【摘要】：為適應(yīng)國家航天發(fā)展和科技創(chuàng)新重大需求,促進(jìn)航天產(chǎn)品和技術(shù)改進(jìn)升級,需瞄準(zhǔn)前沿方向開展關(guān)鍵技術(shù)研究,為航天工程型號任務(wù)提供技術(shù)支撐,強(qiáng)化技術(shù)儲備�？臻g綜合電子是航天器的核心電子設(shè)備,要實(shí)現(xiàn)高性能、輕小型和低成本,必須進(jìn)行綜合規(guī)劃,構(gòu)建一種高性能、一體化、模塊化、可重構(gòu)的空間綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)。本文力圖解決國內(nèi)綜合電子系統(tǒng)存在的性能不高、模塊化程度低、通用性差等問題,面向未來中小型航天器綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展需求,提出一個(gè)較完整的高性能一體化的系統(tǒng)解決方案。通過合理的系統(tǒng)構(gòu)架、信息處理流程、協(xié)議和軟硬件接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能、高可靠性、高功能密度和高效率。將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化融會貫通,解決信息傳輸不暢的問題,軟件和硬件間耦合過緊的問題,增強(qiáng)軟硬件的互用性和可重用性。本文在充分調(diào)研目前綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合未來實(shí)際工程需求,對綜合電子技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。對國內(nèi)外綜合電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,提出了具有一定開放性的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)模型。設(shè)計(jì)了以星載計(jì)算機(jī)為核心的演示驗(yàn)證系統(tǒng),詳細(xì)介紹了各功能單元的具體實(shí)現(xiàn)。研究了高速串行SerDes接口,并進(jìn)行了仿真。改進(jìn)了已有的高速復(fù)接和大容量存儲設(shè)計(jì),提升數(shù)據(jù)傳輸效率,吞吐率和存儲容量。研究了星上鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和常用通信協(xié)議,制定了歸一化、通用化傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議。對系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。本文汲取并整合利用了一些已有研究成果但尚未在工程中應(yīng)用的技術(shù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。建立了一種新型的高性能、模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)展的一體化空間綜合電子系統(tǒng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)星務(wù)管理、載荷管理、高速大容量存儲、高速復(fù)接等功能集成,實(shí)現(xiàn)外部接口總線與內(nèi)部背板總線一體化,具有較好的兼容性和可擴(kuò)展性,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。在已實(shí)現(xiàn)SRAM型FPGA在軌重構(gòu)的基礎(chǔ)上,首次實(shí)現(xiàn)了FLASH型FPGA在軌重構(gòu),提升了空間電子系統(tǒng)的在軌故障修復(fù)、功能升級以及擴(kuò)展能力,提高了系統(tǒng)的功能適應(yīng)性和可靠性。開發(fā)了可擴(kuò)展的低速時(shí)分復(fù)用接口,能夠簡化信號連接關(guān)系和控制邏輯,并可根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展和配置。實(shí)現(xiàn)了適合空間環(huán)境應(yīng)用的板內(nèi)模塊間、板間、設(shè)備間的輕量、高速、低遲滯、點(diǎn)至點(diǎn)高速串行鏈路,通信速率可達(dá)2.5Gbps。使用專用的通道仿真軟件和IBIS-AMI模型對高速串行鏈路的信號完整性進(jìn)行了仿真。設(shè)計(jì)了更高性能的大容量存儲器,采用主存儲控制單元+擴(kuò)展存儲陣列單元的架構(gòu)。通過128位數(shù)據(jù)總線并行擴(kuò)展技術(shù)、四級流水線加載技術(shù)和SerDes接口,大幅提升了性能,吞吐率可達(dá)4Gbps,存儲容量2Tbits,并支持容量擴(kuò)展。針對目前航天器在星上鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化方面存在的問題,提出了一種采用CCSDS航天器星載接口業(yè)務(wù)分層思想的協(xié)議架構(gòu)。設(shè)計(jì)了通用的傳輸層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議。通過使用這些協(xié)議,可以提高硬件、固件、軟件IP重用能力。本文通過對總體架構(gòu)、功能模塊、總線接口和通信協(xié)議進(jìn)行研究及驗(yàn)證,掌握綜合電子系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)理念,將為航天型號任務(wù)提供技術(shù)儲備,促進(jìn)綜合電子技術(shù)的發(fā)展,使其適應(yīng)未來星箭平臺和先進(jìn)載荷對電子技術(shù)的需求。本文的研究成果對后續(xù)工程實(shí)施具有借鑒意義。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V443
【圖文】：

mm）和 6U（233.35*160mm）兩種規(guī)格大小。cPCI Seria準(zhǔn)，定義了一個(gè)模塊化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括一個(gè)無源背板、外設(shè)模塊。支持的數(shù)據(jù)帶寬高達(dá) 8 Gb/s PCI Express、6及 10 Gb Ethernet。2017 年，在 cPCI Serial 的基礎(chǔ)上，erial Space[38]，目的是將 cPCI Serial 應(yīng)用到太空中。一網(wǎng)（星將采用 cPCI Serial Space 規(guī)范。AIRBUS 的開放式綜合4S)給出了使用 cPCI Serial Space 背板架構(gòu)的星載計(jì)算機(jī) 個(gè)電源控制單元（PCDU），2 個(gè)遙測遙控單元（TM/TOBC），3 個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集聚單元，分別用于姿軌控（AO能源控制（BAT）。背板使用全網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過時(shí)間觸或 SpaceWire 連接所有單元，3 個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集聚單元同由器連接。每個(gè)單元可以單獨(dú)加斷電，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)。

箱管理通道和供電通道是基于總線式的連接關(guān)系。2天應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn) ANSI/VITA78.00-2015 SpaceVPX Sy構(gòu)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化的接口、連接器、數(shù)據(jù)通路及其他模塊境的特殊需求，比如耐輻射性、極端空間環(huán)境下的期運(yùn)行的能力。SpaceVPX 標(biāo)準(zhǔn)定義了有效載荷、開文件，以滿足空間應(yīng)用需求，并且在應(yīng)用層面上加入SpaceVPX 采用點(diǎn)對點(diǎn)串行總線方式，而不是并行并可以避免模塊失效導(dǎo)致影響整個(gè)系統(tǒng)。SpaceVPX準(zhǔn)（Next Generation Space Interconnect Standard，NG撲結(jié)構(gòu)如下圖 2.9 所示，數(shù)據(jù)通道、控制通道、機(jī)箱于交換的點(diǎn)對點(diǎn)連接，并可實(shí)現(xiàn)完全交叉的主備份用 SpaceWire 總線，數(shù)據(jù)通道使用 RapidIO，各通道

圖 2.9 spaceVPX 典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Figure 2.9 spaceVPX typical topology diagram表 2.1 spaceVPX 背板通道分類Table 2.1 spaceVPX backplane channel typeInterface Type Bandwidth UsageRapidIO SerDes 3.125-6.25 Gbps Payload Data， ConfigurSpaceWire LVDS 10-400 Mbps Command&Telemetry，MRapidIO SerDes 3.125-6.25 Gbps Extra Data ConnectionsPCI Bus 1-2 Gbps Heritage Module ConnectClocks LVDS 0-400 MHz Common Time/Sample BaSysMgmt I2C 100-400 Kbps Chassis Setup, TelemetryPower 5/12/3.3V DC Individual Power to each M本文設(shè)計(jì)的背板模型對 cPCI 和 VPX 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，結(jié)合我們現(xiàn)有航天項(xiàng)目的星載

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉帥;王虎妹;;衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)總體技術(shù)研究[J];空間電子技術(shù);2015年06期

2 閻冬;程博文;何熊文;;CCSDS子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在航天器綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J];航天器工程;2015年06期

3 徐勇;李珂;馮國平;陶利民;龐波;;一種FPGA在軌重構(gòu)配置數(shù)據(jù)壓縮算法[J];航天器工程;2015年06期

4 何濤;相里斌;楊根慶;李志強(qiáng);曹金;蔡志鳴;周依林;;基于SRAM型FPGA單粒子效應(yīng)綜合防護(hù)技術(shù)[J];飛行器測控學(xué)報(bào);2015年05期

5 劉博;王豪;辛峰;;一種星載綜合電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)[J];航天標(biāo)準(zhǔn)化;2015年02期

6 高翔;李辰;;復(fù)雜航電架構(gòu)的開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)研究[J];航空電子技術(shù);2015年02期

7 張英靜;熊華鋼;劉志丹;李振;;可用于航空電子系統(tǒng)的時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)[J];電光與控制;2015年05期

8 徐浩;王同桓;劉振星;雷勇;毛一嵐;;ECSS的包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用[J];航天器工程;2015年02期

9 楊振雷;王曉輝;蘇弘;劉杰;楊海波;成科;童騰;;一種Flash型FPGA單粒子效應(yīng)測試方法設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J];核技術(shù);2015年02期

10 邱愛華;張濤;顧逸東;;面向空間應(yīng)用的時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)[J];國防科技大學(xué)學(xué)報(bào);2014年05期

本文編號：2749247