SkyEye卫星篇-国的加强“芯”

​01.研究背景

1970年4月24日，我国首颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功，标志着我国在宇航技术研究领域取得了历史性的重大突破。然而由于国外芯片技术封锁等种种原因，卫星所用芯片都处于依赖国外进口的尴尬处境，成为“卡脖子”技术重灾区。

 ▲“东方红一号”迄今仍在轨运行

国内芯片自主研发道路的转折点发生在2002年8月10日——“龙芯1号”诞生。“龙芯1号”是我国自主研发宇航级芯片的代表，也是国内第一枚拥有自主知识产权的通用CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。截止目前，龙芯研发团队已成功研制出龙芯1号、龙芯2号、龙芯3号，在嵌入式、工业控制、桌面终端以及服务器领域得到广泛使用。

龙芯芯片自主研发的成功，直接解决了国外芯片“卡脖子”问题，从根本上降低了我国卫星制造成本，且成功突破了芯片性能上限。其中，龙芯1E芯片更是早在2015年就被由我国发射的北斗卫星所使用。

近年来，卫星产业发展迅猛，数字化、网络化、智能化、服务化转型升级需求日益增长。为进一步完善星务软件验证工作、获取在轨卫星模拟数据，“数字卫星”成为当下主流趋势。

02.数字卫星与仿真芯片的关系

数字卫星指通过软件模拟出真实在轨卫星的硬件，实现星上软件在仿真硬件上运行，同时利用协同仿真平台连接各个仿真模型（包括动力学模型）对卫星运行姿态进行实时或超实时模拟的仿真工程。数字卫星既能验证软件运行的正确性，也能通过超实时仿真技术提前获取卫星的运行状态，从而采集模拟数据量进行分析。

数字卫星仿真工程集成了多种仿真软件工程。硬件仿真工程中的核心是芯片仿真，主要实现卫星芯片CPU以及各个外设的仿真，最终实现星上软件在仿真芯片上的正常运行。

SkyEye天目全数字实时仿真软件，不仅能仿真芯片上固有的硬件外设（如uart、timer、pic等），也能根据实际需求进行定制化外设开发。以卫星芯片CPU为例，其仿真要求拥有更快的运行速率。SkyEye可使用基于LLVM的动态二进制翻译技术实现超实时仿真，提高CPU的运行速率。目前，SkyEye支持国内外主流的嵌入式硬件平台，可实现如PowerPC架构下mpc750芯片（150Mhz）的双倍速仿真。除此之外，SkyEye还为软件调试提供了丰富且灵活的工具，如覆盖率统计、故障注入、自动化测试等。

03.国的加强“芯”

在卫星芯片需具备的物理能力中，最关键的是在太空中抗辐射、耐高温等能力，因此卫星仿真需格外关注对这类特殊环境的模拟。对数字卫星而言，仿真芯片的性能将直接影响仿真的效率，也是能否完成超实时仿真的关键。超实时仿真技术能够在有限时间内预测出几倍于真实时间的卫星运行轨道、姿态、电量等重要数据，故超实时仿真技术支撑下的虚拟芯片亦称为国的加强“芯”。