一种微小型高功能密度星上综合电子系统

摘要

本发明提供了一种微小型高功能密度星上综合电子系统，具备功能密度高、扩展能力好、且标准化程度高。本发明用于10kg、50kg或者100kg的微纳卫星；该系统包括核心板卡和扩展板卡；核心板卡和扩展板通过高速互联总线进行通信。扩展板卡配置用于通过接口连接星上硬件设备，包括：连接星上天线的微波网络接口、连接星上载荷的载荷接口、连接星上单端模拟量采集器的模拟量采集接口、进行指令接收的指令接口、连接星上蓄电池的一次母线接口、连接功率驱动器的功率驱动接口、连接热控设备的热控回路接口以及连接敏感器的敏感器接口。核心板卡通过扩展板卡获取星上硬件设备的数据，完成星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理功能。

权利要求

1.一种微小型高功能密度星上综合电子系统，其特征在于，该系统用于10kg、50kg或者

100kg的微纳卫星；该系统包括核心板卡和扩展板卡；核心板卡和扩展板通过高速互联总线进行通信；

所述扩展板卡配置用于通过接口连接星上硬件设备，所述接口包括：用于连接星上天线的微波网络接口、用于连接星上载荷的载荷接口、用于连接星上单端模拟量采集器的模拟量采集接口、用于进行指令接收的指令接口、用于连接星上蓄电池的一次母线接口、用于连接功率驱动器的功率驱动接口、用于连接热控设备的热控回路接口以及用于连接敏感器的敏感器接口；

所述核心板卡通过所述扩展板卡获取所述星上硬件设备的数据，完成星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理功能；

所述核心板卡上具有中央处理子系统以及通用射频子系统；

所述通用射频子系统获取所述微波网络接口接收的射频接收信号，进行射频处理后通过LVDS接口或者SPI接口送入到所述中央处理子系统；所述通用射频系统接收所述中央处理子系统生成的射频发射信号，进行射频处理后通过互联总线发送至所述扩展板卡；

所述中央处理子系统接收所述载荷接口接收的载荷信号、模拟量采集接口接收的模拟量信号以及敏感器接口接收的敏感信号；

所述中央处理子系统接收所述载荷信号、模拟量信号以及敏感信号进行处理，包括卫星的星务管理、姿轨控制、导航、数传以及测控；

所述中央处理子系统处理得到星上OC指令、功率驱动信号、热控信号以及敏感器控制信号，通过互联总线发送至所述扩展板卡；

所述射频发射信号通过所述微波网络接口输出至星上天线进行发射；

所述星上OC指令通过所述指令接口输出；

所述功率驱动信号通过所述功率驱动接口输出；

所述热控信号通过所述热控回路接口输出；

所述敏感器控制信号通过所述敏感器接口输出。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高速互联总线为PCIe总线。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央处理子系统包括通用计算机单元和通用信号处理单元；

所述通用计算机单元，配置用于进行星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理；

所述通用信号处理单元用于对获取的载荷信号、模拟量信号以及敏感信号进行信号处理；

所述通用计算机单元和所述通用信号处理单元之间通过通用个输入输出GPIO进行数据传输。

说明书

一种微小型高功能密度星上综合电子系统

技术领域

[0001] 本发明涉及星上综合电子与测控专业技术领域。

背景技术

[0002] 相对于国外先进水平，国内微纳卫星电子系统发展现状主要有以下差距：

[0003] 1.功能密度低，轻小型化程度不高

[0004] 国外以OneWeb卫星为代表的微纳卫星综合电子系统已实现了星务管理、测控数传导航、姿轨计算等功能的集成，实现了高功能密度、低功耗、低质量的统一。

[0005] 国内微纳卫星普遍沿用传统的卫星设计思路，星载计算机、姿轨控计算机、测控、导航、数传、IO驱动、电源、载荷接口与数据处理基本分立为若干个专用模块，集成度程度不高，模块通用化程度差。

[0006] 2.产品定制化，扩展能力差

[0007] 国内微纳卫星产品形态各异，定制化现象严重，软硬件设计无法分离，综合电子系统内部各模块之间、综合电子系统与载荷之间、综合电子系统与各姿轨控部组件之间的连接关系与各接口间协议转换复杂，难以实现通用化和功能扩展。

[0008] 在国外的星载电子系统的发展趋势上，软件定义(SD)已逐渐取代硬件定义(HD)。软件定义可以通过简单的软件与脚本变更使得星载综合电子系统可以工作在不同的模式以及参数上。因此相对于原先硬件定义的设备，软件定义可以在在同一个硬件平台上实现多种功能，并且可以在轨动态重构。

[0009] 3.标准化程度低，批量化程度弱

[0010] 国外微纳卫星电子系统注重标准化和批量化生产，如OneWeb卫星。微纳卫星的商业级货架式产品已经在低轨道短时任务中得到了成功的应用。一些商业级器件供货商已经可以直接提供以PC104板卡架构为基础的包含星载计算、存储、I/O以及供电功能的全集成化综合电子系统。另外一些供货商则对现有的来自不同制造者的产品进行二次开发，形成更符合航天开发者需求的货架式产品。这些都为对微纳卫星研制的开发者提供了大量开放式的资源。

[0011] 国内微纳卫星研制模式相对落后，随着微纳卫星数量的爆炸式增长，国内微纳卫星必然要向商业化和工业化生产方向转变，而与传统的航天研制模式渐行渐远。

发明内容

[0012] 有鉴于此，本发明提供了一种微小型高功能密度星上综合电子系统，具备功能密度高、扩展能力好、且标准化程度高。

[0013] 本发明的技术方案为：一种微小型高功能密度星上综合电子系统，用于10kg、50kg或者100kg的微纳卫星；该系统包括核心板卡和扩展板卡；核心板卡和扩展板通过高速互联总线进行通信。

[0014] 扩展板卡配置用于通过接口连接星上硬件设备，接口包括：用于连接星上天线的微波网络接口、用于连接星上载荷的载荷接口、用于连接星上单端模拟量采集器的模拟量采集接口、用于进行指令接收的指令接口、用于连接星上蓄电池的一次母线接口、用于连接功率驱动器的功率驱动接口、用于连接热控设备的热控回路接口以及用于连接敏感器的敏感器接口。

[0015] 核心板卡通过扩展板卡获取星上硬件设备的数据，完成星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理功能。

[0016] 进一步地，高速互联总线为PCIe总线。

[0017] 进一步地，核心板卡上具有中央处理子系统以及通用射频子系统。

[0018] 通用射频子系统获取微波网络接口接收的射频接收信号，进行射频处理后通过LVDS接口或者SPI接口送入到中央处理子系统；通用射频系统接收中央处理子系统生成的射频发射信号，进行射频处理后通过互联总线发送至扩展板卡。

[0019] 中央处理子系统接收载荷接口接收的载荷信号、模拟量采集接口接收的模拟量信号以及敏感器接口接收的敏感信号。

[0020] 中央处理子系统接收载荷信号、模拟量信号以及敏感信号进行处理，包括卫星的星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理。

[0021] 中央处理子系统处理得到星上OC指令、功率驱动信号、热控信号以及敏感器控制信号，通过互联总线发送至扩展板卡。

[0022] 射频发射信号通过微波网络接口输出至星上天线进行发射。

[0023] 星上OC指令通过指令接口输出。

[0024] 功率驱动信号通过功率驱动接口输出。

[0025] 热控信号通过热控回路接口输出。

[0026] 敏感器控制信号通过敏感器接口输出。

[0027] 进一步地，中央处理子系统包括通用计算机单元和通用信号处理单元。

[0028] 通用计算机单元，配置用于进行星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理。

[0029] 通用信号处理单元用于对获取的载荷信号、模拟量信号以及敏感信号进行信号处理。

[0030] 通用计算机单元和通用信号处理单元之间通过通用个输入输出GPIO进行数据传输。

[0031] 有益效果：

[0032] 本发明提供的微小型高功能密度星上综合电子系统，将综合处理功能集成在核心板卡上，将接口集成在扩展板卡上，并采用高速互联总线实现核心板卡和扩展板卡之间的数据传递，即通过两个板卡即实现了星上综合电子系统的功能，具备体积小、功能密度高的优势；本发明中的扩展板卡可以扩展多种接口，以连接星上不同的设备，具备较强的扩展能力；本发明中通过核心板卡实现综合的数据处理，通过扩展板卡实现扩展功能，因此具备较高的标准化程度。

附图说明

[0033] 图1为本发明实施例所提供的微小型高功能密度星上综合电子系统结构框图；

[0034] 图2为本发明实施例中所提供的核心板卡的组成结构框图；

[0035] 图3为本发明实施例中核心板卡上的通用计算机单元所采用的软件架构图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0037] 参考图1，图1示出了本发明提供的一种微小型高功能密度星上综合电子系统的组成结构框图，该系统用于10kg、50kg或者100kg的微纳卫星；该系统包括核心板卡和扩展板卡；核心板卡和扩展板通过高速互联总线进行通信。

[0038] 扩展板卡配置用于通过接口连接星上硬件设备，接口包括：用于连接星上天线的微波网络接口、用于连接星上载荷的载荷接口、用于连接星上单端模拟量采集器的模拟量采集接口、用于进行指令接收的指令接口、用于连接星上蓄电池的一次母线接口、用于连接功率驱动器的功率驱动接口、用于连接热控设备的热控回路接口以及用于连接敏感器的敏感器接口。

[0039] 核心板卡通过扩展板卡获取星上硬件设备的数据，完成星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理功能。

[0040] 本发明实施例中，高速互联总线可以采用传统的商用总线，例如PCIe总线等。

[0041] 参考图2，图2示出了核心板卡的组成框图。本发明实施例中，核心板卡上具有中央处理子系统以及通用射频子系统。

[0042] 通用射频子系统获取微波网络接口接收的射频接收信号，进行射频处理后通过LVDS接口或者SPI接口送入到中央处理子系统；通用射频系统接收中央处理子系统生成的射频发射信号，进行射频处理后通过互联总线发送至扩展板卡，经微波网络接口发送至星上天线进行发射。其中射频处理包括低噪声放大、混频、信号直接放大、低通滤波、自动增益控制、数模转换ADC以及模数转换DAC。射频接收信号经过一系列处理之后得到数字化接收信号进入中央处理子系统。中央处理子系统生成的射频发射信号为数字信号，进行射频处理后可以通过扩展板卡上的微波网路接口发至星上天线进行发射。其中星上天线可以是同时具备收发功能的天线，也可以包括接收天线和发射天线两种。

[0043] 中央处理子系统接收载荷接口接收的载荷信号、模拟量采集接口接收的模拟量信号以及敏感器接口接收的敏感信号。

[0044] 中央处理子系统接收载荷信号、模拟量信号以及敏感信号进行处理，包括卫星的星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理。

[0045] 本发明实施例中中央处理子系统包括通用计算机单元和通用信号处理单元；其中通用计算机单元可以进行星务管理、姿轨控制、测控、导航、数传以及电源管理，通用计算机单元包括应用处理模块、实时处理模块、存储模块、系统功能模块、平台管理模块以及配置与安全模块；其中应用处理模块可以采用ARM Cortex A53x2来实现，该应用处理模块主要进行姿轨控制、导航以及测控；其中实时处理模块可以采用ARM Cortex R5x2来实现，该实时处理模块主要进行星务管理；存储模块用于存储需要加载的软件；平台管理模块用于进行软件重构、电源管理以及功能安全的实现。系统功能模块为计算机的系统功能实现，可能包括多通道DMA、计时器、看门狗计时器、重启、时钟与调试等。配置与安全模块主要用于控制通用计算机单元工作在安全模式下以及对计算机的电压和温度进行检测，并设置信任区。

[0046] 通用信号处理单元用于对获取的载荷信号、模拟量信号以及敏感信号进行信号处理。通用计算机单元和通用信号处理单元之间通过GPIO进行数据传输，包括高性能IO和高密度IO。

[0047] 中央处理子系统处理得到星上OC指令、功率驱动信号、热控信号以及敏感器控制信号，通过互联总线发送至扩展板卡。

[0048] 射频发射信号通过微波网络接口输出至星上天线进行发射。

[0049] 星上OC指令通过指令接口输出。

[0050] 功率驱动信号通过功率驱动接口输出。

[0051] 热控信号通过热控回路接口输出。

[0052] 敏感器控制信号通过敏感器接口输出。

[0053] 根据卫星平台以及用途的不同、其搭载的各种姿轨控部组件、载荷、热控驱动单元、射频单元以及供配电单元均不相同，它们统一通过标准化扩展主板与通用核心板卡互连，完成微纳卫星一体化电子系统对卫星的姿轨控部组件、载荷、射频部分、热控、供配电部分的管理与控制以及载荷数据的处理。

[0054] 参考图3，图3给出了一种在通用核心板卡的通用计算机单元之上的软件架构，由操作系统、核心框架、分布式处理中间件及应用软件4部分组成。软件架构采用开放式设计，符合软件通信体系结构规范，保证硬件和软件分离及协调工作，实现通用硬件处理平台的软件组件可移植、可互换、可互操作、软件可重用、体系结构可缩放等。

[0055] 微纳卫星一体化电子系统通过该软件架构，可根据卫星的任务需求动态配置包括星务管理、姿轨控制、电源管理、测控、数传以及导航等应用软件，从而通过软件定义的方式对卫星综合电子的功能进行动态重构。

[0056] 应用软件主要包括星务管理、姿轨计算、测控、数传、导航和电源管理等。对应用软件而言，通过操作系统、核心框架、分布式处理中间件，实现与硬件的隔离，通过对操作系统、核心框架、分布式处理中间件的标准化，可以保证应用软件的可移植性和可重用性。

[0057] 综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。