以卫星为代表的航天飞行器的功能与结构愈发复杂，基于状态监测数据分析的故障监测与健康管理技术成为保障卫星系统可靠性和运行稳定性的关键技术。然而，传统卫星数据监测系统存在无法实时监测以及无法实时下传遥测数据等问题。针对此问题，本文开展卫星在线状态监测模块的研究，实现状态数据的在线监测并提供相应的数据在线处理平台。本文在分析状态监测所需数据接口和处理能力需求的基础上，充分考虑卫星系统在功耗、体积、重量以及可靠性方面的设计约束提出一种基于片上系统的嵌入式在线状态监测模块结构方案。该方案依托综合电子系统的标准化总线和网络接口技术，实现卫星状态监测数据的获取；通过高性能处理器及定制计算方法，提高数据处理能力并完成算法实现的标准化接口；通过高效的片上总线系统，为数据处理提供高效的数据交互能力。本方案可满足未来在线状态监测信息采集和处理的需求，同时为高性能、低功耗、小体积的嵌入式机器学习等复杂计算方法的实现提供关键技术支撑。为验证方案的可行性，本文将方案实例化，研制可以传输并处理数据的卫星在线状态监测模块。该模块为一块3U的CPCI板卡，采用非侵入式设计，通过SpaceWire及CPCI总线接口，获取并传输卫星状态数据。选用具有低功耗异构处理能力的Zynq-7000AP SoC作为核心处理器，利用其PL部分的并行计算特性来有效提高计算能力。同时在片上系统中，为提升数据接口与数据处理模块之间的数据交互效率，将SpaceWire节点逻辑与CPCI总线接口逻辑分别封装成可挂载至AXI4总线的IP核，并自定义FIFO转AXI4-Stream接口IP核，使得数据可以以DMA方式进行传输。经测试，所研制的卫星在线状态监测模块可以通过SpaceWire在波特率为200Mbps的情况下进行数据传输，针对32阶浮点矩阵乘法的浮点运算能力最高可达1333MFLOPS，Zynq SoC PL与PS部分间AXI_HP与AXI_ACP端口的DMA数据传输速度均高于300MB/s，所测得的参数均满足技术指标要求。本文对航天航空无人飞行器的故障诊断与健康管理硬件平台的研究与开发具有重要的参考价值。