一种适用于卫星的通导控一体化系统的制作方法

本发明涉及星载综合电子系统的，尤其涉及一种适用于卫星的通导控一体化系统。该系统为一种轻小型星载单元，将通信、导航、星间测量、控制、智能计算、授时同步和在轨安全保障集成为一体，适用于微小卫星及蜂星集群。其中蜂星是指采用轻小型卫星平台、通过多星协同组网完成分布式感知、信息交互和任务协同的卫星节点。

背景技术：

1、随着微小卫星技术发展，蜂星通过多星协同组网完成分布式感知、信息交互和任务协同。相较于单颗大型卫星，蜂星节点具有轻小型、分布式和任务可重构等特点，但也要求单星在受限体积、重量和功耗条件下同时承担通信、导航、相对测量、姿态或轨道控制、载荷数据处理及自主决策等任务。

2、现有轻小型卫星通常将通信基带、导航解算、星载计算机、射频前端和智能加速等功能分设于不同板卡，各自配置处理器、存储器、电源和接口。该分立方式易造成资源重复配置，并增加连接器、线缆及背板互连数量，带来结构重量、信号传输延迟、通信抖动和故障点增加等问题。

3、此外，通信、导航和控制结果通常由不同设备分别产生并维护独立时间基准，通信链路时延、导航测量时延和控制指令时延难以在同一时间坐标下统一处理。在蜂星集群的星间相对测量、协同定位和分布式控制中，时间基准不一致会降低测量一致性和闭环控制实时性。

4、另一方面，图像识别、多源数据融合、自主任务规划和智能决策等任务对算力提出更高要求。直接采用高性能或ai处理器又会面临空间辐照、单粒子效应、电源异常、程序跑飞和存储位翻转等风险；若缺少独立监测与故障隔离，异常可能经共享电源、总线或接口向其他功能域扩散。

5、因此，需要一种通导控一体化系统，在有限资源条件下实现通、导、控、算分层协同，同时通过统一时基、收发链路定标及独立安全监控保证系统的实时性、测量一致性和在轨持续运行能力。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中功能分立、资源重复、通导控闭环时延大、通信与测量链路时延不一致、实时控制与复杂智能计算相互争用以及高算力芯片缺少独立在轨安全保障等问题。系统采用核心处理-算力扩展分层协同架构：实时控制域承担强实时任务，智能计算域承担复杂计算，射频前端承担收发和链路定标，芯片级原子钟提供统一频率基准和秒同步信号，独立功能安全岛实施带外监测与故障处置。

2、系统包括实时控制域、智能计算域、射频前端、芯片级原子钟和通信天线。实时控制域与智能计算域通过高速数据接口连接，按照任务实时性等级分级调度：强实时任务保持在实时控制域内执行，复杂计算任务发送至智能计算域，智能计算域返回的结果附带任务标识和时间戳，由实时控制域进行时效性校验，仅在校验通过后参与控制量生成、通信资源调整或星间协同任务更新。

3、射频前端设置接收通道、发射通道、公共耦合通道和定标通道。定标通道获取收发链路时延、相位或增益变化参数，并与芯片级原子钟提供的时间基准关联；实时控制域据此对通信同步、导航测量和控制指令实施统一时间补偿，使不同业务共享同一链路误差基准。

4、智能计算域设置算力单元和独立功能安全岛。功能安全岛不依赖实时控制域及智能计算域软件状态，通过独立于主数据总线的监测通道实施供电状态、程序完整性和运行状态监测，并按照故障等级执行故障隔离、复位、程序镜像重载或降级运行。

5、实时控制域优选采用rfsoc通导控模组，以集成通用处理器、硬实时处理器、可编程逻辑单元和射频数据转换器的射频片上系统为核心。通用处理器运行操作系统、网络协议栈和任务调度程序；硬实时处理器执行导航解算、控制回路和安全关键任务；可编程逻辑单元执行高速数字信号处理、接口转换和硬件加速；高速射频模数转换单元和数模转换单元完成射频或中频信号采集和波形输出。

6、上述处理资源通过片内高速总线互连，形成从射频信号采集、数字信号处理到控制指令生成的硬件加速路径，使闭环控制可不依赖操作系统调度，从而减少任务切换造成的不确定延迟。

7、实时控制域与智能计算域之间优选采用pcie接口形成低时延数据链路。实时控制域根据第一阈值对任务进行分级：高于第一阈值的强实时任务在本地执行，低于第一阈值的复杂计算任务通过直接存储器访问方式传输至智能计算域。光学成像数据、雷达回波数据或通信测量数据可先由实时控制域格式化和预处理，再通过dma发送。

8、智能计算域完成目标识别、多源数据融合、数据压缩或自主决策后，返回带任务标识和时间戳的智能推理结果。实时控制域检查结果是否对应当前任务以及是否处于有效时间窗口；未通过校验的结果被丢弃并记录异常，同时触发任务重运行或超时重传机制，避免失效或过期结果进入控制回路。

9、射频前端可采用主备冗余或可切换架构。接收通道包括数控衰减器和具有旁路状态的多级低噪声放大器，用于适应不同输入信号强度；发射通道包括前级放大器、滤波器和功率放大器；公共耦合通道包括收发切换开关和带外抑制滤波器；定标通道包括定向耦合器、固定衰减器及多个射频开关。

10、定标时，实时控制域控制射频开关分时选通接收定标路径和发射定标路径，以获得收发链路时延、相位或增益变化参数。所述参数与统一时间基准关联后，可分别用于通信帧同步的时间补偿、导航测量设备时延补偿和星间链路测量的时间对齐。

11、当温度、供电状态或射频通道切换发生变化时触发重新定标；预定时间间隔、冷启动或热启动、射频通道故障恢复后的链路重建以及星间链路切换目标节点也可作为重新定标条件。重新定标参数与前次参数比较，差异超过预设门限时生成告警并更新补偿参数表。

12、智能计算域优选采用ai算力sip，由电源管理模块、独立功能安全岛和算力单元组成，各区域采用独立供电或可控供电路径。算力单元包括一组或多组npu集群以及与各npu对应的高速存储器和非易失存储器，用于目标识别、多源数据融合、数据压缩和自主决策。

13、功能安全岛独立于主算力域运行，通过独立于系统主数据总线的监测通道，对实时控制域及算力单元的供电状态、程序完整性和运行状态进行带外监测。独立控制接口可包括spi、i2c、uart、can或独立硬线接口，并连接供电监测电路、程序镜像存储器、看门狗信号、复位控制端和供电开关。

14、功能安全岛可采用三模冗余、纠错码、程序完整性校验和主备存储中的至少一种容错方式，对计算单元、存储单元和互连链路的软错误进行检测和处置；其具有独立时钟源和独立电源监控电路，且不受实时控制域和智能计算域复位操作影响。

15、第一等级用于单比特存储位翻转或可纠正软错误，执行纠错或局部数据重新加载而不中断当前任务；第二等级用于程序超时、看门狗溢出或通信中断且软错误无法纠正的情况，执行故障域分域复位并恢复程序镜像，非故障域保持运行；第三等级用于过流、闩锁、持续异常或前述处置无效的情况，控制受影响电源域断电隔离并进入降级运行。

16、降级运行时保留芯片级原子钟、基础通信、基础导航和最小控制回路，暂停智能计算任务；待状态满足恢复条件后逐级恢复被隔离域供电和运行。每次故障事件及其处置结果生成带时间戳的故障记录，并存储于独立非易失存储器，供地面或星上健康管理系统调用分析。

17、芯片级原子钟向实时控制域提供频率基准和1pps秒同步信号，实时控制域基于该基准将统一时基分配至通信处理、导航解算、星间测量、射频标定和控制任务。统一时基的分辨率不低于1微秒，各任务通道之间的时基偏差不大于10纳秒。

18、当芯片级原子钟发生短期频率偏差或秒脉冲抖动时，实时控制域通过锁相环或数字锁相环进行滤波和补偿；当原子钟发生故障时，可切换至实时控制域内部时钟源维持有限时基功能，以保持系统时间服务连续性。

19、实时控制域、射频前端和智能计算域采用分层堆叠或异构集成结构，射频区域、数字逻辑区域和算力区域相互分区。射频区与高速数字区之间设置回流路径和屏蔽隔离，各域热源经中介层、热扩散层或热沉形成短路径导热通道；真空环境下采用短热路径与均热结构以减少界面热阻和局部热点。

20、各域设置电磁屏蔽罩或屏蔽框，射频传输线采用共面波导或微带线结构，相邻信号层设置完整地平面；高速数字信号采用差分对并保持等长约束，差分阻抗控制在100ω±10%。统一基座上划分各功能区域，关键高速信号采用受控阻抗布线，射频回流路径与大电流电源回流路径分离，并配置去耦元件和接地结构。

21、系统对外设置双路冗余can接口和双路以太网接口。can接口用于控制指令和状态信息传输，包括任务调度、执行机构控制及遥测信息；以太网接口用于ai模型权重、图像、点云或批量业务数据传输。通信天线采用宽波束微带天线，工作带宽支持从数十mhz到数百mhz。

22、实时控制域、射频前端和智能计算域的组合重量不大于500g，并根据实时控制、射频收发和智能推理工作状态实施分级供电和功耗管理。空闲状态关闭智能计算域算力区电源、降低射频发射通道偏置电流并将实时控制域工作频率降至最低维持频率；常规工作状态按需开启npu及射频通道；峰值工作状态全功率运行，并由功能安全岛根据温度和功耗状态限制峰值持续时间，超过预设温度阈值时自动降频或关闭非关键任务。

23、在一种优选实现中，实时控制域的通用处理器为四核高性能处理器，硬实时处理器为双核硬实时处理器，可编程逻辑单元具有百k至千k逻辑单元，高速射频模数转换单元和高速射频数模转换单元各为八路；智能计算域采用多路npu扩展，总算力达到十到百tops；射频前端工作带宽支持从数十mhz到数百mhz。上述参数用于说明优选实现方式。

24、与现有技术相比，本发明通过分层协同实现资源集约和通导控算闭环；通过实时域与智能域分域执行降低资源争用；通过统一时基与收发链路定标使通信、导航、星间测量和控制结果共享时间及误差基准；通过独立功能安全岛实现故障监测、隔离、恢复和降级运行；通过分区布局、屏蔽隔离和短热路径兼顾射频完整性、计算性能与真空散热。