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CN105786755A - 一种高集成的纳卫星星载计算机系统 - Google Patents

一种高集成的纳卫星星载计算机系统 Download PDF

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韦明川
陈健
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Abstract

一种高集成的纳卫星星载计算机系统，涉及纳卫星星载计算机系统设计，目的是为了满足纳卫星的发展需求。本发明包括两个星载计算机，每个星载计算机连接一套姿态控制组件，每个星载计算机中的姿态数据敏感模块用于采集板内姿态敏感器数据；姿态控制输出模块用于根据单片机模块的指令对外输出控制信号；输入输出接口集成模块为星载计算机的对外接口；状态监测模块用于监测星载计算机自身的工作状态；数据管理模块用于内存管理、遥测数据管理以及工作状态数据管理；每个星载计算机均通过现场总线将自身的姿态敏感器数据和工作状态数据发送给另一个星载计算机。本发明能够提高计算机系统的可靠性及姿态控制精度，适用于纳卫星系统。

Description

一种高集成的纳卫星星载计算机系统
技术领域
本发明涉及纳卫星星载计算机系统设计，属于航天器综合电子系统。
背景技术
与工程大卫星相比，纳卫星具有体积小，重量轻，功耗低，研发周期短等突出优点。星载计算机系统是纳卫星的关键系统，负责卫星飞行控制、数据管理、遥测遥控等任务。纳卫星星载计算机的设计，在满足航天高性能、高可靠要求基础上，应使计算机在设计上体现功能强、体积小、功耗低、重量轻的特点。
发明内容
本发明的目的是为了满足纳卫星的发展需求，提供一种高集成的纳卫星星载计算机系统。
本发明所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，包括两个星载计算机，即星载计算机A和星载计算机B，每个星载计算机包括单片机模块1、姿态数据敏感模块2、姿态控制输出模块3、数据管理模块4、状态监测模块5、输入输出接口集成模块6、隔离保护模块7和地面调试接口8；
姿态数据敏感模块2用于采集板内姿态敏感器数据，并将采集到的数据发送给单片机模块1；
姿态控制输出模块3用于根据单片机模块1的指令对外输出控制信号；
输入输出接口集成模块6为星载计算机的对外接口；
状态监测模块5用于监测星载计算机自身的工作状态，并将工作状态数据发送给单片机模块1；
数据管理模块4用于内存管理、遥测数据管理以及工作状态数据管理；
隔离保护模块7用于对输入输出接口集成模块6各接口的隔离保护；
地面调试接口8与单片机模块1相连接；
每个星载计算机均通过现场总线将自身的姿态敏感器数据和工作状态数据发送给另一个星载计算机；
两个星载计算机各连接一套姿态控制组件。
本发明提供了一种融合姿态数据采集、姿态控制、星上数据管理等模块的高集成的低成本星载计算机系统，同时采用双机姿态数据融合的数据处理方式，以提高可靠性及姿态控制精度，能够满足纳卫星的发展需求。
附图说明
图1为实施方式一中星载计算机的原理框图；图2为实施方式一中两个星载计算机的硬件切机原理示意图，其中9表示现场总线；图3为实施方式三中星载计算机A的结构示意图；图4为实施方式四中星载计算机B的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，包括两个星载计算机，即星载计算机A和星载计算机B，每个星载计算机包括单片机模块1、姿态数据敏感模块2、姿态控制输出模块3、数据管理模块4、状态监测模块5、输入输出接口集成模块6、隔离保护模块7和地面调试接口8；
姿态数据敏感模块2用于采集板内姿态敏感器数据，并将采集到的数据发送给单片机模块1；
姿态控制输出模块3用于根据单片机模块1的指令对外输出控制信号；
输入输出接口集成模块6为星载计算机的对外接口；
状态监测模块5用于监测星载计算机自身的工作状态，并将工作状态数据发送给单片机模块1；
数据管理模块4用于内存管理、遥测数据管理以及工作状态数据管理；
隔离保护模块7用于对输入输出接口集成模块6各接口的隔离保护；
地面调试接口8与单片机模块1相连接；
每个星载计算机均通过现场总线将自身的姿态敏感器数据和工作状态数据发送给另一个星载计算机；
两个星载计算机各连接一套姿态控制组件。
如图1所示，单片机模块1是星载计算机的核心，实现任务、数据以及整星通信管理；姿态数据敏感模块2用于采集板内敏感器数据，如磁强计或陀螺仪的数据，输入输出接口集成模块6是星载计算机的对外接口，包括指令接口、电气接口以及通信接口等，通过输入输出接口集成模块6对外输出控制信号还用于采集板外敏感器数据，如太阳敏感器、星敏感器或GPS数据等敏感器数据；姿态控制输出模块3根据控制方式不同可以是磁力矩器控制输出接口或飞轮控制输出接口；隔离保护模块7是对输入输出接口集成模块6各接口的隔离保护电路；数据管理模块4用于内存管理、遥测数据管理以及状态数据管理，具体包括数据存储FLASH、程序FLASH、SRAM及掉电不丢失FRAM等；状态监测模块5是对星载计算机自身工作状态的监测，包括电压电流传感器、温度传感器以及看门狗等；地面调试接口8包括LED、输出串口等，方便调试。根据实际系统要求，还可以配置指令输出、串口等接口,对外接口采用CubeSat总线标准集成输入输出接口，以PC104接插件形式实现。
所述星载计算机系统在单机满足任务要求的基础上，采用双机融合的方式实现姿态敏感器数据融合和单机工作状态数据融合，姿态敏感器数据融合能够提高敏感器数据精度；单机工作状态数据融合能够实现对星载计算机状态的相互监测。单机工作状态数据融合的方法为：星载计算机B每隔T时间(例如T＝10s)通过I2C总线向星载计算机A发送心跳包，以指示星载计算机B的工作状态，星载计算机A充当下位机采集与星载计算机A连接的姿态敏感器的数据、并检测心跳包，当星载计算机A接收到的心跳包间隔延长时，表示星载计算机B出现异常，此时，星载计算机A通过星载计算机B发来的心跳包及星载计算机A检测到的磁强计读数识别故障(根据经验设定阈值，当磁强计读数超过阈值时，可以判断星载计算机B的故障类型)。单机故障时，两套计算机可自主实现切机，也可通过直接指令强制切机。双机切换有软件切机及硬件切机两种方式。软件切机为星上自主检测，硬件切机为地面检测及指令操作，其切机逻辑如图2所示，测控收发信机A、B通过逻辑与电路同时关闭某一计算机(拉低使能引脚)时，可关闭计算机。测控收发信机A、B拉低使能引脚，操作独立、长期有效，仅要求指令输出状态一致，不要求时间同步。
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统的进一步限定，本实施方式中，星载计算机A的单片机模块1采用STM32F4芯片实现，星载计算机B的单片机模块1采用ARM9200芯片实现。以Cortex-M4处理器为STM32F4核心，以ARM9处理器AT91RM9200为核心，二者配合使用即可满足星载计算机系统的性能要求，又能最大限定的降低功耗及成本。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统的进一步限定，本实施方式中，星载计算机A的数据管理模块4采用STM32F4内部的RAM和Flash实现。数据管理模块4采用STM32F4内部的RAM和Flash实现，可以减少额外消耗，选择W25Q64作为数据Flash，存储遥测数据以及掉电恢复数据，如星上时间、姿态控制参数等。
星载计算机A的输入输出接口集成模块6集成有485总线接口和USART接口。单片机模块1通过IIC总线读取陀螺仪和磁强计信息，通过485总线与外界太阳敏进行数据交换，使用USART与外部GPS进行通讯。
星载计算机A的姿态数据敏感模块2包括三轴MEMS陀螺和三轴磁强计，所述MEMS陀螺型号为MPU-3300，所述三轴磁强计采用HMC5883数字磁强计和HMC1043L模拟磁强计两种传感器。
星载计算机A的姿态控制输出模块3包括磁力矩器输出接口。磁力矩器输出接口的H桥采用TI一体化驱动芯片构成。
星载计算机A的隔离保护模块7包括过流保护电路和热插拔保护电路。
对外I2C接口通过PCA9513IIC热插拔芯片进行隔离后挂载在总线上。
星载计算机A的状态监测模块5采用STM32F4内部温度传感器、电压电流检测模块INA219和TSC103监测星载计算机状态；采用MAX706REUA作为看门狗芯片。
具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统的进一步限定，本实施方式中，星载计算机B的数据管理模块4采用外扩RAM、程序Flash、数据Flash和FRAM存储器。其中外扩RAM用于内存管理，程序Flash用于存储程序数据，数据Flash用于存储遥测数据，FRAM存储器用于存储掉电恢复数据，如星上时间、姿态控制参数等。
星载计算机B的姿态数据敏感模块2包括三轴MEMS陀螺仪和三轴磁强计，单片机模块1通过IIC总线读取三轴MEMS陀螺仪和三轴磁强计信息，通过485总线与外界星敏感器进行数据交换，使用USART与外部GPS进行通讯。通过挂载于ARM9200芯片上的FPGA模块实现飞轮转速计数功能。485总线接口、USART接口和飞轮数据采集接口均集成于输入输出接口集成模块6。其中MEMS陀螺的型号为MPU-3300，三轴磁强计的型号为FXMS3110。
星载计算机B的姿态控制输出模块3包含磁力矩器及飞轮，通过H桥或DAC等控制磁力矩器和飞轮等姿控执行器。
星载计算机B的隔离保护电路包括过流保护电路和热插拔保护电路。对外I2C接口通过PCA9513IIC热插拔芯片进行隔离后挂载在总线上。总线通信I2C接口通过并行转I2C接口芯片PCA9665实现，接口集成于输入输出接口集成模块6。
星载计算机B的状态监测模块5采用电压电流检测模块INA219监测星载计算机的电压电流状态；采用MAX706REUA作为看门狗芯片。
根据实际系统要求，可配置指令输出、串口等接口，对外接口采用CubeSat总线标准集成输入输出接口，以PC104接插件形式实现。

Claims (10)

1.一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，包括两个星载计算机，即星载计算机A和星载计算机B，每个星载计算机包括单片机模块(1)、姿态数据敏感模块(2)、姿态控制输出模块(3)、数据管理模块(4)、状态监测模块(5)、输入输出接口集成模块(6)、隔离保护模块(7)和地面调试接口(8)；
姿态数据敏感模块(2)用于采集板内姿态敏感器数据，并将采集到的数据发送给单片机模块(1)；
姿态控制输出模块(3)用于根据单片机模块(1)的指令对外输出控制信号；
输入输出接口集成模块(6)为星载计算机的对外接口；
状态监测模块(5)用于监测星载计算机自身的工作状态，并将工作状态数据发送给单片机模块(1)；
数据管理模块(4)用于内存管理、遥测数据管理以及工作状态数据管理；
隔离保护模块(7)用于对输入输出接口集成模块(6)各接口的隔离保护；
地面调试接口(8)与单片机模块(1)相连接；
每个星载计算机均通过现场总线将自身的姿态敏感器数据和工作状态数据发送给另一个星载计算机；
两个星载计算机各连接一套姿态控制组件。
2.根据权利要求1所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，星载计算机A的单片机模块(1)采用STM32F4芯片实现，星载计算机B的单片机模块(1)采用ARM9200芯片实现。
3.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，星载计算机A的数据管理模块(4)采用STM32F4内部的RAM和Flash实现。
4.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，星载计算机A的输入输出接口集成模块(6)集成有485总线接口和USART接口。
5.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，星载计算机A的姿态数据敏感模块(2)包括三轴MEMS陀螺和三轴磁强计，所述MEMS陀螺型号为MPU-3300，所述三轴磁强计采用HMC5883数字磁强计和HMC1043L模拟磁强计两种传感器。
6.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，星载计算机A的姿态控制输出模块(3)包括磁力矩器输出接口。
7.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，星载计算机B的数据管理模块(4)采用外扩RAM、程序Flash、数据Flash和FRAM存储器。
8.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，姿态数据敏感模块(2)包括三轴MEMS陀螺仪和三轴磁强计。
9.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，姿态控制输出模块(3)包含磁力矩器及飞轮。
10.根据权利要求2所述的一种高集成的纳卫星星载计算机系统，其特征在于，状态监测模块(5)采用电压电流检测模块INA219实现。
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