用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，涉及航天航空【技術(shù)領(lǐng)域】，解決現(xiàn)有衛(wèi)星電子學(xué)系統(tǒng)采用分布式星載計算機(jī)設(shè)計方法存在的資源利用率低和不具備可擴(kuò)展性等問題，包括集成化綜合控制單元和標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元，標(biāo)準(zhǔn)化綜合擴(kuò)展單元采用外部CAN總線與集成化綜合控制單元實現(xiàn)互聯(lián)；集成化綜合控制單元由綜合管理模塊、通信接口模塊、二次電源及仲裁邏輯控制模塊組成，標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元包括指令控制板、主動控溫板和機(jī)構(gòu)控制板；本發(fā)明的管理系統(tǒng)實現(xiàn)資源整合，減少單機(jī)以及元器件數(shù)量，指令整合，減少指令類型及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，遙測整合，減少冗余遙測以提高帶寬，功能整合，減少測試環(huán)節(jié)和測試流程，性能整合，降低設(shè)備體積重量及功耗。
【專利說明】用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天航空【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)高性能小衛(wèi)星平臺與載荷電子系統(tǒng)的一體化高度集成，同時兼顧不同型號小衛(wèi)星模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展任務(wù)需求。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代小衛(wèi)星電子系統(tǒng)的集成度越來越高，這就要求衛(wèi)星電子系統(tǒng)需具備更高的處理速度和更多的功能。而傳統(tǒng)衛(wèi)星電子系統(tǒng)均采用以功能為中心的分布式設(shè)計方法，即將各種功能分配給組成衛(wèi)星電子系統(tǒng)的星務(wù)管理計算機(jī)、姿態(tài)控制計算機(jī)、有效載荷計算機(jī)等各個分系統(tǒng)的星載計算機(jī)去完成。這種設(shè)計方法無法將載荷和平臺的電子系統(tǒng)做統(tǒng)籌規(guī)劃與功能整合，資源利用率低，在實際工程中往往造成星載計算機(jī)數(shù)量龐大并數(shù)倍增加了電子系統(tǒng)的體積、重量與功耗；同時各星載計算機(jī)為按需定制，不具備可擴(kuò)展性，難以滿足不同型號任務(wù)需求，可重用率低、研制周期長、研發(fā)成本高。本發(fā)明針對此提出了一種用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合計算機(jī)以滿足未來高性能、高集成度的小衛(wèi)星應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有衛(wèi)星電子學(xué)系統(tǒng)采用分布式星載計算機(jī)設(shè)計方法存在的資源利用率低和不具備可擴(kuò)展性等問題，提供一種用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，
[0004]用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，包括集成化綜合控制單元和標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元，標(biāo)準(zhǔn)化綜合擴(kuò)展單元采用外部CAN總線與集成化綜合控制單元實現(xiàn)互聯(lián)；
[0005]所述集成化綜合控制單元由綜合管理模塊、通信接口模塊、二次電源及仲裁邏輯控制模塊組成，
[0006]綜合管理模塊負(fù)責(zé)整星計算任務(wù)及調(diào)度任務(wù)，并向通信接口模塊發(fā)磅控制指令，同時接收通過通信接口模塊傳送的外部信息數(shù)據(jù)；
[0007]通信接口模塊根據(jù)綜合管理模塊發(fā)送的控制指令與外部接口進(jìn)行信息交互，以及向綜合管理模塊傳送外部信息數(shù)據(jù)；
[0008]二次電源及仲裁邏輯控制模塊用于為集成化綜合控制單元提供二次電源并負(fù)責(zé)為綜合管理模塊提供仲裁控制；
[0009]標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元包括指令控制板、主動控溫板和機(jī)構(gòu)控制板；
[0010]指令控制板實現(xiàn)各種OC指令；包括0N/0FF指令、相機(jī)控制OC指令、火工品控制OC指令和星箭分離行程開關(guān)OC信號采集；
[0011]主動控溫板由溫度采集模塊和溫度控制模塊組成，溫度采集模塊通過熱敏電阻、模擬開關(guān)、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換后獲得溫度值數(shù)字量信息，溫度控制模塊根據(jù)所述的溫度值數(shù)字量信息依照預(yù)定熱控策略進(jìn)行整星閉環(huán)控溫；[0012]機(jī)構(gòu)控制板根據(jù)采集的編碼器信息驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)相機(jī)調(diào)焦及調(diào)偏流機(jī)構(gòu)的位直控制；
[0013]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明針對平臺載荷一體化衛(wèi)星電子系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不是以功能為中心，將各種功能分配給各個分系統(tǒng)的星載計算機(jī)去完成，而是超越各分系統(tǒng)間界限，采用資源共享思想，將平臺載荷一體化衛(wèi)星電子系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行考慮，設(shè)計出一種用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，利用高度集成式綜合計算機(jī)實現(xiàn)平臺載荷一體化衛(wèi)星的電子學(xué)管理。
[0014]具體優(yōu)點體現(xiàn)為:一、采用高性能處理器實現(xiàn)平臺與載荷的綜合控制管理；二、基于內(nèi)外兩種總線實現(xiàn)設(shè)備的一體化集成及模塊化擴(kuò)展；三、利用雙機(jī)熱備份處理器實現(xiàn)在軌數(shù)據(jù)并行計算與處理。本發(fā)明所述的管理系統(tǒng)實現(xiàn)資源整合，減少單機(jī)以及元器件數(shù)量，指令整合，減少指令類型及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，遙測整合，減少冗余遙測以提高帶寬，功能整合，減少測試環(huán)節(jié)和測試流程，性能整合，降低設(shè)備體積重量及功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)中集成化綜合控制單元架構(gòu)框圖；
[0016]圖2為本發(fā)明所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)中的雙CPU并行聯(lián)合計算硬件框圖；
[0017]圖3為本發(fā)明所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元架構(gòu)框圖；
[0018]圖4為本發(fā)明所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)中擴(kuò)展單元板卡標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計框圖；
[0019]圖5為本發(fā)明所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)形式分解圖；
[0020]圖6中(a)和(b)為本發(fā)明所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)中綜合計算機(jī)集成式和分散式布局示意圖。
【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，由集成化綜合控制單元和標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元組成。
[0022]將星上必備最小功能進(jìn)行一體化設(shè)計融合形成集成化綜合控制單元；負(fù)責(zé)整星自主任務(wù)管理和信息集中管理，同時完成控制及成像相關(guān)算法的解算。所述集成化綜合控制單元由綜合管理模塊、通信接口模塊、二次電源及仲裁邏輯控制模塊組成，用于構(gòu)成衛(wèi)星綜合管理的核心計算及處理單元；
[0023]綜合管理模塊負(fù)責(zé)整星計算任務(wù)及調(diào)度任務(wù)，并向通信接口模塊發(fā)磅控制指令，同時接收通過通信接口模塊傳送的外部信息數(shù)據(jù)；
[0024]通信接口模塊根據(jù)綜合管理模塊發(fā)送的控制指令與外部接口進(jìn)行信息交互，以及向綜合管理模塊傳送外部信息數(shù)據(jù)；
[0025]二次電源及仲裁邏輯控制模塊用于為集成化綜合控制單元提供二次電源并負(fù)責(zé)為綜合管理模塊提供仲裁控制；
[0026]結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，所述的綜合管理模塊采用高性能雙處理器熱備份設(shè)計，由CPUA板1、CPUB板2、通信A板3、通信B板4、電源及仲裁板5以及底板構(gòu)成。綜合考慮計算性能及可靠性，互為備份的CPUA和CPUB板采用高性能國產(chǎn)或進(jìn)口 SPARCV8體系結(jié)構(gòu)的32位RISC嵌入式處理器，輔以時鐘電路、存儲器及與應(yīng)用相關(guān)的外圍電路構(gòu)成完整的計算機(jī)系統(tǒng)。雙CPU之間通過高速串行總線及FIFO進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)的傳遞，實現(xiàn)點對點雙機(jī)并行計算，避免采用共享全局存儲器及并行總線擴(kuò)展設(shè)計所帶來的冗余環(huán)節(jié)，提高可靠性。
[0027]本發(fā)明綜合考慮平臺載荷一體化衛(wèi)星電子系統(tǒng)通信總線類型及與測控應(yīng)答機(jī)間通信方式，互為備份的兩個通信板功能包括CAN總線通信、1553B總線通信、RS422總線通信以及遙控遙測同步通信。該通信板采用具有高可靠性的反熔絲型(或FLASH型)FPGA進(jìn)行集成化設(shè)計，可有效縮小了硬件系統(tǒng)的電路規(guī)模并充分涵蓋小衛(wèi)星綜合計算機(jī)對外通信需求。具體資源包括:
[0028]一、六路CAN總線通信:兩路綜合CAN與星上其它單元互聯(lián)、兩路控制CAN與姿控部件互聯(lián)、兩路擴(kuò)展CAN與擴(kuò)展單元互聯(lián)；
[0029]二、四路遙測遙控同步通信:采用門控、數(shù)據(jù)和時鐘組成的三線制設(shè)計方式，兩路遙控上行，兩路遙測下行，碼型分別為NRZ-L和NRZ-M ；
[0030]三、兩路RS422總線:采用標(biāo)準(zhǔn)異步串口設(shè)計，根據(jù)UART協(xié)議實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信，發(fā)送及接收緩沖區(qū)大小可調(diào)。
[0031]本實施方式所述的標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元用于各型號衛(wèi)星外圍功能需求擴(kuò)展。采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方式，可依照各型號任務(wù)的具體要求靈活增減模塊數(shù)量配置，實現(xiàn)綜合計算機(jī)的快速集成，一體化設(shè)計的同時兼顧模塊化設(shè)計，以滿足高性能小衛(wèi)星電子學(xué)模塊更換、系統(tǒng)升級、功能擴(kuò)展等需求，降低研發(fā)成本和縮短研制周期。標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元與集成化綜合控制單元通過擴(kuò)展CAN總線進(jìn)行互聯(lián)。
[0032]本實施方式所述的標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元由指令輸出模塊6、主動熱控模塊7、機(jī)構(gòu)控制模塊8和擴(kuò)展電源模塊9等組成，結(jié)合圖3和圖4，各功能擴(kuò)展板卡均采用單片機(jī)(當(dāng)PCB布局尺寸受限，需提高單板功能密度時，可采用FPGA)為核心控制器構(gòu)建CAN總線智能節(jié)點，通過CAN總線接收集成化綜合控制單元控制指令實現(xiàn)接口功能。
[0033]本實施方式所述的指令控制板6實現(xiàn)各種0C(0penCOlleCtOr，集電極開路)指令。包括0N/0FF指令、相機(jī)控制OC指令、火工品控制OC指令和星箭分離行程開關(guān)OC信號采集。OC輸出驅(qū)動接口執(zhí)行的指令由集成化綜合控制單元通過CAN總線發(fā)送而來，指令經(jīng)核心控制器譯碼處理后執(zhí)行。OC接收接口由鎖存器將OC輸入狀態(tài)鎖存后經(jīng)控制器處理后自CAN總線發(fā)送給集成化綜合控制單元。
[0034]本實施方式所述的主動控溫板7由溫度采集模塊和溫度控制模塊兩部分組成。溫度采集模塊通過熱敏電阻、模擬開關(guān)、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換后得到溫度值數(shù)字量信息，再由核心控制器依照預(yù)定熱控策略進(jìn)行整星閉環(huán)控溫并通過CAN總線向集成化綜合控制單元發(fā)送主動控溫遙測參數(shù)。所述的預(yù)定熱控策略可以根據(jù)具體需要調(diào)整。
[0035]本實施方式所述的機(jī)構(gòu)控制板8負(fù)責(zé)完成新型光學(xué)相機(jī)調(diào)焦及調(diào)偏流機(jī)構(gòu)的位置控制，由核心控制器完成編碼器信號采集并獲取機(jī)構(gòu)絕對位置信息后產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需的驅(qū)動控制信號。調(diào)焦參量及偏流機(jī)構(gòu)位置參量由集成化綜合控制單元通過CAN總線給出，此外可通過機(jī)構(gòu)控制板的增加適應(yīng)多種光學(xué)相機(jī)集成式衛(wèi)星對多套調(diào)焦機(jī)構(gòu)以及多套偏流機(jī)構(gòu)的驅(qū)動需求。
[0036]【具體實施方式】二、結(jié)合圖5和圖6說明本實施方式，本實施方式為【具體實施方式】一所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，本實施方式綜合考慮集成化控制單元和標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元的組成及設(shè)計特點，嚴(yán)格遵循自上而下的頂層設(shè)計思路，采用一體化和模塊化雙結(jié)構(gòu)形式融合的設(shè)計理念。完全避免了傳統(tǒng)航天計算機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計無法滿足不同型號衛(wèi)星功能改進(jìn)與結(jié)構(gòu)擴(kuò)充需求的弊端。綜合計算機(jī)結(jié)構(gòu)形式分解圖，結(jié)合圖5。
[0037]本實施方式中的集成化綜合控制單元采用插板式機(jī)箱，機(jī)箱前后面板、左右側(cè)板及上下蓋板拼裝組成。機(jī)箱左右側(cè)板上加工有印制板導(dǎo)軌槽，組成集成化綜合控制單元的各印制板通過楔形鎖緊機(jī)構(gòu)壓緊在導(dǎo)軌槽內(nèi)，并通過底板實現(xiàn)電氣互聯(lián)。
[0038]本實施方式中的標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元采用框架式機(jī)箱，各框架通過穿桿螺釘相連為一個整機(jī)，板間通過接插件實現(xiàn)CAN總線互聯(lián)，各板并通過其上部的電連接器實現(xiàn)各外部功能接口。
[0039]本實施方式中的插板式機(jī)箱和框架式機(jī)箱均設(shè)計有凸耳結(jié)構(gòu)。因此，綜合管理系統(tǒng)裝星時可依照各功能模塊配置情況和整星結(jié)構(gòu)布局特點，結(jié)合圖6，(a)和(b)，采取一體化集成式(單機(jī))安裝形式或模塊化分散式(多機(jī)，即:單機(jī)1、單機(jī)2)安裝形式，便于平臺載荷一體化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)布局。
【權(quán)利要求】
1.用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征是，包括集成化綜合控制單元和標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元，標(biāo)準(zhǔn)化綜合擴(kuò)展單元采用外部CAN總線與集成化綜合控制單元實現(xiàn)互聯(lián)； 所述集成化綜合控制單元由綜合管理模塊、通信接口模塊、二次電源及仲裁邏輯控制模塊組成， 綜合管理模塊負(fù)責(zé)整星計算任務(wù)及調(diào)度任務(wù)，并向通信接口模塊發(fā)磅控制指令，同時接收通過通信接口模塊傳送的外部信息數(shù)據(jù)； 通信接口模塊根據(jù)綜合管理模塊發(fā)送的控制指令與外部接口進(jìn)行信息交互，以及向綜合管理模塊傳送外部信息數(shù)據(jù)； 二次電源及仲裁邏輯控制模塊用于為集成化綜合控制單元提供二次電源并負(fù)責(zé)為綜合管理模塊提供仲裁控制； 標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元包括指令控制板(6)、主動控溫板(7)和機(jī)構(gòu)控制板(8)； 指令控制板(6)實現(xiàn)各種OC指令；包括0N/0FF指令、相機(jī)控制OC指令、火工品控制OC指令和星箭分離行程開關(guān)OC信號采集； 主動控溫板(7)由溫度采集模塊和溫度控制模塊組成，溫度采集模塊通過熱敏電阻、模擬開關(guān)、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換后獲得溫度值數(shù)字量信息，溫度控制模塊根據(jù)所述的溫度值數(shù)字量信息依照 預(yù)定熱控策略進(jìn)行整星閉環(huán)控溫； 機(jī)構(gòu)控制板(8)根據(jù)采集的編碼器信息驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)相機(jī)調(diào)焦及調(diào)偏流機(jī)構(gòu)的位置控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述綜合管理模塊由互為備份的CPUA板(I)和CPUB板(2)組成，通信接口模塊由互為備份的通信A板(3)和通信B板(4)組成，二次電源及仲裁邏輯控制模塊(5)由電源及仲裁板組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，互為備份的CPUA板⑴和CPUB板⑵之間通過高速串行總線FIFO進(jìn)行信息傳遞，實現(xiàn)點對點雙機(jī)并行計算。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述互為備份的通信A板(3)和通信B板(4)之間通過CAN總線通信、1553B總線通信、RS422總線通信以及遙控遙測同步通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述的通信A板(3)和通信B板(4)采用高可靠性的反熔絲型FPGA進(jìn)行集成化設(shè)計。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元的指令控制板(6)、主動控溫板(7)和機(jī)構(gòu)控制板(8)均采用單片機(jī)為核心控制器構(gòu)建CAN總線智能節(jié)點，通過CAN總線接收集成化綜合控制單元控制指令，實現(xiàn)接口功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述集成化綜合控制單元采用插板式機(jī)箱，標(biāo)準(zhǔn)化功能擴(kuò)展單元采用框架式機(jī)箱。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述插板式機(jī)箱和框架式機(jī)箱均設(shè)計有凸耳結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述插板式機(jī)箱由前后面板、左右側(cè)板及上下蓋板拼裝組成，所述左右側(cè)板上加工印制板導(dǎo)軌槽，各印制板通過楔形鎖緊機(jī)構(gòu)壓緊在導(dǎo)軌槽內(nèi)，并通過底板實現(xiàn)電氣互聯(lián)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于平臺載荷一體化衛(wèi)星的綜合管理系統(tǒng)，其特征在于，所述框架式機(jī)箱由多個框架組成,每個框架通過穿桿螺釘連接為一個整機(jī),機(jī)箱板間通過接插件實現(xiàn)CAN 總線互聯(lián)。
【文檔編號】H04L29/06GK104015939SQ201410224895
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】徐偉, 金光, 王紹舉, 樸永杰, 徐拓奇, 鄭曉云, 馮汝鵬 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所