CN108100308B - 一种可重构单板皮卫星系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重构单板皮卫星系统，涉及航天器设计和研制领域，本发明基于印制板电路卫星结构，在单板上集成皮卫星空间任务所需的功能模块，所有的逻辑、控制全部使用FPGA实现，同时基于FPGA的单板卫星，使用处理器的IP内核开发，也可通过软件二次开发的方式提高处理器的容错能力；本发明通过调度总线控制器与各模块相连，实现计算机系统对各分系统的控制，具有结构简单、高集成、体积小、功耗低、成本低的特点，用FPGA实现不同厂家提供不同架构的处理器IP核，实现处理器的可重构，采用抗辐射技术对处理器IP核进行二次开发提高处理器的容错能力；根据皮卫星传感器和测量功能，采用FPGA完成不同类型算法的硬件实现。

Description

一种可重构单板皮卫星系统

技术领域

本发明涉及航天器设计和研制领域，尤其是一种皮卫星系统。

背景技术

皮卫星通常指质量小于1千克，具有特殊功能任务的微小卫星。目前，皮卫星设计的主流技术是立方星技术。立方星技术用于为不同开发者提供最基本的、必要的设计大纲和指导，明确定义了皮卫星的大小尺寸。单板卫星也是皮卫星中的一种，为进一步提高集成度，降低功耗和成本，Barnhart D J,Vladimirova T,Baker A M,et al.A low-costfemtosatellite to enable distributed space missions[J].Acta Astronautica,2009,64(11–12):1123-1143.中描述一种印制板电路卫星的设计，将卫星所需基本功能模块集成在一块10cm×10cm的PCB板上，用于实现卫星的低成本和大量生产。该印制板电路具有充电调节和峰值功率跟踪的电源系统，集成ZigBee模块的通信系统和iTraX-03S单模GPS接收机、Sarantel天线、单轴磁铁的姿态控制系统，采用Atmel公司的Mega128L RISC微控制器作为数据处理中心，搭载CMOS图像传感器有效载荷。

但该印制板电路卫星是基于MCU的综合电子系统，不可重构且不利于抗辐射加固设计，一般采用的多模冗余系统结构，增加原件成本，也增加系统功耗和面积。此外，该设计不能很好针对其他处理器的移植，如若更换处理模块，需要重新设计整体电路，增加设计成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对皮卫星体积、质量和集成度等方面的特点，本发明提供一种可重构单板皮卫星系统，基于印制板电路卫星结构，在单板上使用商用现货集成皮卫星空间任务所需最基本的独立功能模块，所有的逻辑、控制全部使用FPGA实现，使系统具有一定可靠性，提高单板卫星集成度，实现卫星的快速发射，同时基于FPGA的单板卫星，使用处理器的IP内核开发，易于实现不同处理器的移植，也可通过软件二次开发的方式提高处理器的容错能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的一种可重构单板皮卫星系统包括数字数据处理模块、数据存储模块、通信模块、电压生成模块、GNC模块和相机模块，其中数字数据处理模块包含电源管理控制器、计算处理单元、相机预处理单元和总线控制器，计算机处理单元监测当前卫星电量状态信息，当检测到当前电量低于设定低阈值时，表明当前卫星电量不足，电源管理控制器通过控制电压生成模块对当前不工作模块进行断电处理，等待太阳能电池充电；当检测到当前电量高于设定高阈值时，表明当前天阳能电池对卫星充电已满，根据当前卫星电量来实现对系统供电的控制；采用IP核的计算处理单元是数字数据处理模块的核心，是任务管理和算法执行单元；相机预处理单元用以完成相机模块中照片原始数据到解码芯片间数据的处理，使照片的数据格式满足JPEG2000标准，总线控制器用以提供数字数据处理模块与其他模块的接口；

所述数字数据处理模块中所有的逻辑、控制均使用FPGA实现，利用FPGA进行电源的动态管理，从而实现所述的电源管理控制器，将处理器IP核作为CPU，即计算处理单元，对数据做预处理的操作即作为相机预处理单元，按照I2C、UART、SPI总线时序实现总线控制器，其中，在使用处理器IP核时，为了增加计算处理单元的容错能力，对IP核进行全冗余处理，即将处理器内核复制三份，三个处理器内核各自执行相同程序，共享数据和程序存储，实现三模冗余；

所述的数据存储模块包含FLASH芯片以及外围电路，用于保存单板卫星初始化时的参数、图片压缩编码后的数据以及用于姿态轨道控制所需的地磁场数据；

所述的通信模块包含WIFI、UHF和S波段模块，用于地面测试单板卫星功能，指令的收发以及近距离与主星数据信息的交互，通过数字数据处理模块中的计算处理单元来控制切换，即连接模块的使能开关，通过不同的通信距离来使能不同的使能开关，即处于WIFI通信，则通过WIFI通信告知计算处理单元，当切换成S波段，则计算处理单元将S波段模块使能打开，S波段模块与外界重新建立连接，则WIFI通信断开，使用WIFI、UHF、S三种通信模块，将单板卫星工作状态通过通信模块传输给地面PC或主星；

所述的电压生成模块用于提供单板卫星整体供电所需的电压，为单板皮卫星系统中各模块单独供电，数字电路、模拟电路和高频通信模块供电均分离设计，其中模拟电由DC-DC转换器升压后经LDO降压得到满足精度和噪声要求的的模拟电压供系统使用，数字电路是DC-DC转换器转LDO供系统使用，高频通信直接使用DC-DC转换器输出的高频通信所需的电压；

所述的GNC模块采集当前单板卫星所处磁场信息以及转动量和加速度，即获取当前卫星运动状态和所处位置信息；

所述的相机模块用于单板卫星图像的采集，完成图像采集和图像数据的压缩，相机拍照后，将拍照的图像数据传给数字数据处理模块的相机预处理单元，对数据进行预处理，即提取图像灰度数据，使得图像数据的数据格式满足JPEG2000标准，预处理后的数据传输到相机模块中进行压缩编码；

系统上电后，电压生成模块产生各模块工作所需电压，为所有系统上电工作，当地面的测控系统或者主星发送指令时，指令由通信模块接收，传输给数字数据处理模块，经数字数据处理模块中的计算处理单元解析识别此指令后，如果是相机指令，则控制相机模块拍照，，得到图片数据，如果是GNC指令，则通过GNC模块进行数据读取以及数据存储，需要存取的数据通过计算计算处理单元将数据存储在数据存储模块中，读取的数据和图片数据均通过通信模块发送。

本发明用ADC采集太阳能贴片电压V1，ADC的参考电压为LDO得到的模拟电压V2，LDO的噪声为均方根(root mean square，RMS)，ADC的转换公式为

其中M为数字码，K为ADC的性能参数，使用n位ADC，则K值为2ⁿ，将(V2-RMS)分为2ⁿ份，通过转换公式即可得到数字码。

本发明的有益效果在于通过调度总线控制器与各模块相连，从而实现计算机系统对各分系统的控制，具有结构简单、高集成、体积小、功耗低、成本低的特点，适用于空间组网皮卫星，相比于印制板电路卫星，本发明根据具体的任务需求，所有逻辑、控制运算电路都在FPGA中实现，用FPGA可以实现不同厂家提供不同架构的处理器IP核，实现处理器的可重构，同时可以采用抗辐射技术对处理器IP核进行二次开发以提高处理器的容错能力；本发明根据皮卫星传感器和测量功能，采用FPGA可以完成不同类型算法的硬件实现。

附图说明

图1为单板卫星系统结构框图。

图2为数字数据处理模块的具体实现示意图。

图3为数据存储连接框图，其中，WP为写保护信号，WE为写使能，ALE为地址发送使能，CLE为命令发送使能，RE为读操作使能，R/B为就绪忙状态，CE为芯片片选，DATA为数据。

图4为通信模块结构框图，其中，UART为通信异步收发器，SPI为串行异步接口。

图5位电压生成模块结构框图，其中，DC-DC为直流到直流转换芯片，LDO为低压差线性稳压器。

图6为GNC模块与总线控制器的连接图，I2C为Inter Integrated Circuit，代表一种同步串行总线；GPIO为General Purpose Input Output，代表通用输入输出接口；GNC代表姿态轨道控制。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明针对皮卫星体积、质量和集成度等方面的特点，提出一种可重构单板皮卫星系统，本发明的高可靠单板卫星系统模块包括数字数据处理模块、数据存储模块、通信模块、电压生成模块、GNC模块和相机模块，其中数字数据处理模块包含电源管理控制器、计算处理单元、相机预处理单元和总线控制器，计算机处理单元监测当前卫星电量状态信息，当检测到当前电量低于设定低阈值时，表明当前卫星电量不足，电源管理控制器通过控制电压生成模块对当前不工作模块进行断电处理，等待太阳能电池充电；当检测到当前电量高于设定高阈值时，表明当前天阳能电池对卫星充电已满，根据当前卫星电量来实现对系统供电的控制；采用IP核的计算处理单元是数字数据处理模块的核心，是任务管理和算法执行单元；相机预处理单元用以完成相机模块中照片原始数据到解码芯片间数据的处理，使照片的数据格式满足JPEG2000标准，总线控制器用以提供数字数据处理模块与其他模块的接口；

所述数字数据处理模块中所有的逻辑、控制均使用FPGA实现，利用FPGA进行电源的动态管理，从而实现所述的电源管理控制器，将处理器IP核作为CPU，即计算处理单元，对数据做预处理的操作即作为相机预处理单元，按照I2C、UART、SPI总线时序实现总线控制器，其中，在使用处理器IP核时，为了增加计算处理单元的容错能力，对IP核进行全冗余处理，即将处理器内核复制三份，三个处理器内核各自执行相同程序，共享数据和程序存储，实现三模冗余；

数字数据处理模块在FPGA中实现单板卫星的可重构设计和复杂数据与控制算法。在原理样机阶段，为降低成本，采用Altera CycloneⅣ系列基于SRAM的FPGA，后续将使用具有抗辐射的反熔丝型FPGA。数字数据处理模块内电源管理控制器、相机预处理单元、基于IP核的计算处理单元和总线控制器四个子模块综合后在FPGA中实现整个数据处理。图1结构中数字数据处理模块描述了内部子模块间连接，图2所示为数字数据处理模块内部子模块具体实现。

电源管理控制器对卫星供电情况的控制，保证了卫星在正常工作的前提下最大的降低供电。计算机处理单元监测当前卫星电量状态信息，当检测到当前电量低于设定低阈值时，表明当前卫星电量不足，电源管理控制器通过控制电压生成模块对当前不工作模块进行断电处理，等待太阳能电池充电；当检测到当前电量高于设计高阈值时，表明当前太阳能电池对卫星充电已满。

针对MSP430在立方星中使用与验证，本发明采用MSP430IP核作为计算处理单元，其中，针对空间任务的不同，计算处理单元IP核可替换成不同架构IP核。计算处理单元主要负责各个系统模块的协调、GNC算法执行以及管理软件的运行。进一步，在使用处理器IP核时，为了增加计算处理单元的容错能力，对IP核进行全冗余处理。

总线控制器主要用于提供以计算处理单元为核心的数字数据处理模块与其余系统间数据交换的接口，实现对I2C、UART、SPI以及GPIO接口的控制。

相机预处理单元根据图像处理算法，完成图像压缩芯片初始化、相机拍照控制、数据缓存和转发，使用硬件电路对图片信息进行快速处理，将图片信息发送给计算处理单元；

先用写FLASH程序把所需数据写入FLASH中，然后下载软件程序，覆盖该程序；每次运行软件程序都会读FLASH中标志位，第一次运行软件时，标志位没被标识，在运行软件程序中，有写中间数据至FLASH操作，FLASH数据被替换，标志位标识；当断电再上电后，仍运行软件程序，运行开始时，从FLASH中读标志位，此时的FLASH中的标志位可能经过上一次的操作被标识，判断FLASH中读取的标志位是否被标识，然后执行后续操作。在此实际应用中，除了常量信息，就是举例的标志信息。如若复现，可根据实际情况增加或减少。

所述的数据存储模块包含FLASH芯片以及外围电路，用于保存单板卫星初始化时的参数、图片压缩编码后的数据以及用于姿态轨道控制所需的地磁场数据；

数据存储模块为增加对非易失数据存储容量，数据存储模块由Flash存储芯片及其外围电路组成，如图3所示为数据存储与计算处理单元间的连接。计算处理器单元与数据存储模块Flash存储芯片通过15位并行数据/控制总线相连。包括1位片选信号，6位控制信号以及8位数据信号。用于存储初始运行参数值、图像和地磁场数据。Flash采用三星K9F4G08U0M芯片，根据存储大小空间，将Flash按照地址空间分为三块，每次数据存储的时候，将数据备份三份存储在Flash的三块不同地址空间中，任意时刻计算处理单元从Flash中读取数据时，分别从Flash中三片区域中取得数据，对三组数据进行三取二处理，将两组相同的数据用于后续的处理，提高数据读取的正确性，增加数据存储的可靠性。

所述的通信模块包含WIFI、UHF和S波段模块，用于地面测试单板卫星功能，指令的收发以及近距离与主星数据信息的交互，通过数字数据处理模块中的计算处理单元来控制切换，即连接模块的使能开关，通过不同的通信距离来使能不同的使能开关，即处于WIFI通信，则通过WIFI通信告知计算处理单元，当切换成S波段，则计算处理单元将S波段模块使能打开，S波段模块与外界重新建立连接，则WIFI通信断开，使用WIFI、UHF、S三种通信模块，将单板卫星工作状态通过通信模块传输给地面PC或主星；

通信模块主要用于单板卫星地面功能测试、与主星控制和数据的交互。具有WIFI，UHF和S波段三种通信方式，如图4所示。三种通信方式有效传输距离不同，其中WIFI使用USR-WIFI232-X系列，UHF使用SM55D型无线通信模块，S波段使用SO75CC2500PA无线传输模块。WIFI和UHF通过串行总线接口与数字数据处理模块中的总线控制器相连，S波段通过4线SPI总线与总线控制器相连。任意时刻单板卫星有且只有一种通信模式，通信模式的选择由数字数据处理模块来控制。

所述的电压生成模块用于提供单板卫星整体供电所需的电压，为单板皮卫星系统中各模块单独供电，数字电路、模拟电路和高频通信模块供电均分离设计，其中模拟电由DC-DC转换器升压后经LDO降压得到满足精度和噪声要求的的模拟电压供系统使用，数字电路是DC-DC转换器转LDO供系统使用，高频通信直接使用DC-DC转换器输出的高频通信所需的电压；

电压生成模块用于提供单板卫星上所有模块工作所需的电压，外部供电经过DC-DC芯片和LDO芯片转换为稳定的电压，数字和模拟分开，系统中每个模块单独供电，如图5所示，用于对各模块供电的分离和控制，计算机处理单元可以通过电源管理控制器实现对当前不需要工作的模块进行断电处理，减少系统功耗。

整个系统供电分为数字、模拟和高频通信模块，系统设计遵循数模混合信号电路设计标准，系统分为三种地，数字地、模拟地和高频通信地，三块地信号通过0欧姆电阻或者磁珠连接，起到隔离作用，降低各部分电路影响。

本发明用ADC采集太阳能贴片电压V1，V1电压精度为0.5mv，ADC的参考电压为LDO得到的模拟电压V2，LDO的噪声为均方根(root mean square，RMS)，ADC的转换公式为

其中M为数字码，K为ADC的性能参数，使用n位ADC，则K值为2ⁿ，将(V2-RMS)分为2ⁿ份，通过转换公式即可得到数字码。V1在其中对应几份，即1000_0000_0000；处理器中只能识别这种0、1数字，当识别到1000_0000_0000时，此时V1的值为1。

ADC将模拟信号转换成数字信号，ADC的转换是与电压精度对应起来的。

所述的GNC模块采集当前单板卫星所处磁场信息以及转动量和加速度，即获取当前卫星运动状态和所处位置信息；

GNC模块的姿轨控模块包括陀螺仪，磁强计和磁棒，用于采集当前单板卫星加速度以及磁场位置信息等，GNC模块与处理器模块的连接如图6所示。其中磁强计数据采集芯片使用飞思卡尔磁力计芯片MAG3110，陀螺仪使用MPU6050芯片，磁棒采用双通道H桥电机驱动芯片DRV8833来实现。磁强计和陀螺仪通过I2C接口与FPGA处理模块中总线控制器相连，磁棒驱动通过GPIO口与总线控制器相连。计算处理单元通过总线控制器获取和控制GNC模块信息。同时GNC算法的运行在计算处理单元中执行，经采集到的数据作为GNC算法的参数输入，执行相应的消旋捕获算法，算法执行结果反过来作用于当前单板卫星。例如，太阳能贴片受光照后产生电流，电流大小受光照面积影响，电流经放大后被计算机处理单元采集，作为GNC算法控制部分的输入，通过算法执行的结果改变受光面情况。

所述的相机模块用于单板卫星图像的采集，完成图像采集和图像数据的压缩，相机拍照后，将拍照的图像数据传给数字数据处理模块的相机预处理单元，对数据进行预处理，即提取图像灰度数据，使得图像数据的数据格式满足JPEG2000标准，预处理后的数据传输到相机模块中进行压缩编码；

相机模块实现图像采集与图像压缩，用于单板卫星的系统拍照，其中图像采集子模块采用OV7725相机，图像压缩子模块采用ADV212压缩。其中图像采集子模块安装在单板卫星的正反两面用于拍摄不同角度的图像信息。为了满足单板卫星对功耗的严格要求，保证系统在低功耗下运行，2个相机采用轮询拍照的模式，一个相机工作的时候，另一个相机处于休眠状态，当拍摄完一幅照片后，整个相机模块进入休眠状态，等到下次接收到拍照指令时再次启动相机模块。

相机接收到处理器的拍照指令信息后，执行相应的动作，相机采集的图片通过数据总线传给FPGA内相机预处理单元，提取图像灰度数据，再将数据传给压缩芯片，采用JPEG2000标准对输入灰度图片压缩，压缩码流通过16位数据总线并行传给FPGA内部缓存，如若数据量大，将图片数据存储于Flash芯片中，供星间或星地数据的传输。整个过程中，FPGA内相机预处理模块完成对相机和压缩芯片进行控制，包括拍照相机选择、各器件初始化、配置、读写、工作模式选择等。

系统上电后，电压生成模块产生各模块工作所需电压，为所有系统上电工作，当地面的测控系统或者主星发送指令时，指令由通信模块接收，传输给数字数据处理模块，经数字数据处理模块中的计算处理单元解析识别此指令后，如果是相机指令，则控制相机模块拍照，，得到图片数据，如果是GNC指令，则通过GNC模块进行数据读取以及数据存储，需要存取的数据通过计算计算处理单元将数据存储在数据存储模块中，读取的数据和图片数据均通过通信模块发送。

本发明的软件设计采用抗辐射的三模冗余设计方法，对重要参数进行三取二表决，同时使用看门狗定时器控制技术，防止程序运行跑飞。当运行程序需要应答等待时，如若超过预定时间还未应答，丢弃该帧信息，重新发送接收，防止出现死循环。进一步，当计算处理单元通过总线控制器多次读取到相同值时，则认为两者间通信出现故障，此时，通过控制给该模块断电重启。

单板卫星数据链路为：通过不同通信模块对单板卫星发送获取整星状态信息指令后，指令信息经总线控制器传送给计算处理单元，计算处理单元对指令进行解析，完成拍照、获取卫星姿态信息等，数据再经总线控制器由通信模块传出。

为了提高皮卫星系统的可靠性，在选择星载计算机系统的芯片时，首先考虑的是芯片的操作温度、性能、功耗是否满足皮卫星工作环境的要求。在选择电容、电阻等器件时，要考虑降额因子，如电容的电压和功耗降额，电阻的功率降额和电压降额。

为了进一步提高单板卫星系统的可靠性，完成系统的制造后将对处理器模块加装屏蔽罩。另外，单板卫星外面蒙皮也可对空间辐射起到一定的屏蔽作用。

本发明所述的单板皮卫星系统在器件选型、系统设计和制造阶段充分考虑系统的可靠性，具有结构简单、集成度高、体积小、低功耗的特点，系统通过软件和硬件层面对数据的冗余和校验处理，具有较高的可靠性。

Claims (2)

1.一种可重构单板皮卫星系统，包括数字数据处理模块、数据存储模块、通信模块、电压生成模块、GNC模块和相机模块，其特征在于：

其中数字数据处理模块包含电源管理控制器、计算处理单元、相机预处理单元和总线控制器，计算处理单元监测当前卫星电量状态信息，当检测到当前电量低于设定低阈值时，表明当前卫星电量不足，电源管理控制器通过控制电压生成模块对当前不工作模块进行断电处理，等待太阳能电池充电；当检测到当前电量高于设定高阈值时，表明当前太阳能电池对卫星充电已满，根据当前卫星电量来实现对系统供电的控制；采用IP核的计算处理单元是数字数据处理模块的核心，是任务管理和算法执行单元；相机预处理单元用以完成相机模块中照片原始数据到解码芯片间数据的处理，使照片的数据格式满足JPEG2000标准，总线控制器用以提供数字数据处理模块与其它 模块的接口；

所述数字数据处理模块中所有的逻辑、控制均使用FPGA实现，利用FPGA进行电源的动态管理，从而实现所述的电源管理控制器，将处理器IP核作为CPU，即计算处理单元，对数据做预处理的操作即作为相机预处理单元，按照I2C、UART、SPI总线时序实现总线控制器，其中，在使用处理器IP核时，为了增加计算处理单元的容错能力，对IP核进行全冗余处理，即将处理器内核复制三份，三个处理器内核各自执行相同程序，共享数据和程序存储，实现三模冗余；

所述的数据存储模块包含FLASH芯片以及外围电路，用于保存单板皮卫星初始化时的参数、图片压缩编码后的数据以及用于姿态轨道控制所需的地磁场数据；

所述的通信模块包含WIFI、UHF和S波段模块，用于地面测试单板皮卫星功能，指令的收发以及近距离与主星数据信息的交互，通过数字数据处理模块中的计算处理单元来控制切换，即连接模块的使能开关，通过不同的通信距离来使能不同的使能开关，即处于WIFI通信，则通过WIFI通信告知计算处理单元，当切换成S波段，则计算处理单元将S波段模块使能打开，S波段模块与外界重新建立连接，则WIFI通信断开，使用WIFI、UHF、S三种通信模块，将单板皮卫星工作状态通过通信模块传输给地面的测控系统或主星；

所述的电压生成模块用于提供单板皮卫星整体供电所需的电压，为单板皮卫星系统中各模块单独供电，数字电路、模拟电路和高频通信模块供电均分离设计，其中模拟电由DC-DC转换器升压后经LDO降压得到满足精度和噪声要求的模拟电压供系统使用，数字电路是DC-DC转换器转LDO供系统使用，高频通信直接使用DC-DC转换器输出的高频通信所需的电压；

所述的GNC模块采集当前单板皮卫星所处磁场信息以及转动量和加速度，即获取当前卫星运动状态和所处位置信息；

所述的相机模块用于单板皮卫星图像的采集，完成图像采集和图像数据的压缩，相机拍照后，将拍照的图像数据传给数字数据处理模块的相机预处理单元，对数据进行预处理，即提取图像灰度数据，使得图像数据的数据格式满足JPEG2000标准，预处理后的数据传输到相机模块中进行压缩编码；

系统上电后，电压生成模块产生各模块工作所需电压，为所有系统上电工作，当地面的测控系统或者主星发送指令时，指令由通信模块接收，传输给数字数据处理模块，经数字数据处理模块中的计算处理单元解析识别此指令后，如果是相机指令，则控制相机模块拍照，得到图片数据，如果是GNC指令，则通过GNC模块进行数据读取以及数据存储，需要存取的数据通过计算处理单元将数据存储在数据存储模块中，读取的数据和图片数据均通过通信模块发送。

2.根据权利要求1所述的一种可重构单板皮卫星系统，其特征在于：

用ADC采集太阳能贴片电压为V1，ADC的参考电压为LDO得到的模拟电压V2，LDO的噪声为均方根，ADC的转换公式为

其中M为数字码，K为ADC的性能参数，使用n位ADC，则K值为2ⁿ，将(V2-RMS)分为2ⁿ份，通过转换公式即可得到数字码。

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