一种复杂载荷任务的卫星数据信息链设计

元勇 赵元清 李佳宁 董振辉 穆强

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

卫星数据信息链[1]是指以卫星数据为中心,包含任务管控、信道收发、信息处理、分发传输、终端应用等环节的信息链路,卫星数据信息链设计是卫星总体设计[2]的关键部分。硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星以高时间分辨率、快速机动成像、多样化姿态模式、有效载荷长期加电工作等特点对卫星数据信息链系统设计提出了更高的要求。

按照数据信息的作用划分,卫星数据信息链传输的内容一般分为3类:①用于维护卫星工作状态,完成载荷任务的控制类信息,包括遥控指令、卫星时间数据等;②用于监控卫星健康状态的遥测数据和辅助数据;③星上有效载荷设备产生的观测数据,包括科学数据和辅助数据。

对于不同的数据信息,其数据率、信息链传递路径、对传输要求的实时性也各不相同,本文在分析硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星数据信息交互需求的基础上,根据数据信源、信宿的特点,充分利用当前遥感卫星平台[3]资源,建立了以星上中央处理单元(CTU)为核心,适用于复杂载荷任务的数据信息链系统。数据信息链系统采用二级分布式拓扑接口,CTU和星上各总线终端通过一套双冗余的串行数据总线(SDB)实现控制类信息和辅助数据传递,有效载荷观测数据通过设备间的低压差分信号接口(LVDS)电缆传输。CTU作为整个信息链系统的控制核心,根据卫星观测模式和载荷任务,采取相应的调度策略,实现星上数据链系统实时、高效地运行。

1 卫星数据信息需求分析

1.1 卫星特点

HXMT卫星作为中国第一颗大型X射线天文卫星,相比传统对地传输遥感卫星具有以下特点:

(1)通过载荷光轴对天指向来实现对众多天体目标和现象高质量的科学观测,卫星对天惯性定向观测,观测目标遍布整个天球,卫星在过境弧段无固定对地面。

(2)卫星包括4种主要观测模式,巡天观测模式、小天区观测模式、定点观测模式和伽马暴观测模式,对卫星姿态控制要求高,要求卫星可随时根据观测目标的变化在4种主要观测模式之间快速、准确地切换。

(3)卫星自主安全管理要求高,除了常规入轨段程控、蓄电池放电管理、整星转最小能源管理等,由于卫星姿态的不确定性和有效载荷对工作环境要求的苛刻性,还需增加南大西洋异常区载荷安全保护、载荷温度异常升高自主判定、数传天线自主切换控制等功能,对卫星时间实时性和同步性提出了更高的要求。

(4)卫星有效载荷为长期加电工作模式,有效载荷每天产生的数据量为350 Gbit,对卫星有效载荷数据长期、持续传输稳定性要求高。

1.2 卫星数据信息需求

根据HXMT卫星观测模式和载荷任务需求,梳理出卫星数据信息需求,如表1所示。

表1 卫星信息需求Table 1 Information flow requirements

(1)上行遥控数据。由地面产生,通过测控通道传送至卫星,经测控应答机接收、解调后送卫星CTU解析,CTU根据解析结果通过总线发送给各用户终端。此类信息与卫星任务甚至整星安全直接相关,对信息链的实时性要求很高。卫星上行遥控数据率不超过2 kbit/s。

(2)下行遥测数据。星上CTU首先通过总线获取整星遥测数据,采用国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)高级在轨系统(Advanced Orbiting Systems,AOS)所规定的体制,形成统一的数据流通过测控信道下传。此类信息与卫星健康状态直接相关,对信息链路的可靠性、实时性要求高,卫星遥测数据传输速率不超过4096 bit/s。

(3)卫星时间数据:包括CTU时间、GPS秒脉冲、秒脉冲整秒时刻、校时时差等。此类信息是实现卫星时间系统同步、保证载荷任务顺利实施的关键,设计过程中在保证信息传递链路高实时性和同步性的同时,还要考虑冗余、容错设计。卫星时间数据传输速率不超过192 bit/s。

(4)卫星辅助数据。包括GPS定位、定轨数据、GPS原始测量数据等。此类信息用于地面精密定轨、载荷数据高精度解析,设计过程中重点需要考虑数据传输、存储的完整性。卫星辅助数据传输速率不超过2608 bit/s。

(5)载荷观测数据。包括高能、中能和低能望远镜科学数据和工程数据。其中科学数据传输速率高,需要采用大容量存储设备和专用的传输通道,工程数据传输速率较低,重点需要考虑数据传输的完整性。载荷科学数据传输速率不超过20 Mbit/s,工程数据传输速率不超过3252 bit/s。

2 卫星数据信息链设计

针对第1节的数据信息需求分析结果,在卫星数据信息链系统设计中,充分利用现有卫星平台的成熟技术,根据不同的数据信息类型和传输速率,选择合适的信息链路。卫星数据信息链系统包括遥控遥测信息链、卫星时间同步信息链和卫星载荷数据链3部分,卫星数据信息链系统框图如图1所示。

图1 HXMT卫星信息链系统Fig.1 Information chain system of HXMT satellite

对于遥测遥控类和时间类数据,其数据传输速率不高,对传输实时性和可靠性要求高,在设计时选用当前国内成熟的1553B总线作为信息传输链路,采用热冗余的A、B双总线;对于辅助类数据和载荷工程数据,考虑到其信源设备与1553B总线有接口,同时数据率较低,为了保证数据传输的完整性,同样采用1553B总线作为信息传输链路。

对于载荷科学数据,由于数据传输速率比较高,需要采用专用的传输通道。当前国内卫星比较成熟的高速数据传输接口包括TLK2711高速串行接口和LVDS接口,其中TLK2711接口传输速率最高可达2 Gbit/s,LVDS接口在电缆长度不超过10 m时传输速率可达400 Mbit/s。综合考虑载荷科学数据率不超过20 Mbit/s,同时信源由多台载荷设备组成,选择采用LVDS电缆作为科学数据传输链路。

综上,HXMT卫星数据信息链系统采用二级分布式拓扑结构,形成设备和部件的分级处理模式,以降低数据信息传递接口的复杂度。主干结构基于1553B总线,以CTU为总线控制器,依据载荷任务,分时调度[4]、传输控制类信息;载荷设备在控制指令的操控和驱动下,通过LVDS接口传输载荷科学数据。通过1553B总线传输的总数据率不超过200 kbit/s,相比总线传输的标称速率1 Mbit/s,系统设计余量不低于80%。

2.1 遥控遥测信息链

卫星遥控遥测信息链由星上测控分系统和数管分系统共同完成,测控USB应答机通过测控信道接收遥控射频信号,解调后的信息送CTU进行解析、分发处理;CTU通过采集遥测信息,经组帧处理后送测控USB应答机下传地面。卫星遥控遥测信息链如图2所示。

图2 HXMT卫星上下行测控信息链Fig.2 HXMT satellite TT&C information chain

2.1.1 遥控信息链

测控USB接收机首先将解调后遥控上行信号送遥控单元(TCU),TCU通过串口把解调出的遥控数据送CTU,CTU根据数据类型和内容通过总线发至不同的用户终端。

2.1.2 遥测信息链及信道调度机制

CTU通过总线采集遥测数据,生成符合AOS标准的遥测帧,送测控USB发射机下传地面。AOS遥测帧的组织调度与下传,采用虚拟信道(VC)和包信道两级调度机制,通过虚拟信道的动态调度机制[5],实现对同一物理信道的多路复用,具体说明如下:

1)一级调度机制

一级调度机制为VC调度方式,分为2个VC:

(1)VC为010101B,组织传输遥测。此VC将主要占据测控物理信道,仅在地面发送内存读出指令的条件下,短期释放其占用权,交与另一个VC,传输内存读出数据;

(2)VC为101010B,仅组织传输内存读出数据。此VC的调度受控于地面指令,每次占用测控物理信道的时间≤3 s。

2)二级调度机制

二级调度机制为VC级别下的包信道调度方式,即源包调度。依据卫星遥测模式分别对遥测源包(E-PDU)进行多路复用,生成多路协议数据单元(M-PDU),填充入虚拟信道数据单元(VCDU)数据单元区中。

(1)遥测源包按照遥测模式下多路周期T由小到大,排列优先级;

(2)特定模式下某遥测源包i首次填充入M-PDU数据区中,记录此M-PDU的序列计数K,结合多路周期T,则能得出该遥测源包i会填充入哪些M-PDU数据区中(K＋n T),对于序列标识为K＋n T(n＝0,1…)的M-PDU,该遥测源包i必须予以填充;

(3)每生成一个M-PDU,对遥测源包优先级重新进行排列,将下一个M-PDU按照多路周期必须填充的参数包按照优先级进行排列,剩余遥测源包按照优先级排列其后;

(4)根据M-PDU数据区长度,从遥测源包队列中提取遥测源包,若数据区末尾的遥测源包E-PDU超出数据区长度,顺序填入下一个M-PDU数据区中。

2.2 高精度时间同步信息链

HXMT卫星有效载荷包括高能、中能和低能望远镜,高能望远镜实现20～250 ke V能区的硬X射线观测,中能望远镜实现5～30 ke V能区的硬X射线观测,低能望远镜实现1～15 ke V能区的硬X射线观测。为达到上述目标,要求载荷系统处理一个光子事件的时间足够短,以不致引起占用时间过长,经分析,高能望远镜的时间分辨率要高于25μs,中能和低能望远镜的时间分辨率要高于1 ms。

为满足载荷设备对高精度时间同步的需求,设计基于GPS秒脉冲和整秒时刻的高精度时间同步[6]信息链。以GPS接收机的硬件秒脉冲作为统一校对时间基准,辅以CTU通过总线实时接收并广播CTU时间和整秒时刻,实现卫星时间同步。卫星时间同步信息链组成如图3所示。

图3 卫星时间同步信息链Fig.3 Time synchronization information chain

CTU通过总线每秒广播GPS整秒时刻,有效载荷设备根据广播的GPS整秒时刻生成本地星时整秒。高稳定时间单元5 MHz时钟用于驱动有效载荷设备产生高精度本地计时时钟,GPS接收机在定位的情况下通过同轴电缆每秒输出硬件秒脉冲,有效载荷设备根据硬件秒脉冲启动本地时钟计时,同时通过对相邻2个秒脉冲的计时实现对时钟频率的标定。在考虑电缆传输时延的情况下,在GPS非定位的情况下,星上可保证在33 min时间内时间精度误差不超过10μs。

高稳定时间单元40 k Hz信号用于驱动CTU产生CTU时间,CTU通过总线每秒广播CTU时间,当GPS秒脉冲和整秒时刻输出异常时,有效载荷设备可以用CTU时间代替本地时间,作为时间同步的备份手段。根据高稳定时间单元晶振稳定度、总线广播时延、CTU软件处理时延等指标,计算可得CTU时间精度误差不超过5 ms。

CTU在广播星时的同时,也可以通过校时方式维护星时精度。校时方式包括地面集中校时、CTU均匀校时、GPS自主校时和GPS强制校时。校时一般过程为,CTU首先通过总线发送CTU时间,然后通过总线接收GPS返回的时间差,利用时间差修正自身的卫星时间。

2.3 有效载荷数据信息链

当观测目标为20Crab源时,有效载荷每天产生的数据量为350 Gbit,有效载荷科学数据和工程数据以源包形式传递。有效载荷数据源包[7]的传递路径与数据传输模式有关,不同的数据传输模式下,有效载荷数据源包的传递路径也不一样。有效载荷数据传输模式包括记录模式、直传＋记录模式、直传＋回放＋记录模式。不同的数据传输模式下,有效载荷数据源包传递路径如表2所示。

表2 载荷数据源包传递路径Table 2 Payload data source package transfer path

有效载荷数据信息链包括载荷设备与数据处理器之间的LVDS接口链路、数据处理器和固态存储器之间的LVDS接口链路、载荷设备和数传控制单元之间1553B总线链路。卫星有效载荷数据信息链系统如图4所示。

数据处理器以LVDS接口接收高能、中能和低能望远镜载荷数据,其中高能望远镜的高能电控箱包括3路LVDS接口,中能和低能望远镜的电控箱各包括1路LVDS接口,各路信号均为1 bit串行传输,最大传输速率不超过20 Mbit/s。数据处理器与固态存储器接口包括记录接口和回放接口两类,记录和回放各包括2路LVDS接口,记录速率30 MHz×2 bit和60 MHz×2 bit两档可调,回放速率30 MHz×2 bit和60 MHz×2 bit两档可调。载荷工程数据在CTU的调度下,通过总线发送给数传控制单元,与载荷科学数据合路后通过LVDS接口发送给固态存储器。

图4 有效载荷数据信息链Fig.4 Payload data information chain system

3 可靠性安全性设计

3.1 冗余设计

HXMT卫星数据信息链系统设计过程中,针对数据信息链的关键环节采取了多种冗余设计,提高了信息传递的可靠性。

(1)地面上注的指令采用指令执行单元主备份均发送的策略。

(2)卫星时间数据通过总线广播时,采用A、B总线交替进行的策略,每秒广播一次,A、B总线交替进行。

(3)为了更好地利用A、B总线的热冗余功能,提高系统的可靠性,采取了总线消息重试设计。对于遥控指令、卫星时间、卫星重要数据等信息,当发送失败时,进行消息重试,即使用冗余总线进行一次重试。

(4)数据处理器与有效载荷之间的LVDS接口采用交叉备份方式,交叉备份由有效载荷实现;数据处理器与固态存储器间接口采用交叉备份方式,交叉备份由固态存储器实现。

3.2 故障处理机制

针对数据信息传递过程中可能出现的总线通信故障、软件故障和硬件故障,设计了卫星数据信息传递故障处理机制。

(1)CTU依据总线通信状态与各总线终端(RT)进行通信,如果发生RT无响应、RT响应超时、总线消息错误的情况,则此次通讯失败。若通讯失败,CTU按照与RT约定的数值对数据进行填充。

(2)CTU每秒对各RT消息矢量字进行查询,并记录总线通信的状态,当连续10次所有终端都不通时,CTU切机。

4 试验验证

HXMT卫星研制期间,经多次迭代开展数据信息链设计工作,形成卫星数据信息链系统。为保证卫星信息链系统设计可行,在卫星研制各阶段开展了不同级别的测试验证工作,除了分系统单机及分系统内部按照各通信协议规定的接口要求进行测试以外,在分系统间还开展了总线联试、载荷数据接口联试等测试项目,在整星层面开展了各种模式测试,覆盖了卫星正常及故障工况。同时开展了测试覆盖性分析,确保信息链系统中所有数据信息传递的路径均经过测试验证。

2017年6月16日－2017年6月24日,HXMT卫星飞控期间,地面上注指令执行正确,地面接收卫星下传遥测正常;期间共进行6次地面控制和15次星上自主控制的载荷科学数据下传,载荷科学数据全部按预期下传,下传数据正确;期间卫星使用GPS自主校时,校时时差精度在－500～＋475μs之间,优于5 ms校时精度要求。

HXMT卫星在轨运行结果表明,卫星信息链系统工作正常,满足卫星需求。

5 结束语

HXMT卫星数据信息链系统设计以信息交互的实时性和可靠性为目标,信息传递的关键环节均从传输通道、节点处理、时序控制等多方面进行设计保证。经在轨验证,卫星数据信息链系统运行稳定,满足任务要求。HXMT卫星采用的高实时性和可靠性数据信息链系统可供后续低轨遥感卫星,尤其是空间科学试验卫星数据信息链的设计借鉴。

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