基于FPGA架构的高可靠在轨重构系统设计

航天设备与地面设备相比,制造成本高,对空间环境的适应性要求也高。为了延长航天器寿命,提高其在轨工作的可靠性,需要考虑航天器在空间环境下的可维护性需求。针对航天资产在轨软件实现功能维护的需求,研究空间环境应用背景下的高可靠在轨可重构技术。基于FPGA芯片在航天器领域中应用的广泛性、灵活性及可靠性,设计了一种FPGA架构下的高可靠在轨重构系统。该系统的优势在于充分利用星载设备中普遍使用的“SRAM型FPGA+反熔丝FPGA”的硬件架构,在实现SRAM型FPGA动态刷新功能的基础上仅通过软件更改来增加在轨重构功能,极大降低了硬件更改的成本,扩展了可重构功能的应用范围。在某航天器星载设备中应用该在轨重构系统,通过实际飞行经历,验证了该架构系统设计方案的可行性、可扩展性及可靠性。     

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。     

低轨卫星可重构通信系统设计

提出一种适合于在轨重构的低轨卫星通信系统软、硬件架构方案,从工程实施角 度探讨包括天线、RF前端和基带处理单元在内的可重构硬件平台、可重构策略与软件控制流 的可行性,分析了可重构卫星通信系统实现的关键技术。利用软件无线电技术,分析了基带 和射频前端分离,可裁减、复用式平台实现的基本路径,以及基带、射频天线单元重构的实 现方法。通过各常规通信模式射频前端和数字部分的灵活组合,同时支持多频点、多模式的 通信制式,达到节省硬件成本和提高系统灵活性的目的。最后研制了一个可重构卫星通信地 面测试原理样机,模拟了卫星有效载荷和地面通信站在IS-95体制下两种CDMA加密码字间的 动态重构,有效验证了本文提出的可重构策略的正确性与合理性。
     

基于最小系统的小卫星在轨软件重构系统设计

提出一种基于星载终端处理设备最小系统的小卫星在轨软件重构系统设计方案。依据星上信息流实现现状,设计重构系统的系统框架,提出星载终端处理设备的最小系统组成、通用功能集和需要满足的整星安全性功能需求。系统中,应用软件程序数据按照注入帧格式通过遥控通道注入到星上,可缓存在星务存储器中再分发给终端目的设备,通过最小系统软件对应用程序进行引导和加载管理,整个过程均有差错控制设计以保证其可靠性和安全性。软件重构试验和容错试验表明,利用该系统可实现星载微计算机软件和FPGA配置数据的可靠上注、可靠存储和可靠加载。     

基于InGaAs器件的空间高速捕跟探测组件设计与实现

提出一种基于InGaAs焦平面器件的空间高速捕跟成像组件设计方法,阐述了系统工作原理及主要模块实现方式,分析了测试方法和验证结果.方案以InGaAs焦平面器件为核心,采用主控FPGA控制工作模式及交互通信、4路图像信号经前置单端电流驱动以及差分功率放大和AD转换后输入主控FPGA进行图像信号处理输出.针对空间环境特点,通过器件选用、电路优化、抗单粒子设计等防护措施进行了系统加固.基于刷新重构FP-GA设计了具备灵活在轨图像校正补偿、系统优化重构,主控FPGA程序定时刷新的功能模块.实现产品具有全幅高帧频6 kfps输出、-85 dBm像元灵敏度、69 dB宽动态范围的性能,具备低延迟高帧频快速图像处理的特性,可满足空间多轨道激光通信捕获跟踪及短波红外遥感成像需求.     

一种面向卫星应用的新型存储器和FPGA设计与实现

可靠性对在轨卫星的安全意义重大。由于空间环境辐射和单粒子效应,卫星系统多次发生在轨异常,对在轨卫星系统工作的连续性、稳定性和安全性造成了严重影响。文章针对卫星在轨空间环境和单粒子问题,提出一种基于铁电材料的高可靠、抗辐射的CPU和FPGA解决方案。一方面,设计了和通用接口兼容的新型铁电存储器,其抗辐射总剂量大于10000Krads（Si）,对单粒子效应几乎具有完全的免疫能力;另一方面,设计了基于铁电编程单元的新型FPGA,该FPGA不需要外部PROM,具有很好的经济性和应用前景。     

硬X射线调制望远镜卫星数字伴飞系统设计与应用

设计了硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星数字伴飞系统,具有与在轨卫星相同的运行策略和控制模型。卫星发射后,通过配置参数使地面虚拟空间中的数字孪生体卫星与现实空间中的实体卫星状态一致,可"镜像"卫星在轨状态。结合数字模型状态量丰富、可加速运行、可反复运行的特点,在数字孪生体上开展卫星状态判读、卫星控制参数优化、卫星任务方案迭代仿真,得到上注至实体卫星的飞控数据,完成了卫星的任务规划和性能改善。     

高分多模卫星星地任务管理方案设计与验证

高分多模卫星工作模式复杂,工作模式组合变化多,卫星单轨和1天内可执行任务数量大幅增加。为了解决这些问题,在工程上实现卫星灵活、高效的工作过程精准执行,在操作上实现地面段任务管理的简洁、易用,在应用效能上实现卫星能力的充分发挥与卫星安全性的兼顾,参考国内外遥感卫星技术发展,提出"目标、需求、元任务、动作、指令"的5层次星地任务管理架构,明确了以"元任务"作为星地任务接口,并实现算法开发、地面验证和在轨应用。高分多模卫星星地任务管理方案大幅降低了地面任务管理人员对卫星操作的复杂程度,提高了任务上注效率、执行效率和组合使用灵活性,使得卫星的应用潜能得到完全发挥。     

一种敏捷卫星高集成数传控制单元设计与验证

针对敏捷卫星高速数传分系统现状与需求,设计了一种新型高速数传控制单元。该数传控制单元功能密度比高,选用高可靠、长寿命、抗辐照宇航元器件,采用标准化结构设计,热设计和抗力学设计满足空间环境要求,支持CAN总线、RS422总线、RS485总线、秒脉冲等接口功能,具备时间管理、数传任务自主执行、系统重构、自主安全模式、批指令开关机和灵活支持在轨处理与传输业务等多项功能。可满足高可靠、集成化、小型化、抗辐照、长寿命等特点,支持多类型不等长带参数指令、目标单元开关机和数传分系统I、II、III、IV类遥测采集等功能,支持十六大类模式百余项分系统工作组合,完成了数传分系统任务执行由面向功能提升到面向应用,增强了数传系统易用性、自主性和可靠性,可广泛应用于后续高分辨率敏捷遥感卫星。     

北斗三号卫星综合电子系统设计

作为在轨网络化与智能化信息处理的中心，北斗三号卫星综合电子系统采用分级分布式网络体系结构，以网络化、扩展性、高可靠为原则，实现星座复杂业务信息统一处理和共享。基于标准空间链路协议、空间子网与星内子网分级网络拓扑实现通信网络化，基于接口标准化实现软硬件模块灵活扩展，基于分级故障检测与处置、功能与信道容错、可靠重构与维护及自主健康与任务管理技术保证卫星服务连续性。工程实践表明，北斗三号卫星综合电子系统有力支持分组分批研制及长期可靠智能自主运行，为未来大型复杂航天器电子信息系统的设计提供参考。     

卫星在轨任务管理技术研究

长期以来,国产卫星在轨任务管理工作一般由卫星方、运控方、测控方协同完成。随着卫星数量和种类的增多,卫星方在协同运控方、测控方进行有效载荷任务管理、卫星健康管理和异常处理等基础上,越来越需要在卫星的最大效能、新功能、新用途、多星协同等在轨应用上创新,扩展卫星方的在轨任务管理工作内涵。文章总结多颗卫星在轨多年来的管理经验,梳理了卫星方在轨管理主要任务场景,挖掘提升卫星在轨的应用价值,归纳提出了"再完善、再开发、再利用、再设计"的卫星在轨"四再"管理工作,提供了多星重构组网等真实应用实例,阐述了拓展新用途等提升卫星应用效能和卫星技术水平的策略,并提出了增加天基对月成像功能等几点建议,可为后续卫星在轨管理提供参考。     

一种高可靠的星载多核DSP加载方式及实现

为了应对遥感卫星复杂的智能处理应用需求,单核的数字信号处理器已无法满足实时性要求,而多核DSP处理性能更高,可以满足卫星应用需求。提出了一种多核DSP加载的高可靠方法,利用FPGA对存放的Nor Flash中程序进行纠错回写,应对空间单粒子翻转影响,可以保障卫星可靠运行,方法新颖、可靠。TMS320C6678是基于KeyStone结构的高性能多核浮点DSP,详细介绍了TMS320C6678的加载模式和流程,并提出基于EMIF16的Nor Flash高可靠异构加载方式,以及程序Bootloader。经测试验证,TMS320C6678能够稳定可靠运行。该方法支持在轨可重构,适应目前快速发展的星上智能处理发展趋势。     

基于DSP和FPGA的静电悬浮加速度计控制器设计

针对静电悬浮加速度计高稳定悬浮控制和极微小加速度信号处理需求，设计了一种基于数字信号处理（digital signal processor,DSP)和现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA)的加速度计控制器。该控制器采用DSP作为主控芯片，FPGA为辅助控制芯片。基于加速度计的工作特性，设计了一种加速度计工作模式切换控制策略，可根据加速度计当前工作状态，自动或者手动切换工作模式。基于加速度计的工作原理和测量需求，设计开发了基于FPGA的比例、积分、微分(proportional integral derivative,PID)控制算法和有限冲击响应(finite impulse response,FIR)滤波算法。为验证该控制器的控制性能，开展了地面高压悬浮实验。结果表明，该控制器及控制算法可以快速准确地实现加速度计稳定悬浮控制和模式切换，并且可以实现软件在轨重构和控制参数在轨更新，为后续重力场探测、空间引力波探测以及自主导航等提供了工程参考依据。     

硬X射线调制望远镜卫星飞行程序设计及在轨验证

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星飞行程序设计具有在轨使用模式复杂、载荷需求约束多、在轨工作状态多且多系统多组合耦合、在轨自主管理功能应用与飞行事件操作流程耦合等特点。卫星在轨测试内容多、约束多、耦合强,因此在飞行程序设计中重点开展了入轨段程序时序评估和改进,观测模式、自主功能的应用设计,在分析设计需求约束并提取能够有效覆盖验证全部正常功能和工作状态的系统组合形式基础上,进行飞行事件编排优化。HXMT卫星在轨验证结果表明:卫星在轨运行良好,各飞行事件有序开展,飞行程序设计合理有效。     

环境减灾-1A、1B卫星控制系统方案及在轨验证

简要介绍了环境减灾-1A、1B卫星姿态控制分系统的主要功能、指标要求、系统组成、工作模式、控制方案设计和主要故障诊断逻辑.根据卫星在轨运行数据,给出了卫星在轨运行的部分曲线和姿态控制、轨道控制的指标实现情况,对姿态控制分系统方案进行了在轨验证.     

高分多模卫星飞行程序设计及验证

高分多模卫星(GFDM-1)兼具高分与敏捷特性,具备多种敏捷成像模式,同时具备自主任务管理功能。其飞行程序设计具有在轨工作模式多样、工作状态复杂且耦合性强等特点,首次采用天地一体的自主任务管理方式进行飞控实施。因此,在飞行程序设计中重点开展了事件时序设计和优化,合理设计并行时序并综合采用多种执行方式对事件流程进行优化,实现快速状态建立;针对卫星设计和敏捷特点分析,识别太阳翼展开及捕获跟踪、多模式高频度的载荷任务规划、中继数传模式等关键事件,对其开展地面仿真进行设计优化。高分多模卫星在轨应用和验证结果表明:卫星在轨运行良好,各飞行事件有序开展,飞行程序设计合理有效。     

空间遥感相机星上图像复原系统设计

为了能够在轨、实时对空间遥感图像做增强处理,设计了一个基于现场可编程门阵列(FPGA),应用于空间遥感相机的星上实时图像复原系统,实现在轨实时处理遥感图像,增强图像清晰度并有效抑制噪声。图像复原系统采用模块化设计,调制传递函数(MTF)在轨测量计算模块实现了边缘扩展函数计算、线扩展函数计算、归一化MTF计算,以及调制传递函数补偿(MTFC)参数计算与存储等功能;MTFC图像滤波抑噪算法模块实现了二维图像实时滤波以及抑制噪声功能。使用ISE软件的系统生成器模块设计了图像处理算法,简化了系统设计和验证流程。复原系统运行结果表明,图像经过实时复原处理后,图像灰度梯度、点锐度、边缘能量、方差都有大幅提高;复原后图像信噪比与原始图像相比降低很小,对于MTF的中高频域增强。图像复原系统采用模块化设计,实时复原效果好,可灵活应用于多种场合。     

硬X射线调制望远镜卫星系统级自主功能设计与在轨验证

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星在轨长期连续观测、全天球任意姿态指向、观测目标频繁切换、观测载荷工作温度要求高等多任务、多约束的特点,使卫星的功能设计和传统卫星不同。为确保卫星好用、易用、安全、可靠,HXMT卫星从任务需求和特殊要求出发,以系统化、模块化的设计思路,遵循可交互性、可服务性、开放性的原则,设计了12种系统级在轨自主功能,其中9种为全新设计。卫星在轨运行结果表明:各项自主功能在轨应用效果良好,满足了用户对于卫星长期在轨运行高观测效率、高可靠、高自主、数据下传及时、使用简便灵活的需求。     

高分多模卫星星地一体化专项工程研究与应用

高分多模(GFDM-1)卫星是我国民用空间基础设施规划中的首颗高分辨率光学对地成像敏捷遥感卫星,其最高分辨率达到0.42 m,成像模式灵活且丰富.为实现卫星设计、研制与应用的紧密结合,确保卫星入轨后实现高成像质量、高成图效率、高应用效益,切实解决用户业务中的实际问题,开展了星地一体化专项工作,在卫星像质保证、任务定制、数据处理、在轨综合效能评估等方面部署了研究课题,在卫星工程研制和在轨测试阶段全程同步实施.通过技术研究、产品开发、测试与应用,并在卫星入轨后迅速支持卫星任务定制、载荷定标、数据处理与业务应用,实现了星地一体化同步协调发展,提高了空间基础设施应用效益.