一种星务计算机及卫星系统的制作方法

1.本发明涉及卫星技术领域，尤其涉及一种星务计算机及卫星系统。


背景技术：

2.航天商业化在全世界范围内呈现一个发展的爆发趋势。大量的商业卫星被研制并发射，大部分为100公斤以下的微小卫星，覆盖通信、遥感、技术试验等多个领域。微小卫星的研制周期短，在卫星产品的全周期研制流程中，微小卫星对于质量及可靠性要求同比传统卫星宽松许多。受太空环境辐照的条件下，微小卫星的设计寿命通常为1年。
3.星务计算机作为卫星通信控制的大脑，是卫星电子系统的核心部分。星务计算机主要完成卫星上各个分系统、各台单机的管理任务。由于重量，尺寸和功耗的局限性，星务计算机需要高度集成，简化硬件系统，需要具备高可靠性和灵活性，它是实现平台功能和完成卫星有效载荷任务的重要支撑。
4.传统星务计算机的地面测试接口，会通过422总线或是其他通信总线方式，预留出星上信息的遥控遥测功能，以及星务计算机主控的jtag调试功能。但其仅针对自身各台单机引出。一旦合成整星并封盖后，若仍需对星内各单机进行软件更新操作，则需对卫星拆盖，造成返工，进度和质量上均会付出沉重的代价。申请人发现，虽然有部分低轨商业卫星选择将地面测试接口直接引出至星表，但仍受限于接口的可靠性、以及星内超长线缆带来的信号完整性问题。如jtag类的关键信号，包含了tms、tck、tdo、tdi、ntrst、vcc以及gnd至少6根ttl或cmos单端信号，一是经过星内4-10m线缆长距离传输后，信号会严重失真，jtag功能无法启用；二是由于不同的jtag接口电平不一致，若误用电平不匹配的jtag下载器，存在烧毁单机主控芯片风险。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种星务计算机及卫星系统，可以在弱化地面静电、星上辐射以及单离子对主控芯片jtag接口的影响的同时，提高jtag信号传输的稳定性，提升卫星系统的可靠性，提升产品竞争力。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供一种星务计算机，作为其中一种实施方式，所述星务计算机包括主机，所述主机包括电源转换模块、主控模块以及接口模块；其中，
7.所述电源转换模块，用于电源保护及电源转换，以对所述主控模块和所述接口模块稳定供电；
8.所述主控模块，包括主控芯片；
9.所述接口模块，包括jtag增强驱动单元；
10.其中，所述jtag增强驱动单元与所述主控芯片的jtag接口连接，用于增强jtag信号的信号强度。
11.作为其中一种实施方式，所述jtag增强驱动单元还包括供电选择电路，所述供电选择电路用于对外部jtag下载器的电平进行选择适配。
12.作为其中一种实施方式，所述星务计算机还包括第一屏蔽式连接器，所述第一屏蔽式连接器与所述jtag增强驱动单元连接，用于在传输jtag信号时屏蔽卫星系统内部的干扰信号。
13.作为其中一种实施方式，所述jtag增强驱动单元还用于对所述星务计算机的遥控信号和遥测信号进行透明传输。
14.作为其中一种实施方式，所述电源转换模块包括：电子熔丝电路、emi滤波器和dc/dc开关电路，所述电子熔丝电路通过所述emi滤波器与所述dc/dc开关电路连接；其中，
15.所述电子熔丝电路，用于进行电源保护；
16.所述emi滤波器，用于进行信号滤波；
17.所述dc/dc开关电路，用于进行电源转换。
18.作为其中一种实施方式，所述主控芯片型号为smartfusion2系列的soc；所述主控模块还包括存储单元和时钟单元以及看门狗单元，所述存储单元、所述时钟单元和所述看门狗单元分别与所述主控芯片连接；其中，
19.所述存储单元包括flash、sram以及ddr。
20.作为其中一种实施方式，所述接口模块还包括接口电平转换单元和接口单元，所述接口电平转换单元与接口单元连接；其中，
21.所述接口单元包括：rs422收发接口、oc指令输出接口以及can接口，各种接口均采用主备双保险设计。
22.作为其中一种实施方式，所述星务计算机还包括至少一备机，所述备机的结构与所述主机的结构相同，并形成多模冗余设计。
23.基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种卫星系统，所述卫星系统包括上述任一实施方式所述的星务计算机。
24.作为其中一种实施方式，所述卫星系统还包括第二屏蔽式连接器，所述第二屏蔽式连接器与所述星务计算机连接，用于在传输jtag信号时屏蔽卫星系统外部的干扰信号。
25.综上，本发明实施例提供的星务计算机及卫星系统，包括主机，主机包括电源转换模块、主控模块以及接口模块；其中，电源转换模块，用于电源保护及电源转换，以对主控模块和接口模块稳定供电；主控模块，包括主控芯片；接口模块，包括jtag增强驱动单元；其中，jtag增强驱动单元与主控芯片的jtag接口连接，用于增强jtag信号的信号强度。本发明通过设置jtag增强驱动单元，可以在弱化地面静电、星上辐射以及单离子对主控芯片jtag接口的影响的同时，提高jtag信号传输的稳定性，提升卫星系统的可靠性，提升产品竞争力。
附图说明
26.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
27.图1为本发明一实施例提供的星务计算机的结构框图。
28.图2为本发明一实施例提供jtag增强驱动单元的结构示意图。
29.图3为本发明一实施例提供的星务计算机的具体结构示意图。
30.图4为本发明一实施例提供的gnss模块的结构示意图。
31.图5为本发明一实施例提供的卫星系统的结构示意图。
具体实施方式
32.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员基于本发明的实施例，在没有创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，都应当属于本发明的保护范围。
33.需要说明的是，本发明的说明书、权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，但不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
34.本文中，一个元件、端口、组件或部分与另一个元件、端口、组件或部分“相连”、“连接”，可以理解为直接电性连接，或者也可以理解为存在中间元件的间接电性连接。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
35.请参考图1，图1为本发明一实施例提供的星务计算机的结构框图。如图1所示，星务计算机包括主机10，主机10包括电源转换模块11、主控模块12以及接口模块13；电源转换模块11，用于电源保护及电源转换，以对主控模块12和接口模块13稳定供电；主控模块12，包括主控芯片120；接口模块13，包括jtag增强驱动单元130；其中，jtag增强驱动单元130与主控芯片120的jtag接口连接，用于增强jtag信号的信号强度。
36.具体地，电源转换模块11通过接收卫星能源板输入的一次电源母线电压，转换为主控模块12和接口模块13所需的电压，例如1.2v、1.8v、2.5v、3.3v、5v。主控模块12为星务计算机的核心，负责处理安排卫星系统上所有的命令。接口模块13提供各种接口类型，实现与星上各个分系统及载荷之间的通信和数据交互。主控模块12包括主控芯片120，接口模块13包括jtag增强驱动单元130，jtag增强驱动单元130与主控芯片120的jtag接口连接，用于增强输入至jtag接口的jtag信号的信号强度。当将主控芯片120的jtag接口引出至星表(即卫星系统的表面)，以方便在合成整星并封盖后实现jtag调试功能时，星内超长线缆会导致信号完整性问题。如jtag类的关键信号，包含了tms、tck、tdo、tdi、ntrst、vcc以及gnd至少6根ttl或cmos单端信号，经过星内4-10m线缆长距离传输后，信号会严重失真，jtag功能无法启用。本实施例通过新增一级驱动单元，可提高jtag信号的稳定性，并且增加jtag增强驱动单元130后，卫星内部星务计算机主控芯片120的jtag接口并未直接暴露在外，也弱化了地面静电、星上辐照、单离子对它的影响。
37.请参考图2，图2为本发明一实施例提供jtag增强驱动单元130的结构示意图。如图2所示，jtag增强驱动单元130还包括供电选择电路，供电选择电路用于对外部jtag下载器的电平进行选择适配。
38.具体地，jtag增强驱动单元130包括jtag驱动电路和供电选择电路，jtag驱动电路用于增强输入至jtag接口的jtag信号的信号强度，jtag增强驱动单元130的供电选择电路，即对外接口vcc供电选择端，可对外部jtag下载器不同电平，例如1.8v、2.5v、3.3v进行全适配，消除由于选错不同电压的jtag下载器造成损坏主控芯片120的风险。
39.在一实施方式中，jtag增强驱动单元130还用于对星务计算机的遥控信号和遥测信号进行透明传输。
40.请参考图3，图3为本发明一实施例提供的星务计算机的具体结构示意图。如图3所示，在一实施方式中，电源转换模块11包括：电子熔丝电路、emi滤波器和dc/dc开关电路，电子熔丝电路通过emi滤波器与dc/dc开关电路连接。其中，电子熔丝电路用于进行电源保护，emi滤波器用于进行信号滤波，dc/dc开关电路用于进行电源转换。
41.具体地，本实施例的电源转换模块11选用了集成式的电子熔丝电路进行电源保护。例如，采用集成式的电子熔丝芯片tps25944，其器件本体面积仅4mm
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3mm。使用tps25944芯片搭建的外围电路，兼具了过流熔断、电流限制、电流监测、过压保护、欠压保护、输出电压缓启动等功能。电源转换模块11通过接收卫星能源板输入的一次电源母线电压，经过限流、消浪涌、emi滤波器后，通过开关电源dc/dc转换为主控模块12、接口模块13所需的电压，例如1.2v、1.8v、2.5v、3.3v、5v。还可以通过线性电源ldo为模拟部分提供所需的电压。本实施例的电源转换模块11中应用电子熔丝电路，可设定针对欠压，过压，过流，dvo/dt缓启斜率，电源正常和涌入电流保护的阈值，还提供精确的电流监视输出功能。在efuse(电子熔丝电路)与dc/dc之间补充一级emi滤波器，可有效滤除卫星母线电压对各个分系统的干扰，也防止各个分系统上的电源干扰反向影响卫星母线电压。并且从硬件pcb印制板面积考虑，对比于传统卫星系统设计，传统卫星系统实现以上相同功能，pcb面积约为60mm
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20mm。使用该电子熔丝电路后，面积精简90％以上，成本也大幅降低。
42.在一实施方式中，主控芯片120型号为smartfusion2系列的soc；主控模块12还包括存储单元和时钟单元以及看门狗单元，存储单元、时钟单元和看门狗单元分别与主控芯片120连接；其中，存储单元包括flash、sram以及ddr。
43.具体地，在本实施例中，星务计算机的主控芯片120为工业级的microsemi的smartfusion2系列soc。smartfusion2系列soc具有低功耗、高性能、逻辑资源丰富等特点，且价格相对低廉，易获取。该芯片集成了一个系统级的fpga，一个166mhzarmcortex-m3处理器、安全处理加速器、dsp模块、sram、envm和高性能通讯接口，在sram、pll等普通外设的基础上，集成了高速乘法器，具备ddr2/3、can、usb、以及千兆以太网等外设接口，能够满足综合电子外部接口的需求。其作为工业级器件，具备了单离子锁定指标sel≥22.5mev-cm2/mg，可有效应对宇航环境中的复杂辐照环境。并且作为flash型soc，本身对宇航环境辐照有一定的免疫能力。为了达到更高可靠的设计目标，额外设计了看门狗单元监控星务计算机的主控芯片120的运行状态，例如，选用max706军温级芯片，当程序运行异常后，高等级的看门狗单元接收不到主控芯片120发出的喂狗信号，看门狗单元会发生“狗咬”，及时自动对星务计算机主控单元进行复位、程序重新加载操作。
44.请结合参考图3和图4，图4为本发明一实施例提供的gnss模块的结构示意图。如图3和图4所示，主控模块12还包括gnss模块，gnss模块与主控芯片120连接，gnss模块包括射频输入接口rf_in、电源输入接口vcc、串口通信接口txd和rxd(txd1、rxd1、txd2、rxd2)、复
位信号接口reset、以及秒脉冲信号接口pps。
45.具体地，gnss模块包括前置射频处理单元、基带平台、温补晶振单元以及电源单元，电源单元对前置射频处理单元、基带平台以及温补晶振单元进行供电，前置射频处理单元和温补晶振单元与基带平台连接。gnss模块对外仅留有射频输入接口rf_in、电源输入接口vcc、串口通信接口txd和rxd(txd1、rxd1、txd2、rxd2，串口通信接口备份设计)、复位信号接口reset、以及秒脉冲信号接口pps。本实施例的gnss模组为asic芯片模组，为工业通用化设计，可pin to pin原位替换为同频点、功能类似的模组，最大程度上保证gnss模块维修便捷。使用该gnss模块，射频输入接口rf_in可直接连接到卫星导航天线上，模块可以完成信号的下变频、agc、vga、ad转换等处理，以及完成12通道gps l1ca码导航信号、12通道bd b1c码导航信号的实时捕获、跟踪和定位解算，最终通过串口输出数据定位数据和时间信息，并输出1pps时间同步信号。使用该gnss模组，不仅从面积和重量都较大程度减小。
46.在一实施方式中，接口模块13还包括接口电平转换单元和接口单元，接口电平转换单元与接口单元连接；其中，接口单元包括：rs422收发接口、oc指令输出接口以及can接口，各种接口均采用主备双保险设计。
47.具体地，主控芯片120进行接口管理，接口电平转换单元用于进行接口电平转换，接口单元包括rs422收发接口(rs422tx rs422rx)、oc指令输出接口、can接口等，在连接拓补上均为冷热备份设计。例如，当主机10的第主can接口出现问题时，系统会自动切换至主机10的备份can接口。
48.在一实施方式中，星务计算机还包括至少一备机20，备机20的结构与主机10的结构相同，并形成多模冗余设计。
49.请参考图3，在一实施方式中，星务计算机还包括第一屏蔽式连接器30，第一屏蔽式连接器30与jtag增强驱动单元130连接，用于在传输jtag信号时屏蔽卫星系统内部的干扰信号。
50.具体地，为保证高可靠性要求，本实施例在星务计算机的硬件层面进行了主备份多模冗余设计。硬件分为功能完全相同的主机10、备机20，正常工作状态下，仅主机10工作。地面测控站会实时监测卫星星务计算机状态，一旦星务计算机程序运行异常且看门狗单元无法实现复位条件下，地面站会发送切机指令，使星务计算机切换至备机20，继续完成星务计算机的各项功能。接口的主备设计以及主机10和备机20的设计，可以更好的保证星务计算机的稳定性，例如，当主机10的主can接口出现问题时，系统会自动切换至主机10的备份can接口。当且仅当主机10的两个can接口均失效，系统无法完成同各载荷之间的通信。卫星地面遥测站收不到指令，会主动上传星务计算机的主备机20切机指令，切换至备机20。备机20同主机10软硬件架构完全相同，继续使用备机20的主can接口进行通信，失效后切换至备份can接口。422接口与oc输出接口同理，均为双保险设计，保证星务平台的稳定性。
51.在一实施方式中，星务计算机采用标准板卡式堆叠设计，并采用局部屏蔽腔隔离设计。
52.具体地，本实施例中，星务计算机的硬件电路采用标准板卡式堆叠设计，对单板上的敏感电路采用局部屏蔽腔隔离设计，确保微小卫星力学要求的同时也保证了微小卫星较高的emc指标。
53.请参考图5，图5为本发明一实施例提供的卫星系统的结构示意图。如图5所示，基
于同一发明构思，本发明实施例还提供一种卫星系统，卫星系统包括上述任一实施方式的星务计算机。
54.具体地，卫星系统包括上述任一实施方式的星务计算机，还包括姿控单机、测传单机以及载荷单机等，星务计算机通过接口模块13与各个单机进行通信连接。
55.在一实施方式，卫星系统还包括第二屏蔽式连接器40，第二屏蔽式连接器40与星务计算机连接，用于在传输jtag信号时屏蔽卫星系统外部的干扰信号。
56.具体地，第二屏蔽式连接器40和第一屏蔽式连接器30将主控芯片120jtag接口引出至卫星系统的星表，并在传输jtag信号的过程种屏蔽卫星系统外部以及卫星系统内部其他信号的干扰，进一步的提高卫星系统的可靠性。
57.综上，本发明实施例提供的星务计算机及卫星系统，包括主机，主机包括电源转换模块、主控模块以及接口模块；其中，电源转换模块，用于电源保护及电源转换，以对主控模块和接口模块稳定供电；主控模块，包括主控芯片；接口模块，包括jtag增强驱动单元；其中，jtag增强驱动单元与主控芯片的jtag接口连接，用于增强jtag信号的信号强度。本发明通过设置jtag增强驱动单元，可以在弱化地面静电、星上辐射以及单离子对主控芯片jtag接口的影响的同时，提高jtag信号传输的稳定性，提升卫星系统的可靠性，提升产品竞争力。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一实施方式”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例、所述方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例、实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例、实施方式或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例、实施方式或示例进行接合和组合。
59.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

技术特征：
1.一种星务计算机，其特征在于，包括主机，所述主机包括电源转换模块、主控模块以及接口模块；其中，所述电源转换模块，用于电源保护及电源转换，以对所述主控模块和所述接口模块稳定供电；所述主控模块，包括主控芯片；所述接口模块，包括jtag增强驱动单元；其中，所述jtag增强驱动单元与所述主控芯片的jtag接口连接，用于增强jtag信号的信号强度。2.根据权利要求1所述的星务计算机，其特征在于，所述jtag增强驱动单元还包括供电选择电路，所述供电选择电路用于对外部jtag下载器的电平进行选择适配。3.根据权利要求1所述的星务计算机，其特征在于，所述星务计算机还包括第一屏蔽式连接器，所述第一屏蔽式连接器与所述jtag增强驱动单元连接，用于在传输jtag信号时屏蔽卫星系统内部的干扰信号。4.根据权利要求1所述的星务计算机，其特征在于，所述jtag增强驱动单元还用于对所述星务计算机的遥控信号和遥测信号进行透明传输。5.根据权利要求1所述的星务计算机，其特征在于，所述电源转换模块包括：电子熔丝电路、emi滤波器和dc/dc开关电路，所述电子熔丝电路通过所述emi滤波器与所述dc/dc开关电路连接；其中，所述电子熔丝电路，用于进行电源保护；所述emi滤波器，用于进行信号滤波；所述dc/dc开关电路，用于进行电源转换。6.根据权利要求1所述的星务计算机，其特征在于，所述主控芯片型号为smartfusion2系列的soc；所述主控模块还包括存储单元和时钟单元以及看门狗单元，所述存储单元、所述时钟单元和所述看门狗单元分别与所述主控芯片连接；其中，所述存储单元包括flash、sram以及ddr。7.根据权利要求1所述的星务计算机，其特征在于，所述接口模块还包括接口电平转换单元和接口单元，所述接口电平转换单元与接口单元连接；其中，所述接口单元包括：rs422收发接口、oc指令输出接口以及can接口，各种接口均采用主备双保险设计。8.根据权利要求1所述的星务计算机，其特征在于，所述星务计算机还包括至少一备机，所述备机的结构与所述主机的结构相同，并形成多模冗余设计。9.一种卫星系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的星务计算机。10.根据权利要求9所述的卫星系统，其特征在于，所述卫星系统还包括第二屏蔽式连接器，所述第二屏蔽式连接器与所述星务计算机连接，用于在传输jtag信号时屏蔽卫星系统外部的干扰信号。

技术总结
本发明涉及一种星务计算机及卫星系统，包括主机，主机包括电源转换模块、主控模块以及接口模块；其中，电源转换模块，用于电源保护及电源转换，以对主控模块和接口模块稳定供电；主控模块，包括主控芯片；接口模块，包括JTAG增强驱动单元；其中，JTAG增强驱动单元与主控芯片的JTAG接口连接，用于增强JTAG信号的信号强度。本发明通过设置JTAG增强驱动单元，可以在弱化地面静电、星上辐射以及单离子对主控芯片JTAG接口的影响的同时，提高JTAG信号传输的稳定性，提升卫星系统的可靠性，提升产品竞争力。提升产品竞争力。提升产品竞争力。


技术研发人员：邹一风 王洋 丁晟
受保护的技术使用者：浙江吉利控股集团有限公司
技术研发日：2021.11.09
技术公布日：2022/3/8