摘 要: 针 对微小 卫星综 合电子系 统快速 研制和 空间任 务 快速响应的需求, 分析了即插即用技术对综合电子系统 的重 要意义, 提出了将即插即用技术应用于微小卫星综合电 子系 统的6 项关键技术。 在此基础上 对某微小卫星U AR T 系统进 行了技术改造, 使其具备了即插即用功能。研制成功的 原理 样机表明, 可即插即用 UART 系统在资源自 动配置、 块化 模 程度和系统可扩展性等多方面性能有了 很大提升, 其技 术方 案和 原理样机可 以应用于 微小卫星综 合电子系统 的设计 和 研制中, 为快速空间响应微小卫星的实现提供参考。 关键词: 微小卫星; 综合电子; 即插即用; 快速响应 中图分类号: V 47 文章编号: 1000-0054( 2009) 11- 1765-05 文献标识码: A
具备即插即用功能的微小卫星综合电子系统具 有一套规范卫星功能部件、 星载计算机引导程序、 操 作系统和星务软件之间的标准通讯协议, 可实现卫 星功能部件上电后自动被星载计算机识别、 分配硬 件资源、 加载驱动程序、 建立通讯链接并进行正常的 数据通讯, 在此基础上可实现星务软件根据功能部 件的动态配置完成软件重构。该种即插即用系统可 [ 7] 以分解为以下 6 项关键技术 。 1) 基于即插即用的标准通讯协议规范。 包括识
稳定的物理层到系统层的链路。系统采用串口设备 上电自举的识别方式, 即串口设备在加电后自动周 期性地向自己的上行端口发送初始请求信号, 主机 响应后经过3 次握手完成链路的建立并开始进行数 据通讯。 卫星串口设备只有需要工作时才上电, 以合 理分配功耗; 串口设备在不工作时处于休眠状态, 不对主机发送请求信号。系统原理及数据流向图和 自举阶段的通讯流程图如图 3 和图 4 所示。
目前, 国外已有多颗针对应急卫星任务需求的 快速响应卫星研制成功, 具有代表性的是美国国防 部 军 事 转 型 办 公 室 ( OFT ) 实 施 的 “ 术 星 战 ( TacSat ) ” 计划, 其目标是通过采用模块化的卫星公 用平台和标准化有效载荷接口等技术, 在几周或几 个月内生产和发射一颗卫星, 图 1 所示为该计划中 的 T acSat -4 卫 星, 可 以 适 应 多 种 不 同 的 有 效 载荷 。 美国空军研究实验室提出了如图 2 所示的空间 即插即用电子系统( SP A) 技术, 使卫星平台具备了 更 好的设备资源管理能力, 实现了基于 SP A 的航天 器 体 系 结 构 ( P nP Sat 卫 星 等) 。另 外, 美 国 SpaceDev 公司 根 据模 块化 微卫 星平 台 所研 制 的 MMB-100 微卫星使用标准以太网和 USB 接口, 实 现了即插即用和模块化设计 ; 而美国 DARP A 正 在开展的“ 卫星集群工作计划” F6 计划) , 其关键技 ( 术之一就是实现主卫星和小卫星的无线 即插即用 技术 。
编译完成操作系统内核, 从而降低开发难度, 缩短开 发周期。 3) 支持系统重构的星务管理软件平台。随着 卫星功能部件的“ 插入” 移出” 星务管理软件可 或“ , 以检测到硬件系统的配置变化, 动态调整星务管理 软件结构, 如开辟或注销进程、 调整现有进程资源使 用量、 在新的敏感器插入时通知姿态控制软件进行 重构以提高测量精度等。 4) 支持即插即用的总线接口。改造综合电子 系统中数据总线使其支持即插即用。例如, U ART 和CAN 因为使用广泛且技术相对简单, 适合在初始 阶段进行研究; USB 因为具备完整的即 插即用功 能, 可以将其针对航天需求进行改造, 具有很好的应
从国外综合电子技术的发展趋势可以看出, 无 论是高度模块化的快速响应卫星还是支持群落活动 的“ 自由飞” 系统, 都通过即插即用技术增强了综合 电子系统的灵活性和可扩展性, 使得在极短时间内 设计、 生产、 组装和升级卫星系统成为可能, 从而使 卫星研制周期大幅缩短, 具有十分重要的战略意义。 快速空间响应技术也得到了国内航天领域的充 分重视, 相关研究工作已经开展, 但目前还没有快速 响应卫星或具备即插即用功能的卫星综合电子系统 的研制实例。
电子快速研制以满足空间任务的快速响应成为微小 卫星领域的研究重点, 本文即讨论了如何将即插即 用技术应用于综合电子系统以实现这一目标。
即插即用( plug-and-play, P nP ) 是指不需要跳 线和软件配置过程, 当系统插入一个即插即用设备 时, 可以在运行过程中动态地进行检测和配置。 能够 即插即用的卫星功能部件相对传统的固定硬件模式 具有更好的灵活性和可扩展性, 通过在具备即插即 用功能的综合电子平台上简单地“ 插入” 这些功能部 件, 就可 以在短时 间内实 现卫星 电子系 统的总 装 集成 。
微小卫星由于体积小、 质量轻、 功耗低, 仍广泛 采用稳定可靠的异步串口作为星上总线的一种, 本 文针对某微小卫星综合电子系统的即插即用需求, 实现了异步串口的技术改造, 使其具备了即插即用 功能。
综合电子系统是微 小卫星重要的平台系统之 一, 为其他平台和载荷提供全面、 综合的调度服务和 信息管理, 随着空间任务日益复杂化, 如何进行综合
别机制、 握手机制、 通讯机制、 驱动传输机制( 在驱动 有误或功能部件驱动升级时使用) 。 星载计算机上引 导程序、 操作系统和星务管理软件以及功能部件都 按照此协议规范设计, 按照模块化的思路自行开发 后进行系统集成。 2) 可裁减的驱动库齐全的操作系统内核。包 括驱动程序模块化设计、 支持主流的卫星功能部件、 日常维护驱动程序库。卫星总体方案确定之后可以 根据实际的硬件配置方便地进行“ 按需裁剪” 即可 ,
和数据通道等资源, 并将设备操作权交给设备驱动 程序, 直到其正确地退出工作。 即插即用核心系统工 作流程如图7 所示。 图 8 为可裁剪的系统内核配置菜单。该内核根 据模块化设计思路, 包含了多个主流功能部件的驱 动模块, 同时也涵盖了多种卫星工作模式的驱动模 块, 以支持不同模式下的软硬件配置。 卫星总体方案 确定后, 根据实际的功能部件配置和工作模式进行 简单的选项勾选, 即可快速编译完成符合总体要求 的操作系统内核。
3. 1系统设计方案 传 统的 U ART 串口系统由于硬件构架的独立 性, 按照单一通道模式来实现一对一的数据传输, 全 部通讯配置均由事先约定实现, 没有任何自动配置 能力。经过即插即用功能改造的串口系统在物理层 上通过多路 U ART 控制器实现一对多的物理拓扑 结 构, 在 系 统 层 上 以 协 议 栈 的 形式 实 现 对 多 个 UART 接口的核心驱动程序, 系统通过协议栈对多 路 UART 控制器发来的数据进行统一管理, 建立起
3. 2原理样机研制 根据上面所述的改造思路, 设计实现了基于多 UART 接口的即插即用系统。 该系统由即插即用核 心系统、 报文系统及通讯接口系统 3 个子系统组成, 其原理图及原理样机实物图如图 5 及图 6 所示。 即插即用核心系统 充当即插即用协议栈的角 色, 在完成初始化过程后对总线下游所有端口进行 监测, 当有串口设备在下游端口出现时, 系统会对总 线及设备进行初始化; 根据得到的设备信息( 来自 于功能部件) 为串口设备分配内存数据区、 端口资源
用前景; BlueT ooth / Zigbee 则侧重于支持卫星群体 活动中的即插即用( 如动态组网等) 。这是即插即用 功能的初级阶段, 可以称为“ 接口级即插即用” 。 5) 支持即插即用的卫星功能部件。研制符合 即插即用标准 协议的卫星功 能部件模块 ( 如 EIS、 GPS 、星敏感器、 太阳敏感器等) , 其自身带有含配 置信息和器件参数的驱动程序, 在整星研制时可以 方便地进行“ 组装” 和使用。这是更高一级的即插即 用, 可以称为“ 部件级即插即用” 。 6) 支持即插即用的微小卫星。在实现卫星内 部综合电子系统的基础上可以将即插即用关系扩展 到卫星编队或者“ 自由飞” 系统中, 使得单个卫星可 以方便地“ 无线即插即用” 到卫星群落中。这是最高 级的“ 卫星级即插即用” 将是今后的发展趋势和研 , 究重点。
