太空飛行器信息管理系統是在太空飛行器上進行數據採集、處理、存儲、綜合傳輸和數據管理的系統，又稱太空飛行器數據管理系統。
傳統的太空飛行器信息管理系統採用分立器件為基礎，但是由於太空飛行器的任務、功能和結構越來複雜，通信數據量越來越大，可靠性要求越來越高，設計更合理、有效的太空飛行器信息管理系統是航天領域不斷研究的一個課題。
基本介紹
- 中文名：太空飛行器信息管理系統
- 外文名：Spacecraft Information System
- 別名：太空飛行器數據管理系統
系統結構,關鍵技術,主要特點,硬體設備,軟體工程,
系統結構
為了提高系統的可靠性,傳統的太空飛行器數據管理系統常採用圖1所示的架構。這種架構的具體實現形式為雙處理器冷備份以及三(多)處理器熱備份。
雙處理器冷備份系統運行的任何時間段內,只有一個處理器在運行中。在主處理器以及備用處理器之間採用公用存儲器。
在三處理器熱備份系統工作模式下,每個處理器同步工作,任務被分割成多個部分,並分別賦予不同的處理器來提高系統的處理能力。當系統發生故障時,可以通過多處理器投票的方式實現容錯。不論是雙處理器冷備份系統還是三處理器熱備份系統,由於採用了冗餘的架構,從而直接導致了系統採用更多的硬體資源來實現特定的功能,特別是當多個處理器不在同一塊電路板時需要的資源量更大。這樣設計的系統需要特別考慮單點故障以及系統中的潛電路問題。
關鍵技術
（1）星載網路技術
對於高可靠、長壽命的複雜太空飛行器，理想的數據系統結構應具有可靠性高，數據傳輸能力大，支持各套用過程間自由通信，好的開放性和可擴展性。
二維格線網路是一種很有套用前景的太空飛行器數據系統互聯結構。它具有許多突出的優點，如形狀規則，對稱性好,節點間的平均距離小，任意兩點間存在多條通信路徑，為高可靠的通信奠定了基礎。
二維格線網路還是一種分散式系統結構，有利於實現分散式處理，以提高系統的容錯能力。同時，由於其對稱性和靈活的尋徑算法，連線在其中各節點上的計算機之間可自由地通信。
（2）太空飛行器數據管理系統軟體
數據管理系統軟體的核心是分散式的實時多任務作業系統。作業系統管理系統中的各種資源，調度各任務的運行，提供各節點間的通信服務。作業系統還應具備系統容錯和重組的能力，當某一節點出現故障時，其任務被自動遷移到其他節點完成。
在作業系統的基礎上，數據管理系統的各種服務功能，例如下行數據的組織傳送，上行數據的接收、處理和分發，太空飛行器時間的維護和相應的服務，檔案信息存儲服務、系統管理等，作為標準的“任務”配置。
數據管理系統軟體根據太空飛行器的任務和其數據系統的結構特點決定，一般情況下,一經開發成功，對同系列的太空飛行器就無須再做改動，可直接作用。對於必須的修改或調整，可以通過增減或修改服務任務模組來實現。這樣的數據管理系統軟體構成了太空飛行器飛行軟體的標準化的平台。
套用過程任務軟體對每一個太空飛行器來說可能都不相同。但它們都以標準的接口與前兩部分連線，享受標準的系統服務。因此,一個新的太空飛行器飛行軟體的開發過程可以簡化為選擇相應的軟體平台，配置和開發套用過程軟體並以相應的標準接口與數據管理系統軟體平台連線。
這是完全基於開放式系統結構的設計思想,CCSDS標準的分層數據結構為這種標準化的設計奠定了基礎。
（3）系統管理層和套用過程層標準
要實現上述通用化的系統設計,首先應明確地定義數據管理系統的標準的服務功能以及與套用過程間的硬、軟體接口標準。空間數據系統諮詢委員會（CCSDS）目前對高層的標準尚未給出具體的建議。這項工作的困難在於套用過程及其需求的多樣性,要制定一個滿足各種太空飛行器要求的標準是非常困難的。但是我們認為，針對某一類太空飛行器（例如對地觀測衛星或某一種類的小衛星）制定這樣的標準是有可能實現的,而且容易取得明顯的效益。
首先需要做的是在現有工程經驗和用戶需求的基礎上，對數據管理系統的各種功能和用戶需求進行分類和抽象，並實現標準化。
其次對這些標準化的功能和需求制定統一的軟、硬體標準。
一旦形成了上述標準，就可以反過來規範套用過程的用戶需求。就象用戶使用計算機一樣，他是按照計算機手冊提供的功能來使用計算機,而不是根據自己的要求向廠商定做一台專用的計算機。完成同樣的工作，但是是以一種新的方式，並因此帶來巨大的效益。
（4）檔案傳輸服務
CCSDS正在開發的檔案傳輸協定體現了一種新的設計思想，並且會給套用過程帶來很大的方便。對數據管理系統來說，這是一種新的工作方式，也是一項新的研究課題。
主要特點
（1）儘可能多地使硬體功能軟體化
因為採用星上計算機，除極少數極其重要的命令和星上計算機無法管理的命令（如自身的電源切換）外，絕大多數遙控命令都可以由計算機管理，負責命令模式的識別、命令地址和命令內容的解碼、分配等。尤其時間和條件命令，可以根據需要進行時間條件設定，不必去更改硬體電路。對遙測功能，不同的衛星會提出不同要求，如衛星識別碼，時間碼，幀同步碼，幀格式，幀長度，字長等等都可能不同。按照傳統的辦法只能投入硬體電路的重新設計，而對於數管系統只要改變一下軟體編程即可滿足要求。這樣做不但省時省力，而且又大大縮短了系統研製時間，提高了系統使用的靈活性，這種特點，尤其適用於系列型小型套用衛星。
（2）便於進行數據處理
由於計算機具有完整的計算功能，所以該系統能夠通過編程，方便地對獲取的星上數據進行處理。例如，對星上數據加入檢驗冗餘位，以便對傳輸錯誤進行糾檢錯；星上延時遙測的數據壓縮；為獲取高可信度數據，對數據進行三取二判決，數字濾波；對下發數據進行二次編碼等等，這些內容都可以通過編寫特定功能的程式模組實現。
（3）易於實現標準化設計
由於不同的型號，無法用軟體功能實現的指標要求，例如，不同數量的命令接口電路，不同路數的遙測採集交換子等，可以設計成幾種標準板，通過局部的換板即可滿足型號要求。
（4）節省功耗和重置
軟體增加，硬體相對減少，通過使用大規模、低功耗的電路模組，可以明顯地節省星上的功耗和重量。例如日本正在開發的帆板式超小型衛星，一個微型計算機，碼速率是2048bit/s功耗僅1.4W，重量1.5kg。
硬體設備
信息管理系統的主要硬體部件是：計算機；內部連線鏈路；存貯器；人/機接口；高速數據處理部件。
（1）計算機
性能要求：計算機的中心部件應立足於所推薦的及已有使用經驗的微處理器，為了用作通用機且應是標準化的和可更換的。計算機應能分配或調換任務，以便能克服故障。具有容錯結構和抗干擾能力，以免個別偶然事件的干擾。具有實時處理和多道處理能力。計算機字長16位或32位，速度在1MBPS範圍以內，具有浮點運算能力。直接存貯器定址範圍大約1Mbyte。具有實時錯誤修正或檢測的能力。在PROM中具有有效的標準的運行軟體。
（2）內部連線鏈路
性能要求：使質量和體積儘量小的串列數據傳輸方式。由於採用了分散式智慧型和公用資料庫，因此要具有高達50〜100MBPS的數據傳輸速率。可變的用戶數，不管用戶連線與否都不應影響系統。具有對接口故障、電磁干擾和輻射的抗干擾性。太空飛行器對接時，為了避免損傷，要具有不同用戶的DC隔離和靜電保護。具有冗餘結構。自動線路管理萬一發生故障時，能夠保存歷史的記錄和重新構造鏈路。多通道的結構安排，以允許在用戶之間同時進行數據傳輸且維持低速率的傳輸要求。
（3）存貯器
性能要求：存貯器主要用來存貯為數據管理服務的公用資料庫、各種子系統以及需要長期存貯或緩衝存貯的儀器設備的測量數據。除了用於上述目的的存儲器以外，還有許多較小的暫存器或計算機記憶體分布在所有子系統和儀器設備上。資料庫需要三種類型的存貯器。
a)容量大約為10-50Mbit和數據傳輸速率可達100MBPS的快速隨機讀寫存貯器。這種存貯器用作為中間數據緩衝、計算機記憶體以及慢速海量存貯器的前台快速存貯器。
b)容量為50-200Mbit和最大數據傳輸速率為6MBPS的中速隨機塊讀寫存貯器，它可以用作軟體的後援存貯，內務處理和狀態數據的存貯，應用程式和運行軟體，遙測數據和遙控命令的臨時緩衝。
c)容量高達100Gbit和數據傳輸速率為每秒幾百位的低速隨機塊唯讀（只寫一次）存貯器。
這些大容量存貯器用來存貯機上各系統的技術資料和用來存貯儀器儀表及各子系統的處理和測試，維護和檢修的工藝規程，以及用來存貯機上自動故障診斷與恢復和機上機組人員培訓的專家知識。最後也用來存貯供機組人員娛樂的內容。
這種存貯器是典型的記錄器型的，其存貯介質是可以更換的，當需要時把它放在讀放裝置上。
對於各類存貯器都適用的一般性能要求是：幾個用戶同時存取要求多連線埠輸入/輸出或者具有遙控用戶優先權管理能力；具有存貯器自身檢測和軟體錯誤診斷的能力，以及自動重新配置的能力；具有克服軟體錯誤或設備故障的實時錯誤修正或作為最低限度數據保護的錯誤檢測能力。
（4）人/機接口
根據從空間實驗室所得到的經驗教訓，具有與用戶友好的機組人員接口是很重要的。對於也包含用戶設施在內的所有工作站來說，接口應是標準化的。就技術實現而言，應該考慮最大限度地採用先進的飛行器技術。計算機產生與太空飛行器狀態有關的信息的綜合顯示，無意義的報警應被清除。為了機組人員能夠最佳地工作，IVA和EVA無線工作站是需要的，工作站應是智慧型的，對話軟體將引導機組人員執行任務並由資料庫提供專門的幫助。
（5）髙速數據處理
某些與地球研究活動和圖象處理有關的儀器艙需要具有300個回響速度為500MBPS的數據下連線能力，這些數據必須通過數據管理系統進行路徑選擇和保存，而後由地面鏈路分時傳送。對於數據的路徑選擇，Gallium-Arsenide電路是有用的，但由於它們的輸出能力較低，為了獲得高的數據傳輸速率，需對電路布局進行某些研究。目前，為了存貯這樣的高速率數據，只對磁帶記錄器進行研究，設計目標大約是700MBPS。
軟體工程
軟體設計的主要要求是：關於與所有公司和組織機構的地面通訊；機上各子系統和儀器艙的整體組合和校驗。當安排軟體設計工作時，必然要用現有的軟體研製規則和軟體質量保證措施（例如，ESA所提出的那些規則和措施）來保證軟體的可移植性和易於整體組合。
下面的工具和手段是有用的：包括調試工具在內的實時軟體的開發系統（商品化計算機)；具有實時多任務特性的模組化的作業系統；獨立於機器的、可移植的、可維護的、對於所有組織機構都適用的高級程式設計語言(例如：Pascal，C，ADA)；模組化的、按自上而下進行結構設計的、具有可擴展的軟體分層特性的套用軟體結構；確定總體設計和詳細設計的軟體系統資料，可以使用編程設計語言（PDL）或EPOS作為資料檔案編制工具和用來配置控制；在目標計算上通過測試數據模擬來驗證的軟體系統校驗方法。
