【摘要】：為適應國家航天發(fā)展和科技創(chuàng)新重大需求,促進航天產(chǎn)品和技術改進升級,需瞄準前沿方向開展關鍵技術研究,為航天工程型號任務提供技術支撐,強化技術儲備�？臻g綜合電子是航天器的核心電子設備,要實現(xiàn)高性能、輕小型和低成本,必須進行綜合規(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)議和軟硬件接口實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能、高可靠性、高功能密度和高效率。將標準化、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)和具體實現(xiàn)技術的基礎上,結(jié)合未來實際工程需求,對綜合電子技術進行詳細研究。對國內(nèi)外綜合電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進行分析,提出了具有一定開放性的綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)模型。設計了以星載計算機為核心的演示驗證系統(tǒng),詳細介紹了各功能單元的具體實現(xiàn)。研究了高速串行SerDes接口,并進行了仿真。改進了已有的高速復接和大容量存儲設計,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)議標準和常用通信協(xié)議,制定了歸一化、通用化傳輸層和應用層協(xié)議。對系統(tǒng)架構(gòu)和關鍵技術進行了測試和驗證。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用的技術,同時實現(xiàn)了多項技術創(chuàng)新。建立了一種新型的高性能、模塊化、可重構(gòu)、可擴展的一體化空間綜合電子系統(tǒng)架構(gòu),實現(xiàn)星務管理、載荷管理、高速大容量存儲、高速復接等功能集成,實現(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展性,實現(xiàn)了系統(tǒng)的標準化。在已實現(xiàn)SRAM型FPGA在軌重構(gòu)的基礎上,首次實現(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、功能升級以及擴展能力,提高了系統(tǒng)的功能適應性和可靠性。開發(fā)了可擴展的低速時分復用接口,能夠簡化信號連接關系和控制邏輯,并可根據(jù)任務需求進行擴展和配置。實現(xiàn)了適合空間環(huán)境應用的板內(nèi)模塊間、板間、設備間的輕量、高速、低遲滯、點至點高速串行鏈路,通信速率可達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行了仿真。設計了更高性能的大容量存儲器,采用主存儲控制單元+擴展存儲陣列單元的架構(gòu)。通過128位數(shù)據(jù)總線并行擴展技術、四級流水線加載技術和SerDes接口,大幅提升了性能,吞吐率可達4Gbps,存儲容量2Tbits,并支持容量擴展。針對目前航天器在星上鏈路協(xié)議標準化方面存在的問題,提出了一種采用CCSDS航天器星載接口業(yè)務分層思想的協(xié)議架構(gòu)。設計了通用的傳輸層協(xié)議和應用層協(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)議進行研究及驗證,掌握綜合電子系統(tǒng)的軟硬件設計理念,將為航天型號任務提供技術儲備,促進綜合電子技術的發(fā)展,使其適應未來星箭平臺和先進載荷對電子技術的需求。本文的研究成果對后續(xù)工程實施具有借鑒意義。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V443
【圖文】：

mm）和 6U（233.35*160mm）兩種規(guī)格大小。cPCI Seria準，定義了一個模塊化計算機系統(tǒng)，包括一個無源背板、外設模塊。支持的數(shù)據(jù)帶寬高達 8 Gb/s PCI Express、6及 10 Gb Ethernet。2017 年，在 cPCI Serial 的基礎上，erial Space[38]，目的是將 cPCI Serial 應用到太空中。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)的星載計算機 個電源控制單元（PCDU），2 個遙測遙控單元（TM/TOBC），3 個遠程數(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)，通過時間觸或 SpaceWire 連接所有單元，3 個遠程數(shù)據(jù)集聚單元同由器連接。每個單元可以單獨加斷電，該拓撲結(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系。2天應用的標準 ANSI/VITA78.00-2015 SpaceVPX Sy構(gòu)創(chuàng)建標準化的接口、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)境下的期運行的能力。SpaceVPX 標準定義了有效載荷、開文件，以滿足空間應用需求，并且在應用層面上加入SpaceVPX 采用點對點串行總線方式，而不是并行并可以避免模塊失效導致影響整個系統(tǒng)。SpaceVPX準（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、機箱于交換的點對點連接，并可實現(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 典型拓撲結(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本文設計的背板模型對 cPCI 和 VPX 標準進行研究，結(jié)合我們現(xiàn)有航天項目的星載

【參考文獻】

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本文編號：2749247