深空探测器间通信技术发展概述

器间通信技术能够确保遥控指令可靠到达探测器,并将探测器的科学探测数据回传给地面,在深空探测中发挥着重要作用。介绍了美国和中国的月球探测、火星探测工程中器间通信技术发展现状和工程应用情况,分析总结了深空探测器间通信技术的主要特点,并针对未来深空探测器间通信需求,提出了需要迫切解决的关键技术,为我国后续深空探测工程的实施提供支持。     

深空着陆器双程多普勒测量设计方法

针对深空探测中轨道器 着陆器双程无线电测量时多普勒精度的需求，文章提出了一种深空着陆器双程多普勒测量设计方法。通过对着陆器收发信机的变频链路设计、载波相干转发电路设计、载波跟踪环路参数分析和设计，提出基于着陆器收发信机的载波相干转发处理方法；该方法对接收通道本振、发射通道本振、收发处理时钟进行同源设计，并根据相干转发比，将接收多普勒估计值补偿至发射信标，从而提高了多普勒测量精度。最终，系统实测得到的多普勒频偏精度为1.6mHz。与传统的非同源相干转发系统相比，该方法去除了着陆器晶振的抖动偏差，可实现更高的测量精度，适用于中国火星探测工程、小行星探测工程等深空探测活动中着陆器的设计和部署。     

一种卫星通用遥控指令译码器设计

针对卫星传统遥控指令译码器已经无法满足通用性、适应性、好用易用及批量生产的要求,提出了一种新型遥控指令译码器设计。与传统遥控指令译码器相比,新型遥控指令译码器能够同时适应脉冲编码调制(PCM)遥控体制和空间数据系统咨询委员会(CCSDS)分包遥控体制的两种标准;并且配置了两种输入接口,既能直接接收地面发送的直接指令帧进行译码输出,又能接收星载计算机发出的间接指令帧进行译码输出。新型遥控指令译码器配置的与星载计算机的接口以及具备的自主健康管理功能,非常适用于有智能化自主运行管理需求的卫星。该译码器通用性和适应性强,非常适用于高集成度的抗辐照专用集成电路(ASIC)器件研制,以及高可靠性和长寿命产品的批量生产。新型遥控指令译码器设计已在新遥感平台及相应的卫星研制中得到验证。与传统遥控指令译码器相比,新型遥控指令译码器的功能、性能均得到显著提高。     

面向任务的小卫星自主指令设计

为了提高卫星的安全性、可靠性和可用性,在分析小卫星遥控指令特点的基础上,提出了面向任务的小卫星自主指令设计,把以往多条独立的间接指令组成封装系列指令,星上可以自动判断指令的执行条件,发现指令执行异常时进行处理,从而简化了卫星遥控操作。封装系列指令可以由程控指令以及星上自主产生的事件启动,文章所设计的自主指令已在多颗小卫星上成功应用。     

月面探测器月夜休眠自主唤醒方法

提出一种月面探测器休眠自主唤醒方法:月夜来临时通过地面控制对月面探测器所有设备进行休眠操作;月昼来临时靠太阳光触发唤醒功能,由休眠唤醒电路自主发送指令唤醒探测器,解决月面探测器安全可靠度过月夜的能源供给问题。该方法已通过在轨验证,可为其他深空探测任务提供参考。     

一种遥控异常情况下的卫星安全管理方法

针对卫星在轨管理过程中出现的数管直接指令和地面直接指令无法正常执行的遥控异常,从卫星遥控信息的传输流程、遥控译码的工作原理入手,对导致直接指令执行异常的因素进行了排查,定位了异常原因为遥控译码故障。提出了对于单一频段遥控通道的卫星,通过调整部件的指令控制策略和将直接指令转换为数据指令的方法来实现卫星管理;对于多个频段遥控通道的卫星,除以上两种方式外还可以通过拓展遥控上行通道的方法,增加遥控上行冗余度来降低遥控译码通道异常的风险。所提出的安全管理方法经故障卫星在轨管理阶段的试验验证,在一定程度上有效控制了因一路译码故障给卫星安全带来的风险,可为卫星其它重大故障的及时发现、定位和有效规避提供参考。     

萤火一号火星探测器测控通信关键技术

基于深空测控通信特点及其技术难点,对萤火一号(YH-1)火星探测器测控通信分系统设计进行了研究.给出了测控通信方案和分系统构成,介绍了火星-地球超远距离通信,小型化测控通信系统,高灵敏度接收机.高集成度发射机,小型化高稳定频率信标,集成化、小型化遥控指令译码器等关键技术设计及主要技术指标.YH-1火星探测器的测控和数传分系统采用一体化设计方案,在质量10 kg约束条件下,实现了上行遥控通道及下行遥测通道,具备科学数据传输通道及测定轨信号发送的功能,且每个通道均有冗余备份设备.     

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。     

深空探测智能遥感技术展望

在深空探测背景下,采用传统遥感方式进行探测带有一定的局限性,文章以美国为例介绍了智能遥感技术的发展情况。分析了深空探测任务对于传统遥感器的新需求,提出在深空探测信息智能化获取模式、深空探测遥感器参数智能化调整和在轨数据智能化处理3个方面开展深空目标智能遥感研究,以解决传统遥感器在深空探测中面临的局限。重点阐述了实现深空探测智能遥感的关键技术。最后提出中国深空探测智能遥感技术的发展建议。     

基于SRAM的FPGA片上容错技术

针对基于SRAM的FPGA的结构特点,对三模冗余进行了改进,提高了可靠性。提出了一种有多个重构模块可以容忍多个故障的局部重构方法,阐述了其实现方法,并做了性能分析,运用此方法设计了自主研发项目中的遥测、遥控电路,并在美国Xilinx公司的Virtex系列FP-GA上演示了其实施过程。     

Xilinx FPGA自主配置管理容错设计研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下容易受到单粒子效应影响的问题,在分析可重配置的Xilinx FPGA的结构和故障模式的基础上,提出一种基于自主配置管理的Xilinx FPGA容错设计方案。综合运用诸如逻辑电路三模冗余、块存储器EDAC校验、动态回读、动态局部重配置及周期全局重配置等方法实现故障的屏蔽、检测和修复。该方案覆盖了FPGA的各种单粒子效应故障模式,并且在芯片内部实现了自主配置管理,具有体积小、成本低、可靠性高的特点。     

单片宽带频谱分析芯片设计

文章介绍了单片宽带实时频谱分析芯片的设计原理和方法,并在FPGA上进行了原型验证。设计中采用了基于多相滤波器组的下变频方案,并对下变频后每一路数据进行重叠加窗处理。为了减小芯片面积,对后端的FFT分析模块进行了优化设计,提出了将两条蝶形运算级合并为一条流水线的新型FFT设计构架。该设计可以不间断地处理数据,从而实现信号的无缝捕获。     

基于FPGA中CLB结构模型的内部进化及其容错

内部进化是研究在线可进化硬件的方法,可用于实现容错、自适应的航天器硬件系统.现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)是目前实现数字电路进化的主要可编程逻辑器件.本文分析了FPGA的结构特点,对其基本组成单元可配置逻辑块(CLB,Configurable Logic Block)的结构进行了简化,提出一种可编程逻辑器件模型,设计了一种基于该模型的内部进化方法,并实现了一个内部进化系统.采用故障注入的方法对内部进化的容错特性进行了研究,讨论了可进化硬件实现容错的条件.     

一种通用遥控注入数据格式的设计与应用

对航天器遥控体制的发展作了简要回顾和分析,重点研究了欧洲航天局定义的包应用标准。文章借鉴包应用标准的设计理念,与我国实际遥控需求相结合,设计了一套通用遥控注入数据格式,并开发了相应的地面软件和星载遥控处理软件。     

星载FPGA内时序电路设计与时钟控制技术分析

在分析星载FPGA内时序电路特性以及FPGA可编程资源特性的基础上,指出了FPGA内同步时序电路出现时钟偏斜现象的机理。针对时钟偏斜,提出了星载FPGA内时序电路的设计准则。基于设计准则,提出了并行移位寄存器的一种异步化设计方法,阐述了在FPGA源代码中设置设计约束,或在逻辑综合与布局布线过程中联合设置设计约束,将主要同步时序电路时钟信号布置在全局时钟网络上的方法。工程实践表明：上述方法很好地解决了星载FPGA内同步时序电路时钟偏斜问题,可确保星载FPGA工作的稳定性与可靠性。     

SRAM型FPGA的单粒子效应及TMR设计加固

宇宙空间中存在多种高能粒子,其辐射效应会严重威胁航天器中现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array,FPGA）器件工作的可靠性。文章研究了静态随机存储器型（Static Random AccessMemory,SRAM）FPGA中的单粒子翻转效应。理论计算表明,采用三模冗余（Triple Module Redundancy,TMR）设计方法可以有效缓解FPGA中的单粒子翻转问题。针对传统TMR设计方法的不足,提出了一种改进的TMR设计架构,并将该架构应用于某星载关键控制电路的设计中。文中的研究成果对SRAM型FPGA的空间应用有一定参考作用。     

基于SCL的航天器遥控操作平台设计与实现

为了实现对航天器的透明控制，航天器控制中心开发设计了遥控操作平台。首先提出了遥控操作平台的硬件组成及运行环境；其次结合航天器测控任务的需求，进行了软件功能设计，将遥控操作平台分为四个层次、六大功能，并详细描述了其数据流图；最后明确了遥控操作平台的内部、外部接口以及安全性措施。该遥控操作平台已成功地完成了我国同步和近地卫星早期以及长期管理阶段的测控任务，极大地提高了我国航天器测控能力和测控网资源的运行效率。     

商用ADSP-21060L总剂量辐照试验与分析

空间太阳望远镜(SST)设计采用多片商用数字信号处理器ADSP-21060L组成处理阵列,以完成在轨海量数据处理任务。其中商用ADSP-21060L片内资源丰富、结构复杂,其耐受总剂量辐射的能力是设计的关键指标。提出采用基于工程应用状态下的在线实时监测性能和参数的总剂量辐照试验方法;设计并完成5个样品芯片的总剂量辐照试验。试验结果表明该款芯片在总剂量大于20krad(Si)时功能失效,试验方案可行,试验数据可以作为其它星载计算机的设计参考。     

天问一号探测器软着陆触火关机策略设计

针对天问一号探测器软着陆的安全性和稳定性问题,提出了一种高容错自主触火关机策略.首先考虑探测器进入、下降和着陆过程中大冲击、高动态、强振动环境,造成触火开关误触发的问题,设计了以触火信号、加速度信息以及高精度导航数据相结合的软着陆在线决策方法.通过自主故障诊断和处理策略提高了决策的正确性.然后,利用基于事件触发的发动机...