基于SOC和SIP的微纳卫星星载计算机设计

【摘要】：我国卫星技术近年来发展迅速,星载计算机的研制能力不断提升。对于传统的星载计算机,在设计上一般选用高等级和抗辐照器件,用来提升空间适应性和可靠性,但是该类器件价格普遍昂贵,体积和功耗都较大,以“悟空”号卫星星载计算机为例:其价格约500万,尺寸386mm×258mm×195mm,重量13Kg,功耗13W。而对于微纳卫星则根本无法承受如此高昂的价格,超大的体积、重量和功耗。论文以某微纳卫星型号任务需求为依托,基于SOC和SIP器件,进行详细需求分析,以高可靠为前提,以小型化、高性能、低成本、低功耗为要求,设计并实现了双机冷备冗余的板卡级星载计算机系统。通过引入空间环境下的可靠性安全性设计,星载计算机系统为后续低成本、低功耗、小型化、高性能的微纳星载计算机进一步研究奠定了基础。根据空间环境下的特点,从辐照角度出发,以安全性和可靠性设计为指导,从硬件设计和FPGA设计等方面,设计了高可靠的星载计算机系统,包括硬件设计、FPGA设计和软件设计。其中硬件设计包括时钟电路、复位电路、看门狗、处理器系统、存储器组织、CAN总线等16个子模块,FPGA设计包括总线设计、逻辑功能设计和空间自主容错设计三个子模块,软件设计包括系统启动、星载管理软件、可靠性和安全性管理等模块。完成了星载计算机的空间适应性设计,包括抗辐照设计、闩锁自保护解除、健康监测、双机系统重构、高可靠指令输出和高精度时间自主管理等设计。完成了对该星载计算机的设计验证并给出了应用。通过构建测试系统,实现对其功能和性能的全覆盖性的测试,并通过了各种单板卡级和整星级环境试验的考核,其结果也表明,该板卡级星载计算机产品,完全满足微纳卫星对星载计算机的技术和任务需求。测试和验证结果表明,完成的星载计算机系统达到了设计要求。