基于VPX总线架构的便携式卫星测控平台研究.pdf

宇航计测技术2024 年2024 年 4 月第 44 卷 第 2 期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementApr.2024Vol.44No.2文章编号:1000-7202(2024)02-0078-09DOI:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.02.14基于 VPX 总线架构的便携式卫星测控平台研究刘 华1,赵天承2,张国义3,郭 凯1(1.北京遥测技术研究所,北京 100094;2.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076;3.航天科工空间工程发展有限公司,北京 100054)摘要:通过对常规卫星综合测控任务需求和便携式应用场景的分析,提出基于 VPX 总线架构的便携式卫星综合测控平台技术,采用标准化、通用化硬件模块和统一的可重构软件设计规范,实现多任务功能兼容。该平台可以支持测控、数传、中继等多种体制任务的任意配置和切换,支持多类型、多型号的任务扩展需求,有利于减少测控装备种类,降低测控平台系统装备成本,有效提升测控系统的经济性、灵活性和运用效能,为实现地面站与卫星/火箭机动测控提供了有力支撑。关键词:综合测控平台;便携式;VPX 总线架构中图分类号:V556.1文献标识码:A收稿日期:2023-07-19;修回日期:2023-11-10基金项目:航天科技集团青年拔尖人才支持工程(KY-09956)作者简介:刘华(1974-),女,高级工程师,硕士,主要研究方向:航天测控系统设计。通讯作者:张国义(1974-),男,研究员,博士,主要研究方向:卫星星座系统总体设计。A Portable Satellite Integrated Measurement and ControlPlatform Based on VPX Bus ArchitectureLIU Hua1,ZHAO Tiancheng2,ZHANG Guoyi3,Guo Kai1(1.Beijing Telemetry Research Institute,Beijing100094,China;2.Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing100076,China;3.CASIC Space Engineering Development Co.,Ltd.,Beijing 100039,China)Abstract:A technical solution for a portable satellite integrated measurement and control platform based on the VPXbus architecture is proposed,taking into account the requirements of both conventional satellite integrated measurement andcontrol tasks and portable applications.The collaborative development of task functions is achieved through the utilization ofstandardized and universal hardware modules,as well as a uniform reconfigurable software design specification.The platformallows for the seamless integration of various measurement and control tasks across different platforms and facilitates,theexpansion needs of multi-type and multi-model tasks,which is helpful to reduce the types of measurement and controlequipment,and reduce the equipment cost of the measurement and control platform system,and significantly enhances thesurvivability,flexibility,and combat effectiveness of the measurement and control system,and strongly support themeasurement and control of satellite/rocket maneuvers.Keywords:Integrated measurement and control platform;Portable;VPX bus architecture第 2 期基于 VPX 总线架构的便携式卫星测控平台研究0 引 言随着航天产业技术的不断发展,测控、数传的传输频率和技术体制在不断发展变化,商业航天的快速发展也对测控的数据传输速率、处理速度、便携性、单机可靠性等提出了更高的应用要求。为了适应这种要求,研究卫星测控平台松耦合、模块化、可扩展、便携开放式的平台体系结构,以及实现与具体应用无关、可复用的构件和服务能力成为当前的重要任务。“系统开放”架构通常是指采用标准化体系、按照功能划分架构层次、层次之间使用标准接口来实现互联1-3的结构。通过系统开放架构和松耦合结构在实现减少硬件种类的同时,降低系统研发和制造风险,快速形成货架可用产品。开放软件系统包括操作系统、人机界面、开发语言、数据库、网络等应用软件,开发环境是按照统一标准规范建立起来的,因此在体系化和模块化的基础上减少了平台软件类型和数量。基于机动站卫星测控的便携性、通用性、多模式等应用约束,需要设计新一代多协议交换总线(Verstatile Protocol Switch Bus,VPX)架构的便携式卫星测控平台。新一代 VPX 架构计算机平台拥有更高的背板交换速度4,具备更快的数据处理能力,便携机适应更严苛的环境条件及更复杂的电磁和振动环境5,基于 VPX 架构的物理处理平台目前理论带宽达到 10 Gbit/s,且扩展性良好6。通过VPX 架构下开放和标准化软硬件的资源配置,实现不同体制逻辑的任意加载和链路类型的可靠切换,在统一管控下实现相对独立的任务链路管理,从而满足航天测控平台测控、数传、中继等复杂链路应用需求。1 测控平台架构1.1 平台系统总体设计便携测控系统平台适应诸如厂房、阵地、场管站等静态及动态测试需求,具备无线接收、信道处理、基带解调等功能,采用分通道综合设计思路、开放式架构和高度综合化设计,结合模块化软硬件配置,实现系统按需重构和功能扩展。物理硬件主要由信道(射频处理)模块和基带模块构成,同时还包含相关接口处理。为提高便携性,信道模块和基带模块设计为 VPX 模块,搭载到便携式 VPX 机箱测控平台,如图 1 所示。机箱外观结构设计为加固计算机形式,自带上翻盖式显示屏,配备输入、输出用键盘和鼠标,基于 VPX 总线架构的便携式卫星测控平台位于机箱下部,内插 VPX信道模块和基带模块。基带处理器由 DSP、FPGA等器件实现。测控站射频前端由低噪放大器、功率放大器、滤波组件、重构天线等外置小型化硬件功能部件组成。图 1 便携式 VPX 机箱平台示意图Fig.1 Diagram of portable VPX chassis platform根据测控任务的需求设计软件任务管理功能,统一管理各模块硬件资源和软件模块,配置状态参数以及上传设备实时工作参数,实现对平台的设备管理和健康监控。具体功能软件模块预装载在硬件系统中,软件模块管理功能按照制定的工作策略和任务配置实现管理加载运行。各功能模块主要通过加载和配置驻留硬件系统逻辑参数,配合硬件实现具体功能。1.2 便携式测控平台架构便携式测控平台包括信道、基带、交换、控制和电源等功能模块。其中,信道模块实现射频信号频段转换和收发处理;基带模块采用软件无线电技术,通过动态配置实现测控、数传、中继等任务所需的基带信号处理;数据交换模块实现数据的交换和转发;控制模块控制平台任务的运行;电源模块给平台的其他各模块提供对应的直流电。同规格硬件模块之间通过具有可扩展特征和97宇航计测技术2024 年开放性的 Switch Fabric(交换网络)互联,形成所谓的“资源池”;便携测控基带平台采用软件通信体系结构(Software Communication Architecture,SCA)以满足多链路功能及多体制功能的开发。如图 2 所示,测控平台使用 ANSI/VITA46 标准的 Open VPX 系统架构,内插基带、信道、电源、交换、接口、主控等功能模块,预留扩展能力,具备可扩展的测控、数传、中继、加解密等能力。图 2 VPX 架构测控平台Fig.2 Measurement and control platform based on VPX bus architecture 信道模块实现射频信号的收发、放大、频段转换和滤波,需要在 L、S、X 和 Ka 频段中完成对应频段的上、下变频,并保证多信道的电磁兼容性;基带模块实现在指令配置下完成测控、数传和中继功能;电源模块实现将机箱交流电源转换成各模块板卡所需要的 3.3 V、5 V、12 V 和 24 V 直流电,利用VPX 背板提供给各板卡模块7。如图 3 所示,便携式机箱内部各板卡模块插在图 3 Open VPX 平台模块拓扑互联架构Fig.3 Topology interconnection architecture of open VPX platform module08第 2 期基于 VPX 总线架构的便携式卫星测控平台研究VPX 总线插槽 SLOT1SLOT6 的槽位,通过 VPX 高速总线实现数据和指令的传输;机箱 VPX 电源通过P0 的 POWER 接口给各板卡模块供电,平台所有地线接口(CNFG Bus)统一接地,P0 的 CLOCK MLVDS给各板卡提供时钟信号,控制总线常选用以太网,采用 RS422 做备份;P2 接口数据总线 DP 可选用以太网、LVDS 接口、SRIO 总线等,模块健康参数采集通常用 I2C 串行总线。平台所有模块信号处理层数据(Data Plane)统一通过 VPX 总线接口 P1 互联,通过背板对外连接。控制单元通过 P2 千兆以太网 CP控制接口为各模块配置工作模式和参数,并由各功能模块按时序逻辑返回状态加载信息,然后按平台配置逻辑和程序执行相应功能8。平台内部驱动程序包括文件系统、控制模块驱动、通道模块驱动、I/O 子系统、RapidIO 协议栈等。实时中间件结合 RapidIO 总线完成各板卡模块芯片互连,并完成模块间数据传输。2 系统软件体系架构平台采用“软件定义一切”(Software DefinedAnything,SDX)作为设计理念,SDX 就是将原来紧密耦合的软件实体,通过抽象化和标准化,解耦为各自独立的软件组件,并按需求自动进行资源的部署和管理,通过软件重构实现不同实体的功能,实现系统运行效率最大化9。其本质是“增加中间层以实现软件架构的解构和重组”,基本方式是“资源虚拟化、软件层次化、应用定制化”。资源虚拟化即将软硬件资源抽象化,以便灵活重构、重组;软件层次化指通过对软硬件资源进行统一定义、构造、管控、分配,并通过通信中间件层解除了各层与平台驱动层(资源层)间的紧耦合关系,也能让软件、算法可以独立演化和快速迭代10;应用定制化是指根据用户具体需求而提供高度客制化的软件。便携式测控平台软件设计上要满足平台的多通道、多体制测控通信需求。在通用信号/信息处理平台满足标准、开放、可互操作的基础上,平台软件将不同体制测控、中继、通信功能进行标准化封装,使之成为符合规范的软件构件,实现测控功能软件任务与底层硬件的解耦,满足硬件资源的复用和灵活重组要求,通过重构和加载的方式完成对便携平台软硬件资源的配置,实现通道逻辑的配置和构建,从而完成不同的测控、中继、数传等任务。如图 4 所示,按分层、标准化、抽象化的要求,平台软件共分为 4 层,分别是应用层、平台层、中间件层和驱动层。2.1 应用层应用层由测控应用、数传应用、中继应用和扩展业务应用组成,通过可扩展开放的应用程序编程接口,用户可以自主定制扩展功能。功能应用层通过层间接口与系统平台层交互,同时,功能应用层也可以对本身的功能进行抽象、封装来对外提供代理接口。本层设计上实现测控平台功能项的功能控制、数据处理、算法、信号处理以及相应的控制接口,实现包括测控链、数传链、中继链和扩展链等业务模式的功能。而其所有功能的物理实现均在各硬件模块的 FPGA、DSP 处理器的逻辑程序中实现。2.2 平台层平台层是功能逻辑集中的实体,其定义和构造功能逻辑实体是本层的主要资源。在承担将功能应用层需求转换为实际资源调用指令的同时,也能将本层资源的状态提供给功能应用层。包含信息处理、接口管理、资源调度、资源申请部署、系统资源监视、资源释放回收、负载均衡等多种业务监控与管理功能,并起到链接和配置基础层资源的作用。2.2.1 框架模型子层平台层的框架模型子层软件的功能包括:1)框架资源管理能适应功能模块和组件的属性、数目、模块端口类型以及连接关系的变化。2)提供软、硬件资源的逻辑控制机制,维护软、硬件资源数据库,确保软、硬件的属性,确保组件连接关系和驻留位置,确保与控制服务模块接口及软件组件间逻辑连接关系。3)管理平台系统资源软件组件间的逻辑连接关系及硬件模块间的端口连接关系,支持图形化对话框装载和配置方式。2.2.2 控制管理子层平台层的控制管理子层的功能包括:1)系统工作管理负责定义系统的业务逻辑和工作参数/状态迁移,维护系统平台工作状态参数;根据资源管理监视系统工作状态,实时显示资源利用率和运行线程等在线工作状态。18宇航计测技术2024 年图 4 软件体系结构框图Fig.4 Block diagram of software architecture 2)系统资源管理负责与框架模型子层共同提供接口服务,控制管理程序动态加载,其中资源控制、信息采集和状态管理等都通过基础服务来实现。3)重构策略管理负责定义平台的重构策略,并维护平台工作状态,输出平台重构装载方案。4)ICD 解析与封装完成 I/O 模块的平台接口数据的处理。5)系统健康管理完成对各层软件、平台硬件和运行线程的工作状态监测管理,并处理和定位平台系统故障位置。6)系统参数配置负责按照配置计划,提前载入任务参数,并分发装订到板卡模块。7)任务调度负责按照计划配置,完成计划任务的启动、执行、结束等操作。8)插件管理负责按计划配置完成平台任务功能插件的配置和加载。9)系统线程管理负责系统线程的参数加载、构建功能线程等参数管理控制。10)接口控制转换负责完成 I/O 模块平台接口协议的转换和数据转发,执行接口控制命令。11)测控信息处理负责遥测信息解调和传输,产生遥控指令、遥控信息处理等。2.3 中间件层中间件层通过硬件抽象适配层向下实现对平台硬件的驱动层软件(操纵与控制)接口,位于应用软件(功能层和系统层)之下和操作系统之上,支撑实现软件与硬件间的解耦合或者松耦合设计。其利用中间件接口服务向上为系统应用软件提供资源配置和通信服务,并提供系统平台监控服务。中间件层包括中间件服务接口、平台网络管理、拓展以太网通信服务、RapidIO 网络通信服务、模块支持单元、XML 解析、硬件抽象适配层等。2.4 驱动层驱动层包括板级支持软件包、硬件接口的软件驱动(Software,SW)以及商用操作系统,提供系统的基本操作环境。28第 2 期基于 VPX 总线架构的便携式卫星测控平台研究驱动层设计逻辑上是使能系统的物理基础层,核心是硬件支持软件,其中包括各类实现测控、数传、中继功能的通用处理器(DSP、FPGA、CPU)资源底层硬件支持软件等,也包括时频模块、存储器、网络模块、射频前端、信道模块支持包等,支持包是绑定物理器件的基础软件。3 硬件功能模块设计3.1 基带模块设计3.1.1 原理设计基带 模 块 采 用 系 统 综 合 设 计 思 路,基 于OpenVPX 架构设计,以中心处理与控制单元作为基带管理中心,协调其他处理单元,实现对便携测控平台的信号处理、数据交互以及信息管理功能11,12。基带模块主要由信道处理单元、信号处理单元、时钟系统管理单元、存储单元、中心处理控制单元、射频管理接口、接口处理单元、基带电源管理单元以及基带健康管理单元组成,其实现原理框图如图 5 所示。基带信道处理完成对信道模块输出中频信号接收、放大、增益控制和滤波功能,输出送到信道模块,进行上行的中频处理(包括增益控制和滤波)功能,可根据不同的配置模式参数调整采样频率、本振频率以及基带滤波带宽等。基带信号处理单元完成中频信号采样、同步和编解码处理功能,在中心处理控制单元的模式配置下,加载配置不同的基带处理模式,装订相应的参数,组合功能组件,实现功能软件的重构和基带工作模式变换。图 5 基带模块设计框图Fig.5 Schematic diagram of baseband module design 射频管理接口利用 I2C 总线,对信道模块发送基带的控制指令并接收处理信道模块状态信息。存储单元用于存储业务数据及各功能软件,中心处理控制单元按任务需求可从存储单元提取所需的功能软件和组件,组合加载实现所需的基带工作模式。基带电源管理提供基带各模组和器件所需的供电资源管理。基带健康管理单元对基带进行在线实时自检和测试,利用板载感应器对基带自身温度进行采集,采集基带模组、器件在线技术参数和状态信息,38宇航计测技术2024 年并利用 I2C 总线将以上信息打包传送到平台监控实现基带设备在线健康监控。3.1.2 电路实现在基带模块硬件上,主要应用 DSP 芯片、FPGA芯片、接口芯片、存储芯片和宽带 A/D 等电路。由基带模块控制处理器进行调度配置其余信号处理器,通过设计不同模式的加载文件实现同一硬件支持不同体制的链路应用。存储在 FLASH 中的功能软件按照基带控制处理器的地址分配,实现在信号处理 FPGA 中的配置加载。DSP 芯片主要用于测控、测量和定轨的解算处理,输出处理信息和数传信息。主要采用的接口芯片包括以太网芯片、RS422 接口芯片、SRIO 控制芯片和 I2C 芯片。基带信号处理电原理图如图 6 所示。图 6 基带信号处理电原理图Fig.6 Electrical schematic diagram of baseband signal processing3.2 信道模块设计信道模块采用通用模块化设计,通过不同加载软件配置完成多通道、多链路宽带射频信号接收、放大及发射功放输出5,实现射频频率变换、中频频率变换、选频滤波、收发和放大。其中频率选控、变频传输及健康监控功能实现方式如下:1)信道模块通过 I2C 接口(VPX 总线)接收基带模块的控制信息,按照配置参数对信道模块的频率选择和模块供电进行资源管理,以适应不同链路的模式要求,同时根据重构天线供电需求进行供电资源管理匹配。2)信道模块实现多通道的射频/中频信号选通、变频、滤波和处理放大。下变频后的中频信号通过 VPX 接口传送到基带模块;上变频后的射频信号经功率放大后,最后通过重构收发天线完成发射。3)信道模块具备自身健康状态监测汇集功能,由 VPX 板间接口传递到基带模块,基带主控模块通过 I2C 总线接受信道模块健康监控信息。信道模块原理框图如图 7 所示。基带模块的中心处理控制单元通过 I2C 总线和射频管理接口控制信道模块的硬件资源,包括射频/中频变换处理资源和电源。软件任务管理层配置信道模块对应硬件以满足对应功能模式需求。基带模块通过 I2C总线管理接口实现监控信道模块的状态和健康信息。基带模块的中心处理控制单元通过信道模块实现配置天线状态参数。信道模块资源包括功率放大、低噪声放大、中频/射频变换、射频/中频变换和多级滤波器资源。48第 2 期基于 VPX 总线架构的便携式卫星测控平台研究图 7 信道模块设计框图Fig.7 Schematic diagram of channel module design4 验证与分析基于 VPX 架构的便携式测控平台功能和性能指标测试均符合设计要求,接收解调测控、数传、测量信号满足灵敏度和动态范围指标要求,测控帧计数和数传帧计数连续,未发现丢帧现象,内外部接口数据读取写入正常,无异常延时现象。在 5 24 h 常温测试和 2 24 h 的 40 高温连续拷机期间,测试指标均满足设计要求,各模块工作正常,平台软件运转正常,无卡滞和异常现象。便携式测控平台的运输考核经过 300 km 三级公路等效运输测试,运输测试后,便携式测控平台加电工作正常,证明抗恶劣力学环境性能满足要求。常规地面测控平台系统面向运载火箭遥测和卫星测控领域,根据试验任务需求通常设计为固定站或车(船)载等机动站模式,其特点是体积大、灵活机动性能差。特别是针对单元测试和发射前总检查等静态测试应用场景,由于试验空间环境受限,携带、移动极不方便,车载系统平台虽然具有良好的机动性能,但每次移动均需耗费大量人力和物力资源,成本高昂。对比分析常规测控系统(固定站与机动站)、基于 CPCI 总线的便携式测控系统和基于 VPX 架构的便携式测控系统,结果如表 1所示。表 1 常规测控系统与基于 VPX 架构的便携式测控系统应用对比分析Tab.1 Application comparison and analysis between conventional measurement and control system and portable VPXmeasurement and control system系统常规测控系统(固定式及机动式)基于 CPCI 总线的便携式测控系统基于 VPX 架构的便携式测控系统功能用途适用于实验室、静态测试及动态测试等多种卫星测试适用于实验室、静态测试等应用场景,配合跟踪天线可适用于跟踪等动态测试适用于实验室、静态测试等应用场景,配合跟踪天线可适用于跟踪等动态测试系统模式配置主流产品不在一个平台上支持配置:测控、数传、中继模式主流产品不在一个平台上支持配置:测控、数传、中继模式支持配置为:测控、数传、中继模式功能模块配置、任务灵活性(模块重组支持多种模式)未完全按分层化、标准化架构开发,功能模块不支持测控、数传、中继三类功能配置未完全按分层化、标准化架构开发,功能模块不支持测控、数传、中继三类功能配置四层软件架构中基础协议模块(18 个)、核心协议模块(27 个)可以按 3 类业务模式进行配置,在一套通用硬件上支持测控、数传、中继、通信功能58宇航计测技术2024 年续表 1系统常规测控系统(固定式及机动式)基于 CPCI 总线的便携式测控系统基于 VPX 架构的便携式测控系统测试性能丢帧率门限指标满足任务要求满足任务要求满足任务要求遥测解调门限指标满足任务要求满足任务要求满足任务要求测距精度指标满足任务要求满足任务要求满足任务要求测速精度指标满足任务要求满足任务要求满足任务要求作用距离作用距离较远相比固定站和机动站,因天线配置小,作用距离略小相比固定站和机动站,因天线配置小,作用距离略小便携性及抗震及冷却性能需要额外整体减震及冷却措施,性能较差,不具备便携性抗震及冷却性能中等,具备便携性具备原 VME 总线机械结构的优势,抗震及导冷性能较好,便携性较好建设成本高低低体积重量体积重量大(从几百公斤到吨级),体积小,重量较轻(常见 15 20 kg)体积小,重量较 CPCI 便携式测控系统减轻 1/2 基于 VPX 架构的便携开放式测控平台系统通过将核心基带设备高度集成化,将射频信道到数据解调等功能模块搭建于同一基础平台,外接有源或无源天线等技术手段,实现卫星测控、数传、中继测试等功能,解决了测控站在实验室和发射前总检查等静态应用场景下的单人便携问题。5 结束语基于 VPX 架构的便携开放式测控平台系统可以根据测控、测量、数传、中继等任务配置系统模式状态,通过系统模式和功能模块的配置变化,实现模态通用化测控、测量、数传、中继任务的平台适应支撑功能;通过 VPX 标准化接口设计实现模块多平台匹配性和互操作性,支持体制功能配置的统一管控,形成测控体系快速扩展能力,满足未来更广泛的机动测试应用需求,降低便携多模式测控站系统生产和装备成本,有效提升测控系统的试验效能,为实现地面站的便携性与保障卫星/火箭的机动测控提供了有力支撑。参考文献1 杨同智,党建成,钟靓.面向批产的卫星综合测试技术体系研究J.宇航计测技术,2021,41(2):61-66.2 吴龙文.综合电子系统一体化技术研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.3 曹彦伟,尹甲人.基于 VPX 标准的通用信号处理机结构设计J.机械工程师,2015,17(10):195-197.4 谷晓鹏,杨玉亮,张然.基于 VPX 的 SRIO 通信模块设计J.雷达与对抗,2015,7(6):64-68.5 洪艳,沈利华.基于 VPX 高速综合信息处理平台设计J.导弹与航天运载技术,2011,5(3):58-61.6 Sam Fuller.RapidIO 嵌入式系统互连M.王勇,译.北京:电子工业出版社,2016:202-255.7 高业文.一种机载 RapidIO 系统的国产化设计J.航空计算技术,2023,5(3):107-111.8 李超,焦义文,傅诗媛,等.软件定义测控系统体系架构与关键技术J.中国空间科学技术,2023,43(6):14-24.9 杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电技术与应用M.北京:北京理工大学出版社,2010:251-252.10 SHENG Z,WANG H,Yin C,et al.Lightweight manage-ment of resource constrained sensor devices in internet ofthingsJ.IEEE Internet of Things Journal,2015,2(5):402-411.11 吴远斌.多功能射频综合一体化技术的研究J.现代雷达,2013,35(8):70-74.12 王权,向晏冰,刘雷,等.导弹武器电子系统一体化综合集成设计及关键技术J.战术导弹技术,2014,15(1):67-97.68