(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211057300.4 (22)申请日 2022.08.31 (71)申请人 山东航天电子技 术研究所 地址 264003 山东省烟台市高新区航天路 513号 (72)发明人 姜连祥　许培培　李明翔　王菲　 张众正　张腾　 (74)专利代理 机构 北京金硕果知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11259 专利代理师 郝晓霞 (51)Int.Cl. G06F 9/4401(2018.01) G06F 9/445(2018.01) G06F 11/07(2006.01) G06F 13/40(2006.01) (54)发明名称 一种应用 于微纳卫星的集成化星载计算机 系统 (57)摘要 本发明属于微纳卫星计算机集成化优化设 计技术领域， 提供一种应用于微纳卫星的集成化 星载计算机系统， 一种应用于微纳卫星的集成化 星载计算机系统， 其包括MPSOC单元及监视和配 置管理单元FPGA， 其中MPSOC单元集成了PS处理 模块、 可编程逻辑PL模块和若干接口模块。 本发 明在提高星载计算机系统集成度和处理能力的 同时， 采用多级容错设计， 保证高集成一体化星 载计算机在空间环境中可靠工作， 内部集成的 GPU和视频编解码单元用于载荷数据的加速处 理。 本发明打破了星上多个分系统界限， 实现星 上处理资源跨分系统融合， 低成本、 高集成、 高性 能星载计算处理平台为星务管理、 姿控计算、 任 务规划、 健康管理、 载荷数据处理等提供算力资 源。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115421799 A 2022.12.02 CN 115421799 A 1.一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统， 其特征在于， 其包括MPSOC单元及监 视和配置管理单 元FPGA， 其中： 所述MPSOC单元集成了P S处理模块、 可编程逻辑PL模块和若干 接口模块； 所述PS处理模块集成有4核高性能处理器Arm  Cortex‑A53、 双核Arm  Cortex‑R5、 图像 处理单元GPU,PL部 分集成有编解码单元和数字信号处理单元， 用于图像及视频流处理的硬 件加速； 所述监视和配置管理单元FPGA为MPSOC 的外部看门狗， 监视MPSOC程序的正常运行； 配 置MPSOC的启动方式； 接收外部命令， 对MPSOC进行配置管理； 与MPSOC进行通信与数据交互， 获取MPSOC重要参数并进行状态监视 。 2.根据权利要求1所述的一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统， 其特征在于： 所述接口模块集成了扩展CAN总线、 RS422、 LVDS、 USB、 Ethernet、 SATA、 PCIE、 RapidIO接口， 设计4路CAN总线： 平台CAN  A/B作为系统总线， 用来传输遥测遥控信息和时间广播， 姿控CAN 实现姿控敏感器姿态测量数据、 工程遥测的收集和姿控执行机构控制信息的发送等； SATA 和PCIE用于连接存 储设备， RS42 2、 LVDS、 USB、 Ethernet、 RapidIO接口用来接入典型 载荷。 3.根据权利要求1所述的一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统， 其特征在于： 所述Arm Cortex‑A53核运行嵌入 式Linux操作系统， 用于处理图像处理、 目标识别、 任务规 划、 健康管理复杂应用程序； Arm  Cortex‑R5用于运行星务管理、 姿控计算、 轨道计算、 设备 管理应用程序， 双核运行 FreeOS操作系统。 4.根据权利要求1所述的一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统， 其特征在于： 所述监视和配置管理单元FPGA设置有对MPSOC的程序引导模块， 支持通过MPSOC挂接的外部 eMMC Flash、 SD卡引导， 或通过存储在监视和配置管理单元FPGA中的QSPI ‑Flash和NAND   Flash中的引导文件和映像文件， 分别通过QS PI接口或8位并行口MIO[25:9]实现引导。 5.根据权利要求4所述的一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统， 其特征在于： 监视和配置管 理单元FPGA设置有容错模块， 由容错模块记录最后一次成功引导模式字在外 部MRAM中， 加电后读取该值并配置PS_MODE[0:3]； 引导过程中， 由容错模块实时监视PSDONE 和PS_ERROR_OUT信号， 由最后一次成功引导模式开始按照优先级顺序引导， 直至程序 成功 引导。 6.根据权利要求5所述的一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统， 其特征在于： 监视和配置管 理单元FPGA通过配置PS_MODE[0:3]确定引导模式， 优先级依次设置为： QSPI ‑ Flash、 Nand  Flash， 即并行口MIO[25:9]、 eM MC Flash、 SD卡。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115421799 A 2一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统 技术领域 [0001]本发明属于微纳卫星计算机集成化优化设计技术领域， 具体涉及一种应用于微纳 卫星的集成化星载计算机系统。 背景技术 [0002]微纳卫星一般指重量在100Kg以下的小卫星， 具有研制成本低、 开发周期短、 可灵 活搭载发射等特点， 在通信、 导航、 遥感和新技术科学试验领域应用越来越广泛。 随着微纳 卫星技术的发展， 微纳卫星所承载的功能越来越复杂， 卫星编队和星座组网应用越来越多， 对微纳卫星功能密度、 任务自主管理、 健康管理、 功能重构、 快速应用等能力提出了更高的 要求。 [0003]微纳卫星的设计仍存在诸多不足， 首先， 在传统小卫星 设计领域， 虽然采用综合电 子打破了各分系统产品的界限， 但是仍存在处理 能力弱、 融合程度不高， 接口种类不统一等 问题； 其次， 卫星 快速应用对载荷数据处理 时效性要求越来越高， 载荷数据的在轨处理需求 越来越迫切， 对星载数据处理 能力提出了更高要求。 最后， 可以在系统设计中增加冗余备份 以提高系统的可靠性， 但由于卫星中的计算机处理资源分散， 都增加对应的备份系统， 会增 加卫星计算机系统的设计复杂程度， 从而增加整星的体积质量， 造成星载计算机系统研制 成本的增 加。 发明内容 [0004]为解决背景技术中存在的问题， 针对低成本微纳卫星应用， 设计高度集成、 平台管 控和载荷数据处理一体化的计算机系统。 在大规模FPGA 内部嵌入多核高性能处理器硬核、 视频编解码单 元等硬件资源， 设计高集成一体化星载计算机系统， 其具体的方案如下： [0005]一种应用于微纳卫星的集成化星载计算机系统， 其包括MPSOC单元及监视和配置 管理单元FPGA， 其中： [0006]所述MPSOC单元集成了P S处理模块、 可编程逻辑PL模块和若干 接口模块； [0007]所述PS处理模块内部集成了4核高性能处理器Arm  Cortex‑A53、 双核Arm  Cortex‑ R5、 图像处理单元GPU,PL部分集成有编解码单元和数字信号处理单元， 用于图像及视频流 处理的硬件加速； [0008]所述监视和配置管理单元FPGA为MPSOC的外部看门狗， 监视MPSOC程序的正常运 行； 配置MPSOC的启动方式； 接收外部命令， 对MPSOC进行配置管 理； 与MPSOC进行通信与数据 交互， 获取MP SOC重要参数并进行状态监视 。 [0009]进一步， 所述接口模块集成了扩展CAN总线、 RS422、 LVDS、 USB、 Ethernet、 SATA、 PCIE、 Rapi dIO接口， 设计4路CAN总线： 平台CAN  A/B作为系统总线， 用来传输遥测遥控信息 和时间广播， 姿控CA N实现姿控敏感器姿态测量数据、 工程遥测的收集和姿控执行机构控制 信息的发送等； SATA和PCIE用于连接存储设备， RS422、 LVDS、 USB、 Et hernet、 RapidI O接口用 来接入典型 载荷。说　明　书 1/4 页 3 CN 115421799 A 3