摘 要: 針 對微小 衛(wèi)星綜 合電子系 統(tǒng)快速 研制和 空間任 務(wù) 快速響應(yīng)的需求, 分析了即插即用技術(shù)對綜合電子系統(tǒng) 的重 要意義, 提出了將即插即用技術(shù)應(yīng)用于微小衛(wèi)星綜合電 子系 統(tǒng)的6 項關(guān)鍵技術(shù)。 在此基礎(chǔ)上 對某微小衛(wèi)星U AR T 系統(tǒng)進 行了技術(shù)改造, 使其具備了即插即用功能。研制成功的 原理 樣機表明, 可即插即用 UART 系統(tǒng)在資源自 動配置、 塊化 模 程度和系統(tǒng)可擴展性等多方面性能有了 很大提升, 其技 術(shù)方 案和 原理樣機可 以應(yīng)用于 微小衛(wèi)星綜 合電子系統(tǒng) 的設(shè)計 和 研制中, 為快速空間響應(yīng)微小衛(wèi)星的實現(xiàn)提供參考。 關(guān)鍵詞: 微小衛(wèi)星; 綜合電子; 即插即用; 快速響應(yīng) 中圖分類號: V 47 文章編號: 1000-0054( 2009) 11- 1765-05 文獻標(biāo)識碼: A

　　具備即插即用功能的微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)具 有一套規(guī)范衛(wèi)星功能部件、 星載計算機引導(dǎo)程序、 操 作系統(tǒng)和星務(wù)軟件之間的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議, 可實現(xiàn)衛(wèi) 星功能部件上電后自動被星載計算機識別、 分配硬 件資源、 加載驅(qū)動程序、 建立通訊鏈接并進行正常的 數(shù)據(jù)通訊, 在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)星務(wù)軟件根據(jù)功能部 件的動態(tài)配置完成軟件重構(gòu)。該種即插即用系統(tǒng)可 [ 7] 以分解為以下 6 項關(guān)鍵技術(shù) 。 1) 基于即插即用的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議規(guī)范。 包括識

　　穩(wěn)定的物理層到系統(tǒng)層的鏈路。系統(tǒng)采用串口設(shè)備 上電自舉的識別方式, 即串口設(shè)備在加電后自動周 期性地向自己的上行端口發(fā)送初始請求信號, 主機 響應(yīng)后經(jīng)過3 次握手完成鏈路的建立并開始進行數(shù) 據(jù)通訊。 衛(wèi)星串口設(shè)備只有需要工作時才上電, 以合 理分配功耗; 串口設(shè)備在不工作時處于休眠狀態(tài), 不對主機發(fā)送請求信號。系統(tǒng)原理及數(shù)據(jù)流向圖和 自舉階段的通訊流程圖如圖 3 和圖 4 所示。

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　　目前, 國外已有多顆針對應(yīng)急衛(wèi)星任務(wù)需求的 快速響應(yīng)衛(wèi)星研制成功, 具有代表性的是美國國防 部 軍 事 轉(zhuǎn) 型 辦 公 室 ( OFT ) 實 施 的 “ 術(shù) 星 戰(zhàn) ( TacSat ) ” 計劃, 其目標(biāo)是通過采用模塊化的衛(wèi)星公 用平臺和標(biāo)準(zhǔn)化有效載荷接口等技術(shù), 在幾周或幾 個月內(nèi)生產(chǎn)和發(fā)射一顆衛(wèi)星, 圖 1 所示為該計劃中 的 T acSat -4 衛(wèi) 星, 可 以 適 應(yīng) 多 種 不 同 的 有 效 載荷 。 美國空軍研究實驗室提出了如圖 2 所示的空間 即插即用電子系統(tǒng)( SP A) 技術(shù), 使衛(wèi)星平臺具備了 更 好的設(shè)備資源管理能力, 實現(xiàn)了基于 SP A 的航天 器 體 系 結(jié) 構(gòu) ( P nP Sat 衛(wèi) 星 等) 。另 外, 美 國 SpaceDev 公司 根 據(jù)模 塊化 微衛(wèi) 星平 臺 所研 制 的 MMB-100 微衛(wèi)星使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和 USB 接口, 實 現(xiàn)了即插即用和模塊化設(shè)計 ; 而美國 DARP A 正 在開展的“ 衛(wèi)星集群工作計劃” F6 計劃) , 其關(guān)鍵技 ( 術(shù)之一就是實現(xiàn)主衛(wèi)星和小衛(wèi)星的無線 即插即用 技術(shù) 。

　　編譯完成操作系統(tǒng)內(nèi)核, 從而降低開發(fā)難度, 縮短開 發(fā)周期。 3) 支持系統(tǒng)重構(gòu)的星務(wù)管理軟件平臺。隨著 衛(wèi)星功能部件的“ 插入” 移出” 星務(wù)管理軟件可 或“ , 以檢測到硬件系統(tǒng)的配置變化, 動態(tài)調(diào)整星務(wù)管理 軟件結(jié)構(gòu), 如開辟或注銷進程、 調(diào)整現(xiàn)有進程資源使 用量、 在新的敏感器插入時通知姿態(tài)控制軟件進行 重構(gòu)以提高測量精度等。 4) 支持即插即用的總線接口。改造綜合電子 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)總線使其支持即插即用。例如, U ART 和CAN 因為使用廣泛且技術(shù)相對簡單, 適合在初始 階段進行研究; USB 因為具備完整的即 插即用功 能, 可以將其針對航天需求進行改造, 具有很好的應(yīng)

　　從國外綜合電子技術(shù)的發(fā)展趨勢可以看出, 無 論是高度模塊化的快速響應(yīng)衛(wèi)星還是支持群落活動 的“ 自由飛” 系統(tǒng), 都通過即插即用技術(shù)增強了綜合 電子系統(tǒng)的靈活性和可擴展性, 使得在極短時間內(nèi) 設(shè)計、 生產(chǎn)、 組裝和升級衛(wèi)星系統(tǒng)成為可能, 從而使 衛(wèi)星研制周期大幅縮短, 具有十分重要的戰(zhàn)略意義。 快速空間響應(yīng)技術(shù)也得到了國內(nèi)航天領(lǐng)域的充 分重視, 相關(guān)研究工作已經(jīng)開展, 但目前還沒有快速 響應(yīng)衛(wèi)星或具備即插即用功能的衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng) 的研制實例。

　　電子快速研制以滿足空間任務(wù)的快速響應(yīng)成為微小 衛(wèi)星領(lǐng)域的研究重點, 本文即討論了如何將即插即 用技術(shù)應(yīng)用于綜合電子系統(tǒng)以實現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　即插即用( plug-and-play, P nP ) 是指不需要跳 線和軟件配置過程, 當(dāng)系統(tǒng)插入一個即插即用設(shè)備 時, 可以在運行過程中動態(tài)地進行檢測和配置。 能夠 即插即用的衛(wèi)星功能部件相對傳統(tǒng)的固定硬件模式 具有更好的靈活性和可擴展性, 通過在具備即插即 用功能的綜合電子平臺上簡單地“ 插入” 這些功能部 件, 就可 以在短時 間內(nèi)實 現(xiàn)衛(wèi)星 電子系 統(tǒng)的總 裝 集成 。

　　微小衛(wèi)星由于體積小、 質(zhì)量輕、 功耗低, 仍廣泛 采用穩(wěn)定可靠的異步串口作為星上總線的一種, 本 文針對某微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的即插即用需求, 實現(xiàn)了異步串口的技術(shù)改造, 使其具備了即插即用 功能。

　　綜合電子系統(tǒng)是微 小衛(wèi)星重要的平臺系統(tǒng)之 一, 為其他平臺和載荷提供全面、 綜合的調(diào)度服務(wù)和 信息管理, 隨著空間任務(wù)日益復(fù)雜化, 如何進行綜合

　　別機制、 握手機制、 通訊機制、 驅(qū)動傳輸機制( 在驅(qū)動 有誤或功能部件驅(qū)動升級時使用) 。 星載計算機上引 導(dǎo)程序、 操作系統(tǒng)和星務(wù)管理軟件以及功能部件都 按照此協(xié)議規(guī)范設(shè)計, 按照模塊化的思路自行開發(fā) 后進行系統(tǒng)集成。 2) 可裁減的驅(qū)動庫齊全的操作系統(tǒng)內(nèi)核。包 括驅(qū)動程序模塊化設(shè)計、 支持主流的衛(wèi)星功能部件、 日常維護驅(qū)動程序庫。衛(wèi)星總體方案確定之后可以 根據(jù)實際的硬件配置方便地進行“ 按需裁剪” 即可 ,

　　和數(shù)據(jù)通道等資源, 并將設(shè)備操作權(quán)交給設(shè)備驅(qū)動 程序, 直到其正確地退出工作。 即插即用核心系統(tǒng)工 作流程如圖7 所示。 圖 8 為可裁剪的系統(tǒng)內(nèi)核配置菜單。該內(nèi)核根 據(jù)模塊化設(shè)計思路, 包含了多個主流功能部件的驅(qū) 動模塊, 同時也涵蓋了多種衛(wèi)星工作模式的驅(qū)動模 塊, 以支持不同模式下的軟硬件配置。 衛(wèi)星總體方案 確定后, 根據(jù)實際的功能部件配置和工作模式進行 簡單的選項勾選, 即可快速編譯完成符合總體要求 的操作系統(tǒng)內(nèi)核。

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　　3. 1系統(tǒng)設(shè)計方案 傳 統(tǒng)的 U ART 串口系統(tǒng)由于硬件構(gòu)架的獨立 性, 按照單一通道模式來實現(xiàn)一對一的數(shù)據(jù)傳輸, 全 部通訊配置均由事先約定實現(xiàn), 沒有任何自動配置 能力。經(jīng)過即插即用功能改造的串口系統(tǒng)在物理層 上通過多路 U ART 控制器實現(xiàn)一對多的物理拓撲 結(jié) 構(gòu), 在 系 統(tǒng) 層 上 以 協(xié) 議 棧 的 形式 實 現(xiàn) 對 多 個 UART 接口的核心驅(qū)動程序, 系統(tǒng)通過協(xié)議棧對多 路 UART 控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理, 建立起

　　3. 2原理樣機研制 根據(jù)上面所述的改造思路, 設(shè)計實現(xiàn)了基于多 UART 接口的即插即用系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由即插即用核 心系統(tǒng)、 報文系統(tǒng)及通訊接口系統(tǒng) 3 個子系統(tǒng)組成, 其原理圖及原理樣機實物圖如圖 5 及圖 6 所示。 即插即用核心系統(tǒng) 充當(dāng)即插即用協(xié)議棧的角 色, 在完成初始化過程后對總線下游所有端口進行 監(jiān)測, 當(dāng)有串口設(shè)備在下游端口出現(xiàn)時, 系統(tǒng)會對總 線及設(shè)備進行初始化; 根據(jù)得到的設(shè)備信息( 來自 于功能部件) 為串口設(shè)備分配內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)、 端口資源

　　用前景; BlueT ooth / Zigbee 則側(cè)重于支持衛(wèi)星群體 活動中的即插即用( 如動態(tài)組網(wǎng)等) 。這是即插即用 功能的初級階段, 可以稱為“ 接口級即插即用” 。 5) 支持即插即用的衛(wèi)星功能部件。研制符合 即插即用標(biāo)準(zhǔn) 協(xié)議的衛(wèi)星功 能部件模塊 ( 如 EIS、 GPS 、星敏感器、 太陽敏感器等) , 其自身帶有含配 置信息和器件參數(shù)的驅(qū)動程序, 在整星研制時可以 方便地進行“ 組裝” 和使用。這是更高一級的即插即 用, 可以稱為“ 部件級即插即用” 。 6) 支持即插即用的微小衛(wèi)星。在實現(xiàn)衛(wèi)星內(nèi) 部綜合電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以將即插即用關(guān)系擴展 到衛(wèi)星編隊或者“ 自由飛” 系統(tǒng)中, 使得單個衛(wèi)星可 以方便地“ 無線即插即用” 到衛(wèi)星群落中。這是最高 級的“ 衛(wèi)星級即插即用” 將是今后的發(fā)展趨勢和研 , 究重點。