[科普中国]-航天器信息管理系统

系统结构

为了提高系统的可靠性,传统的航天器数据管理系统常采用图1所示的架构。这种架构的具体实现形式为双处理器冷备份以及三(多)处理器热备份。

双处理器冷备份系统运行的任何时间段内,只有一个处理器在运行中。在主处理器以及备用处理器之间采用公用存储器。

在三处理器热备份系统工作模式下,每个处理器同步工作,任务被分割成多个部分,并分别赋予不同的处理器来提高系统的处理能力。当系统发生故障时,可以通过多处理器投票的方式实现容错。不论是双处理器冷备份系统还是三处理器热备份系统,由于采用了冗余的架构,从而直接导致了系统采用更多的硬件资源来实现特定的功能,特别是当多个处理器不在同一块电路板时需要的资源量更大。这样设计的系统需要特别考虑单点故障以及系统中的潜电路问题。

关键技术（1）星载网络技术

对于高可靠、长寿命的复杂航天器，理想的数据系统结构应具有可靠性高，数据传输能力大，支持各应用过程间自由通信，好的开放性和可扩展性。

二维网格网络是一种很有应用前景的航天器数据系统互联结构。它具有许多突出的优点，如形状规则，对称性好,节点间的平均距离小，任意两点间存在多条通信路径，为高可靠的通信奠定了基础。

二维网格网络还是一种分布式系统结构，有利于实现分布式处理，以提高系统的容错能力。同时，由于其对称性和灵活的寻径算法，连接在其中各节点上的计算机之间可自由地通信。1

（2）航天器数据管理系统软件

数据管理系统软件的核心是分布式的实时多任务操作系统。操作系统管理系统中的各种资源，调度各任务的运行，提供各节点间的通信服务。操作系统还应具备系统容错和重组的能力，当某一节点出现故障时，其任务被自动迁移到其他节点完成。1

在操作系统的基础上，数据管理系统的各种服务功能，例如下行数据的组织发送，上行数据的接收、处理和分发，航天器时间的维护和相应的服务，文件信息存储服务、系统管理等，作为标准的“任务”配置。

数据管理系统软件根据航天器的任务和其数据系统的结构特点决定，一般情况下,一经开发成功，对同系列的航天器就无须再做改动，可直接作用。对于必须的修改或调整，可以通过增减或修改服务任务模块来实现。这样的数据管理系统软件构成了航天器飞行软件的标准化的平台。1

应用过程任务软件对每一个航天器来说可能都不相同。但它们都以标准的接口与前两部分连接，享受标准的系统服务。因此,一个新的航天器飞行软件的开发过程可以简化为选择相应的软件平台，配置和开发应用过程软件并以相应的标准接口与数据管理系统软件平台连接。1

这是完全基于开放式系统结构的设计思想,CCSDS标准的分层数据结构为这种标准化的设计奠定了基础。

（3）系统管理层和应用过程层标准

要实现上述通用化的系统设计,首先应明确地定义数据管理系统的标准的服务功能以及与应用过程间的硬、软件接口标准。空间数据系统咨询委员会（CCSDS）目前对高层的标准尚未给出具体的建议。这项工作的困难在于应用过程及其需求的多样性,要制定一个满足各种航天器要求的标准是非常困难的。但是我们认为，针对某一类航天器(例如对地观测卫星或某一种类的小卫星）制定这样的标准是有可能实现的,而且容易取得明显的效益。1

首先需要做的是在现有工程经验和用户需求的基础上，对数据管理系统的各种功能和用户需求进行分类和抽象，并实现标准化。

其次对这些标准化的功能和需求制定统一的软、硬件标准。

一旦形成了上述标准，就可以反过来规范应用过程的用户需求。就象用户使用计算机一样，他是按照计算机手册提供的功能来使用计算机,而不是根据自己的要求向厂商定做一台专用的计算机。完成同样的工作，但是是以一种新的方式，并因此带来巨大的效益。1

（4）文件传输服务

CCSDS正在开发的文件传输协议体现了一种新的设计思想，并且会给应用过程带来很大的方便。对数据管理系统来说，这是一种新的工作方式，也是一项新的研究课题。1

主要特点（1）尽可能多地使硬件功能软件化

因为采用星上计算机，除极少数极其重要的命令和星上计算机无法管理的命令（如自身的电源切换）外，绝大多数遥控命令都可以由计算机管理，负责命令模式的识别、命令地址和命令内容的译码、分配等。尤其时间和条件命令，可以根据需要进行时间条件设置，不必去更改硬件电路。对遥测功能，不同的卫星会提出不同要求，如卫星识别码，时间码，帧同步码，帧格式，帧长度，字长等等都可能不同。按照传统的办法只能投入硬件电路的重新设计，而对于数管系统只要改变一下软件编程即可满足要求。这样做不但省时省力，而且又大大缩短了系统研制时间，提高了系统使用的灵活性，这种特点，尤其适用于系列型小型应用卫星。2

（2）便于进行数据处理

由于计算机具有完整的计算功能，所以该系统能够通过编程，方便地对获取的星上数据进行处理。例如，对星上数据加入检验冗余位，以便对传输错误进行纠检错；星上延时遥测的数据压缩；为获取高可信度数据，对数据进行三取二判决，数字滤波；对下发数据进行二次编码等等，这些内容都可以通过编写特定功能的程序模块实现。2

（3）易于实现标准化设计

由于不同的型号，无法用软件功能实现的指标要求，例如，不同数量的命令接口电路，不同路数的遥测采集交换子等，可以设计成几种标准板，通过局部的换板即可满足型号要求。2

（4）节省功耗和重置

软件增加，硬件相对减少，通过使用大规模、低功耗的电路模块，可以明显地节省星上的功耗和重量。例如日本正在开发的帆板式超小型卫星，一个微型计算机，码速率是2048bit/s功耗仅1.4W，重量1.5kg。2

硬件设备信息管理系统的主要硬件部件是：计算机；内部连接链路；存贮器；人/机接口；高速数据处理部件。

（1）计算机

性能要求：计算机的中心部件应立足于所推荐的及已有使用经验的微处理器，为了用作通用机且应是标准化的和可更换的。计算机应能分配或调换任务，以便能克服故障。具有容错结构和抗干扰能力，以免个别偶然事件的干扰。具有实时处理和多道处理能力。计算机字长16位或32位，速度在1MBPS范围以内，具有浮点运算能力。直接存贮器寻址范围大约1Mbyte。具有实时错误修正或检测的能力。在PROM中具有有效的标准的运行软件。3

（2）内部连接链路

性能要求：使质量和体积尽量小的串行数据传输方式。由于采用了分布式智能和公用数据库，因此要具有高达50〜100MBPS的数据传输速率。可变的用户数，不管用户连接与否都不应影响系统。具有对接口故障、电磁干扰和辐射的抗干扰性。航天器对接时，为了避免损伤，要具有不同用户的DC隔离和静电保护。具有冗余结构。自动线路管理万一发生故障时，能够保存历史的记录和重新构造链路。多通道的结构安排，以允许在用户之间同时进行数据传输且维持低速率的传输要求。3

（3）存贮器

性能要求：存贮器主要用来存贮为数据管理服务的公用数据库、各种子系统以及需要长期存贮或缓冲存贮的仪器设备的测量数据。除了用于上述目的的存储器以外，还3有许多较小的暂存器或计算机内存分布在所有子系统和仪器设备上。数据库需要三种类型的存贮器。

a)容量大约为10-50Mbit和数据传输速率可达100MBPS的快速随机读写存贮器。这种存贮器用作为中间数据缓冲、计算机内存以及慢速海量存贮器的前台快速存贮器。

b)容量为50-200Mbit和最大数据传输速率为6MBPS的中速随机块读写存贮器，它可以用作软件的后援存贮，内务处理和状态数据的存贮，应用程序和运行软件，遥测数据和遥控命令的临时缓冲。

c)容量高达100Gbit和数据传输速率为每秒几百位的低速随机块只读（只写一次）存贮器。

这些大容量存贮器用来存贮机上各3系统的技术资料和用来存贮仪器仪表及各子系统的处理和测试，维护和检修的工艺规程，以及用来存贮机上自动故障诊断与恢复和机上机组人员培训的专家知识。最后也用来存贮供机组人员娱乐的内容。3

这种存贮器是典型的记录器型的，其存贮介质是可以更换的，当需要时把它放在读放装置上。

对于各类存贮器都适用的一般性能要求是：几个用户同时存取要求多端口输入/输出或者具有遥控用户优先级管理能力；具有存贮器自身检测和软件错误诊断的能力，以及自动重新配置的能力；具有克服软件错误或设备故障的实时错误修正或作为最低限度数据保护的错误检测能力。

（4）人/机接口

根据从空间实验室所得到的经验教训，具有与用户友好的机组人员接口是很重要的。对于也包含用户设施在内的所有工作站来说，接口应是标准化的。就技术实现而言，应该考虑最大限度地采用先进的飞行器技术。计算机产生与航天器状态有关的信息的综合显示，无意义的报警应被清除。为了机组人员能够最佳地工作，IVA和EVA无线工作站是需要的，工作站应是智能的，对话软件将引导机组人员执行任务并由数据库提供专门的帮助。3

（5）髙速数据处理

某些与地球研究活动和图象处理有关的仪器舱需要具有300个响应速度为500MBPS的数据下连线能力，这些数据必须通过数据管理系统进行路径选择和保存，而后由地面链路分时发送。对于数据的路径选择，Gallium-Arsenide电路是有用的，但由于它们的输出能力较低，为了获得高的数据传输速率，需对电路布局进行某些研究。目前，为了存贮这样的高速率数据，只对磁带记录器进行研究，设计目标大约是700MBPS。3

软件工程软件设计的主要要求是：关于与所有公司和组织机构的地面通讯；机上各子系统和仪器舱的整体组合和校验。当安排软件设计工作时，必然要用现有的软件研制规则和软件质量保证措施（例如，ESA所提出的那些规则和措施）来保证软件的可移植性和易于整体组合。1

下面的工具和手段是有用的：包括调试工具在内的实时软件的开发系统（商品化计算机)；具有实时多任务特性的模块化的操作系统；独立于机器的、可移植的、可维护的、对于所有组织机构都适用的高级程序设计语言(例如：Pascal，C，ADA)；模块化的、按自上而下进行结构设计的、具有可扩展的软件分层特性的应用软件结构；确定总体设计和详细设计的软件系统资料，可以使用编程设计语言（PDL）或EPOS作为资料文件编制工具和用来配置控制；在目标计算上通过测试数据模拟来验证的软件系统校验方法。1