0 引 言
我国在“天问”一号首次火星探测任务[1]圆满成功之后，又启动了“天问”二号小行星探测任务。依据顶层论证及科学目标需求，“天问”二号小行星探测任务计划通过一次发射，实现对近地小行星2016 HO3的近距探测、采样返回，以及对主带彗星311P的探测三大目标[2]。为达成本次任务的科学目标，探测器搭载了中视场彩色相机、热辐射光谱仪、可见红外成像光谱仪、多光谱相机、探测雷达、磁强计、喷发物分析仪等6类8台套科学载荷[3]。在执行任务过程中，探测器将先对近地小行星2016 HO3开展绕飞探测，随后择机完成小行星样品采集，再返回地球附近释放返回舱，将采集的小行星样品送回地球。上述环节完成后，探测器将借助地球、火星的引力，继续飞行至小行星带，对主带彗星311P实施探测。整个任务涵盖小行星接近段、交会段、近距悬停探测、采样段等十三个飞行阶段。
为了简化科学载荷与探测器平台接口关系，降低系统复杂性，提高系统功能的集成度及可靠性，减少重量、功耗等资源的开销，有效载荷分系统配置了一台载荷管理单元（Payload Management Unit，PMU），负责统一管理各有效载荷的供配电、遥测遥控、数据采集、自主运行控制、健康管理、数据处理等功能[4]，实现灵活高效的系统管理，达到提高有效载荷在轨管理的自主性和灵活性的目的。
1 技术功能要求
载荷管理单元的主要功能要求如下：
（1）分系统内部公共一次及二次电源的供配电；
（2）多任务过程管理和自主处理功能；
（3）载荷状态采集和工程参数组织功能；
（4）科学数据合路与处理功能；
（5）多类型载荷接口匹配能力；
（6）载荷故障隔离及健康管理功能；
（7）具有中视场彩色相机图像数据压缩[5]功能；
（8）具有多光谱相机图像数据压缩功能；
（9）具有数据缓存功能；
（10）具有单机冷备功能；
（11）集成带电粒子与中性粒子分析仪数据处理单元功能；
（12）集成磁强计信号处理单元功能；
（13）具有通过开窗实现多光谱相机成像区域选择的功能；
（14）具有通过抽样实现多光谱相机成像分辨率调整的功能；
（15）具有自主安全管理、自主任务管理等功能。
2 载荷管理单元设计
2.1 单机组成
鉴于“天问”二号探测器有效载荷分系统载荷管理单元在体积、重量、功耗、存储、热控、数据传输等因素受到工程系统的严格约束，其组成如图1 所示，共设计供配电单元、计算机单元、数据处理单元、测控单元、接口路由单元1、接口路由单元2，此外还集成了粒子数据处理单元、磁强计电子学单元，均为单板冷备设计。
计算机单元是整个载荷管理单元的控制核心，在软件支持下通过各功能单元实现系统运行。该单元以中央处理器为核心，搭配外围非门阵列闪存（NorFLASH）、同步动态随机存取内存（Synchronous Dynamic Random-Access Memory，SDRAM）、PROM、1553B及其他逻辑单元构成计算机最小系统：NorFLASH用于存储系统软件与应用软件，SDRAM作为程序运行内存，PROM则存储引导程序；其对外接口为1553B总线，以远程终端(Remote Terminal，RT)模式运行，实现与探测器平台的总线连接；对内提供三总线，用于管理测控单元现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、数据处理FPGA及图像压缩FPGA。
数据处理单元负责通过高速接口接收载荷的科学数据，经校验、压缩与存储后，通过数传低压差分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）接口发送至探测器平台。
测控单元以反熔丝FPGA为核心，以其高可靠性实现与载荷的RS422通信、模拟量采集及载荷开关机指令生成等功能。
接口路由单元2的主要作用是整合载荷的RS422通信，扩展遥测与遥控输入输出信号，简化载荷管理单元与有效载荷之间的接口关系；同时变换产生±5 V、12 V二次电源及29 V二次指令电源。
接口路由单元1接收来自供配电单元的一次电源，经DC/DC变换生成−12 V、24 V、−24 V等二次电源，为带电粒子与中性粒子分析仪供电，并对外提供6路一次电源输出。
载荷管理单元通过4路RS422接口，实现了与中视场彩色相机、可见红外成像光谱仪、探测雷达、多光谱相机的数字测控；同时，该单元还通过4路RS422接口实现与热辐射光谱仪、喷发物分析仪的挥发分模块、喷发物分析仪的尘埃模块、磁强计以及带电粒子与中性粒子分析仪的数字测控及科学数据采集；通过2路四线制LVDS[8]接口，完成了与中视场彩色相机和可见红外成像光谱仪的科学数据采集；通过2路单线制LVDS接口，完成了与探测雷达和多光谱相机的科学数据采集，并同步采集各载荷模拟量遥测参数。最终，载荷管理单元将载荷分系统的科学数据、数字测控的工程参数、模拟量遥测数据缓存处理后，通过1路三线制LVDS接口发送给探测器平台，并通过1路1553B总线接口实现与平台的交互。PMU信息流图见图2 。
2.2 工作模式
载荷管理单元的工作模式分为探测模式和在轨更新模式，两种模式之间的切换关系如图3 所示。
（1）系统上电后，自动默认进入探测模式。
（2）在探测模式下，接收到在轨更新设置数据注入时，切换至在轨更新[9]模式。
（3）在轨更新模式下，完成在轨更新操作后，自主返回探测模式。
2.2.1 探测模式
载荷管理单元上电后，默认进入探测模式，获取探测器运行状态。根据预置于载荷管理单元设备内且可在轨更新的自主探测表，系统自主执行载荷探测控制、载荷分系统健康管理。同时，采集载荷工程参数与科学数据，并在完成数据预处理后，将数据合路存储并发送至探测器平台下行。
2.2.2 在轨更新模式
载荷管理单元在探测模式下接收到在轨更新设置的数据注入后，将进入在轨更新模式，完成对软件配置项程序及自主探测表的在轨写入。自主探测表存储于NorFLASH存储区（采用有效字节紧凑存储方式，以节约存储空间），并在上电初始化阶段加载至内存执行区（采用固定大小分区的分散式存储方式，在轨运行时可灵活调整自主表所包含的指令数量和指令顺序，随时进行增减操作）运行。如果加载失败，自主探测表执行禁止，等待地面在轨更新。此时，载荷管理单元可通过数据注入或事件表的形式完成载荷探测。
自主探测表的更新机制如下：从注入缓存区更新至内存执行区时，以“单表”为最小操作单位；从内存执行区更新至NorFLASH存储区时，以“单个载荷”为最小操作单位。如图4 所示，地面数据注入自主探测表后，载荷管理单元接收并将其存入自主探测表注入缓存区。当收到在轨更新设置指令时，若自主探测表处于未执行状态，则将其从注入缓存区迁移至内存执行区；收到自主探测表维护指令后，再将其从内存执行区写入NorFLASH存储区。此外，通过自主探测表维护指令，载荷管理单元还支持从NorFLASH存储区向内存执行区的回读操作。
2.3 单机功能
载荷管理单元最终实现的主要功能包括以下7点：
（1）载荷供配电功能。接收探测器平台的一次低压母线电源，经过变换处理后，生成管理单元及载荷所需的二次电源；同时，根据载荷需求，转发平台一次低压母线电源、提供29 V的二次指令电源。此外，通过扩展遥控指令功能，实现载荷开关机等控制操作。
（2）多任务过程管理和自主处理功能。为了支持8台载荷在不同工况下的探测任务，载荷管理单元选用多任务操作系统做软件运行支撑。针对小行星探测任务的目标特性认识不足、探测机会有限和探测方式高度自主化的要求，载荷管理单元开展了自主功能设计，包括自主任务管理设计、自主监控管理设计、自主安全管理设计和自主联合探测。通过这些自主功能，可以减少地面干预，降低探测器操作成本，灵活应对任务中的不确定性，合理分配和使用探测器能源、测控和存储资源，从而提高任务可靠性并提升科学探测效率。
（3）载荷状态采集和工程参数组织功能。完成载荷执行状态与工程参数的采集，包括采集载荷分系统的30路模拟遥测数据，通过RS422总线采集载荷工程参数；将载荷管理单元自身的模拟量遥测、状态量及重要参数打包为PMU工程参数，再将各载荷工程参数与PMU工程参数整合为工程参数传输帧。
（4）科学数据采集和在轨压缩处理功能。通过单线制LVDS接口、四线制LVDS接口或RS422接口接收各载荷的科学数据，将其组织成科学数据传输帧。根据载荷对科学数据的在轨处理需求和相关算法，对接收到的科学数据进行压缩、开窗、抽样等处理。
（5）数据合路和存储功能。完成载荷数据的存储[10]、回放及存储器擦除，支持块分配表（Block Allocation Table，BAT）坏块管理、回放地址调整、大容量格式化等操作，最大存储容量达16 GB；同时，将有效载荷的科学数据与工程参数传输帧合路后，输出至探测器平台。
（6）载荷故障隔离及健康管理功能。“天问”二号探测器载荷管理单元显著提升了故障状态检测与容错处理能力。具体措施包括：为一次母线载荷加熔断器，二次电源载荷使用独立电源模块，并由数管分系统SMU控制二次电源的主备切换，以实现载荷故障隔离设计；依据载荷分系统实时工况，对载荷分系统一次电流进行阶梯监控；根据载荷需求，对监控对象、监控策略及故障恢复措施均进行定制化设置，并支持在轨修改；依据探测器平台喷气状态，完成载荷高压保护；统筹负责载荷分系统各软件FPGA配置项的在轨更新。通过这些措施，系统保障、维护与支撑能力得到强化，进一步提升了系统的可靠性与安全性。
（7）总线通信功能。载荷管理单元配置1553B总线接口，采用A/B总线热备与平台接口实现与探测器平台的稳定通信。该单元负责接收载荷辅助数据、数据注入、控制指令、校时、总线指令等信息，并将有效载荷分系统关键遥测参数发送给探测器平台。此外，通过事件报告码，该单元能够及时将载荷分系统故障处理状态及时通知探测器平台。
3 设计特点分析
3.1 载荷高集成化设计
为优化载荷分系统的资源配置，减少分散布置的载荷电子学箱数量，针对传感器探头与电子学可分离的有效载荷，将其原独立的电子学控制部分整合为单一电子学单元，并集成至载荷管理单元内部。最终，形成了有效载荷分系统与多载荷电子学紧耦合的轻小型一体化设计技术，成功实现了减重目标。
3.2 载荷供配电故障隔离设计
供配电功能采用全电路冷备设计，即探测器平台的一次低压母线接入载荷管理单元后，分设5路熔断器保障母线安全；各DC/DC模块供电裕度达标，均具备过流保护功能（短路时以最大电流输出，输出电压同步下降）；6路一次供电载荷与3路二次供电载荷通过指令控制各自继电器开关，独立控制，从而实现故障隔离。
3.3 自主探测设计
在探测2016 HO3阶段，测控数据码速率较低，规划的测站停留时间较短；而在探测311P阶段，探测姿态下不具备器地通信条件，加之对小行星探测任务目标特性的认识不足，因此探测方式需要高度自主化。为此，载荷管理单元开展了自主探测功能的设计，包括自主任务管理设计、自主监控管理设计和自主安全管理设计等方面。相较于之前的方案，“天问”二号探测器载荷管理单元的自主探测能力实现了任务切换的精准化、任务规划的自主化、故障监控处置的自动化和在轨可编程化，有效减少了地面干预，降低了探测器的操作成本。
3.4 多载荷联合探测和数据预处理设计
受数传资源限制，为提升在轨探测科学数据的有效性，为此设计了联合探测与多功能融合的数据预处理技术。联合探测依托远视场条件，精准提取目标天体投影到中视场彩色相机视场的位置信息，经过坐标转换，一方面将其转换为热辐射光谱仪的探测范围，另一方面控制可见红外实现精准随动探测。此外，该技术还控制多光谱相机在轨自主精准开窗，通过五家载荷的协同作业，有效提升数据效率。多功能融合的数据预处理则通过载荷管理单元，实现多模式图像数据处理（包括压缩、抽样、开窗等），有效减少数据量，并设计了4级流水大容量缓存结构，以增强数据缓存能力。
4 结 语
“天问”二号载荷管理单元通过功能优化与技术创新，实现了有效载荷分系统集成化、自主化、高可靠的任务目标，解决了多探测方式协同、长期无人值守安全等难题，为载荷高效运行提供了支撑，也为我国后续深空探测任务的有效载荷系统设计提供了技术参考。目前，“天问”二号在轨运行状态良好，载荷管理单元开机正常，已成功实施了载荷热刀解锁、加热去污、自检测试，以及带电粒子与中性粒子探测控制和高压保护等任务。后续，该单元将在小行星近距悬停探测、小行星采样、彗星探测等阶段，继续为有效载荷探测提供有力保障。