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【小卫星技术介绍系列文章】卫星“司令官”——综合电子学系统(一)
作者:        发布时间:2020-05-18        点击数:

小卫星技术介绍系列文章

卫星“司令官”——综合电子学系统(一)



 

前言


 


   

小卫星已经具备较为成熟的技术体系,以其研制成本低、发射成本低等特点,成为各类有效载荷快速入轨的优先选择。小卫星类型广泛,包括光学遥感卫星、合成孔径雷达(SAR)卫星、通信卫星、空间环境探测卫星以及其他科学探测卫星等,小卫星技术在国计民生、国防安全等领域正逐渐发挥更大作用。

“小卫星技术介绍”系列文章将系统介绍卫星各分系统及相关技术,涵盖电源分系统、综合电子学分系统、有效载荷分系统、姿态和轨道控制分系统、结构分系统、热控分系统、测控和数传分系统、AIT等,多期连载发布,力求从功能组成、技术原理以及发展趋势等方面进行介绍,同时结合航天技术资讯,加深读者对文章的理解。系列文章旨在通过对小卫星各分系统及相关技术专项介绍,帮助读者快速了解小卫星系统组成、基本工作原理和AIT技术环节等,掌握小卫星研制相关的技术通识。


   


       

       

       

       

卫星在轨工作,需要多个系统相互配合。综合电子学分系统负责发号指令,使整星各个分系统能够协调运转,在卫星各个分系统中扮演着“司令官”的角色。该系统有时也被称为星上数据管理系统(OBDH,on-board data handling system)

综合电子学系统是整个卫星电子学的核心部件。综合电子学系统的核心是星载中心计算机,简称中心机,它是星上功能最强大,管理设备最多和任务最繁重的星载控制器,几乎与各个分系统之间都有交互。

综合电子学系统具体有哪些功能呢?综合电子学系统通过星上各种总线和接口,与星上各个部件的下位机进行信息交互,实现星务管理、姿态控制、测控通信及有效载荷任务的控制和管理,下面具体说明。


星务管理主要是指星上各种任务调度与管理,当卫星在轨出现故障或冲突的时候,进行有效的故障检测、故障隔离及故障处理。星务管理是卫星管理控制中最核心和最关键的管理工作。姿态控制软件作为一个特定的调用模块,在中心机上运行,卫星是通过中心计算机来实际控制星上的各种姿态控制部件。

测控管理又包括遥控管理和遥测管理。其中,遥控管理指的是卫星通过星上测控分系统获取地面上注指令后,中心机负责将指令执行或分发给相关部件控制执行。遥测管理指的是中心计算机采集星上各个设备的信息后,将卫星当前的工程参数进行处理后,组帧打包,最终传递给卫星测控分系统。

为了保证星上设备时间准确且统一,需要中心机进行时间管理,也就是所谓的“时统”概念。时间管理指的是中心计算机作为卫星的时间管理机构,接收地面授时、无授时信号的时候进行自守时、通过GPS对当前星上时间进行校时等功能。

综合电子学系统是卫星可靠性要求最高的系统,它的性能指标是整个卫星功能指标的重要基础。

综合电子学系统的技术指标主要包括:处理器性能、存储器性能、各个单机设备接口及数量、电源、看门狗、软件支持、时间管理功能、体积重量等。

处理器性能一般包括处理器的主频和运算能力,一般处理器主频最好能在50MHz以上,具备32位浮点运算能力,这样可以更好的实现控制管理功能。

存储器性能一般包括引导程序存储器、应用程序存储器、数据存储器和重要参数存储器4个部分。其中引导程序存储器一般采用PROM,一般大于32KB,能够存储主流操作系统的引导程序;应用程序存储器采用EEPROM,一般容量大于2MB,可以存储多个版本的应用程序;数据存储器用于存储重要数据,一般采用SRAM,容量大于2MB;其他参数存储器一般采用FLASH,一般大于4MB。其中EEPROM,SRM和FLASH最好有EDAC(Error Detection And Correction错误检测与纠正)功能,能够对某位错误进行检测和纠正。

中心计算机需要控制星上各个单机设备(如星敏感器、飞轮、光纤陀螺、数字太阳敏感器、磁力矩器、磁强计、帆板展开信号、电源与配电系统、测控分系统等),需要与星上各个单机接口进行通信。单机接口主要包括RS422接口、RS232接口、PPS秒脉冲接口、模拟量A/D采集接口、数字量接口、OC接口、CAN总线接口、TM接口、TC接口等多种接口和电源接口。一般要求在满足星上各个设备接口的基础上留有一定余量,方便后续修改和补充,这里也体现了综合电子学分系统的总体地位。

中心计算机的电源一般包括供电电压、浪涌电流、常值功率和峰值功率4部分。一般供电电压要求与电源系统中母线电压相匹配,常值功率和峰值功率越小越好,浪涌电流一般小于2A就可以满足一般电源系统要求。

看门狗功能是中心计算机重要的功能之一,通过设置看门狗可以对跑飞的中心计算机程序进行重置,能够保证程序稳定运行。

软件支持主要指可以使用VXWORKS或者其他实时操作系统,保证程序能够按照时间要求进行工作,当然现在也有一部分立方星出于成本考虑,使用了freeRTOS系统,该系统在稳定性上与VXWORKS有较大差距。

综合电子学分系统的时间管理功能一般要求精度接近10us/1s。

体积和重量主要是为了卫星机械结构安装提供参考,能耗降低有利于卫星将功耗更多地用在有效载荷作业上。随着IC电路的快速发展,卫星各部件逐渐向微型化发展,质量、体积更小,能耗更低,但是我们同时要注意,随着卫星某电路存储系统从0状态变成1状态对能量需求的减小,卫星抵抗空间高能粒子影响的能力正在减弱,也就是单粒子翻转事件发生在小卫星上似乎变得稀松平常,产生的直接后果包括系统锁死、指令遗漏、姿态失控等。因此,研究空间环境对航天器的影响非常关键,这是从空间科学研究到工程应用的价值体现。

本文主要介绍了卫星综合电子学系统的基本任务和主要技术指标,后续文章中我们将以某个卫星的综合电子学系统为例,介绍卫星电子学系统的组成。


       

       

       

       

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