更新。实验证明,该系统可以通过总线通信对应用软件重构升级,大大提高了软件的可靠性和可维护性,且缩短了单机研制周期和维护成本。