微小卫星平台公共总线技术——CAN网络应用

对局域控制网络(CAN)协议在“清华一号”微小卫星平台上的应用作了描述。提出了微小卫星对平台公共总线的要求,介绍了CAN网络的特点,阐述了CAN协议的帧结构,并在此基础上提出了针对卫星子系统数据通讯所作的改进协议。还给出了微小卫星星载计算机子系统的CAN节点硬件设计结构和软件控制流程。     

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。     

支持多主通信的星载CAN总线应用协议设计

为提升星上设备间信息交互灵活性,文章对现有小卫星星上CAN总线应用层通信协议进行了改进,新的应用层协议通过合理的地址域设计、地址编排、屏蔽策略设计,使得该协议可以灵活支持总线设备多主通信,同时为了确保卫星系统按照一定的节拍有序运行,建议对总线采取周期调度下的多主通信模式。文章通过构建多主通信场景对该协议进行验证,结果表明该协议可以有效支持总线节点多主通信、组播、广播等,提升了总线通信的灵活性和通信效率。     

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。     

应用扩展帧的航天器CAN总线应用层协议设计

为了适应航天器信息流多样性需求,提升信息交互的灵活性,提出一种应用扩展帧的CAN总线应用层协议设计.对CAN总线扩展帧29 bit标志符进行合理划分,将其分为数据优先级、源节点地址、组播标志、目的节点地址、帧序号标志、帧序号、帧数据类型7个部分,使得该协议可以支持多优先级、主从、多主、组播、广播等多种灵活通信方式,支持CAN帧起始帧、结束帧、帧连续性判断,以及应用层数据包检验,提高数据传输的可靠性.另外,给出了组播、广播地址分配及屏蔽策略,满足复杂航天器的信息流需求,简化信息流设计过程.最后,通过构建组播、多主及多优先级场景进行应用实例验证,证明了文章提出的协议设计具有适用范围广、灵活性高等优点.     

基于能力分析的天基资源虚拟化方法的设计与实现

随着小卫星技术以及卫星组网技术的飞速发展,天基资源的规模呈爆发式增长,依赖多种类卫星节点提供的卫星能力,完成多星协同的复杂空间任务,向普通大众用户提供可用的、即时的卫星信息服务,成为未来发展的趋势。针对多类异构卫星,提出一种面向用户的应用层天基资源能力虚拟化方法。分析了即时观测信息服务的用户需求及天基资源的属性特征,综合时间、空间、能源、存储等约束条件,将天基资源按照时空逻辑,分层抽象虚拟化成面向用户的服务能力,建立了适用于大规模异构卫星、统一标准的应用层天基资源虚拟化方法,并设计了计算模型。选取具有代表性的卫星平台、载荷等,针对在轨实时虚拟化的需求,设计并实现了在轨虚拟化算法。试验证明,算法时效性可以满足星上实时计算要求。     

小卫星星载容错计算机控制系统软硬件设计

创新一号低轨存储转发通信小卫星是中国第一颗重量在100公斤以下的小卫星，介绍了其星载计算机系统的设计方案。由于卫星采用了计算机集中管理方式，为保证星载计算机的可靠性，设计中对硬件使用了双计算机热备份冗余设计，星载计算机的可靠性同时通过软件和硬件协同容错设计来实现。卫星的星务管理、遥测、遥控、姿态控制、电源管理、通信控制、轨道控制等都需要通过计算机软件完成，介绍了这些软件的主要功能和容错设计。创新一号星载计算机采用了多项新技术，并经过了一年多的飞行测试验证，达到了预定的运行目标，星载计算机圆满完成了各项设计功能，证明了卫星计算机系统的安全可靠。     

空间站电源系统信息管理软件重构方案

针对空间站电源系统内部多个单机与其他系统进行多总线通信,实现系统内外之间数据交换的复杂信息管理需求,同时考虑到软件的可靠性和继承性,设计采用架构重构和代码重构的空间站电源系统信息管理软件,具有多任务处理实时性高的特征,能实现传统电源下位机软件代码复用,提高代码复用率。另外,通过设计基于多级静态优先级的任务调度模块,实现多总线数据流的合理通信和多任务的有效处理。文章提出的软件重构方案在空间站电源系统信息管理软件中进行应用,实现了38.47%的软件代码复用率,实时性任务的响应率提高了44.48%,可有效满足空间站电源系统的信息管理任务需求。     

载荷软件可重构的空间自主飞行器内核软件设计方法

基于某空间自主飞行器控制系统嵌入式软件,介绍了可对载荷软件进行在轨重载的高可靠内核软件设计方法。该内核软件能对多数据源载荷软件进行配置和运行管理,并可在控制系统最小安全模式下对载荷软件进行重构,实现了载荷软件的在轨修复和功能拓展,满足了空间自主飞行器的高可靠、高安全和可扩展需求。以SPARC TSC695F处理器星载计算机系统为例分析了该内核软件的实现方法,并已通过了在轨试验验证。     

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STK的星敏感器在轨视场仿真分析

针对星敏感器在轨可能会受到太阳光、地气光等杂光干扰而影响其测量精度及姿态有效率等问题,对星敏感器的在轨视场进行了分析研究。给出了太阳光、地气光进入星敏感器视场的条件;基于卫星工具包(STK)软件,提出了一种星敏感器视场分析的仿真方法;结合卫星轨道参数和星敏感器安装方位,在卫星零姿态、正负向侧摆下对杂光进入星敏感器视场情况进行了仿真。结果表明,卫星在轨至少有2个星敏感器在同一时刻满足杂光抑制角要求。文章提出的仿真方法,适用于对任何轨道类型卫星星敏感器在轨视场的杂光分析,仿真结果对星敏感器在卫星上的优化安装具有工程应用价值。     

卫星综合电子系统多总线融合接口设计

针对在轨模块更换中在轨升级时可更换模块接口受限的问题,分析了在轨升级时模块更替对接口通用性的需求,基于卫星综合电子系统提出了一种新的融合总线的通用接口的设计并搭建了验证平台。该融合总线通用接口融合了4种常用通信总线,能够同时挂接4种通信协议的模块,适应成熟的可更换模块的通信接口,对我国卫星在轨模块更替以提高在轨升级卫星功能有重要意义。     

星载辐射计动平衡概述及在轨动平衡技术研究

作为卫星在轨对地探测的有效载荷,星载辐射计在轨扫描转动时的动平衡特性直接影响卫星在轨探测精度和姿态稳定度。文章介绍星载辐射计动平衡技术研究现状和发展趋势,并基于现有地面动平衡技术的局限和型号发展需求提出在轨动平衡技术的初步设想,阐述了在轨动平衡配平技术、测量技术和实时调整反馈控制技术,可为今后类似旋转式星载辐射计的动平衡设计和动平衡控制方法提供参考依据。     

导航卫星自主健康管理指标体系构建方法

针对北斗全球卫星导航系统提供高连续性和高稳定性服务的特点,提出了导航卫星健康管理指标体系构建方法,从卫星服务性能及在轨安全稳定运行方面分析影响任务成败的关键因素,转化为故障检测、隔离、预测与评估的需求,再根据需求构建健康管理指标体系,采用参数权衡法,对已构建的指标体系进行定量计算,给出具体的指标要求,作为卫星设计研制的依据。经过地面仿真计算及在轨性能评估验证,结果表明:导航卫星各分系统单机按照指标要求开展设计研制,能够满足空间信号连续性、可用性等系统指标要求,可为星载健康管理指标设计提供参考。     

基于FPGA的小卫星通信系统在轨可重构技术研究

小卫星未来在轨任务呈多样化和复杂化发展趋势,可重构技术可以解决小卫星处理能力不足和系统不能灵活扩展的问题。具备可重构功能的小卫星平台可以根据星上的工作状态和当前工作环境重新配置当前设备的工作模式,以适应复杂的空间环境和特殊的空间任务需求。提出一种基于FPGA的小卫星通信系统在轨可重构方案,包括数字基带和射频前端模块的可重构设计。通过FPGA控制加载不同配置文件或者通过卫星上行通道上注加载文件等方式实现功能重构,同时监控小卫星的工作状态,使得小卫星通信系统能够针对不同的航天任务或任务的不同阶段采用不同的通信模式,实现小卫星多功能的灵活扩展。     

全数字化星载信号处理载荷架构设计

面对商业航天新业态的迅猛发展,围绕高可靠、高效率、高效益的航天发展目标,针对卫星有效载荷的载荷核心——星载信号处理载荷部分,参考美国国家航空航天局的空间无线电通信体制设计思路,以硬件平台化、功能软件化、软件构件化为特征基础,通过对软硬件体系、载荷时频、重构方式、资源共享等多元化的设计,构建了一种灵活、通用、易扩展、需求适应强的全数字化星载信号处理载荷架构。相比于传统星载信号处理载荷,采用该架构设计的星载信号处理载荷可以广泛适应各类星载信号处理的需求,极大地提升有效载荷的信号处理能力及可靠性,降低载荷的研制周期与成本,为未来卫星有效载荷的软件化、网络化、智能化发展提供技术支撑。     

基于在轨组装维护的多载荷协同观测卫星平台构型设计

针对高轨遥感卫星多载荷协同观测和一致测量应用需求,在前期总体技术方案研究的基础上,通过开展现有在轨组装航天器和高轨卫星公用平台的构型调研,提出了一种适用于多载荷协同观测需求的平台构型设计方案。平台利用CZ-5运载火箭发射并在轨展开,采用“网格式中心承力筒+板+桁架”式的总体构型,开展了主传力路径、贮箱承载结构、网格式中心承力筒等的细化设计工作,并进行了结构产品的初步设计,建立了平台结构整星的有限元模型。仿真分析表明:平台结构整星的各向一阶频率均能满足运载火箭的频率要求。基于标准化、通用化的平台接口设计,使其具备可扩展及可维修的能力,大大提升了平台鲁棒性。基于全网格筒的主承力设计,增强平台结构承载能力,并改善平台内部热环境。该设计方案可为基于在轨组装维护的高轨遥感大平台结构的设计提供有价值的参考。     

基于BM3803处理器的即插即用星载计算机系统设计

针对我国星载计算机不能通用和"即插即用"的特点,文章提出一种模块化的星载计算机硬件设计方法,以某卫星原理样机为例,设计了一种基于BM3803处理器的即插即用星载计算机系统,重点研究了通用驱动软件的实现,通过软硬件结合,实现了设备模块的功能自动识别和"即插即用"功能。文章将该方案与现有星载计算机系统进行了对比分析,结果表明:该系统的处理性能更高,具有较好的通用性和扩展性,能够进行模块级替换和产品化生产,并满足新一代星载计算机系统快速组装的需求。