航天器供配電測試設備硬件模塊化、軟件配置化設計思路

張洪光

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

我國各型號航天器對地面供配電測試設備系統的大部分系統需求是一致和穩定的,僅有個別型號有少量的特殊需求。目前,各型號地面供配電測試設備互換性差的主要原因之一是各型號對系統的子設備功能劃分很相近但又略有不同,使得各型號間的子設備不能互換[1-2]。

綜上所述,對于個別型號的少量特殊系統需求,需要具體問題具體分析,采用專用設計。對于各型號的大部分一致性系統需求,應該首先統一各型號系統子設備的功能定義,開展硬件模塊化設計,提高各型號之間地面供配電測試設備硬件模塊的互換性,開展軟件配置化設計,實現地面供配電測試設備軟件在同類型號和不同類型號之間的延用或重用[3-4]。

某航天器的地面供配電測試設備的系統需求具有典型性,沒有特殊性需求。在系統研制過程中,采用了硬件模塊化、軟件配置化的設計思路;在系統硬件方面,實現了某航天器的硬件子模塊可互換;在系統軟件方面,由于飛船系統有測試的特殊需求,實現了某航天器典型功能部分的軟件延用。

2 系統設計

典型的地面供配電測試設備包含上位計算機、有線前端測試設備、集中供電設備和太陽電池陣模擬器。上位計算機實現對整個系統的統一控制,測試時接收總控主測試計算機(M T P)的指令并執行;有線前端測試設備實現有線指令發送、模擬量測量和狀態量測量,包含測控單元、信號調理機箱、前端電源箱和前端跳線箱;集中供電設備實現地面穩壓供電和蓄電池恒流充電,包含穩壓電源、恒流電源和集中供電接口機箱;太陽電池陣模擬器為太陽翼的地面模擬電源,包含太陽電池陣模擬電源和太陽電池陣接口機箱[5-6]。

2.1 系統硬件設計

地面供配電測試設備的安全性、可靠性要求高,進行系統硬件設計時,系統硬件結構的繁簡應遵循客觀需求,力求結構簡單、不冗雜。針對各型號地面供配電測試設備的共同典型性需求,統一子設備功能定義,遵循增強模塊內聚性和模塊間松散性的設計原則,實行硬件模塊化設計[7-8]。

2.1.1 系統硬件構架分析

地面供配電測試設備是一種基于局域總線或網絡的綜合電子測量控制系統,涉及強電、弱電低頻信號,不涉及高頻信號,典型的系統硬件構架如圖1 所示。這種局域總線或網絡可以是局域網(LA N)、GPIB、RS232、LXI 等一種或幾種接口構成的綜合性網絡[9]。上位計算機通過局域總線或網絡實現對測控單元和通用電源設備的程控,從而實現對地面供配電測試設備的統一控制。

有線前端測試設備、集中供電設備和太陽電池陣模擬器的硬件構架和各子設備功能需求分析如下:

1)有線前端測試設備

(1)使用的測控單元有A glient 34970、Aglient 34980 和NI PXI 系統,為貨架式通用產品;

(2)前端電源箱為有線前端測試設備的供電電源,較為簡單,僅需統一前端電源箱的對外供電接口定義;

(3)星表插頭的接點定義千差萬別,使用前端跳線箱就是為了實現星地有線信號的跳線、歸類。現階段各航天器星表插頭接點定義很難規范化設計,跳線箱的規范化、模塊化設計時機還不夠成熟;

(4)信號調理機箱實現有線模擬量、有線狀態量和開出指令的調理變換,三項功能彼此獨立,適合于開展硬件模塊化設計,統一規范對外接口功能及對外插頭接點定義,從而達到各型號在上述三方面硬件模塊的可互換性和可重用性。

2)集中供電設備和太陽電池陣模擬器

(1)穩壓電源、恒流電源和太陽電池陣模擬電源均為貨架式通用產品;

(2)集中供電接口機箱和太陽電池陣接口機箱實現機柜內各電源的機械式繼電器加斷電控制,兩種機箱在硬件結構和工作原理上是很相近的,設計幾種類型的接口機箱單元模塊,各型號接口機箱可以通過選用相應類型單元模塊和加工機箱內的電纜,來實現整個接口機箱的設計,從而達到各型號在接口機箱內部所使用單元模塊的可互換性和可重用性。

2.1.2 硬件模塊化設計

信號調理機箱屬于弱電設備,開展信號調理機箱的硬件模塊設計時,需要注意信號調理機箱的弱電特性,綜合考慮電設計和結構設計。

1)電設計方面考慮如何實現信號調理機箱的模擬量、狀態量、開出指令調理的功能,實現時可以設計為相互獨立的功能單元,然后根據獨立功能單元的繁簡程度,設計出統一規格的一種型號板卡或幾種型號板卡;

2)結構設計方面考慮如何實現各功能板卡安裝方便、固定可靠,這需要首先統一各子卡的機械尺寸和安裝件規格,子卡的機械尺寸統一后,機箱整體結構采用各大公司廣泛使用的背插卡式機箱結構較好。

某航天器的地面信號調理機箱采用背板插卡式設計,如圖2 所示,母板為機箱底板,并設計了模擬量調理板、狀態量調理板、開出指令擴展板、開出指令控制板。母板提供10 個板卡插槽,母板各插槽接點定義一致,使得不同功能板卡可以插在任意插槽上。某航天器的地面有線信號要比一般衛星的地面有線信號多很多,信號調理機箱實際使用7 塊功能子板,還有3 個板卡插槽可以擴展。

集中供電接口機箱和太陽電池陣接口機箱在硬件結構上是一致的,區別僅在于接口機箱所使用繼電器的額定電壓、額定電流不同,使用繼電器的額定電壓與航天器一次母線電壓高低相關,使用繼電器的額定電流與對應星上接口的輸入功率的大小相關。依據各型號一次母線電壓和供電接口的輸入功率,可以設計以下4 種類型的單元模塊,每種單元模塊參數和使用場合如表1 所示。

4 種類型的單元模塊均可以獨立安裝,每類單元模塊具有一個輸入接口插頭、一個輸出接口插頭和一個控制接口插頭,統一規范4 種類型單元模塊對外插頭接點定義。類型Ⅰ和類型Ⅱ適用于太陽電池陣模擬器供電接口,如圖3 所示;類型Ⅲ、類型Ⅳ

表1 接口機箱單元模塊參數及應用表Table 1 Parameters and application table of unit model of interface cabinet

適用于穩壓供電、恒流充電接口,如圖4 所示。可以通過接口機箱內的電纜實現4 種類型單元模塊的原理電路重構,來滿足航天器的太陽電池陣接口電源通道多、穩壓供電接口功率大、恒流充電接口無遠端采樣等要求,實現接口機箱組裝化。

圖3 類型Ⅰ、類型Ⅱ單元模塊電路原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of type I and type Ⅱunit model

圖4 類型III、類型IV 單元模塊電路原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of type III and type IV unit model

2.2 系統軟件設計

各型號地面供配電測試設備軟件功能差異性較小,系統軟件主要實現對測控單元和貨架式通用電源的編程。傳統的系統軟件設計思路,使得各型號系統軟件開發人員反復地做重復性編程工作[10]。以典型地面供配電測試設備軟件需求集合為基礎,開發出通過更改配置文件即可以實現軟件升級或重構的地面供配電測試設備應用程序,從而實現系統軟件在同類型號和不同類型號之間的延用或重用,而不需要軟件開發人員在編譯環境重新修改代碼,從而大幅降低系統軟件開發的人力成本和時間成本,延長了系統軟件的生命周期,這就是軟件配置化的設計思路。

2.2.1 系統軟件需求分析

典型地面供配電測試設備軟件需求集合包含模擬量測量、狀態量測量、開出指令發送、穩壓電源程控、充電電源程控、太陽電池陣模擬電源程控和與總控網絡通信,共7 項功能。

從數據流和功能模塊設計的角度分析,模擬量和狀態量測量實現了對測控單元采集單元編程,屬于數據輸入流。開出指令發送實現對測控單元指令發送單元編程,屬于數據輸出流。穩壓電源、充電電源、太陽電池陣模擬電源程控實現對各路電源的參數和輸出設置,屬于數據輸出流,讀取各電源輸出參數,屬于數據輸入流。在與總控網絡通信方面,系統軟件接受總控指令,屬于數據輸入流,將采集數據回傳給總控,屬于數據輸出流。

系統軟件總構架適于采用初始、運行、退出的順序式結構,初始結構主要實現通過配置文件配置軟件系統、初始化各種板卡等;運行結構采用并行結構,實現測量、控制、與總控通信的主體功能;退出實現系統資源的釋放。

2.2.2 軟件配置化設計

在地面供配電測試設備軟件的初始結構中,讀取Excel 格式的配置文件,實現了模擬量、狀態量、開出指令、貨架式通用電源、總控主計算機(M TP)的配置。不同的配置文件,即實現了系統軟件的升級或重構,詳細的可配置項如表2 所示。某航天器系統軟件實現了軟件配置化設計,在初樣第一階段至第二階段有線信號數量類型變化大、地面電源結構變化的情況下,僅用不到1h 更改軟件配置文件,便實現軟件升級,為后續空間站地面供配電測試設備軟件打下了堅實的基礎。

表2 地面供配電測試設備軟件配置信息表Table 2 Software configuration information table of ground power supply system

2.3 硬件模塊化、軟件配置化剖析

采用硬件模塊化、軟件配置化設計思路,在系統硬件方面,可以統一各型號對地面供配電測試設備的功能劃分,更容易形成統一功能、統一接口的產品化子模塊、子設備;在系統軟件方面,可以大幅降低系統軟件開發的人力成本和時間成本,延長軟件的生命周期。同時,可以優化地面供配電測試設備的研制流程,減少設計人員的重復性勞動,硬件方面變設計硬件為硬件模塊選型,軟件方面變編寫軟件為修改配置文件,如圖5 所示。

圖5 改進后的地面供配電測試設備的完整研制流程Fig.5 Development process of power supply system using hardw are modularization and softw are configuration design method

3 結論

各型號航天器地面供配電測試設備系統需求的一致性和穩定性是開展硬件模塊化、軟件配置化設計的基礎。采用硬件模塊化、軟件配置化設計的目的,均是為了減少重復性開發、提高可互換性和可重用性,是地面供配電測試設備通用化研制過程中的一種有益嘗試。

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[1]李孝同,施思寒.微小衛星綜合電子系統[J].航天器工程, 2008,1(1):16-25

[2]楊成.基于虛擬儀器的航空電子設備檢測系統設計[J].指揮控制與仿真,2008, 30(3):106-109

[3]朱毅麟.中國空間技術研究院的標準化衛星平臺[J].航天器工程,2007,16(1):10-17

[4]高海英, 凌幸華.通用地面仿真測試設備的開發[J].計算機工程,2008, 34(B09):108-110

[5]孫澤洲.通用化衛星測控地面測試系統設計[J].航天器工程,1999, 8(1):37-41

[6]曾毅,崔波.一種新的航天器電源系統拓撲[J].航天器工程,2009, 18(5):95-100

[7]孫杰,孫兆偉,趙陽.微型航天器模塊化設計及其關鍵技術研究[J].哈爾濱工業大學學報,2007, 39 (12):1908-1911

[8]H su J C.Using system engineering on an aircraft improvement project[J].Aeronautical Journal, 2006, 110(1114):813-820

[9]張慶華,吳印,韓吉韜.基于通用接口母線的自動測試方法[J].南京理工大學學報(自然科學版), 2005, 29(1):35-39

[10]Favre L.Modernizing softw are and system engineering processes[C].19th International Conference on Systems Engineering, 2008, 21(8):442-447