SpaceWire总线在遥感卫星数传系统中的设计应用

SpaceWire总线是一种面向航天应用的基于LVDS串行传输的新型技术,解决了目前数据传输系统的总线带宽不足问题,并提供一种通用接口标准以简化和规范异种设备之间的互连.文章介绍了SpaceWire总线的技术特点,并对该总线在某型号卫星数传系统中的设计应用进行了分析和研究.

基于ZYNQ-7000的飞控计算机PC/104总线数传链路设计

针对飞控计算机面向多模块、多种类接口资源方向发展引发的原有飞控计算机固有性能不足、可拓展性差的问题,提出一种基于ARM+FPGA的软硬件协同工作、以PC/104作为多模块间通信总线的飞控计算机框架。该框架中针对PC/104总线与系统主存传输的带宽不匹配问题,设计了双通道数据缓冲路径,通过FPGA设计IP实现PC/104总线时序的控制,以DMA的方式实现总线与主存DDR之间的高速数据缓存。实验结果表明,所设计的飞控数据链路可实现模块间PC/104总线以40 Mb/s的速度进行数据传输,以及通过总线实现外设到系统主存之间微秒级别延迟的高速数据交换,保证了多模块工作时的数据传输效率。

硬质探空落球数传系统天线设计方法

针对硬质探空落球高空惯性运动工况及落球内部有限安装空间下的无线传输需求,给出了适用于临近空间气象探测落球数传系统的天线设计方法。该方法采用中心对称曲折线振子天线技术方案,解决了在狭小空间内实现全向天线覆盖的难题。实验结果表明,该方法有效解决了落球在空中下落过程中由于姿态变化引起的信号起伏大从而影响无线信号可靠传输的问题。

基于多目标优化的测控数传资源动态重调度方法

近年来,地面站资源测控数传任务的一体化调度方法受到了越来越多的关注。针对任务随遇处理条件下的测控数传资源调度问题,建立了面向多个优化目标的测控数传资源动态重调度数学模型,提出基于启发式规则和多目标非支配解排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅲ,NSGA-Ⅲ)的地面站测控数传资源一体化动态重调度算法,可生成侧重不同优化目标的多个规划方案供规划人员备选。实验结果表明该方法能有效解决测控数传资源多目标动态重调度问题。

低轨光学卫星相控阵数传期间太阳光规避方法

为防止低轨光学卫星相控阵数传任务过程中相机进光而对传感器造成损伤,提出了一种相控阵数传任务期间的太阳光姿态规避方法。首先,计算出地心固连坐标系中卫星指向太阳的向量与卫星指向地面数传站的向量,并建立两向量所在平面的单位法向量。其次,以单位法向量为旋转轴使卫星指向地面数传站的向量以相控阵最大离轴角进行旋转,旋转后的向量即为卫星在地心固连坐标系下的太阳光规避向量。然后,通过太阳光规避向量、地心固联坐标系中卫星的位置及地心固联坐标系到轨道坐标系的转换矩阵,规划卫星在轨道坐标系下的太阳光规避姿态并计算出相控阵指向角。最后,在吉林一号高分02D星上进行了仿真分析和在轨试验。仿真结果表明,在相控阵最大波束角为60°的情况下,卫星使用太阳光姿态规避方法进行数传后,在12月份内相机与太阳光夹角在90°以下的概率由传统凝视姿态数传方法的44.1%降低为2.1%。吉林一号高分02D星在轨试验结果表明,近似相同条件下的两次数传任务在使用太阳光姿态规避方法进行数传后,相机与太阳光的夹角由传统凝视姿态的31.3°~152.1°提升为96.3°~180°,验证了太阳光姿态规避方法可在数传任务期间有效规避太阳光,保证了低轨光学卫星相机在轨的安全性和可靠性。

SpaceWire星载网络通信协议设计

SpaceWire是ESA和NASA推荐的新一代星载数据总线标准,其应用方向之一是构建统一总线星载网络。星载网络是典型的实时系统,它对网络信息的传输时延具有严格要求。然而,传统SpaceWire网络多源、异步、事件触发的特性使它难以提供确定的信息传输时延,这制约了它在统一总线星载网络中的应用。本文为克服SpaceWire的上述应用瓶颈,提出一种基于时间触发的SpaceWire星载网络通信协议,并提出相应的节点通信调度算法,通过合理的规划使节点在确定的时间窗口发送通信数据,从而避免了网络资源冲突,使信息传输时延的确定性得到保证。

运用定理证明的形式化方法验证SpaceWire编码电路

我国空间太阳望远镜(SST)项目采用了SpaceWire作为传输总线,目前针对SpaceWire总线的验证主要采用测试和模拟等传统的方法,这类验证方法是不完备的.本文旨在对SST项目中SpaceWire总线的DS编码电路是否如实地实现标准中的规范要求进行验证,运用定理证明的形式化方法,在HOL4工具上对该电路的设计实现与规范要求的一致性进行验证,克服了传统验证方法的局限性.

基于IP核的SpaceWire-PCI通信卡设计

作为一种面向航天应用的通信技术,SpaceWire具有广阔的应用前景。以IP核技术为基础,设计实现了以PCI总线为集成平台的两通道SpaceWire接口通信卡。在对板卡硬件组成进行综述的基础上,详细描述了PCI接口IP核、SpaceWire节点IP核以及驱动程序的设计方法,最后通过软件定时方法对本板卡的转换效率进行了测试。本文设计的通信卡具有尺寸小、布线简单、成本低、功耗低等特点,可以满足航天测控领域需求。

面向卫星数据系统的SpaceWire应用模型仿真研究

针对我国未来航天应用的需要,建立了SpaceWire总线在卫星在轨数据系统应用的半物理仿真平台,对SpaceWire总线的仿真应用模型进行了设计与实现.仿真系统采用了冗余容错结构,在节点故障时,能够通过Dijkstra算法重新计算最优通信路径,对路由表进行动态重构,实现对节点故障的动态容错.另外,通过对SpaceWire总线的通信性能测试结果的分析研究指出,SpaceWire总线在卫星在轨数据系统中可以用于提高总线数据传输的带宽和实时性,然而总线系统的基础可靠性还应当由1553B总线来提供.

面向星载数据管理系统的SpaceWire总线仿真系统开发

本文介绍并分析了日本的X射线天文卫星ASTRO-H中SpaceWire的应用模式,然后结合我国星载数据管理系统建立了SpaceWire总线应用的仿真系统,模拟星载管理单元与设备以及设备与设备间的数据通信,实现了对系统综合数据业务的统一管理,对在轨数据系统实施自主管理和冗余容错管理奠定了技术基础.

应用SpaceWire网络的航天器分布式存储系统设计

针对航天器数据存储需求多样化的发展趋势,提出了应用SpaceWire网络的分布式存储系统设计。系统由控制模块和存储模块组成,为航天器载荷设备提供标准SpaceWire物理层、链路层接口,并在网络层提供统一的虚拟数据接口,通过逻辑地址进行标志和寻址,可屏蔽系统内部网络细节;载荷设备不必关注存储系统内部网络结构的变化,当部分模块故障时,可重新规划传输路径,对分布式存储系统进行重构,实现系统控制和数据存储功能的迁移。与存储需求相近、配置双固态存储系统的设计相比,其接口种类、协议设计更加简化,且系统重构方面的优势更为明显。

一种星载强容错SpaceWire总线网络拓扑设计与分析

目前SpaceWire总线应用主要基于单个路由器上连接数个节点设备,构成小型星状网络结构,而对复杂航天器多节点情况下的SpaceWire网络系统应用研究较少。针对航天器高可靠要求,提出一种总线型网络拓扑容错设计方案,对网络工作方式、多层次冗余容错机制、系统可靠度和网络传输性能进行了分析推导,结果表明提出的网络拓扑满足星载应用要求。最后根据分析结果提出了SpaceWire网络系统中数据包长、链路速率和节点布局的设计指导原则。

星载SpaceWire路由器的研究与设计

为满足航天器有效载荷间高速数据多路传输的未来发展需求,该文研究提出了基于SpaceWire的星载数据路由的设计方案。在SpaceWire总线标准网络层分析的基础上,结合虫孔路由原理构建路由器内部结构,提出了采用无阻断交差开关的SpaceWire路由器设计方案。在Simulink环境下建立了路由器仿真模型,并通过BWR解决了虫孔路由阻塞机制带来的刹车问题,使路由器的满负荷通信下的平均丢包率减少了70%。

SpaceWire网络层协议分析与应用研究

本文的研究对象是SpaceWire网络层协议.通过分析欧空局(ESA)SpaceWire产品和美国航空航天学会(AIAA)SpaceWire专题年会成果,概述了国内外SpaceWire技术特别是其组网技术的发展和应用现状.根据欧空局最新版规范ECSS-E-ST-50-12C,详细分析了SpaceWire网络层结构,包括路由方式和寻址方式,其中重点阐述了蛀洞路由器、区域逻辑寻址的工作原理.在此理论基础上,给出了基于FPGA单芯片、以交叉矩阵为核心、带有通用主机接口的无阻塞4端口SpaceWire路由器设计方案.本文最后还通过比较SpaceWire与Ethernet协议的异同,论证了二者在高层协议和应用软件方面的兼容性,得出结论:可以将Ethernet网络的软件资源移植到SpaceWire上.

高速SpaceWire路由器的设计研究

SpaceWire是由欧航局所提出的高速高可靠性的航空总线标准。首先论述了基于SpaceWire标准的航空总线路由器IP核的设计与实现。SpaceWire路由器由SpaceWire接口和SpaceWire路由开关组成,文中分别介绍了这两部份的设计,并对SpaceWire路由开关的设计提出了新的架构,最后的实验结果说明了所设计的8端路由器的速度达到了200 Mb/s。

一种应用于SpaceWire路由器动态部分重构的容错技术

为满足航天器有效载荷间高速数据多路传输未来发展和空间抗辐射的需求,研究了一种应用于SpaceWire路由器动态部分重构的容错技术。在SpaceWire总线标准网络层分析的基础上,对cell矩阵无阻塞路由增添HanMing编码实现纠一检二,当检测出大于一个错误不能纠正时,采用局部重构的方式对有误的单个cell单元进行三重冗余重构,同时采用Partition Pin来代替传统的总线宏作为静态模块和动态模块的传输枢纽,并对容错前后路由器的资源和延时时间进行了评估和比较。实验结果表明,比将整个路由cell矩阵三模冗余,该方法能够节约硬件资源和减少延迟时间。

基于SpaceWire的AOS系统仿真研究

随着卫星电子系统的小型化和智能化,新型智能高速总线SpaceWire日益受到关注.利用基于面向对象的离散事件建模与仿真分析工具—SMAT对基于SpaceWire实现的卫星数管系统设计原型方案进行了建模,模型考虑了具有数据速率变化范围大、具有多业务结构的CCSDS国际标准约定的空间数据系统特点,针对SpaceWire数据传输速率大、网络路由机制和冗余的链路传输等特点进行了仿真.最后设定了一种实验方案,对关心的传输效率、数据延迟、容错能力、负载能力等性能进行了仿真,从而考虑系统设计方案的可行性,系统性能的评价结果可为系统设计人员早期验证及方案改进提供定量依据.

高速SpaceWire协议IP的可靠性增强方法

针对航天高速SpaceWire总线系统对协议IP的高可靠性要求,提出一种用于静态随机访问存储器(SRAM)型现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的增强三模冗余(TMR)方法。该方法对传统三模冗余和部分三模冗余做了改进,将需要进行三模冗余的原设计分为一般单元集和可靠性薄弱的关键单元集,对一般单元集中的每个单元做三模冗余,对关键单元集中的每个单元做顺序四模冗余。给出了顺序四模冗余的可靠度计算式和表决器的布尔表达式。建立了系统可靠性的马尔科夫模型并基于模型开展了可靠性仿真。仿真结果表明增强三模冗余系统的可靠性不仅明显优于传统三模冗余系统,而且优于部分三模冗余系统,使系统可靠性得到有效提高。

SpaceWire总线的流量控制机制研究

为了解决SpaceWire总线在进行大数据块收发时,现有的流量控制措施会导致总线性能下降的问题,提出了一种两级存储结构.介绍了SpaceWire总线目前的应用状况,以及存在的问题;通过分析SpaceWire的流量控制机制以及影响总线效率、系统性能的因素,提出了一种能够保证第一级存储器有足够的空间用于收发数据的两级存储结构;根据SpaceWire总线协议和两级存储结构,设计了一款通过硬件预取技术实现大数据块传输的SpaceWire节点IP核;最后在Leon3-FT处理器上集成了该IP核,并进行了系统级的仿真和测试.结果表明,与现有的SpaceWire接口相比,本设计在大数据块传输中能够提高总线效率62.7倍,系统处理效率提高至少14.5倍.

航天器通用SpaceWire总线路由单元的研究与实现

为满足日益增长的航天器各系统间高速数据多路传输的需求,对SpaceWire高速数据总线特点进行了研究,提出了一种航天器通用SpaceWire总线路由单元的设计方法,采取了标准化SpaceWire总线接口,支持多个SpaceWire接口的自适应路由功能,可实现组网设备的即插即用;同时采用中央控制器进行高级协议算法处理,支持网络分布式中断管理功能,实现网络节点的事件触发式交互控制功能,总线数据包能够按照配置参数能够在任意SpaceWire端口间的一对一路由传输、一对多组播传输;经试验测试路由单元可以支持路由端口数最多达18个,每路接口工作速率最大可达到200Mbps,其提供的通用功能能够满足大部分航天器SpaceWire网络的需求。